DE2202626A1

DE2202626A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Zentrieren optischer Elemente

Info

Publication number: DE2202626A1
Application number: DE19722202626
Authority: DE
Inventors: Bruning John Henry; Herriott Donald Richard
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1971-01-25
Filing date: 1972-01-20
Publication date: 1972-08-10
Also published as: DE2202626B2; DD96337A5; GB1366981A; DE2202626C3; JPS5224853B1; FR2123362B1; BE778399A; US3762821A; FR2123362A1; CH551016A

Description

Western Electric Company, Incorporated, Hew York N.Y. (U.S.A.)

Verfahren und Vorrichtung zum Zentrieren optischer Elemente,

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zentrieren optischer Elemente und findet besonders beim Zusammenbau der linsen eines optischen Systems Anwendung»

Zur Erzielung der optimalen leistung eines optischen Systems, beispielsweise eines Objektivs, muss jedes optische Element des optischen Systems in Bezug auf die optische Achse des optischen Systems zentriert sein und sich im richtigen Abstand von benachbarten optischen Element befinden« Es gibt viele Verfahren zum Zentrieren von optischen Elementen. Zum Beispiel wird bei einem solchen Verfahren jedes optische Element unter Beobachtung der Reflexionen von den beiden optischen Oberflächen des sich auf einer Präzisionswelle drehenden optischen Elements zentriert. Die Stellung des optischen Elements auf der Welle w ird dabei so lange geändert, bis in den beiden von den Oberflächen des

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optischen Elements reflektierten Bilder keine Bewegung mehr beobachtet wird. In diesem Moment fällt die optische Achse des optischen Elements mit der Drehachse der Welle zusammen. Bei einem anderen Zentrierverfahren wird das zu zentrierende optische Element zwischen zwei koaxiale, ringförmige Halter gebracht. Die Halter werden dann aufeinander zu bewegt, wodurch sich die optische Achse des optischen Elements selbsttätig auf die Achsen der Halter ausrichtet. Wenn die optische Achse festgelegt ist, wird der Rand des optischen Elements derart geschliffen, dass er einen Teil der Oberfläche eines Zylinders bildet, dessen Achse mit dec optischen Achse des optischen Elements zusammenfällt. Dieses Verfahren wird für jedes Element des optischen Systems wiederholt. Dann w ird ein zum Halten jedes optischen Elements an seinem genauen Platz dienendes Rohr hergestellt und die Elemente an ihren richtigen Platz im Rohr angeordnet.. Bei einem weiteren Verfahren wird jedes optische Element in einem Messingring montiert und der Aussenrand des Kessingringes so bearbeitet, dass die zentrale Achse der so erzeugten Anordnung mit der optischen Achse des optischen Elements zusammenfällt. Gleichgültig welches spezielle Verfahren verwendet wird, erheben sich unvermeidliche Fehler, da sich die Toleranz des Schleifrandes jedes optischen Clements oder des Messingringes und die Fehler der Bestimmung der optischen Achse jedes optischen Elements summieren. Früher waren diese Fehler nicht wesentlich, da die Anforderungen an die Qualität der optischen Systeme nicht

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so hoch naren. Jedoch sind für das heute verlangte Auflösungsvermögen von optischen Systemen für die Mikrophotographie, wie sie zum Beispiel bei der Herstellung von viele Elemente aufweisenden integrierten Schaltungen verwendet werden, bessere optische Systeme als früher notwendig*

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zentrieren eines optischen Elementes mit einer ersten und einer zweiten optischen Oberfläche, so dass die optische Achse des genannten Elementes mit einer vorbestimmten Achse zusammenfällt, wobei ein Strahl elektromagnetischer Strahlung auf das auf der vorbestimmten Achse angeordnete genannte Element gerichtet, aus der vom genannten Element kommenden Strahlung ein die Exzentrizität der einen Oberfläche des genannten Elementes anzeigendes Signal abgeleitet und auf Grund dieses Signals die Position des genannten Elementes zur Korrektur der Exzentrizität eingestellt wird, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Position des genannten ^Elementes durch Aendern der lage des Krürarangsmittelpunktes von einer oder jeder der genannten Oberflächen, unabhängig von der Lage des Krümmungsmittelpunkt es der anderen der genannten Oberflächen eingestellt wird.

Torzugsweise wird das genannte optische Element dadurch eingestellt, dass es um einen der genannten Krümraungsraittelpunkte gedreht wird bis der andere der genannten Krümmungsmittelpunkte auf der genannten vorbestimmten Achse liegt und dann um den genannten anderen Krümmungsnittelpunkt bis der genannte eine Krümmungsmittelpunkt ebenfalls auf der vorbestimmten Achse liegt*

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Auf die gleiche Weise kann ein weiteres optisches Element· zentriert werden, wobei jedes der genannten El-emente nach dem Zentrieren in einem Abstandsmittel befestigt wird·

Eine Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung ermöglicht den Zusammenbau eines optischen Systems mit mindestens zwei in einem gewünschten Abstand angeordneten optischen Elementen, wobei das erste optische Element in einer Zentriervorrichtung montiert und zentriert wird, dann das zweite optische Element . in der gleichen Zentriervorrichtung montiert und im gewünschten Abstand vom genannten ersten Element zentriert wird und dann die beiden zentrierten Elemente in einen Abstandshalter eingekittet werden, welcher die beiden optischen Elemente im gewünschten Abstand hält.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens nach der Erfindung mit Mitteln zum Richten von elektromagnetischer Strahlung auf das zu zentrierende, zwei optische Oberflächen aufweisende optische Element, Mittel zum Empfangen von Strahlung vom genannten Element und zur Erzeugung eines die Exzentrizität des genannten Elementes anzeigenden Signals und Kittel zum Halten des genannten Elementes und zum Einstellen seiner Position zur Korrektur seiner Exzentrizität, welche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die genannten Einstellmittel zum Einstellen der Lage eines oder jedes der Krünmungsmittelpunkte der genannten optischen Oberflächen des genannten Elementes, unabhängig von der Lage des Krüiamungsmittelpunktes

