DE2202626B2

DE2202626B2 - Vorrichtung zum Ausrichten von optischen Elementen

Info

Publication number: DE2202626B2
Application number: DE2202626A
Authority: DE
Inventors: John Henry Millburn Bruning; Donald Richard Morris Township Herriott
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1971-01-25
Filing date: 1972-01-20
Publication date: 1975-08-14
Also published as: BE778399A; DD96337A5; JPS5224853B1; US3762821A; FR2123362A1; DE2202626A1; GB1366981A; DE2202626C3; CH551016A; FR2123362B1

Description

richtung (151, 211) zur Abgabe von Signalen bezüglich der Dezentrierung der jeweils auszurichtenden Oberfläche eingerichtet ist und diese Signale zur Steuerung der Halte- und Verschiebe- as einrichtung (31) dienen, welche so ausgebildet und betreibbar ist, daß bei der Verstellung des Krümmungsmittelpunktes der jeweils auszurichtenden Oberfläche eines Elementes der Krümmungsmit-

Zwangszentrierung vorgesehen ist, dadurch 20 optischen Elementen, insbesondere Linsengliedern, gekennzeichnet, daß die Empfängerein- befinden. Es gibt zahlreiche Vorrichtungen zur Durchführung dieser Ausrichtearbeiten.

In diesem Zusammenhang ist es bekannt (US-PS 34 45 665), das auszurichtende optische Element auf einen nach λ:- und y-Richtung einstellbaren sowie drehbaren Halter zu befestigen, ein Strahlenbündel auf das Element zu richten und das vom Element kommende Strahlenbündel auf drei Photoempfänger aufzuteilen, denen jeweils ein in besonderer Weise

telpunkt der anderen Oberfläche des Elements im 30 ausgebildeter Unterbrecher oder Zerhacker zugeordwesentlichen stationär gehalten wird. net ist, so daß jedes Teilstrahlenbündel periodisch um

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- eine Bezugsachse schwankt. Die Stellmotore des Haikennzeichnet, daß die Halte- und Verschiebeein- ters werden so lange betrieben, bis jedes Teilstrahlenrichtung (31) zur Einstellung der Lage derart aus- bündel um die Unterbrecherbezugsachse symmetrisch gebildet ist, daß das Elemente (135) um einen 35 ausgerichtet ist. Mit dieser Einrichtung können nur Krümmungsmittelpunkt geschwenkt vird, bis der solche optischen Elemente zentriert werden, deren opandere Krümmungsmittelpunkt auf der vorbestimmten Achse liegt, und daß dann das Element

um den anderen Krümmungsmittelpunkt geschwenkt wird, bis der erste Krümmungsmittelpunkt ebenfal's auf der vorbestimmten Achse liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halte- und Verschiebungseinrichtung mindestens fünf lineare Be- 45 lange verändert wird, bis das von einer Photoemptätiger (313,332, 345) zum Bewegen des optischen fangseinrichtung empfangene Licht keine Dezentrie-

rung mehr anzeigt. Die Kippung des Halters der Linse wird durch eine Kugelfläche ermöglicht, d. h., der Kipp- oder Schwenkpunkt der zu prüfenden Linse ist festgelegt und fällt nicht im: allgemeinen mit einem Kriimmungsmittelpunkt einer Linsenoberfläche zusammen. Die bekannte Vorrichtung muß gegebenenfalls eine längere Suchbewegung ausführen, bevor die Zentrierung der Linse gelingt. Nachteilig ist ferner

mit dem Rechner gekoppelt und von diesem Steuer- 55 der Umstand, daß die Entfernung zu anderen optibar sind. sehen Elementen, insbesondere Linsengliedern, bei-

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 spielsweise zum Aufbau eines Objektivs, nicht einstellbis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfän- bar ist.

gereinrichtung einen Quadranten-Photodetektor Bei anderen bekannten Verfahren werden die Re-

(211) mit einer Öffnung (231) in seiner Mitte und 60 flexionen an den beiden Linsenflächen beobachtet, einen hinter dieser öffnung angeordneten zusatz- während sich das Linsenglied auf einer Präzisionslichcn Photodetektor (234) umfaßt. welle dreht, und die Stellung des Linsengliedes wird

so lange geändert, bis die an den beiden Linsenflächen

reflektierten Bilder keine Bewegung mehr zeigen. Nach

einem anderen Zentrierverfallren wird das zu zentrierende Linsenglied zwischen zwei koaxiale, ringförmige Halter gebracht und eingeklemmt. Bei minimalem Abstand der ringförmigen Halter stellt sich die optische

tische Achse zuvor parallel zu der Achse der Prüfeinrichtung ausgerichtet ist. Dies kann aber nicht immer vorausgesetzt werden.

Bei einer weiteren bekannten Linsen-Zentrierungs-Vorrichtung (DT-OS 15 72 573) ist ein in x- und y-Richtung verschiebbarer, ferner kippbarer und drehbarer Halter für die auszurichtende Linse vorgesehen, die mit Wechsellicht beaufschlagt und deren Lage so

Elements in drei zueinander orthogonalen Richtungen (λ\ Y, Z) und zum Neigen des Elements um eine zur vorbestimmten Achse orthogonale Achse umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Abgabe eines Signals mit einem Digitalrechner (11) zusammenarbeitet und di°, Betätiger (313, 332, 345)

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung m Ausrichten von optischen Elementen auf eine itische Achse, wobei die optischen Elemente aus-

