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Die
Erfindung betrifft einen optischen Kleinwinkelgenerator mit einem
eine Winkelablenkung eines einfallenden optischen Strahls bewirkenden
und einen den Kleinwinkel bezüglich
des einfallenden Strahls aufweisenden reflektierten Strahl erzeugenden
Bauteil, dessen Lagerung so drehbar ist, dass die mit der Drehung
verbundene Änderung
der Strahlablenkung bezüglich
einer Messachse in Abhängigkeit
von der Winkelablenkung untersetzt wird.
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Einrichtungen
zur Erzeugung kleiner Winkeländerungen
sind beispielsweise zum Kalibrieren von Autokollimationsfernrohren
(AKF) bekannt. Diese Einrichtungen lenken den AKF-Strahlengang über einen
reflektierenden Planspiegel in messbarer Weise ab. Die bekannten
Messprinzipien dieser Geräte
sind das Tangenslineal und der Drehkeil.
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Beim
Tangenslineal wird ein Reflektionsspiegel auf einem Lineal verkippt,
das an einem Ende in einer horizontalen Drehachse aufliegt und am
anderen Ende messbar vertikal verstellt wird. Der Verstellwinkel α ergibt sich
aus dem Verhältnis
der Höhenänderung
h zur Basislänge
L des Lineals nach der Funktion tan α = h/L. Die erreichbare Messgenauigkeit
hängt vor
allem von der Kenntnis der Länge
L sowie von der Lagestabilität
der Drehachse bei der Verkippung des Tangenslineals ab.
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Beim
Drehkeilprinzip besteht das Bauteil aus einer Keilplatte aus Glas,
die in den Strahlengang des AKF eingesetzt wird, wobei die Drehachse
in Richtung der optischen Achse des AKF verläuft und senkrecht auf der winkelhalbierenden
Ebene des Keilwinkels steht. Der Glaskeil mit dem Keilwinkel φ und dem
Brechungsindex n lenkt den AKF-Strahl um den Winkel α = (n – 1) φ ab. Bei
der Drehung des Keils um den Dreh- oder Rollwinkel ω beschreibt
der Ablenkwinkel α einen
Kreis um die Drehachse gemäß der Beziehung α = α·cos ω, bewegt
sich also bei einer vollen Umdrehung in allen azimutalen Richtungen
in den Grenzen ± α.
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Bei
einer bekannten Variante des Tangenslineals (Modern Techniques in
Metrology, Hrsg. Paul L. Hewitt, 1984, S. 107) bildet ein Spiegel
mit seiner Spiegelnormalen-richtung einen kleinen horizontalen Winkel ε zur Drehachse
des Tangenslineals. Bei Kippung des Tangenslineals um einen kleinen
Winkel α erhält man eine
kleine vertikale Winkelbewegung der Spiegelnormale mit dem Produktwinkel α·ε. Dieser „Compound-Angle
Generator" wirkt
somit als Winkeluntersetzer für
den Kippwinkel α des
Tangensarms, wobei der Untersetzungsfaktor durch den Kippwinkel ε des Spiegels
zur Drehachse gegeben ist. Mit diesem Prinzip lassen sich sehr kleine
Winkeländerungen
erzeugen, deren Genauigkeit jedoch durch axiale Lageänderungen
des Tangenslineals begrenzt ist.
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Die
bekannten Kleinwinkelgeneratoren weisen den gemeinsamen Nachteil
eines relativ großen Bauvolumens
auf, woraus ein Fehlereinfluss der Temperatur und ein begrenzter
Dynamikbereich für schnelle
Winkeländerungen
resultiert.
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Durch
CH 664 022 A5 ist
eine Vorrichtung zur elektrooptischen Entfernungsmessung mit modulierter
Strahlung bekannt, bei der der Nachteil auftritt, dass die Anregung
der die modulierte optische Strahlung aussendenden Halbleiterdioden
auf der imitierenden Fläche
zu unterschiedlichen Zeiten auftritt, wodurch eine störende zusätzliche
Modulation entsteht. Zur Kompensation dieses Effektes wird der ausgesandte
Strahl mit Hilfe eines transparenten Keils abgelenkt und durch eine Drehung
des Keils in der optischen Achse mit dem abgelenkten Strahl eine Führung des
ausgesandten Strahlbündels über einen Kreisring
bewirkt. Die Generierung eines Kleinwinkels im Sinne der vorstehenden
Erläuterungen
ist dieser Schrift nicht zu entnehmen.
