DE1673846B2

DE1673846B2 - Anordnung zum optischen ausrichten von raeumlich getrennten elementen mit hilfe eines laserstrahles

Info

Publication number: DE1673846B2
Application number: DE19681673846
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1968-02-20
Filing date: 1968-02-20
Publication date: 1976-09-09
Also published as: US3617135A; DE1673846A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum optisehen Ausrichten von räumlich getrennten Elementen mit Hilfe eines Laserstrahles als Systemachse und einer Einrichtung zur Feststellung der Intensitätsve:rteilung.

Üblicherweise umfassen solche Anordnungen einen Laser, der in eine bestimmte Richtung einen Strahl aussendet, und eine oder mehrere mit den auszurichtenden Elementen verbundene Zielscheiben, auf denen der Auftreflfpunkt des Strahles beobachtet werden kann. Nachteilig bei diesen einfachen Anordnungen ist der verhältnismäßig große Strahlfleck, der durch Teleskope od. dgl. nur jeweils für eine bestimmte Entfernung geringfügig besser fokussiert werden kann. Hohe Genauigkeiten lassen sich auf diese Weise nicht erreichen.

Aus »Industrial Electronics«, Januar 1968, S. 14 und 15, ist eine Anordnung bekannt, bei der der Laserstrahl ein Interferometer durchläuft und als Systemachse ein Beugungsmaximum verwendet wird. Diese Anordnung ermöglicht mit erheblichem apparativen Aufwand eine Erhöhung der Genauigkeit der Ausrichtung. Nachteilig ist hierbei jedoch die Tatsache, daß ebenso wie bei der Verwendung des einfachen Laserstrahles als Systemachse ein Intensitätsmaximum verwendet wird, dessen Schärfe aus physi- kaiischen Gründen ein gewisses Maß nicht überschreiten kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine möglichst einfache Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die Ausrichtgenauigkeit gegenüber den bekannten Anordnungen verbessert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geenS Intensitätsminimum gegeben ist Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt durch Ve?vendung etaef Intensitätsminimums als Systemve».venauuB größere Genauigkeit, wobei der

^h Ädiä? Grund des sehr einfachen

*^{Anordnung be},^{nöligten ph}r

zueinander auszunch-

5Sb£Ä££ sowohl mit dem Phasenkonvertfr als auch mit der Einrichtung zur Feststelfuns der Intensitätsverteilung verbunden sein, da durch Verschiebungen dieser Teile der Anordnung d?e relaei Lage der Systemachse verschoben wird. Eme voÄte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß Ss Phasenkonverter eine Phasenplatte vorgesehen

^IStEine Phasenplatte stellt einen sehr einfachen Phasenkonverter dar. Phasenplatten können in eindimensionaler oder zweidimensionaler Ausfuhrung auf einfache Weise aus Glasplatten mit aufgedampften Schichten hergestellt werden.

Ferner können vorteilhaft weitere zusatzliche Phasenplatter im Laserstrahlengang angeordnet werden. Diese zusätzlichen Phasenplatten können mit weiteren" auszurichtenden Elementen verbunden sein so daß dSe Elemente alle gleichzeitig zur Systemachse ausgerichtet werden können.

Hn" weitere Ausbildung der erfindungsgemaßen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Phasenkonverter und der Einrichtung zur Feststellung der Intensitätsverteilung mindestens eine Beugungsblende angeordnet ist.

Bei dieser Anordnung ist die Beugungsblende mit einem auszurichtenden Element verbunden. Es ergeben sich hinter der Beugungsblende Intensuatsmaxima, deren Größenunterschied ein Maß fur die Auslenkung der Blende aus der Systemachse darstellt Beispielsweise läßt sich noch in Entfernungen von mehreren Kilometern mit einem Intensitatsunterschied der Maxima von 10 °/o, was sehr leicht nachgewiesen werden kann, eine Ausrichtgenauigkeit von 0,01 mm entsprechend 10-⁸rad erzielen.

