DE1673846A1

DE1673846A1 - Optisches Ausrichtverfahren mit Anordnung zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1673846A1
Application number: DE19681673846
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Dr Betz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1968-02-20
Filing date: 1968-02-20
Publication date: 1972-02-24
Also published as: DE1673846B2; US3617135A

Description

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Anmelder: Vertreter:

Dr. Hans-Dieter Betz Dipl.-Pfcys. J* Hofer

6800 Kannheim 41 Patentingenieur

Maikammerstraße 21 7082 überkochen

Am Ahornrain 9

Optisches Ausrichtverfahren mit Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum optischen Ausrichten räumlich -getrennter Elemente, (z«B. Targets).

Bei dem herkömmlichen Justierverfahren mit Hilfe eines Justierfernrohres sind höchstens Genauigkeiten voii ca. 10""* rad zu erzielen.

Die bekannte Methode der gespannten Braßte läßt sich hochstens auf Entfernungen von einigen 100 m anwenden»

Ferner ist es bekannt, einen Lichtstrahlengang durch die JNiillebene des Lichtes, die durch die' Interferenz aweier gegenphasiger Lichtbündel z.B. mit Hilfe von "e&jdiisensionalea¹¹ Fhasenplatten erzeugt wird, zu kennzeichnen ( vgl« H,. Wolter, Annalen der Physik 6, 1950, Seiten 34-1-368). . :

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein optische* Aus-

* ί - ■

richtverfahren zn schaffen, bei dem noch in einige» l|il<>*' raetern Entfernung Target-Verschiebungen von ca, ö,Ot !*ffl (10 l-Rd) sicher nachzuweisen «lad.

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Erreicht wird dies nach der· Erfindung dadurch., daß ein mit Hilfe eines Phasenelementes struktuierter Laserstrahl verwendet wird, in dessen Intensitätsminimum die auszurichtenden Elemente eingebracht werden. Die Feinverstellung der Targets erfolgt dabei vorzugsweise unter Beobachtung des Symmetriezustandes eines Blendenbeugungsbildes.

Die detektion des Beugungsbildes kann dabei visuell od'er auch mit Hilfe photoelektrischer Abtasteinrichtungen erfolgen.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen neben der Einfachheit und Genauigkeit des Verfahrens darin, daß die Geometrie einer entsprechenden Anordnung weitgehend variabel gewählt werden kann und eine Ausrichtung sowohl in kurze Entfernung als auch über einige Kilometer hinweg mit nahezu gleichbleibender Genauigkeit durchgeführt werden kann.

Me Erfindung sei nun an Hand der Pig. 1-6 dargestellten Ausführungsbeispieleii näher erläutert:

In der Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung schematisch in Seitenansicht dargestellt.

Mit 1 ist eine Laserstrahlungsquelle bezeichnet, die"ein gerichtetes Bündel 2 weitgehend kohärenter Strahlung konstanter Amplitude aussendet. Das Strahlungsbündel wird.mit Hilfe einer Phasenplatte bekannter Bauart, welche beispielsweise aus einem durchsichtigen Träger 3& und einer darauf angebraobten A, /2 -

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Schicht 5b besteht, in zwei kohärente Teile entgegengesetzter Phase aufgespalten.

Eine Draufsicht auf eine sogenannte "eindimensionale" Phasenplatte, welche bei einer Ausrichtung von Targets in einer Dimension, etwa senkrecht zur Zeichenebene, Verwendung finden, ist in der Fig. 2 dargestellt. Mit 5c ist die Grenzlinie der Jl/2-Schicht bezeichnet ( Gebiet des Phasensprunges). In Fig.

1 ist beispielsweise eine derartige Phasenplatte senkrecht zum Strahlungsverlauf eingebracht, derart, daß die Grenzlinie 5c senkrecht zur Zeichenebene verläuft und das Strahlungsbündel

2 etwa halbiert wird.

In beliebiger Entfernung hinter der Phasenplatte entsteht auf Grund von Fresnel'sehen Beugungserscheinungen eine Intensitätsverteilung der Strahlung, die entsprechend dem Verlauf der Grenzlinie 5c der 31/2-Schicht ein zentrales absolutes Intensitätsminimum 0 aufweist.

Dies läßt sich durch einfin den Strahlengang ( in Fig. 1 durch die gestrichelte Linie 4¹ angedeutet) eingebrachten Auffangschirm 4- leicht nachweisen und ist in Fig. 5 durch die den Intentsitätsverlauf aufzeigende Kurve 5 beispielsweise dargelegt.

In der Anordnung nach Fig. 1 ist ferner eine, das auszurichtende Target symbolisierende Blende 6 mit einem Spalt von der Breite d ( Längsausdehnung des Spaltes senkrecht zur Zeichenebene ) im Intensitätsminimum O der Strahlung angeordnet. Das an dieser Blende 6.entstehende Beugungsbild wird auf dem Auffangschirm 7 beobachtet. Hat nun dabei die Mittellinie 8 des Spaltes 6 von dem Verlauf der Minimumlinie O einen kleinen Abstand Δ. , so beobachtet man auf

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dem Auffangschirm einen Intensitätsverlauf 9» wie er in der Fig. 4 beispielsweise dargestellt ist. Die Lage des zentralen Minimums O¹ entspricht dabei der der Linie 0 in Fig. 1. Die beiden dem zentralen Minimum ©' benachbarten Maxima der Intensitat unterscheiden sich dabei beispielsweise durch einen Betrag A] .

