DE1801817A1 - Optische Vorrichtung zum Ausrichten von in einer beliebigen Entfernung von der Vorrichtung liegenden Gegenstaenden - Google Patents

Description

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Dipl.-Ing. HORST AUER

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. .- 7. Okt. 1968

Optische Vorrichtung zum Ausrichten von in einer beliebigen Entfernung von der Vorrichtung liegenden Gegenstanden.

Dia Vorrichtung besieht sich auf eine optische Vorrichtung zum Ausrichten von in einer beliebigen Entfernung von der Vorrichtung liegenden Gegenständen.

Es ist bekannt, ein Fernrohr zu verwenden, das nacheinander auf iie -».uszurichtenden Segenstänle (Punkte) fokussiert wird. Die Fokussierung ist oft ein mühsamer Vorgang. Auseerdem lässt sich sehr schwer eine hinreichend genaue Geradführung des Fokussierungsmeehanismus erzielen

Die Erfindung hat den Zweck, die Nachteile der bekannten

Vorrichtung zu vermeiden. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorricn tung zwei identische oder nahezu identische Hohlapiegel enthält, deren 3piegelnde hohle Seiten einander zugekehrt sind und die je den Krüramungsmittelpunkt des anderen Spiegels enthalten. Ein derartiges Spiegelsystem

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wird dann als ein äqui-konfokales Spiegelsystem bezeichnet.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit einem ätiui-konfokalen Spiegelsystem ein Gegenstand ausserhalb der Achse des Systemes, gleichgültig in welcher Entfernung vom System, umgekehrt in natürlicher Grosse in der Dingebene abgebildet wird.

Fur die Abbildung ist es erforderlich, dass das vom Gegenstand ausgehende Licht in das System eintreten und dann wieder aue dem Sys tem austreten kann. Bei einer günstigen Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung worden zu diesem Zweck halbdurchläsnige Spiegel angewandt. Es ist aber auch vorteilhaft, einen flachen halbdurchlässigen Teilspiegel zwischen den Hohlspiegeln anzuordnen, durch den die vom Gegenstand ausgehende Strahlung in das System eintritt und über den die Strahlung wieder aus dem System austritt. Vorzugsweise wird der flache halbdurohlässige Teilspiegel polarisierend gemacht, so dass ein Lichtverluat vermieden wird und das Bild und der Gegenstand bei gleicher Helligkeit eine verschiedene Polarisation aufweisen. Das Bild dee Gegenstandes kann auf verschiedene Weisen, z.B. visuell oder photoelektrisch, beobachtet werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung naher erläutert. Es zeigern

Pig. 1 eine erste Au3führungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Skizze zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung, und

Fig. 4 eine Abart der Vorrichtung naoh Flg. 1.

In Fig. 1 sind die identischen sphärischen Spiegel 1 und 2

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derart angeordnet, dass der Krüraraungsmittelpunkt M₁ des Spiegels 1 auf dem Spiegel 2 und der Krüamungsmittelpunkt Iu₂ des Spiegels 2 auf dem Spiegel liegt« Die Verbindungslinie K₁-I¹U definiert die Achse 00' des Systeme.

Der Gegenstand AA¹ wird von einem (von einer nicht dargestellten Quelle herrührenden) Lichtbündel beleuchtet. Der halblurohlässige Spiegel 1 erzeugt eine Abbildung CC¹ des Gegenstandes AA¹^ welche Abbildung ihrerseits ein Gegenstand ist, der vom gleichfalls halbdurchläs3igen Spiegel 2 abgebildet wird. Die Stelle des vom Spiegel 2 erzeugten Bildes 3E' kann auf folgende Weise errechnet werdent

Es sei angenommen, dass der Abstand des Gegenstandes AA¹ vom Spiegel 1 gleioh ρ und der Krümmungsradius der beiden Spiegel gleich r ist (Fig. 2). Für die Stelle des vom Spiegel 1 erzeugten Südes CC gilt dann» l/p + 1/q. = 2/r.....(1). Dabei bezeichnet q. den Abstand des Bildee CC· vom Spiegel 1.

Für die Stelle des vom Spiegel 2 erzeugten virtuellen BiI-de3 BB¹ des Gegenstandes CC gilt gleichfalls«

1/CH₁- 1/x ■« 2/r oder i/(r-q)-i/x « 2/r (2).

Dabei bezeichnet χ don Abstand des 3ildes B3¹ vom Spiegel 2,

Aus den Gleichungen (1) und (2) lässt sich leicht errechnen, dasat χ ■ p-r ist. Dies bedeutet, dass das Bild 3B¹ in der Ebene des Gegenstandes AA' liegt. Wegen der Symmetrie des Systems ist ausserdem die Länge des Bildes gleich der des Gegenstandes.

