DE1548480A1

DE1548480A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ausrichtung einstellbarer Teile eines Gebildes

Info

Publication number: DE1548480A1
Application number: DE19661548480
Authority: DE
Inventors: Gates John William Charles; Burch James Morriss
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1965-06-15
Filing date: 1966-06-14
Publication date: 1970-04-23
Also published as: US3528748A; FR1516769A; GB1178971A

Description

NATIOETAL RESEAEOH DEVELOPMENT CORPORATION London S. W. 1 / Großbritannien
Victoria Street, Kingsgate House

Verfahren

Die Priorität der Patentanmeldung No. 25 270/65" vom 15. Juni 1965 wird in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Feststellen der Lagebeziehungen, wie z, B. der fluchtenden Anordnung, einstellbarer Teile eines Gebildes, z. B. einer Maschine auf optischem Wege.

Die bisher gebräuchliche optische Methode hat darin bestanden, ein Teleskop so anzuordnen, daß seine Achse eine Bezug3ach.se festlegt und dann die auszurichtenden Teile so einzustellen, daß eine Einstellmarke bzw. Einstellmarken auf jedem Teil vom Beobachter als auf einer Linie liegend gesehen wurden.

Da das Teleskop auf Einstellmarkierungen in verschiedenen

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Abständen vom Betrachter fokussiert worden mu-j, ist es nicht leicht, die Achse unverändert zu halten, Ein sog. jxichtfernrohr mit einer Fokussierungsbewegung besonderer Ei'ichanischer Genauigkeit kann verwendet werden, welches die Achse über den ganzen Einstellböreich in ihrer Ausgangsstellung hält. Wahlweise kann auch das Teleskop ein feststehendes optisches Doppelbildsystem als !Riehtsjntem aufweisen, d. i. ein optisches System, das ein durch es hindurch geleitetes Lichtbündel in zwei annähernd gleiche Bündel aufteilt, die symmetrisch zueinander sind mit einer Aufspaltung, welche eine !Punktion der Abweichung des eintretenden Bündels von einer durch das optische oyatem unabhängig bestimmten Sichtung ist. Dieses System kann eine Symmetrieebene oder -achse bestimmen, nfenn das Bündel im ersteren Fall entlang einer Achse in einer besonderen Ebene und im letzteren Fall entlang einer besonderen Achse, geleitet wird, sind die zv/ei Bündel genau überlagert und es tritt nur ein einziges austretendes Bündel in Erscheinung. Derartige optische Systeme sind allgemein bekannt und bestehen aus Prismen oder aus Prismen und Spiegeln. Da in einem Richtfernrohr das optische System feststeht, bestimmt es eine feststehende Achse oder Ebene und jede Abweichung der Teleskop-Achse von dieser Ebene oder Achse des optischen Systems wird durch ein Doppelbild kenntlich gemacht und eine Korrektur kann durch Verstellen der Ausrichtung des Fernrohrs bis zur genauen Überlagerung der zwei Bilder erzielt werden, eine Aufgabe, die, weil die zwei Bilder schwach'^itrastarm sind, müh-

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sam ist und von der subjektiven Beurteilung des Beobachters abhängt.

Da sich zumindest einige der iDinstellmarkierungen in beträchtlichem Abstand befinden, erfordert das Verfahren im allgemeinen eine zweite Bedienungsperson zusätzlich zum Beobachter,, um jeden Teil gesondert auszurichten, und ein Kommunikationssjstem ζ v/i sehen dem Beobachter und der Bedienungsperson ,und i-s dauert lang, um die Genauigkeit zu erreichen, die das System bieten kann, wegen "der Schwierigkeiten der Koinmukikation zusätzlich zu denen der Ausrichtung das T-.loskopes. Jüiii Mikrometer-Augenstück stellt eine Hilfe dar, vermehrt jedoch die Belastung des Beobachters.

iliii'-:-flucht end ο Ausrichtung ist auch mittels eines sog. Axicons bewirkt '„-orden, d.i. eine Vorrichtung, die eine' dünne- Lichtliiiie ergibt, die, wenn dafür Sorge getragen wird, daß Brechungaeffekte vermieden v/erden, eine gerade Bezug si ini';:; ergibt; jedoch hat dieses Verfahren stille spezifischen Schwierigke'iten, insbesondere die, daß die Linie eher eine Linie maximaler Intensität ist als ein_; isolierte Lichtlinie.