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der anderen der genannten optischen Oberflächen ausgebildet ist.. Vorzugsweise sind die zum Einstellen der Position des optischen Elementes dienenden Einstellmittel zum Drehen des genannten Elementes um einen der genannten Krümmungsmittelpunkte bis der andere der genannten Krümmungsmittelpunkte auf der genannten vorbestimmten Achse liegt und zum anschliessenden Drehen des genannten Elementes um den genannten anderen Erümmungsmittelpunkt bis der genannte eine Krümmungsmittelpunkt ebenfalls auf der genannten vorbestimmten Achse liegt, ausgebildet*

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Pig.l eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung nach der Erfindung,

Pig.2 eine schematische Darstellung eines photoelektrischen Detektors der Vorrichtung nach der Fig.l,

Fig.3 eine auseinandergezogene Darstellung eines Linsenmanipulators der Vorrichtung nach der Big.l und

Fig.4 eine Darstellung eines zusammengebauten optischen Systems·.

Die Vorrichtung nach der Pig.l umfasst im wesentlichen einen Digitalrechnet 11, einen Autokollimator 21, einen linsenmanipulator 31, ein Interferenzen zählendes Interferometer 165 und einen mit der Welle 311 gekuppelten Kodierer 313. Wie in der Pig.l dargestellt, werden dem Rechner 11. Informa-tionen vom Autokollimator 21, Interferometer 165 und Kodierer 313 zugeführt, welcher Rechner auf Grund dieser Informationen die Stellungsänderung des optischen Elements berechnet, die notwendig ist

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um dieses auszurichten. Auf Grund dieser Berechnung werden entsprechende Signale erzeugt und diese dem Manipulator 31 zugeführt, welcher dann die notwendige Aenderung der Stellung der Linse bewirkt·

Der Autokollimator 21 umfasst einen laser 115, der einen Strahl 116 aus kohärenter Strahlung erzeugt, einen Strahlteiler 125, der einen Teil des Laserstrahls auf das zu zentrierende Element 135 und einen Teil des Laserstrahls auf einen Photodetektor 151 zur Peststellung von Zentrierfehlern und der axialen Stellung des zu zentrierenden Elements 135 richtet. Das optische Element 135 kann, wie dargestellt, eine Linse mit zwei optischen Oberflächen oder ein Spiegel mit nur einer reflektierenden Oberfläche sein. Der Autokollimator 21 umfasst weiter einen ' Polarisatur 121, eine λ/4-Platte und einen Analysator, wie er im U.S.Patent 2,318.705 beschrieben ist und daher hier nicht näher erläutert wird. Zur Verbreiterung des Laserstrahls 116 auf einen grösseren Durchmesser ist eine Linse 117 vorgesehen.. Die Lins en 127 und 129 dienen zum Anpassen der Krümmung der Wellenfront des Strahls 116 an die Krümmung der Oberfläche der zu zentrierenden Linse 135. Der Reflektor 139 richtet das von der Linse 135 reflektierte Licht auf den Photodetektor 151. Durch die Linse 145 wird dieses reflektierte Licht auf dem Photodetektor fokussiert.

Die Linse 135 ist im Linsenmanipulator 31 angeordnet. Dieser Manipulator umfasst eine Präzisionswelle 311, die durch geeignete Mittel (nicht dargestellt) antreibbar ist, einen mit der Welle

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gekuppelten !Codierer 312 der die Stellung der Welle 311 dauern überwacht und eine Platte 317, die starr auf der Welle 311 befestigt ist. Auf dieser Platte sind mehrere Einheiten zur . Aenderung der Position der Linse 135 angeordnet. Biese Einheiten werden vom Rechner 11 über leitungen und auf der Helle 311 angeordnete Schleifringe 319 gesteuert und werden später an Hand der Pig.3 ausführlich erläutert.

Der Autokollimator 31 kann längs der Drehachse der Welle bewegt werden. Diese Bewegung wird durch einen Motor 161 bewirkt, der eine Leitspindel 163 antreibt, die dem Autokollimator 21 zugeordnet ist. In jedem Zeitpunkt wird die genaue Stellung des Autokollimators 21 durch das Interferenzen zählende Interferometer 165 von üblicher Bauart festgestellt, welches einen Lichtstrahl auf ein als Reflektor dienedes Prisma 167 am Autokollimator richtet. Das Interferometer 165 kann ein Perking-Elmer Lasergage Modell 5900 sein-

Der Photodetektor 151 kann, wie in der Pig.2 dargestellt, ein Quadranten-Photodetektor 211 sein, in dessen Zentrum sich eine kleine Oeffnung 231 mit angenähert der Grosse des von der Linse 145 erzeugten Beugungsscheibchens befindet. Unter bestimmten Umständen, die später beschrieben werden, kann einfallendes Licht durch diese Oeffnung hindurchgehen und einen hinter der Oeffnung angeordneten anderen Photodetektor 235 erreichen* Jeder der vier Quadranten 221, 222, 223, und 224 des Detektors 211 bildet einen selbstständigen Photodetektor. Die von diesen Quadranten abgehenden

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Leitungen 241, 242, 243 und 244 führen ein Signal, das proportional der Lichtmenge ist, die auf den speziellen Quadranten fällt. Die vom Photodetektor 235 abgehende fünfte Leitung 245 führt ein Signal, das der auf diesen Photodtektor fallenden Lichtmenge proportional ist. Wie in einzelnen noch später beschrieben wird, wird der Quadranten-Photodetektor in einer dem Fachmann bekannten Weise zum Peststellen von Zentrierfehlern der Linse 135 bezüglich einer bestimmten Achse verwendet. Der Photcdetektor 235 dient zur Bestimmung der axialen Lage der Oberfläche der einzustellenden Linse 135.