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Der
Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde, einen optischen
Kleinwinkelgenerator der eingangs erwähnten Art anzugeben, der ein
kleineres Bauvolumen aufweist und einen größeren Dynamikbereich für schnelle
Winkeländerungen
ermöglicht.
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Ausgehend
von dieser Problemstellung ist erfindungsgemäß ein optischer Kleinwinkelgenerator gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung des Bauteils
piezoelektrisch um eine zur optischen Achse des einfallenden Stahls
parallel versetzt angeordnete Achse kippbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Lagerung
kann aus einer ebenen Plattform bestehen, auf die das strahlablenkende
Bauteil positioniert wird. Die Plattform ist um eine Achse kippbar,
die parallel zur optischen Achse des einfallenden Strahls liegt.
Die Erfindung ermöglicht
die Generierung von Ultra-Kleinwinkeln unter Anwendung des Prinzips
der Produktwinkelbildung. Anwendungsgebiete der Erfindung bestehen insbesondere
dort, wo extrem kleine optische Winkeländerungen mit hoher Genauigkeit
und Dynamik zu realisieren sind, z.B. für die Kalibrierung hochauflösender elektronischer
Autokollimatoren und für
ihren Einsatz zur Topografiemessung an optischen Flächen oder
für Verfahren
zur geregelten Strahlnachführung
bei Laserscannern, Laserstrahlsteuerungen oder Bildstabilisierung
von astronomischen Teleskopen und abbildenden Systemen.
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Geeignete
Piezo-Lagerungen sind bekannt und als Piezo-Kippsysteme mit Festkörpergelenken kommerziell
erhältlich.
Sie weisen eine kompakte Bauart, ein schnelles Ansprechverhalten
im Sub-ms-Bereich und eine hohe Winkelauflösung im Sub-μrad Bereich
auf. Sie werden in der „Aktiven
Optik" für Tracking,
Scanning usw. und für
die statische Ausrichtung von Spiegeln, Optiken oder Bauteilen verwendet.
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Das
optische Bauteil kann eine den einfallenden Strahl reflektierende
Fläche
aufweisen, also einen Spiegel darstellen.
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Das
optische Bauteil kann ferner ein Keilwinkelprisma sein, das ggf.
in Kombination mit einem Spiegel verwendbar ist.
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Für eine von
einem Brechungsindex unabhängige
Funktion kann das Keilwinkelprisma durch eine Keilwinkel-Doppelspiegelanordnung
ersetzt werden.
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Die
Detektion des variierten Winkels kann mit Hilfe eines AKF, in noch
einfacherer Form aber mit einer Differenzdiodenanordnung erfolgen.
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Die
Erfindung soll im Folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 – eine schematische perspektivische Ansicht
und eine Teil-Draufsicht
eines erfindungsgemäßen Kleinwinkelgenerators
mit einem Spiegel als optisches Bauteil
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2 – eine schematische Draufsicht
mit Verdeutlichung des Strahlengangs eines optischen Kleinwinkelgenerators
mit einem Keilwinkelprisma als optisches Bauteil
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3 – zwei schematische Darstellungen
einer Keilwinkel-Doppelspiegelanordnung
als optisches Bauteil.
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1 lässt ein Autokollimationsfernrohr (AKF) 1 erkennen,
das auf einer festen Unterlage 2 ausgerichtet ist. Ein
vom Autokollimationsfernrohr 1 ausgehender Strahl 3 definiert
eine Z-Achse. Das Autokollimationsfernrohr 1 definiert
eine X-Y-Winkel-messebene senkrecht zum Strahl 3, in der
Winkeländerungen
eines reflektierten Strahls detektiert werden. Der Strahl 3 trifft
auf ein optisches Bauteil, das als Spiegel 4 ausgebildet
ist. Der Spiegel 4 besteht aus einem Glaswürfel mit
einer verspiegelten Frontfläche.
Der Spiegel 4 liegt auf einer Plattform 5 eines
Piezo-Kippsystems 6 auf. Ein zylindrischer Mantel des Piezo-Kippsystems 6 weist
einen umlaufenden Schlitz 7 auf, der durch (nicht dargestellte) schmale
Stege überbrückt ist.
Auf diese Weise ist ein oberhalb des Schlitzes befindliches Oberteil 8 gegenüber einem
ortsfesten Unterteil 9 kippbar.