Schließlich kann vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Anordnung zwischen dem Laser und dem Phasenkonverter ein Teleskop angeordnet werden^ Hierdurch kann in bekannter Weise die Divergenz des Laserstrahles verringert werden.

Die Erfindung sei nun an Hand der in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele naher erlau-

ten.

In der F i g. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Anordnung 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 3 bekannter Bauart, welche beispielsweise aus einem durchsichtigen Träger 3 a und einer darauf angebrachten λ/2-Schicht 36 besteht, in zwei kohärente Teile entgegengesetzter Phase aufgespalten.

Eine Draufsicht auf eine sogenannte »eindimensionale« Phasenplatte, welche z. B. bei einer Ausrichtung von Targets in einer Richtung, etwa senkrecht zur Zeichenebene, Verwendung finden, ist in der

Fig. 2 dargestellt Mit 3c ist die Grenzlinie der λ/2-Schicht bezeichnet (Gebiet des Phasensprunges). In Fig. 1 ist beispielsweise eine derartige Phasenplatte senkrecht zum Strahlungsverlauf eingebracht, derart, daß die Grenzlinie 3 c senkrecht sat Zeichenebene verläuft und das Strahlungsbündel 2 etwa halbiert wird.

In beliebiger Entfernung hinter der Phasenplatte entsteht auf Grund von Fresnelschen Beugungserscheinungen eine Intensitätsverteilung der Strah- lung, die entsprechend dem Verlauf der Grenzlinie 3 c der λ/2-Schicht ein zentrales absolutes Intensitätsminimum 0 aufweist.

Dies läßt sich durch einen in den Strahlengang (in F i g. 1 durch die gestrichelte Linie 4' angedeutet) eingebrachten Auffangschirm 4 leicht nachweisen und ist in F i g. 3 durch die den Intensitätsverlauf aufzeigende Kurve S beispielsweise dargelegt.

In der Anordnung nach F i g. 1 ist ferner eine das auszurichtende Target symbolisierende Blende 6 mit *o einem Spalt von der Breite d (Längsausdehnung des Spaltes senkrecht zur Zeichenebene) im Intensitätsminimum 0 der Strahlung angeordnet. Das an dieser Blende 6 entstehende Beugungsbild wird auf dem Auffangschirm 7 beobachtet. Hat nun dabei die Mit- as tellinie 8 des Spaltes 6 von dem Verlauf der Minimumlinie 0 einen kleinen Abstand Δ, so beobachtet man auf dem Auffangschirm einen Intensitätsverlauf 9, wie er in der F i g. 4 beispielsweise dargestellt ist. Die Lage des zentralen Minimums 0' entspricht dabei der der Linie 0 in Fig. 1. Die beiden, dem zentralen Minimum 0' benachbarten Maxima der Intensität unterscheiden sich dabei beispielsweise durch einen Betrag A J.

Verschiebt man nun unter Beobachtung des Beugungsbildes auf dem Schirm 7 die Blende 6 so lange in Richtung der Pfeile 10, bis ein symmetrisches Beugungsbild entsteht, etwa wie in Fig. 5 durch den Intensitätsverlauf 9' aufgezeigt (A J = 0), dann sind die Mittellinien 8 des Spaltes 6 und die Minimumlinie 0 in Deckung gebracht, d. h., das durch den Spalt dargestellte Target ist 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, die hochgenaue automatische Intensitätsbestimmungen erlauben.

Selbstverständlich läßt sich auch eine Ausrichtung von Targets, wie sie mit der Anordnung nach F i g. 1 lediglich in einer bestimmten Richtung durchgeführt werden kann, durch Drehung aller Elemente um 90° in einer zur ersten senkrechten Richtung ausführen.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung gestattet jedoch die Ausnutzung des Vorteils, diese beiden Vorgänge in einer Anordnung gleichzeitig vorzunehmen.