In der Pig.3 ist der Linsenmanipulator 31 dargestellt. Der Manipulator umfasst die früher erwähnte Präzisionswelle 311, den Wellencodierer 313, die Platte 317 und die Schleifringe 319 (in der Fig.3 nicht dargestellt)· Der Manipulator umfasst ferner einen auf Rollen gelagerten Schlitten 321, eine zweite starre Platte 341, eine dritte starre Platte 361 und einen ringförmigen Träger 381. Der auf Rollen gelagerte Schlitten 321 umfasst drei parallele Platten 323, 327 und 231, die übereinander mit dazwischen befindlichen Rollenlagern angeordnet sind. Die Rollenlager zwischen den Platten 323 und 327 umfassen zwei parallele Laufrillen 324, die sich in einer ersten Richtung erstrecken und die Rollenlager zwischen den Platten 327 und 331 zwei parallele.Laufrillen 328, die sich in einer zur ersten Richtung orthogonalen zweiten Richtung erstrecken. In der Mitte von jeder dieser Platten befindet sich eine Oeffnung 325j 330 bzw.

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335» in die der Schaft der Präzisionswelle 311 passt. l«Iit Ausnahme der Oeffnungen in den Platten entspricht der Schlitten 321 bekannten käuflichen Translationsstufen wie beispielsweise den Modellen 20.127, 20.128 und 20129 der Lansing Research Corporation, Ithaca, New York.

Die Platte 323 ist starr auf der Platte 317 montiert. Me Oeffnung 325 muss daher· nur so gross sein, dass der Schaft der Welle 311 hindurchgehen kann* Die Oeffnungen 330 und 335 in den Platten 327 bzw. 331 haben beträchtlich grössere Durchmesser als der Schaft, so dass sich die Platten 327 und 331 relativ zum Schaft bewegen können. Wie in der Pig.3 gezeigt, ist die Platte 327 in der Σ-Richtung durch einen umlaufenden Schrittmotor bewegbar, der eine Differentialschraubenspindel antreibt, die in Kontakt mit der Platte ist. Die Differentialschraubenspindel entspricht denen, die als Modell 22.501 und 22.505 von der lansing Research Corp. verkauft werden. Die Kombination aus Schrittmotor und Differentialschraubenspindel bildet einen linearen Betätiger 337. Die Platte 331 ist durch einen ähnlichen Schrittmotor und eine ähnliche Differentialschraubenspindel, die nicht dargestellt sind, in der Y-Richtung bewegbar. Die Bew-eglichkeit der Platten 327 und 331 ist durch die mit Rollen versehenen Rillen 324 und 328 so eingeschränkt, dass sich die genannten Platten nur in den genannten Richtungen bewegen können.

Die Platte 341 ist starr auf der Platte 331 befestigt und hat eine Oeffnung 342 von ähnlicher Grosse wie die Oeffnung 335·

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Die Platte 341 ist starr auf der Platte 331 befestigt und hat eine Oeffnung 342 von ähnlicher Grosse wie die Oeffnung 335. Durch diesen Aufbau wird die X-Bewegung und die Y-Bewegung des Schlittens 321 auf die Platte 341 übertragen. Auf der Platte 341 sind drei Bolzen 344, 346 und 348 vorgesehen. Jeder von diesen Bolzen kann für sich durch einen linearen Betätiger, ähnlich denjenigen die zum Einstellen der X» und Y¹ Position der Platten 327 und 331 vorgesehen sind, in der Z-Richtung bewegt werden. Ein solcher linearer Betatiger' 345 ist in der Fig.3 schematisch dargestellt und dient zum Einstellen der Höhe des Bolzens 344. Aehnliche nicht dargestellte lineare Betätiger werden zum Ein stellen der Höhe der Bolzen 346 und 348 verwendet.

Wie in der Pig.3 dargestellt, hat die Spitze des Bolzens 344 einen V-förmigen Schlitz 354 und die Spitze des Bolzens 346 eine konische Vertiefung.356. Der Grund des V-förmigen Schlitzes ist auf das Zentrum der konischen Vertiefung ausgerichtet. Die Spitze des Bolzens 348 ist eben. Die Spitzen der Bolzen 344, 346 und 348 bilden Basen für das kinematische Tragen von drei mit Kugeln versehenen PUssen 364, 366 und 368, die sich von der Platte 361 nach unten erstrecken und im V-förmigen Schlitz des Bolzens 344, in der konischen Vertiefung des Bolzens 346 und auf der ebenen Oberfläche des Bolzens 348 aufliegen. Die Bolzen 344 und 346 haben von ihren Mittellinien aus gemessen einen Abstand d, der gleich dem Abstand zwischen den Mittellinien der Bolzen 346 und 348 ist. Die Linie, welche die Bolzen 344 und 346 verbindet

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und die Linie, welche die Bolzen 346 und 348 verbindet, schliessen einen Winkel von 90° ein. Die Spitzen der Hisse 364 und 366 haben ebenfalls den Abstand d voneinander, der gleich ist dem Abstand zwischen den Spitzen der Füsse 366 und 368. Die Achse, welche die Filsse 364 und 366 verbindet und die Achse, welche die Fiisse 366 und 368 verbindet, schliessen einen Winkel von 90° ein. Durch diesen Aufbau bilden die Platten 341 und 361 einen kinematischen Objektträger. Weitere Einzelheiten solcher Träger sind im Buch von W.J.Smith, Modem Optical Engineering, Seiten 427 bis 431, erschienen 1966 bei McGraw-Hill, beschrieben. Ein solcher Träger weist die minimale Zahl von Einschränkungen auf, die zum Pestlegen eines Objektes wie die Platte 361 in einer bestimmten Stellung in Bezug auf ein zweites Objekt wie die Platte 341 notwendig ist. Durch Aendern der Höhen der Bolzen 344, 346 und 348 können der Platte 361 mehrere Bewegungen erteilt werden· Zum Beispiel kann eine Bewegung in der Z-Richtung durch Bewegen der Bolzen 344, 346 und 348 um gleiche Beträge in der vertikalen Richtung erzielt werden. Eine Drehung um die Gerade zwischen den Bolzen 344 und 346 kann durch Bewegen des Bolzens 348 und eine Drehung um die Gerade zwischen den Bolzen 346 und 348 durch Bewegen des Bolzens 344 erzielt werden·

Die Bewegung der Platte 361 wird Über eine Reihe von Tragbolzen 371t mit denen der die Linse 135 tragende Tragring 381 auf der Platte 361 befestigt ist, auf die Linse 135 übertragen. Die Höhe des Tragringes 381 über der Platte 361 kann durch Ver-

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schieben des Tragringes 381 auf dem Tragbolzen 371 eingestellt werden. Zum Befestigen des Trangringes 381 in der gewünschten Höhe auf dem Tragbolzen -371 dienen bekannte Llittel (nicht dargestellt). Die linse 135 ist mittels dreier Träger 385 am Tragfing 381 befestigt..