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Die
auf dem Oberteil 8 befindliche Plattform 5 ist
somit bezüglich
des Strahls 3 um eine parallel versetzt zum Strahl 3 verlaufende
Rollachse θz kippbar. Hierfür greifen symmetrisch zu der
Achse ein Paar Piezo-Elemente an, die gegenläufig gesteuert werden, sodass
eine Druckbetätigung
des einen Elements der Zugbetätigung
des zugehörigen
anderen Piezo-Elements entspricht.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Piezo-Kippsystem 6 mit einem weiteren Paar Piezo-Elementen
versehen, die ein Kippen um eine senk recht zur Rollachse θz stehende Achse θy ermöglichen,
wobei die beiden Achsen eine Ebene aufspannen, die parallel zur
Plattform 5 liegt.
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1 b zeigt in einer Draufsicht,
dass die verspiegelte Fläche
des Spiegels 4 mit der Rollachse θz einen
kleinen Winkel ε einschließt. Findet
nun eine Kippung des Spiegels 4 mit der Plattform 5 um
die Achse θz statt, entsteht an der AKF-Anzeige eine
kleine Änderung ΔY mit ΔY
= ε·Δθz,wobei Δθz den
Kippwinkel um die Rollachse θz darstellt.
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Während somit
die Kippbewegung um den Winkel Δθz durch die Anordnung mit dem Faktor ε untersetzt
wird, geht eine Kippbewegung um den Winkel Δθy direkt
in die Anzeige des AKF 1 ein.
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Wegen
der Untersetzung der Winkelbewegung in der Achse θz kann diese Achse in jeder Position der
Verstellung θy zur Y-Feinverstellung genutzt werden, beispielsweise
zur hochauflösenden
Untersuchung der Nichtlinearität
einer AKF-Kennlinie in kleinen Bereichen innerhalb eines größeren Messbereichs.
Der Kippwinkel ε des
Spiegels 4 lässt
sich leicht mit Hilfe des AKF 1 einstellen, indem der Spiegel
zunächst
so lange gedreht wird, bis eine Kippung θz keine Änderung
in der Y-Achse des AKF ergibt. In diesem Fall liegt die Spiegelnormale
parallel zur Achse θz. Ausgehend von dieser Position wird nun
der Spiegel horizontal um einen Winkel ε gedreht, der mittels der X-Anzeige
des AKF gemessen werden kann. Reicht der AKF-Messbereich hierfür nicht
aus, so kann ε nach
sukzessiver horizontaler Verdrehung des AKF 1 in mehreren
Schritten geändert
werden, die jeweils den AKF-Messbereich fast voll überstreichen.
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Bei
diesem Messprinzip gehen Ungenauigkeiten in ε oder θz nur
multiplikativ mit dem jeweils anderen kleinen Winkel in die Ausgangsgröße ΔY ein, sodass
keine sehr hohen Anforderungen an die absolute Genauigkeit der beiden
Eingangswinkel ε und θz zu stellen sind. Aus einer typischen Wiederholbarkeit
des Piezo-Kippsystems 6 von ± 1 μrad und einer beispielhaften
Unsicherheit von Δε = 200'' ergibt sich eine Unsi cherheit von ΔY = ± 1 nrad
(2·10–4''). Begrenzt wird die Genauigkeit von ΔY vor allem
durch mögliche
Richtungsverlagerungen der Achse θz aufgrund
von mechanischen Grenzen des Piezo-Kippsystems 6, beispielsweise
durch Übersprecheffekte der
Achsen θz und θy.
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Der
genannte Fehlereinfluss kann vermieden werden, wenn anstelle des
Spiegels 4 auf dem Piezo-Kippsystem 6 ein Keilwinkelprisma 4' aus Glas verwendet
wird, wie dies in 2 dargestellt
ist. Das Keilwinkelprisma 4' wird
vom AKF-Strahl 3 durchsetzt. In Strahlrichtung hinter dem
Keilwinkelprisma 4' ist
ein Planspiegel 10 ortsfest installiert. Zwischen dem auf
das Keilwinkelprisma 4' einfallenden
Strahl 3 und dem in das AKF 1 zurück reflektierten
Strahlenbündel
entsteht durch die Lichtbrechung des Keilwinkelprismas 4' der Ablenkwinkel α = (n – 1) φ, wobei
n der Brechungsindex des Glases und φ der Keilwinkel des Keilwinkelprismas 4' ist. Der Keilwinkel
liegt in der Ebene θy, θz des Piezo-Kippsystems 6 und die mittlere
Keilebene steht senkrecht zur Richtung des Strahls 3, sodass
die beiden Keilflächen
die gleiche brechende Wirkung haben. In dieser Lage hat der Ablenkwinkel α ein Minimum,
sodass kleine Drehungen des Keilwinkelprismas 4' um eine Achse
senkrecht zur Zeichenebene keinen Einfluss auf den Ablenkwinkel α haben. Auch
kleine Drehungen um die Achse θy wirken sich nicht in einer Winkeländerung des
Strahlenganges aus, da in der zu θy senkrechten Ebene
kein Keilwinkel wirkt, sondern nur ein kleiner Parallelversatz des
Strahlenbündels,
wie bei Drehung einer Planparallelplatte, entsteht. Zwischen einer
kleinen Winkeländerung Δθz und der Änderung der Anzeige in der
Y-Achse des AKF gilt analog zu dem Sachverhalt des Aufbaus in 1 die Beziehung: ΔY
= α·Δθz.