Kit Hilfe des Fernrohres 3 läset sich die Stelle eines charakteristischen Punktes S im Gegenstand AA¹ und seines Bildpunktes S* im MId BE¹ in bezug auf die Achse des Systems deutlich bestimmen. Durch Rotation und/oder Translation des Systems und somit der Achse 00' kann man die Punkte" S-und S¹ zusammenfallen lassen. Die besondere Eigenschaft des

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Systems besteht darin, dass der Abstand χ des Gegenstandes vom System beliebig gewählt werden kann. Durch geeignete. Gestaltung des Gegenstandes AA' wird ein geeignetes ELnstellkriterimn erhalten. Durch Verschiebung dreier in verschiedenen Abständen vom System liegender Gegenstände in einer Sichtung quer zur Aohse des Systems können diese Gegenstände fluchtend gemacht werden. Auf entsprechende Weise kann z.B. die Geradführung eines Schlittens einer Bearbeitungsmaschine dadurch kontrolliert werden, dass der Schlitten in Richtung der Achse des Systems verschoben wird.

Die Vorrichtung hat'dcai Vorteil, dass die Ausrichtachse lediglich durch das fest angeordnete konfokale aus den Spiegeln 1 und 2 bestehende System bestimmt wird. Das Fernrohr .3 dient zur Beobachtung, aberbeeinflusst die Stelle der Ausriehtaohse nicht.

In Fig. 3 sind die identischen sphärischen Spiegel 11 und die die auffallenden Lichtstrahlen nahezu völlig reflektieren, derart angeordnet, dass der Krümmungsmittelpunkt M₁₁ des Spiegels 11 auf dem Spiegel 12 und der KrummUngsmittelpunkt M.p des Spiegels 12 auf dem Spiegel 11 liegt. Die Verbindungslinie M-j^K-fp definiert die Achse 00· des Systems. Der halbdurohläs3ige Spiegel 13 ist unter einem Winkel von 45° ?u der Achse 00' angeordnet.

Der Gegenstand DD¹ wird von einem (aus einer nicht dargestellten Quelle herrührenden) Lichtbü'ndel beleuchtet. Der halbdurehlässige Spiegel 13 lässt die vom Gegenstand DD¹ ausgehenden Lichtstrahlen teilweise durch. Die Strahlen werden zum Teil auf den Spiegel 11 reflektiert. Der Spiegel 11 erzeugt die Abbildung EE¹ des Gegenstandes DD¹ (oder des in bezug auf die Linie XX¹ reflektierten virtuellen Gegenstandes ED"), Dieses Bild wird auf gleiche Weis© wie das vom Spiegel 1 erzeugte Bild CC· des Gegenstandes AA¹ in der Vorrichtung nach Fig. 1 erhalten.

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Das .Bild EE¹ ist seinerseits ein Gegenstand, der vom Spiegel 12 abgebildet wird. Die Abbildung des Gegenstandes EE¹ ist das virtuelle Bild EF¹ , das wieder auf gleiche Weise wie das virtuelle Bild ßb' in Pi,·. 1 erhalten wird. Durch Spiegelung des virtuellen Bildes PP¹ in bezug auf die Achse XX¹ wird das virtuelle Bild DP" erhalten, das zusammen mit dem Gegenstand DL·' mit Hilfe des Fernrohres 14 beobachtet wird.

Zur Verringerung des Lichtverlustes im System kann der Spiegel 13 als eine Trennfläche zwischen zwei Teilen eines polarisierenden M Teilprismas 15 ausgebildet werden. Diese Flache ist dann aus spiegelnden Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex aufgebaut. Zwischen dem Prisma und dem Spiegel 11 bzw. 12 ist ferner in diagonaler Lage eine 1/4A.-Platte 16 bzw. 17 angebracht. Haturgema'ss muss der Abstand zwischen den Spiegeln 11 und 12 an die Änderung der optisohen Weglänge infolge der Anwendung des Teilprismas 15 angepasst werden.

Das vom Gegenstand DD' ausgehende Bündel natürlichen Lichtes fällt unter dem Brewster-V/inkel auf die Flache 13 ein. Durch passende Wahl der Stärke der spiegelnden Schichten kann erzielt werden_f dass im ver-

wendeten Wellenlängenbereich das Lichtbündel völlig in zwei Polarisations- ™ zustände getrennt wird. Das von der Fläche 13 durchgelassene Bündel, das in der Zeichenebene polarisiert ist, fällt unmittelbar in das Fernrohr Das reflektierte Bündel, dessen Polarisationsrichtung zu der Zeichenebene senkrecht ist, durchläuft die i/4 /L -Platte 15, wird an dem Spiegel 11 reflektiert und durchläuft dann wieder die i/4 λ -Platte 16. Die Polarisationsebene dos zurückkehrenden Bündels, hat sich in bezug auf die des hingehenden Bündels um 90° gedreht. Das zurückkehrende Bündel, dessen Polarisationsebene zur Zeichenebene parallel ist, wird vom Spiegel 13 völlig durchgelassen, passiert die λ/4-Platte 17 und wird vom Spiegel 12 reflek-