Mit der vorstehend beschriebenen mechanischen Anordnung ist es unter Verwendung von fünf linearen Betätigern möglich, die Linse 135 sowhl in einer oder mehreren von drei orthogonalen Richtungen zu bewegen als auch um eine beliebige Achse quer zur Drehachse der Präzisionswelle 311 zu neigen. Daher kann mittels der genannten linearen Betätiger die linse in fünf Freiheitsgraden bewegt werden. Wie weiter unten beschrieben wird, genügt diese Einstellung in fünf Freiheitsgraden zum Bewegen einer Oberfläche einer linse um jeden Punkt auf der Drehachse der Welle 311. Insbesonders kann, da der Krümmungsmittelpunkt einer richtig zentrierten Linse auf der Drehachse der Welle liegt, die zentrierte Oberfläche der Linse um ihren Krümmungsmittelpunkt gedreht werden. Wie bekannt ist, bleibt beim Drehen einer zentrierten optischen Oberfläche um ihren Krümmungsmittelpunkt die Zentrizität der Oberfläche erhalten, da diese sphärisch ist.. Daher kann nach dem Zentrieren der einen Oberfläche einer Linse bezüglich der optischen Achse die andere Oberfläche durch Drehen der Linse um den Krümmungsmittelpunkt der zentrierten einen Oberfläche zentriert werden. Mit der beschriebenen Vorrichtung kann somit jede Oberfläche einer Linse ohne Beeinflussung der Zentrierung der anderen Oberfläche der Linse zentriert werden»

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Vor der Verwendung muss die Vorrichtung ausgerichtet werden. Insbesondere muss der Ort der Spitzen der drei mit Kugeln versehenen itisse 364, 366 und 368 in Bezug auf eine Bezugsfläche {nicht dargestellt) festgelegt werden. Diese Festlegung erfolgt mit bekannten Mitteln. Es muss auch die Krümmung der Wellenfront des vom Autokollimator kommenden Lichts an die Krümmung der zu zentrierenden Oberfläche angepasst werden. Zuerst wird die obere Oberfläche der Linse 135 zentriert. Zu diesem Zweck wird der Autokollimator 21 längs der Drehachse der Welle 311 in eine Stellung verschoben, in der die Krümmung der Wellenfront des vom Autokollimator kommenden Strahls angenähert derjenigen der näher zum Autokollimator liegenden Oberfläche der Linse 135 entspricht* In einigen Pällen kann mit der speziellen Linse ·129 im Autokollimator keine Anpassung der Krümmungen erzielt werden. In diesen Pällen ist die spezielle Linse 129 gegen eine andere Linse mit geeigneter Brechkraft auszuwechseln.

Die erste zu zentrierende Linse wird mittels des Ringes in dem die zu zentrierende Linse eingekittet ist, im Träger 385 befestigt.. Dann wird ein Strahl kohärenter Strahlung vom Laser 115 auf den Strahlteiler 125 gerichtet und von diesem über die Linsen 127 und 129 auf die Linse 135 reflektiert. Das auf die obere Oberfläche der Linse fallende Licht wird von dieser Oberfläche über die Linsen 129 und 127 zurück zum Strahlteiler 125 reflektiert. Das Licht geht weiter durch den Strahlteiler 125 zu einem Reflektor 139, der das Licht über eine Sammellinse 145

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auf den Photodetektor 151 reflektiert. V/enn das optische System im Autokollimator genau ausgerichtet und die obere Oberfläche der Linse genau zentriert ist, dann fällt das Licht so auf den Photodetektor 211, dass jeder der Quadranten 221, 222, 223 und

die gleiche Lichtmenge erhält, wodurch auch auf den Leitungen 241, 242, 243 und 244 gleiche Signale erhalten werden. Gewöhnlich wird jedoch das Licht derart auf den Photodetektor 211 fallen, dass die vier Quadranten ungleiche Lichtmengen erhalten und demzufolge die vier von diesen Quadranten kommenden Leitungen vier verschiedene Signale führen. Diese Signale zeigen entweder eine nicht Ausrichtung des optischen Systems des Autokollimators oder eine Exzentrizität der oberen Oberfläche der Linse 135 an..

Zum Eliminieren der Wirkungen einer Nicht ausrichtung im Autokollimator 21 wird die Linse 135 mittels der Welle 311 gedreht. Wenn der Krüramungsmittelpunkt der oberen Oberfläche der Linse 135 auf der Drehachse der Welle 311 liegt, tritt keine Aenderung des auf den Quadranten-Photodetektor 211 fallenden Lichtmusters ein, wodurch angezeigt wird, dass die obere Oberfläche der Linse richtig zentriert ist. Wenn andererseits diese Oberfläche exzentrisch liegt, dann ändert sich das auf den Photodetektor 211 fallende Lichtmuster mit der Drehung der Welle 311·. Durch Analysieren der Signale auf den Leitungen 241 bis 244 mittels bekannter Methoden kann festgestellt werden, ob die Oberfläche der Linse 135 richtig zentriert ist. Ferner kann wieder

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nach bekannten Methoden die Verschiebung des Krümraungsmittelpunktes der oberen Oberfläche der Linse 135 von der Drehachse 311 bestimmt werden. Im in der Pig.3 verwendeten Koordinatensystem ist diese Verschiebung eine Verschiebung in der X-Y Ebene. Die Bestimmung dieser Verschiebung erfolgt nach einem einfachen Programm im Rechner 11 unter Verwendung der Signale auf den leitungen 241 bis 244, der Dicke der Linse 135, der Krümmungsradien der Oberflächen der Linse 135 und den Ort der Drehachse der Welle 311 als Eingangsdaten.