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Es
ergibt sich also bei dem dargestellten Keilkalibrator eine sehr
kleine Winkeländerung ΔY aus dem
Produkt der kleinen Winkeländerung Δθz mit dem Keilablenkwinkel α. Letztere
ist für
Glas-Keilwinkelprismen 4' genügend genau
bekannt oder durch vorherige Messung zu bestimmen. Ein Fehlereinfluss durch
Achsverlagerung tritt bei dem Keilwinkelprinzip aus den oben genannten
Gründen
nicht auf.
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Sollte
der Einfluss des Brechungsindex n des Glases auf den Keilablenkwinkel α nachteilig
sein, kann das Keilwinkelprisma 4' auch durch eine Doppelspiegel-Anordnung 4'' ersetzt werden, die einen Luftkeil
bildet. 3 zeigt eine
derartige Anordnung aus zwei Glasplatten P, P', die jeweils teilweise eine Verspiegelung 11 aufweisen.
Die beiden Platten P, P' stehen
in dem Keilwinkel φ zueinander,
sodass ein einfallender Strahl 3 durch einen nicht verspiegelten Teil
der Platte P' einfällt, von
der Verspiegelung 11 der Platte P reflektiert wird, dadurch
auf die Verspiegelung 11 der Platte P' gelangt und nach Reflektion durch den
nicht verspiegelten Teil der Platte P unter dem Winkel α zum einfallenden
Strahl 3 austritt. Der Strahlablenkwinkel α beträgt das Doppelte
des Keilwinkels φ.
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Der
Durchtritt des Strahls 3 durch die nicht verspiegelten
Teile der Platten P, P' führt nicht
zu einer Winkeländerung,
sondern nur zu einem geringen Parallelversatz. Selbstverständlich ist
es auch möglich,
die Platten P, P' am
Ende der Verspiegelungen 11 enden zu lassen bzw. auszusparen,
um den Strahl 3 direkt auf die Verspiegelungen 11 auftreffen
bzw. von ihnen austreten zu lassen.
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Das
erfindungsgemäße Piezo-Kippsystem 6, wie
es gemäß 2 aufgebaut ist, kann auch
dazu dienen, kleine vertikale Kippungen des fest installierten Spiegels 10 durch
empfindliches Nachstellen von θz zu kompensieren. Insbesondere eignet sich
diese Anordnung zur automatischen Strahlwinkelregelung mit Hilfe
des Y-Signals des AKF 1, das als Kontrollspannung zur Piezo-Steuerung
der Achse θz verwendbar ist. Das AKF 1 wäre in diesem
Fall auf die Funktion eines Winkel-Nulldetektors reduziert und kann
daher als kompakter Nulllagesensor in Form einer Differenz-Photodiode
in der Brennebene einer Linse ausgeführt werden. Da ein solcher
Sensor im Unterschied zum herkömmlichen
elektronischen AKF 1 in einem hohen Dynamikbereich funktioniert,
eignet er sich besonders dazu, zusammen mit der ebenfalls schnellen
Piezo-Kippvorrichtung 6 für dynamische Mess- und Regelungsvorgänge eingesetzt
zu werden, wie sie für
Anwendungen der „Aktiven
Optik" und Strahlscanning-Verfahren
von Interesse sind.
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Vorteilhaft
ist es insbesondere, die Winkelachse θz mit
einer Wechselspannung periodisch zu modulieren und das Y-Signal
des Sensors (AKF 1 oder entsprechende Sensoren) phasenempfindlich auszuwerten,
um so ein vom Rauschen weitgehend unbeeinflusstes Kontrollsignal
zur Regelung von θz zu erhalten.