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tiert. Das zum Spiegel 13 zurüokkehrende Bündel passiert wieder die Platte 17, Die Polarisationsebene hat sich wieder um °O° gedreht, so dass das auf den Spiegel 13 auffallende Licht wieder eine Polarisationarichtung quer zur Zeichenebene hat. Vollständige Reflexion tritt an der Fläche 13 auf. Das reflektierte Licht wird im Fernrohr 14 beobachtet. Das vom Gegenstand DD¹ ausgehende Licht und das vom virtuellen Bild DF" ausgehende Licht haben zueinander senkrechte Polarisationsrichtungen, nämlich eine zur Zeichenebene parallele Polarisationsrichtung bzw. eine Polarisationsrichtung quer zur Zeichenebene. Diese Tatsache kann bei der elektronischen Detektion der beiden aus dem System austretenden Lichtbündel benutzt werden.

Fig. 4 zeigt eine Abart der Vorrichtung nach Fig. 1, Entsprechende Teile der beiden Vorrichtungen sind mit den gleiohen Bezugsziffern bezeichnet. Das Licht aus der (nicht dargestellten) Lichtquelle erzeugt wieder das Bild BB' des Gagenstandes AA¹. Zwischen dem Gegenstand AA¹ und dem konfokalen System (1, 2) sind ein Polariaator 42 und ©ine i/4 X-Platte' 41 angeordnet. Diese Kombination wandelt das natürlich© Licht in zirkulär polarisiertes Licht um. Das zirkulär polarisierte Licht passiert auf seinem Wege zum halbdurchlässigen sphärischen Spiegel 1 die λ/4-Platte 40, die das Licht in linear polarisiertes Licht umwandelt, wobei die Polarisationsebene beispielsweise zur Zeichenebene parallel ist. Im Fernrohr 3 sieht man somit den Gegenstand AA¹ in linear polarisiertem Licht mit der Polarisationsebene parallel zur Zeichenebene. Durch Reflexion am Spiegel 1 und anschlieseend am Spiegel 2. entsteht das virtuelle Bild BE¹. Das am Spiegel 1 reflektierte Licht durchläuft die ^/4-Platte 40 und erzeugt das Bild CC·, das seinerseits das virtuelle Bild BB¹ erzeugt. Das Bild BB' wird über die A./4-Platte im Fernrohr 3 beobachtet.

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Das unmittelbar vom Gegenstand AA' ausgehende Licht hat

einmal die ^Aj-Flatte 40 durchlaufen. Das vom virtuellen Bild BP¹ a;isgehen de Licht hat drei Male die X/4-Pl2tte 40 durchlaufen. Die beiden ic Fernrohr 3 beobachteten Lichtbündel sind daher in zueinander senkrechten Richtungen polarisiert. Dank dem Unterschied zwischen den Folarisationsebenen können das Bild und der Gegenstand einer einfachen elektrischen Verarbeitung unterworfen werden*

Das Bild und der Gegenstand können nicht nur durch passende Wahl der Polarisationsebenen, sondern auch auf andere tfeise leicht voneinander unterschieden werden.

Die Reflexionsquotienten der Spiegel 1 und 2 können nainlich frequenzabha'ngig _:;emacht werden. Es tritt dann zwischen den Bild und dem Gegenstand ein Farbenunterschied auf. Die freuquenzahhängige Reflexion wird dadurch erzielt, dass die Spiegel 1 und 2 aus dünnen Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex aufgebaut werden.

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Claims (1)

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   PATENTANSPRÜCHE.

   1« Optische Vorrichtung sun Ausrichten von in einer beliebigen

   bitfernung ron der Vorrichtung liegenden Gegenständen, dadurch gekennzeich netf dass si· ewei identische oder nahezu.identische Hohlspiegel enthalt, deren spiegelnd· hohle Seiten einander zugekehrt sind und die je den Krümnungenittelpunkt dta anderen Spiegels enthalten.

   2» Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass di· Spiegel halbdurchlässig sind,

   3» Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Hohlspiegeln ein flacher halbdurchla'ssiger Teilspie gel angeordnet ist, duroh den die vom Gegenstand auegehende Strahlung in das Syst·* eintritt und über den die Strahlung wieder aus dem System austritt.

   4* Optische Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Teilspiegel polarisierend wirkt und dass zwischen diesem Spiegel und jeden der Hohlspiegel eine X/4-Platte in diagonaler Lage angebraoht ist.

   5· Optische Vorrichtung naoh Anspruoh 2, dadurch gekennzeichnet, dass ausserhalb des aus den Hohlspiegeln bestehenden Systems ein Polarisator und «in· 1/4 X-Platte und zwischen den Hohlspiegeln eine 1/4 _{ λ.-Platte angebracht sind.

   6·: Optisch· Vorrichtung nach Anspruoh f, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass ein oder.mehrere Spiegel aus dünnen Schichten mit ab-, wechselnd hohen und niedrigen Brechungsindex aufgebaut sind, so dass der Heflexionskoeffizient der Spiegel von der Wellenlänge abhängig ist.

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