Es wäre möglich die obere Oberfläche der Linse 135 einfach durch Verschieben der Linse 135 in die X-3ichtung und Y-Richtung zu zentrieren, so dass der Krümmung smitt el ρ ankt der oberen Oberfläche der Linse 135 auf der Drehachse der Welle 311 liegt. Es wird jedoch vorgezogen, die Linse 135 um einen Punkt auf der Drehachse der Welle 311 zu drehen, der der lirümmungsmittelpunkt der unteren Oberfläche der Linse 135 ist, wenn die untere Oberflache zentriert ist.

Zum Zentrieren der oberen Oberfläche der Linse 135 durch Drehen der Linse um den Erümmungsmittelpunkt der unteren Oberfläche müssen sieben simultane Gleichungen gelöst werden, welche die Positionen der Spitzen der drei Kugeln aufweisenden Püsse 364-t 366 und 368 beschreiben. Da diese Hisse mechanisch mit der Position der Linse 135 gekuppelt sind, beschreiben die genannten Gleichungen auch die Position der Linse 135. ^vor dem Beginn des Zentriervorganges hat die Spitze des Pusses 366 die Position

_t JT₁, ζ_Ί, die Spitze des Pusses 364 die Position x₉» To» Z₀, ^X . 209833/0708 * ^{ά ά}

und die Spitze des Pusses 368 die Position x*»y*,z,, wobei x, y und ζ in einem Koordinatensystem gemessen werden, dessen Ursprung derjenige Punkt ist, der mit dem Krummungsmittelpunkt der unteren Oberfläche der Linse 135 zusammenfällt, wenn diese Oberfläche zentriert ist» Unter dieser Annahme sind die Beziehungen zwischen den drei Spitzen der Püsse durch die folgenden Gleichungen gegeben:

(X₂ -X₁)² + (z₂ -Z₁)² = d² (1)

(y₃ ^₁)^{2 +} («3 -Z₁)² = d² (2)

(x₂ -X₃)² + (y₂ -y₃)²+ (z₂ -Z₃)² = 2d² (3)

ο ρ ο ρ

x₂ + y₂ ⁺ Z₂ ⁼ *2

X₃ ² + y₃ ² + Z₃ ² = r₃ ² (6)

y₂ ^β yi (7)

Die Gleichungen (1) bis (3) und (7) ergeben sich aus einfachen mechanischen Abstandsbetrachtungen,"wobei d der oben definierte Abstand zwischen den Spitzen der Püsse 364 und 366 ist. Die Gleichungen (4) bis (6) folgen aus der gewählten Lage des Koordinatensystems. Jede dieser Gleichungen definiert eine Kugel mit dem Radius r^, r₂ bzw. r,, deren Mittelpunkt im Koordinatenursprung liegt. Demzufolge liegt die Spitze jedes Pusses auf der Oberfläche einer Kugel, deren Mittelpunkt auf der Drehachse der Welle im Krummungsmittelpunkt der unteren Oberfläche der Linse 135 liegt. Da der Ort dieses Krümmungsmittel-

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Punktes und die Orte der Spitzen der Püsse bekannt sind, können r,, r„ und r~ leicht berechnet werden.

Zum Bewegen der Linse angenähert um den Krümmungsmittelpunkt ihrer unteren Oberfläche braucht die Linse nur derart bewegt werden, dass ^eder der Püsse den gleichen Abstand vom Krümmungsmittelpunkt der unteren Oberfläche der Linse 135 beibehält·. Mit anderen Y/orten, die Radien ^'^Τ2 ^VÜ0L^^{L x}^ sollen vor und nach der Bewegung der Linse gleich sein. Zu diesem Zweck werden die Platten 327 und 331 mittels ihrer linearen Betätiger in der X- und Y-Sichtung um einen !eil des Weges verschoben, der notwendig ist um den Krümmungsmittelpunkt der oberen Oberfläche der Linse 135 auf die Drehachse der Welle 311 zu bringen. Dadurch ergeben sich in der oben angeführten Gleichung (4) neue Vierte für x, und y^T Durch den Rechner wird dann aus der Gleichung (4) ein neuer Wert für z, berechnet, wobei

2SS ■*» — ν _ nr /O^

Λ. X XJ.

Als nächstes wird ein Wert Zg gemäss der folgenden Beziehung berechnet:

ζ«² ==—5- z_n(d²-2w²-e²) + x-,d(4w²+2e²-d²-e⁴/d²)^l/2 (9) 2V L ^J

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dabei wird in dem mit +. x,d beginnenden Ausdruck das Minuszeichen .verwendet wenn ζ_χ grosser als Null ist und das Pluszeichen, wenn Z₁ kleiner als Null ist. Die Gleichung (9) ist aus den Gleichungen (1), (4), (5) und (7) abgeleitet. Schliesslich wird ein neuer Wert Z₃ berechnet. Diese Berechnung erfolgt am besten nach einem der Newton-Raphson liethode entsprechenden iterativen Verfahren. Zur Ausführung dieser'Rechnung muss gleichzeitig die X-Koordinate des Pusses 368 bestimmt werden. Dies erfolgt ebenfalls nach iterativen Methoden. Die allgemeinen iterativen Gleichungen zum Berechnen der neuen Werte x¹, und z^f ₃ der Koordinaten des Pusses 368 sind:

A . C - B . D

(10)

A	. C	- B	. D
£	. D	- C	. P
B	. P	- A	. E

z» ^z,+ (11)

⁰ * E . D - C . P

A = (Z₃- Z₁)² + (y₃ - y_x)² - d²

Λ Λ Λ Λ

B = (ζ,-'ζ-,) —(ζ₂—ζ₃) - (χ₂ - X^) + d C = 2 (ζ₂ - Z₁)
D = -

E = 2(x₂ - X₃)
P β -2x₃ (y₃ -

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Diese Gleichungen sind aus den Gleichungen (2), (3), (6) und (7) sowie aus den durch die .Gleichungen (8) und (9) gegebenen Werte für z, und Zp abgeleitet. Die Iterationen der Gleichungen (10) und (11) konvergieren sehr stark. Wenn daher der neue Wert von z~ nahe dem alten Wert 1 liegt, sind zu dessen Berechnung nur wenige Iterationen notwendig.