Verschiebt man nun unter Beobachtung des Beugungsbildes auf dem Schirm 7 die Blende 6 so lange in Richtung der Pfeile 10 biß ein symmetrisches Beugungsbild entsteht, etwa wie in Fig. 5 durch den ™ Intensitätsverlauf 9' aufgezeigt (δ ^J = 0), dann sind die Mittellinien 8 des Spaltes 6 und die Minimum!inie 0 in Deckung gebracht, d.h. das durch den Spalt dargestellte Target auf die Bezugsebene 0 ausgerichtet,

Die Auswertung der Intensitätsverhältnisse kann an Stelle einer visuellen Beobachtung auch mit Hilfe von relativ zum Laserstrahlengang verschiebbaren photoelektrischen Empfängern 11 (Fig. 1) erfolgen.

W Selbstverständlich läßt sich auch eine Ausrichtung von Targets, wie "sie m"it der Anordnung nach Fig. 1 lediglich in einer bestimmten Dimension durchgeführt werden kann, durch Drehung aller Elemente um 90° in einer zur ersten senkrechten Dimension ausführen.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung gestattet jedoch die Ausnutzung des Vorteils, diese beiden Vorgang« in einer Antir&mmg gleichzeitig vorzunehmen.

Einer derartigen zweidimensionalen Ausrichtung dient beispielsweise eine Anordnung, wie sie lh Fig. 6 schematioch ün<S in räum-

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licher Sicht dargestellt ist.

Mit 1 ist wiederum die-Laserstrahlungsquelle bezeichnet. Die "zweidimensionale" Phasenplatte 3' weist nun swei mit \ /2-

Schichten bedeckte Zonen 3'b auf, die derart versetzt angeordnet sind, daß zwei senkrecht aufeinander stehende Grenzlinien 3x bzw. 3y entstehen, an welchen Phasensprünge von 180° auftreten. Stellt man nun in das Intensitätsminimum ( gekennzeichnet durch die Achse ζ ) des Fresnel'sehen Beugungsbildes eine Blende 6' mit quadratischer Apertur, so beobachtet man auf dem Auffang- % schirm 7¹ ein "Strichkreuz" X,Y, welches dem Verlauf der sich kreuzenden Achsen der Intensität 0 des Beugungsbildes entspricht, sowie vier Intensitätsmaxima I, II, III und IV.

Ist das Zentrum der Apertur der Blende 6¹ (stellvertretend für das auszurichtende Target) genau auf die Achse ζ ausgerichtet, dann ist die auf dem Schirm 7' erscheinende Beugungsfigur völlig symmetrisch und die vier Intensitätsmaxima I, II, III, IY sind gleich groß. Andernfalls treten ähnliche Asymmetrieeffekte auf, wie sie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 geschildert wurden. ™

Der Asymmetrieeffekt bei Justierung der Blende -ist eia direktes Maß für die Abweichungen von den Bezugslinien, auf di* eingestellt wird.

Zur Veranschaulichung der Größe dieses AsymmetrieeftCekrfcde sei beispielsweise angegeben, daß bei einer Anordnung geeIA J¹Ig, mit Spal.tbreite der Blende 6 von d * 1 am und einer Xi»jfUtieru&$ des Blondenspaltes vond = 0,01 mm in beliebiger Entfernung von der Strahlungsquelle 1 eine Intensitätsaeymeetrie A/J}

Ί etwa 10 % auftritt. ·

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Da es bei dem zu beobachtenden Asymmetrieeffekt lediglich auf eine Relativverschiebung von Beugungsspalt und Intensitätsmini-πμβ/ des strukturierten Laserstrahles ankommt, können selbstverständlich der Beugungsspalt und der Beobachtungsschirsi auch feststehend angeordnet sein und ein oder mehrere Phasenplatten ( die nun die auszurichtenden Targets darstellen) eingebracht werden, ohne daß sich an dem beschriebenen Verfahren etwas ändert.

Die letztgenannte Anordnung hat noch den Vorteil, daß eine Viel~ ™ zahl von Elementen mit einer einzigen Lageranordnung ausgerichtet werden kann.

Die Divergenz des Laserstrahles läßt sich in an sich bekannter Weise durch Einfügung eines auf «*> eingestellten Teleskopes in den Strahlengang herabsetzen.

Bei den Anordnungen nach der Erfindung wird das Teleskop dabei zweckmäßig zwischen Strahlungsquelle und der ersten Phasenplatte eingefügt, da andernfalls das entstehende Minimum mitvergrößert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist selbstverständlich nicht an die Ausrichtung von Targets, wie sie in den Ausführungsbeispiel en verwendet wurden, gebunden, sondern läßt sich überall dort ait Vorteil anwenden, wo es gilt irgendwelche Elemente einer Anordnung exakt aufeinander auszurichten, wie z.B. beim Justieren von Fo-

• #

kusaierelementen eines Linearbeschleunigere, beim Auerichten von Zielmarken bei geodätischen Vermessungen, beim Führott Ton fttnnelbohrmaschinen, beim Ankoppeln von Flugkörpern, etc.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum optischen Ausrichten von räumlich getrennton Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Hilfe eines Phasenelementes struktuierter Laserstrahl "verwendet wird, in dessen Intensitätsminimum die auszurichtenden Elemente eingebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur M Feineinstellung ein Beugungsbild symmetriert wird.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Laser mit weitgehend kohärenter Strahlung, in dessen Strahlengang mindestens eine Phasenplatte, mindestens eine Beugimgsblende und Mittel zur Detektion der Intensitätsverhältnisse eingebrächt sind.

M. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Laser und Phasenplatte ein Teleskop eingefügt ißt.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß photoelektrische Abtastelemente zur Detektion des Beugungsbildes in der Beobachtungsebene angeordnet sind.

Neue Unterlagen (Art τ f 1 At», a Mn 1

JHc/Gol

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