i^vür die vorliegende Erfindung, welche mit der Verwendung ein ο π ■ -iPernrohra vt-rbunden ist, sind die Eigenschaften -jin·..,!· einfach wirkend en Las or quölle für kohärente Strah-

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lung mit Vorteil zu nutzen, um die Arbeitsvorgänge zu vereinfachen und zu beschleunigen, ohne den G-enauigskeitsverlust, der bei optischen Verfahren auftreten kann. Es erfolgt" dies durch Umkehrung des üblichen Lichtweges, indem die Laserquelle anstelle des Auges des Beobachters eingesetzt wird und das Laserbündel durch einoptisches System der vorstehend erwähnten Art geleitet wird, wodurch eine feste Ebene oder Linie unabhängig von der Einstellung der Laserquelle festgelegt wird. Solch eine Kombination hat den Vorteil, dais die Laserquelle je nach Bedarf entfernt oder ersetzt v/erden kann und daß infolge des sehr kohärenten Lichtes einer Laserquelle ein genaues Zusammenfallen der Achse des Laserbündels mit der durch das optische System definierten Achse, wie nachstehend erläutert werden wird, sehr leicht beobachtet werden -.kann, wobei die Helligkeit eines Laserbündels auch die Beobachtung beim Ausrichten beweglicher Teile mittels des Verfahrens bzw. der Vorrichtung nach der Erfindung leicht macht.

Vorrichtungen wie eine Matt- oder Bildscheibe oder eine Einstellmarkierung können verwendet werden,um die Überschneidung der durch das optische System bestimmten Ebene oder Line mit einer Querebene in ausgewählter Stellung im Abstand vom optischen System festzustellen. Da eine Laserquelle ein eng zusammengedrängtes Bündel erzeugen

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kann, wird für manche Fälle nichts weiter benötigt. Jedoch kann durch Einführen einer Kollimatorvorrichtung die Größe des Lichtflecks herabgesetzt werden und der Kollimator kann so einstellbar sein, daß eine maximale Konzentration nacheinander in verschiedenen Abständen erzielbar ist.

Die Erfindung wird im einzelnen erläutert werden unter Bezugnahme auf die beigefügten, weitgehend schematischen Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt die wesentlichen Teile einer Richtvorrichtung gemäß der Erfindung und

Mg. 2 zeigt eine Pokussiereinrichtung mit wesentlichen

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Teilen einer liichtvorrichtung gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist die punktförmige Lichtquelle einer einfach wirkenden'Laservorrichtung mit 11 bezeichnet. Daα Licht wird durch einen Kollimator 12 mit Pokussierungseinstellung gesammelt und das zusammengefaßte Bündel tritt in ein optisches System mit einer das Bündel spaltenden Platte 13 ein, welche das Bündel in zwei annähernd gleiche Bündel aufteilt und in--eine*¹- um 45° zur Richtung der Brennpunktachse des eintretenden Bündels geneigt angeordnet ist,und mit zwei Prismen 14 und 15» von der Querschnittsform eines gleichschenkligen Dr eiecks (Dachprismen), die im von der Platte 13 erstmals durchgelassenen bzw. erstmals reflektierten Bündel mit ihrer Hypotenusenfläche senkrecht zur Bündelachse angeordnet sind. Die Oberkante 14a des Prismas 14 liegt in der Zeichenebene und die Oberkante 15a des Prismas 15 verläuft senkrecht zur Zeichnungsebene, so daß die zwei Kanten zueinander und zu der erforderlichen Achse der zwei Bündel senkrecht stehen. Bin solches System hat die Eigenschaft, daß,obwohl das eintretende Bündel bei der Platte 13 in zwei Bündel gespalten wird, die zwei austretenden Bündel, wenn die Sammelachse 12 a mit einer besonderen Achse, welche die Achse des Systems genannt werden kann, zusammenfällt, genau überlagert sind, wobei ihre Achsen mit der Systemachse 12b zusammenfallen. Wenn die Sammeln chse nicht mit der Syatemachse zusammenfällt, werden die

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zwei Bündel symmetrisch zur Achse 12b austreten, wobei die leigung der zwei Bündel zur Achse eine Funktion der Ungenauigkeit der Ausrichtung der Sammelachse ist. Dementsprechend ist die lagerung der Laservorrichtung und des Kollimators so angeordnet, daß die KoHimatorachse gegenüber den Teilen 13» H, 15 ausgerichtet v/erden kann.