Nachdem die neuen Vierte x,, y, , z,, Z₂ und z, bestinant sind, berechnet der Rechner die vorzunehmenden Aenderungen der Positionen der Platten 327 und 331 sowie der Bolzen 344, 346 und 348 und erzeugt die für die Durchführung dieser Aenderungen notwendigen Signale. Diese Signale gelangen über entsprechende Leitungen und über die auf der Welle 311 angeordneten Schleifringe 319 zu den verschiedenen linearen Betätigern, welche die Platten und Bolzen einstellen»

Nach Einstellung der Platten und Bolzen in ihre neuen Positionen wird die Zentrierung der oberen Oberfläche der Linse 135 wieder geprüft. Wenn die obere Oberfläche zentriert ist, kann das Zentrieren der unteren Oberfläche beginnen. 7/enn jedoch die obere Obaflache noch nicht sentriert ist, wird die Verschiebung des KrÜKnaungsmittelpunktes der oberen Oberfläche von der Drehachse durch den Quadranten-Photodetektor 211 nochmals gemessen und eine weitere Drehung der unteren Oberfläche der Linse 135 um ihren Krümmungsmittelpunkt durchgeführt.. Diese Drehung wird genau gleich ausgeführt wie oben beschrieben. Die Platten 327 und 331 werden c roh ihre linearen Betätiger in der X-und Y-

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Richtung um einen Teil des Weges bewegt, der notwendig ist um den Krümmungsmittelpunkt der oberen Oberfläche der Linse 135 auf die Drehachse der Welle 311 zu bringen. Aus den auf diese Weise erhaltenen neuen Werten von x, und y, wird nach der Gleichung (8) ein neuer Wert von z, berechnet. Unter Verwendung der Gleichung (9) wird ein Wert für z_? und unter Verwendung der Gleichungen (10 und (11) ein V/ert für z~ berechnet. Der Rechner erzeugt ein Signal, das die Position der Spitzen der Füsse 364» 366 und 368 entsprechend diesen neuen Werten einstellt. Die Zentrizität der oberen Oberfläche der Linse 135 wird dann wieder geprüft und die beschriebene Prozedur wiederholt, bis die obere Oberfläche der Linse zentriert ist·

Wenn die obere Oberfläche zentriert ist, liegt ihr Krümmungsmittelpunkt auf der Drehachse der Y/elle 311. Die genaue Lage dieses Punktes kann leicht mittels des Rechners bestimmt v/erden, wenn der Autokollimator 21 längs der Drehachse der Welle 311 bewegt und das Ausgangssignal des Interferometers 165 und des Photodetektors 235 beobachtet werden. Wenn der vom Autokollimator 21 kommende Strahl auf einem Punkt auf der oberen Oberfläche der Linse 135 fokussiert wird, wird der auf den Photodetektor 151 fallende Strahl gleichfalls zu einem Punkt konvergiert, der nur durch das von der Linse 145 gebildete Beugungsscheibeheη begrenzt ist. Da die obere Oberfläche der Linse 135 zentriert ist, fällt dieser Punkt mit der Oeffnung 231 in der lütte des Quadranten Photodetektors 211 zusammen· Somit geht praktisch das ganze

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von der oberen Oberfläche der Linse 135 reflektierte Licht durch die Oeffnung· 231 im Quadranten-Photo dielet; or 211 und fällt auf den Photodetektor 235· Die grösste Lichtmenge'geht dann durch die Oeffnung 231, wenn der Lichtstrahl auf die obere Oberfläche der Linse 135 fokussiert iät. Y'enn der Lichtstrahl auf irgendeinen anderen Punkt fokussiert ist, fällt weniger Licht auf den Photodetektor 235· Zum bestimmen des genauen Ortes der Linse betätigt der Rechner den llotor 61 zum Bewegen des Autokollimator 21 längs der Drehachse der Welle 311. Gleichzeitig überwacht der Rechner das Aus-gangssignal auf der Leitung 245 des Photodetektors 235 und die vom Interferometer 165 festgestellte Positior des Autokollimators 21. Aus diesen Informationen bestimmt der Rechner durch Kurvenanpassung den Punkt, in dem der Autokollimator 21 auf die obere Oberflä-che der Linse 135 fokussiert ist* Da im Speicher des Rechners der Ort der Bezugsfläche gespeichert ist, die zur Bestimmung der Lage der Spitzen der drei Bisse dient, liefert die Differenz zwischen der Anzeige des Interferometers, wenn der Autokollimator 21 auf die obere Oberfläche der Linse 135 fokussiert ist und die Anzeige des Interferometers wenn der Autokollimator 21 auf die Bezugsebene fokussiert ist, die genaue Position der Linse 135. Dann ist der Krümmungsmittelpunkt der oberen Oberfläche der Linse 135 bekannt, da der Krümmungsradius dieser Oberfläche bekannt ist.

Anschliessend wird die untere Oberfläche der Linse 135 auf die gleiche Weise zentriert wie ihre obere Oberfläche.

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Es wird wieder die Krümmung der Wellenfront des vom Autokollimators kommenden Lichtes an die Krümmung der zu zentrierenden Lins en oberfläche durch Einstellung der Position des Autokollimators oder, wenn notwendig, durch Auswechseln der Linse 129 angepasst. Jedoch ist zu beachten, dass in diesem Pail die Wellenfront des Lichtes in der Linse an die Krümmung der unteren Oberfläche der Linse anzupassen ist. Dann werden die Abstände r,, r₂ und r.* zwischen den Spitzen der Füsse und dem Krümmung smitt el punkt der oberen Oberfläche der Linse 135 berechnet. Anschliesscnd wird die Exzentrizität der unteren Oberfläche durch den Quadranten-Photodetektor 211 gemessen. Die Linse wird dann um den Krümraungsinittelpunkt ihrer oberen Oberfläche gedreht. Zur Durchführung dieser Drehung werden die Platten 327 und 331 in der X- bzw. Y-Richtung um einen Bruchteil des Weges bewegt, der notwendig ist um den Krümmungsmittelpunkt der unteren Oberfläche der Linse 135 auf die Drehachse der Welle 311 zu bringen. Da durch ergeben sich neue Werte für die x-, und y. Koordinaten der Spitze des Pusses 356. Aus diesen Werten und dem Wert für r, wird ein neuer Wert für z^ gemäss der Gleichung (8) berechnet. Aus den Gleichungen (9), (10) und (11) werden auch Werte für ζ« und z_ berechnet. Dann werden die vorzunehmenden Aenderungen der Stellungen der Platten 327 und 331 sowie der Bolzen 344, 346 und 348 berechnet und entsprechende Signale zur Durchführung dieser Aenderungen den verschiedenen linearen Betätigern zugeführt,