Einer derartigen zweidimensionalen Ausrichtung dient beispielsweise eine Anordnung, wie sie in F i g. 6 schematisch und in räumlicher Sicht dargestellt ist.

Mit 1 ist wiederum die Laserstrahlungsquelle bezeichnet. Die »zweidimensionale« Phasenplatte 3' weist nun zwei mit A/2-Schichten bedeckte Zonen 3' b auf, die derart versetzt angeordnet sind, daß zwei senkrecht aufeinanderstellende Grenzlinien 3 χ bzw. 3y entstehen, an welchen Phasensprünge von 180° auftreten. Stellt man nun in das Intensitätsminimum (gekennzeichnet durch die Achse λ) des Fresnelschen Beugungsbildes eine Blende 6' mit quadratischer Apertur, so beobachtet man auf dem Auffangschirm T ein »Strichkreuz« X, Y, welches dem Verlauf der sich kreuzenden Achsen der Intensität 0 des Beugungsbildes entspricht, sowie vier Intensitätsmaxima I, H, III und IV.

Ist das Zentrum der Apertur der Blende 6' (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, IV sind gleich groß. Andernfalls treten ähnliche Asymmetrieeffekte auf, wie sie beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 geschildert wurden.

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

Zur Veranschaulichung der Größe dieses Asymmetrieeffektes sei beispielsweise angegeben, daß bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 mit Spaltbreite der Blende 6 von d — 1 mm und einer Dejustierung des Blendenspaltes von Λ = 0,0J mm in beliebiger Entfernung von der Strahlungsquelle 1 eine Intensitätsasymmetrie — von etwa lO°/o auftritt.

Da es bei dem zu beobachtenden Asymmetrieeffekt lediglich auf eine Relatiwerschiebung von Beugungsspalt und Intensitätsminimum des strukturierten Laserstrahles ankommt, können selbstverständlich der Beugungsspalt und der Beobachtungsschirm auch feststehend angeordnet sein und ein oder mehrere Phasenplatten (die nun die auszurichtenden Targets darstellen) eingebracht werden.

Die letztgenannte Anordnung hat noch den Vorteil, daß eine Vielzahl von Elementen mit einer einzigen Laseranordnung ausgerichtet werden kann.

Die Divergenz des Laserstrahles läßt sich in an sich bekannter Weise durch Einfügung eines auf 00 eingestellten Teleskops 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.

Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich überall dort mit Vorteil anwenden, wo es gilt, irgendwelche Elemente einer Anordnung exakt aufeinander auszurichten, wie z. B. beim Justieren von fokussierelementen eines Linearbeschleunigers, beim Ausrichten von Zielmarken bei geodätischen Vermessungen, beim Führen von Tunnelbohrmaschinen, beim Ankoppeln von Flugkörpern usw.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: löst daß die Systemachse zur Ausrichtung der EIelost, aaa u« / ^ ._^ .n ^£ΐη Laserstrahlenschar

1. Anordnung zum optischen Ausrichten von räumlich getrennten Elementen mit Hilfe eines Laserstrahles als Systemachse und einer Einrichtung zur Feststellung der Intensitätsverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemachse zur Ausrichtung der Elemente durch ein über einen in dem Laserstrahlengang (2) ein- i» gebrachten Phasenkonverter (3) erzeugtes scharfes zentrales Intensitätsminimum (0) gegeben ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Phasenkonverter eine Phasenplatte (3) vorgesehen ist

3. Anordsung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß weitere zusätzliche Phaseaplatten (3) im Laserstrahlengang (2) angeordnet sind.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden ao Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Phasenkonverter (3) und der Einrichtung (7) zur Feststellung der Intensitätsverteilumg mindestens eine Beugungsblende (6) angeordnet ist. »5

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Laser (1) und dem Phasenkonverter

(3) ein Teleskop angeordnet ist.

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