Wenn ein ebener ileilektor anstelle eines der keilförmigen Prismen verwendet wird, wird das System anstelle einer Achse eine Ebene festlegen, gegenüber v/elcher die zwei austretenden Bündel symmetrisch sein werden. Wenn z. B. der ebene Reflektor anstelle des Prismas 14 verwendet wird, verläuft die festgelegte Ebene senkrecht zur Zeichenebene.

Boi dem gezeichten einfachen System ist es wünschenswert, daß die zwei "Daclf^xfeismen genaue Brechungswinkel haben, weil sonst jedes der zwei Bündel gespalten wird, so daß es vier Bündel gibt, wenn die Sammelachse ungenau ist und zwei, wenn sie genau ausgerichtet ist. Jedochwürde die praktische Auswirkung solcher kleinen Abweichungen, wie sie in der Praxis auftreten wurden, nicht zu voll *= ständig getrennten Bündeln führen, sondern nur zu unvollständig überlagerten Bündel und.einem endgültigen Bündel von nicht kreisförmigem Querschnitt nach Einstellung der Sammelachse.

Für die hier, in Betracht kommende Arbeit ist es wünscheiis-

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wert, daß das Prismensystem aus zusammengekitteten Bestandteilen

Ein besonders geeignetes System dieser Art, daus aus einer ziemlich großen Anzahl von Bestandteilen bes tehen würde, jedoch den Vorteil haben würde, daß es größere Ungenauigkeiten der Oberkantenwinkel der Prismen gestatten würde, ist in der Anmeldung Hr. 11 650/66 geoffenbart.

Bei jedem dieser Systeme kann, wenn die v/egunterschiede innerhalb des Systems derart sind, daß eine auslöschende Interferenz im ausgehenden Bündel auftritt, diesem Effekt durch effektive Drehung der Polarisationsebene des in das System eintretenden Lichts, zweckmäßigerweise durch Einschaltung von Halbwellenblättchen, begegnet v/erden.

Ein3 Bildscheibe 17 ist unter einem gewünschten Abstand angeordnet, zweckmä3ige.i-veise am abgelegenen Ende docj AbStandes, über welchen sich die Arbeit zu erstrecken hat, und die Fokussierbewegung des Kolimators 12 wird verwendet, um das Laserbündel durch das System 13, 14, 15 zu konzentrieren, so daß der kl einstmögliche Lichtfleck oder das kl einstmögliche Paar von Lichtflecken auf der Mattscheibe gebildet wird.

Wenn zvßi verschiedene Lichtflecke auftreten, zeigt dies,

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daß die Sammelachse 12a und die Achse oder iibene des optischen Systems nicht zusammenfallen, jedoch sind diese immer symmetrisch zur Achse oder Jilbene des optischen Systems. Durch Verstellung der Sammelachse gegenüber dem optischen System kann bewirkt werden, daß die Lichtilecke sich einander annähern und, soweit beobachbar, zusammenfallen. Ein exaktes Zusammenfallen kann durch Zwischenschalten irgend einer einfachen Mattscheibe 18, wie z. B. eines Stückes Papier, in den austretenden Lichtstrahlen in der Nähe des optischen Systems erzielt werden und durch weiteres Verstellen im Sinne einer Beseitigung jeder Schwankung in dann zu beobachtenden Streifenmuster, das durch die Interferenz der Laserwell enfront mit ihrer eigenen zurückgeworfenen oder umgekehrten tfellenfronf erzeugt wird.

Das fokussierte Bild auf der Mattscheibe 17 ist nur ein einziger 5¹IeCk, der in der durch das optische System bestimmten Linie und Ebene liegt und wenn die Scheibe 17 mit irgend einem Index versehen ist, um sie zu einer Einstellmarkierung zu machen, kann der Fleck in die gewünschte Stellung auf dieser Markierungsscheibe gebracht werden durdh Verstellung der Laservorrichtung, des Kollimators und des optischen Systems als Ganzem,ivodurch eine Auariohtachse in bekannter Stellung erzeugt wird.