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die die Positionen der genannten Platten und Bolzen kontrollieren.-

Die Zentrierung der unteren Oberfläche der Linse wird dann nochmals geprüft. Wenn festgestellt wird, dass die Linse noch immer nicht zentriert is t, wird die Grosse der notwendigen Zentrierung bestimmt und die Linse nochmals um den Krümmungsmittelpunkt ihrer oberen Oberfläche gedreht. Dies wird so lange fortgesetzt, bis auch die untere Oberfläche zentriert ist.

Wenn auch die untere Oberfläche zentriert ist, liegen die Krümmung smitt elpunkte der oberen und der unteren Oberfläche der Linse 135 auf der Drehachse der Welle. Die Linse wird dann am oberen Ende der Y/elle 311 auf gekittet. In der Pig.l ist eine solche Linse 135* in dieser Stellung gezeigt.

Nachdem die erste Linse zentriert ist wird die zweite Linse des Objektivs in den Linsenmanipulator 31 eingesetzt, zuvelchem Zweck der Tragring in welchen die Linse eingekittet ist, am Support 385 befestigt w ird. Die Linse ist nahe der optischen Achse des Artokollimators 21 angeordnet, so dass das von der Oberfläche der Linse reflektierte Licht auf den Photodetektor fällt. Der Tragring 381 wird so auf den Bolzen 371 verschoben, dass die zweite Linse angenähert den ge'.vünschten Abstand von der früher zentrierten Linse hat. Die obere Oberfläche der zweiten Linse wird dann auf die gleiche Weise ausgerichtet wie das oben mit Bezug auf die Oberfläche der ersten Linse beschrieben wurde. Nach deir. Ausrichten der oberen Oberfläche wird der Ort der oberen Oberfläche auf die gleiche wie bei der ersten Linse

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beschrieben mit Hilfe des Photodetektors 151 im Autokollimator 21 und des Interferenzen zählenden Interferometers 165 bestimmt. Die zweite Linse wird dann längs der Drehachse der Yielle 311 verschoben, bis sich ihre obere Oberfläche im gewünschten Abstand von der oberen Oberfläche der ersten Linse befindet. Dieses Nachstellen wird durch inkrementale Verstellung der linearen Betätiger, welche zum Einstellen der Bolzen 364-, 366 und 368 dienen, um gleiche Beträge durchgeführt. Dann wird die untere Oberfläche auf die genau gleiche Weise wie die untere Oberfläche der ersten Linse zentriert.

Wenn die zweite Linse zentriert ist, wird sie in Bezug auf die erste Linse festgekittet. Dies erfolgt vorzugsweise unter Verwendung von Abstandsbolzen, welche den Tragring, in welchem die Linse, eingekittet ist, tragen. In ähnlicher Weise werden die restlichen Linsen des Objektivs zentriert und in ihren richtigen Stellungen festgekittet»

In der Fig.4 ist ein Objektiv 410 mit drei Linsen 412, und 432 dargestellt, die auf die beschriebene Weise zentriert wurden. Die Linsen sind in LIetallringe 411, 421 bzw. 431 eingekittet. Die Ringe werden durch die Abstandsbolzen 415 und im gewünschten Abstand gehalten. Die Bolzen 415 sind in Ausnehmungen 418 der Ringe 411 und in Löchern 427 der Ringe 421 festgekittet. Die Bolzen 425 sind in Ausnehmungen 428 der Ringe 421 und in Löchern 437 der Ringe 431 festgekittet. Der Innendurchmesser der Ausnehmungen und Löcher soll grosser sein

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als der Aus s endurchme ss er der Bolzen, so dass die. Lage der Ringe zum Zentrieren der Linsen geändert werden kann.

Die Linsen können auch durch Metallstreifen in ihrer Position gehalten werden, welche am äusseren Umfang des jede Linse uiagebenden Tragringes fixiert sind.

J¹Ur den Fachmann ist es klar, dass die beschriebene Vorrichtung in verschiedener Weise abgewandelt werden kann. Der beschriebene Autokollimator ist nur einer von vielen verwendbaren erhältlichen Autokollimatoren und die Kittel zum Peststellen der Position des Autokollimators 21, der Welle 311 und der zu zentrierenden Linse 135 sind nur rein beispielsweise beschrieben. Anstelle der beschriebenen Mikrometerschrauben und Schrittmotoren können auch andere Elemente verwendet werden. Zum Beispiel können auch Fuhrungsschrauben und piezoelektrische Wandler ^als lineare Betätiger verwendet werden. Auch können andere Formen des Photodtektors 151 verwendet werden. Zum Beispiel kann der Quadranten-Photo detektor eine vierseitige G-laspyramide mit versilberten Seiten umfassen, wobei die Pyramide so in der Vorrichtung angeordnet ist, dass jede dieser vier Seiten Licht auf einen Photo&fcektor reflektiert. Durch Entfernen des Silbers von der Spitze der Pyramide ergibt sich eine kleine Oeffnung, die der Oeffnung 231 in der Fig.2 entspricht. Hinter dieser Oeffnung kann ein Photoc&ektor angeordnet sein, der das Aequivalent zum Photodetektor 235 der Fig.2 bildet.