Eine Bezug3markioxⁱuri^S3heibe, die auf diese Weise an dem

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entfernten Ende des Arbeitsfeldes erzeugt wird, gestattet es, das ganze System von Zeit zu Zeit zu überprüfen und jede Abweichung in der Lagerung des optischen Systems zu korrigieren.

Wenn nun ein Teil fluchtend mit der Achse des Systems ausgerichtet werden soll, kann eine Mattscheibe 16 mit einer Einstellmarkierung auf dem Teil befestigt werden und der Kollimator wird dann fokussiert und verstellt im Sinne der Erzeugung des kleinstmöglichen Lichtpunktes auf der Mattscheibe. Der Teil kann dann so verstellt werden, daß die Einstellmarkierung mit dem Punkt zusammenfällt, V/enn die Mattscheibe nicht an dem Teil befestigt ist, wird die Mattscheibe entfernt und der Teil mit der Einstellmarkierung dann auf den Punkt ausgerichtet.

Die Ausrichtung der entfernteren Mattscheibe, das fokussieren und das Zusaiamenfallenlassen der Kollimatorachse mit der Achse des optischen Systems und' die Verstellung de3 in fluchtende Anordnung zu bringenden Teiles wird dann für jedes auszurichtende Teil'wiederholt.

Bei· der vorliegenden Erfindung wird jede Einstellmarkierung zur Deckung mit dem Lichtpunkt gebracht durch die Bedienungsperson für die Einstellmarkierung ohne Notwendigkeit der Verbindung mit einem in einigem Abstand aufgestellten Beobachter. In manchen MIlen kann die Verstellung der Eins bellmarkierung durch visuelle Beobachtung bewirkt wer-

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den, jedoch wenn größere Genauigkeit erforderlich ist, können lichtelektrische Yerfahren verwendet werden, z. B. eine Einstellmarkierung in der Form einer kleinen Öffnung 21 (fig. 2) in einem undurchsichtigen Schirm mit einer dahinter angeordneten lichtelektrischen Zelle 23> die in Quadranten a, "b, c, d unterteilt ist und in Ver— ötärkerstromkreise 24a, 24b, 24c und 24d mit Meßinstrumenten 25a, 25b, 25c und 25d,die die Beobachtung der Ausgangsleistung jedes Quadranten und damit die Auswertung der Achsanordnung des Bündels ermöglichen, so daß die iilin st ellmarkierung oder das Bündel zu bewegen sind, "bis die Ausgangsleistungen der Quadranten gleich sind, wenn die Bündelachse zentral ist. Palis gewünscht, können die .Stromkreise zu Brückenschaltungen verbunden werden, \ienn die Anzahl von Me 13 in st rum ent en verringert werden kann. In der Tat kann durch Verbindung eines Quadrantenpaares einer licht elektrischen Silikonzelle in G-eg en se haltung ein Verstärkerkreis überflüssig und nur ein Galvanometer erforderlich gemacht werden und "bei Verwendung von Schaltern kann ein einzelnes Galvanometer nacheinander für jedes Quadrantenpaar verwendet werden. Stromkreise oder Verbindungen der erforderlichen Art sind an sich bekannt und keine ausfurhliche Beschreibung ist erforderlich.

Als Laserquelle ist eine Gaslaservorrichtung ,die' im Einphasenleistungsverfahren arbeitet, "bei einer Leistung von 200 /UW sehr geeignet für die vorliegenden Zwecke. Die sog. TJiMooq. Arbeitsweise ist leicht herstellbar und Bündel zeigt einen einzigen Fleck mit Kreissymmetrie, wenn

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es von einer Mattscheibe geschnitten wird, bei einer Intensitätänderung in radialer !Richtung nach der GaußJ-schen Beziehung, und mit einer lichtelektrischen Zelle mit vier Quadranten und einem Galvanometer kann die Achse maximaler Intensität zuverlässig herausgefunden werden mit einer Genauigkeit von 10 Mikron auf einen Abstand von 14 Metern.

Bei visueller Beobachtung kann die Einstellung durch ein Team erfolgen, wenn dieses wünschenswerter ist als eine einzelne Bedienungsperson. Auch wenn das laserbündel durch eine Sammellinse fokussiert wird, kann es auf einen Lichtfleck geringen Durchmessern gebracht werden, der darüber hinaus hell genug iut, um in vollem Tageslicht beobachtet zu werden; selbst bei einer Laserquelle geringer Leistung muß die unmittelbare Beobachtung üblicherweise vermieden v/erden und die Anordnung muß auf lichtelektrischem Wege oder durch diffuse iieflektion erfolgen. Z. B. kann bei Verwendung eines Kollimators von 5 cm Durchmesser über einen Abstand von 60 Metern der helle Fleck einen so kleinen Durchmesser wie 0,75 mm haben.

Da die vorliegende Erfindung auf der liniearen Fortpflanzung der die liichtachse "bestimmenden Strahlung beruht, unterliegt sie Fehlern infolge Inhomogenität (Veränderungen und Schenkungen im Brechungsindex und insbesondere Gradienten im Brechungsindex) des Mediums, durch welches sich

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die Strahlung fortpflanzt. Selbst wenn das Bündel durch Luft läuft, werden jedoch die Fehler üblicherweioe sehr klein sein, da es unwahrscheinlich ist, daß Änderungen im Brechungsindex so verteilt sind, daß sie wahrnehmbare Verschiebungen des Bündels hervorrufen. Palis erforderlich, kann jedoch das Bündel zwischen den verschiedenen Einstellmarkierungen durch evakuierte iLohre mit paraleilen Endfenstern laufen.

Aus dem Torstehenden ergibt sich, daß die Kollimatorvorrichtung 12 das Licht nicht nur zu einem Bündel paralleler Strahlen sammelt, sondern eine weiiJ&ehende Sammelwirkung hat, durch welche die Strahlen des Bündels in einem einzigen Punkt minimaler Größe konzentriert werden.

Ansprüche

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Claims

Ansprüche

1. Optischer Apparat aura ErmitteLn von Lage bzw. Stellungabeziehungen, gekennzeichnet durch eine einfache Laserquelle für kohärente Strahlung, ein optisches Doppelbildsystem, durch welches die Laserstrahlung geleitet wird und welches das Bündel in zwei annähernd gleiche Bündel spaltet, die zueinander symmetrisch sind mit einer Trennung, welche eine Funktion der Abweichung des eintretenden Bündels von einer unabhängig durch das optische System gegebenen Richtung ist, sowie durch Mittel zum Einstellen der dichtung des in das optische System eintretenden Bündels.

2. Optischer Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System eine Symmetrieebene bestimmt.

3. Optischer Apparat nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch im Abstand von optischen System angeordnete Mittel zum Feststellen der Lage des Schnittes der Symmetrieebene mit einer unter diesem Abstand verlaufenden Querebene.

4. Optischer Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System eine Symmeirieachse bestimmt.

5. Optischer Apparat nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch im Abstand vom optischen System angeordnete Mittel zum Festatellen der Lage des Schnittes der Symmetrieachse mit einer unter diesem Abstand verlaufenden Querebene.

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6. Optischer Apparat nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel aus einem undurchsichtigen Schirm mit einer Öffnung bestehen, einer hinter dieser Öffnung angeordneten, in vier Quadranten unterteilten lichtelektrischen Zelle und elektrischen Stromkreisen zum Messen der relativen Ausgangswerte zumindest zweier der Quadranten der lichtelektrischen Zelle.

7. Optischer Apparat nach Anspruch 1, gekennzeichnet diirch eine einstellbare Kollimatorvorrichtung zwischen dem Lasergenerator und dem optischen Doppelbildsystem, durch welche der Querschnitt des austretenden Bündels unter einem gewählten Abstand auf einen Mindestwert zu bringen ist.

8. Optischer Apparat nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine j^instellmarkierung im Abstand vom optischen System.

9. Verfahren sum Ausrichten einstellbarer Teile gegenüber einer Bezugsachse, dadurch gekennzeichnet, daß das von einer einfach wirkenden Laserstrahlungsquelle herrührende Lichtbündel gesammelt und das zusammengefaßte Bündel durch ein optisches Doppelbildsystem geleitet wird, daß die liichtung des in das optische System eintretenden Bündels zwecks Überlagerung der zwei austretenden Bündel eingestellt wird, daß das ganze System eingestellt wird, um die überlagerten austretenden Bündel entlang der

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Bezugoaehse zu leiten und daß schließlich. jcdor einstellbare Teil in Bezug auf die Achse eingestellt wird, bis der vom Bündel erzeugte lichtfleck auf eine vorbestimmte Stelle eines Teiles fällt.

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