Die Verwendung von fünf linearen Betätigern und der von diesen angetriebenen Blatten unfl Bolzen ist rein beispielsweise. Es

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bestehen viele andere Möglichkeiten zur Erzielung einer Bewegung in der X-Y- und Z-Richtung und von Neigungen um quer zur Drehaohse 311 liegende Achsen» Zum Beispiel können die Bolzen in den drei Ecken eines gleichseitigen Dreiecks anstelle in drei von vier Scken eines Quadrates, wie es in der Fig.3 dargestellt ist, angeordnet sein.

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Claims

Patentansprüche:

fitzvorrichtung zum Zentrieren eines optischen Elements mit einer ersten und zweiten optischen Oberfläche, so dass die optische Achse des genannten Elements mit einer vorbestimmten Achse zusammenfällt, mit Mitteln zum Richten von elektromagnetischer Strahlung auf das zu zentrierende, zwei optische Oberflächen aufweisende optische Element, Mittel zum Empfangen von Strahlung vom genannten Element und zur Erzeugung eines die Exzentrizität des genannten Elementes anzeigenden Signals und Mittel zum Halten des genannten Elementes und zum Einstellen seiner Position zur Korrektur seiner Exzentrizität, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Einstellmittel zum Einstellen der lage eines oder jedes der Krümmungsmittelpunkte der genannten optischen Oberflächen des genannten Elementes, unabhängig von der Lage des Krüimnungsniittelpunktes der anderen der genannten optischen Oberflächen ausgebildet ist.

2, Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Einstellen der Position des optischen Elementes dienenden Einstellmittel zum Drehen des genannten Elementes um einen der genannten Krümmungsmittelpunkte bis der andere der genannten Krümmungsniittelpunkte auf der genannten vorbestimmten Achse liegt und zum anschliessenden Drehen des genannten Elementes um den genannten anderen Krümmungsmittelpunkt bis der genannte eine KrUmmungsmittelpunkt ebenfalls auf der genannten vorbestimmten Achse liegt, ausgebildet sind.

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3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Einstellmittel mindestens fünf lineare Betätiger (313,332,345, die anderen sind nicht dargestellt) umfassen, zum Bewegen des genannten optischen Elementes in drei zueinander orthogonalen Richtungen (X,Y,Z) und zum Neigen des genannten Elementes um eine zur genannten vorbestimmten Achse orthogonale Achse.

4. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel zur !Urzeugung des die Exzentrizität einer Oberfläche des genannten Elementes anzeigenden Signals einen Digitalrechner (11) umfassen und die genannten Betätiger mit dem Rechner gekoppelt und von diesem steuerbar sind·

5. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel (21) zum Richten von elektromagnetischer Strahlung auf das genannte optische Element zum Richten eines Lichtstrahls, vorzugsweise eines Strahls kohä-renten Lichts, auf das genannte Element ausgebildet sind und die genannten Mittel zum Empfangen der ve.:: genannten Element reflektierten Strahlung einen Quadranten-rPhotodetektor (211) mit einer Oeffnung (231) in seiner Mitte und einen, lunuer dieser Oeffnung angeordneten zusätzlichen Photodetektor (234) umfassen.

6. Verfahren zum Zentrieren eines optischen Elementes mit einer ersten und zweiten optischen Oberfläche, so dass die optische Achse des genannten Elementes mit einer vorbestimmten AcBnse zusammenfällt, wobei ein Strahl elektromagnets eher Strahlung

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auf das auf der vorbestimmten Achse angeordnete genannte Element gerichtet, aus der vom genannten Element kommenden Strahlung ein die Exzentrizität einer optischen Oberfläche des genannten Elementes anzeigendes Signal abgeleitet und auf Grund dieses Signals die Position des genannten Elementes zur Korrektur der Exzentrizität eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des genannten optischen Elementes (135»412) durch Aendern der Lage des Krümmungsmittelpunktes von einer oder jeder der genannten Oberflächen, unabhängig von der Lage des Krümmungs~ mittelpunktes der anderen der genannten Oberflächen eingestellt wird.

7. Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte optische Element um den einen der genannten Krümmungsmittelpunkte gedreht wird bis der andere der genannten Krümmungsmittelpunkte auf der genannten vorbestimmten Achse liegt und dann das genannte Element um den genannten anderen Krümmungsraittelpunkt gedreht wird, bis der genannte eine Krümmungsmittelpunkt auf der genannten vorbestimmten Achse liegt»

8. Verfahren nach Patentanspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites optisches Element (422) in einem bestimmten Abstand vom genannten ersten optischen Element auf die gleiche Weise zentriert und die genannten optischen Elemente nach dem Zentrieren durch Ab Standsmittel (415) in einem gewünschten Abstand voneinander in ihren zentrierten Stellungen gesichert werden.

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9· Verfahren zum Zentrieren eines optischen Elements, so dass seine optische Achse mit einer vorbestimmten Achse zusammenfälltι wobei das genannte optische Element in Haltemitteln auf der vorbestimmten Achse montiert, ein Strahl elektromagnetischer Strahlung auf das genannte Element gerichtet, aus der vom genannten Element reflektierten Strahlung ein die Grosse der Exzentrizität einer Oberfläche des genannten Elementes bezüglich der genannten vorbestimmten Achse anzeigendes Signal abgeleitet und die Position des genannten Elementes in den Haltemitteln eingestellt wird um die festgestellte Exzentrizität der genannten Oberfläche des genannten Elementes zu korrigieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Position des genannten Elementes (135> 412) durch einen Digitalrechner (11) gesteuert wird..

10· Verfahren zum Zusammenbau eines optischen Systems, das mindestens zwei optische Elemente umfasst, die einen bestimmten gewünschten Abstand voneinander aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (412) in einem linsenzentriergerät (31-?ig.D montiert wird, dass das genannte erste Element zentriert wird, dass das zweite optische Element (422) im genannter linsenzentriergerät montiert wird, dass das genannte zweite Element im gewünschten Abstand vom genannten ersten Element zentriert wird und dass die genannten beiden Elemente in Abstandmittel (415) eingekittet werden, die die Elemente in gewünschtem Abstand voneinander halten»

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■11. Optisches Element oder optisches System, dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem Verfahren gemäss einem der Patentansprüche 6 bis 10 zentriert ist.

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Le e rs eι te