\chsL des Linsengliedes selbsttätig auf die Achse der ringförmigen Halter ein. Anschließend wird der Rand des Linsengliedes entsprechend der festgestellten optischen Achse gemäß einem Zylinder gescUiSen. Derartig vorbereitete Linsenglieder werden in einer Fassung eingesetzt, die zur Aufnahme der entsprechenden Linsenglieder an jeweils richtiger Stelle vorbereitet ist. Es ist auch bekannt, jedes Linsenglied einzeln in einem Messingnng zu montieren und den Außenrand des Messingringes zu bearbeiten, nachdem die optische Achse auf irgendeine bekannte Weise festgestellt worden ist. Nachteilig an diesen bekannten Verfahren ist der Umstand, daß sich die Festlegungsfehler der optischen Achse jedes einzelnen Linsengliedes bei der Herstellung eines optischen Systems aufsumniieren können, wodurch die optische Qualität solcher Objektive entsprechend vermindert vird.

Ein bekanntes Verfahren zum optischen Einrichten der Linsen eines mehrgliedrigen optischen Systems zueinander (DT-AS 10 83 571) vermeidet diesen Nachteil, es ist aber keine weitgehende Automatisierung möglich. Im einzelnen wird zunächst eine mechanische Fassung gegebenenfalls mit einem eingekitteten optischen Glied in Übereinstimmung mit der optischen Achse der Justiereinrichtung gebracht, deren optischer Teil im wesentlichen aus einem Autokollimationsfernrohr mit Fokussiereinrichtung besteht, dann wird eine weitere Linse im passenden Abstand auf einen Träger mit Ringschneide gelegt und dieser Träger so lange verschoben, bis der Krümmungsmittelpunkt der aufliegenden Linsenfläche auf der optischen Achse liegt, wonach die Linse selbst auf der Ringschneide verschoben wird, bis auch der andere Krümmungsmittelpunkt auf der optischen Achse liegt, wonach die Linse gegenüber der Fassung fixiert wird und in der beschriebenen Weise mit der Zentrierung weiterer Linsen fortgefahren werden kann. Jede weitere Linse ist dabei als »freischwebend« gegenüber der Fassung zu betrachten, da mittels der Ringschneide keine Zwangszentrierung erzielt wird.

Dc- Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorru itung der eingangs angegebenen Art sr> auszubilden, daß eine gute Automatisierbarkeit i^r Ausrichtung von optischen Elementen gegeben ist.

Die gestellte Aufgabe wird auf Grund der Merkmale des Hauptanspruches gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf Weiterbildungen bzw. Ausgestaltungen der Lehre des Hauptanspruches.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen beispielsweise beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 eine schematische Darstellung eines photoelektrischen Detektors der Vorrichtung nach der Fig. 1,

F i g. 3 eine auseinandergezogene Darstellung eines I.inscnmanipulators der Vorrichtung nach der Fig. 1 und

F i g. 4 eine Darstellung eines zusammengebauten optischen Systems.

Die Vorrichtung nach der Fig. 1 umfaßt im wesentlichen einen Digitalrechner 11, einen Autokollimator 21, einen Linsenmanipulator 31, ein Interleienzringe zählendes Interferometer 165 und einen mit einer Welle 311 gekuppelten Kodierer 313. Wie in der F i g. 1 dargestellt, werden dem Rechner 11 Informationen vom Autokollimator 21, Interferometer 165 und Kodierer 313 zugeführt, welcher Rechner auf Grund dieser Informationen die Stellungsänderung eines optischen Elements (im wesentlichen ein Linsenglied 135) berechnet, die notwendig ist, um

dieses auszurichten. Auf Grund dieser Berechnung werden entsprechende Signale erzeugt und diese dem Manipulator 31 zugeführt, welcher dann die notwendige Änderung der Stellung der Linse bewirkt.
Der Autokollimator 21 umfaßt einen Laser 115,

ίο der ein Strahlenbündel 116 aus kohärenter Strahlung abgibt, einen Strahlteiler 125, der einen Teil des Laserstrahlenbündels auf das zu zentrierende Linsenglied 135 und einen Teil des Laserstrahlbündels auf einen Piiotodetekior 151 zur Feststellung von Zen-

trierfehlern und der axialen Stellung des zu zentrierenden Elements 135 richtet. Das optische Linsenglied 135 kann, wie dargestellt, eine Linse mit zwei optischen Oberflächen oder im Grenzfall ein Spiegel mit nur einer reflektierenden Oberfläche sein. Der

ao Autokollimator 21 umfaßl weiter einen Polarisator 121, eine λ/4-Platte und einen Analysator, wie er im US-Patent 23 18 705 beschrieben ist und daher hier nicht näher erläutert wird. Zur Verbreiterung des Laserstrahlenbündels 116 auf einen größeren Durchmesser ist ein Objektiv 117 vorgesehen. Die Linsen 127 und 129 dienen zum Anpassen der Krümmung der Wellenfront des Strahlenbündels 116 an die Krümmung der Oberfläche der zu zentrierenden Linse 135. Ein Reflektor 139 richtet das von der Linse 135 reflektierte Licht auf den Photodetektor 151. Durch die Linse 145 wird dieses reflektierte Licht auf den 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 311 gekuppelten Kodierer 313, der die Stellung der Welle 311 dauernd überwacht, und eine Platte 317, die starr auf der Welle 311 befestigt ist. Auf dieser Platte sind

mehrere Antriebseinheiten zur Änderung der Position der Linse 135 angeordnet. Diese Einheiten werden vom Rechner 11 über Leitungen und auf der Welle 311 angeordnete Schleifringe 319 gesteuert und werden später an Hand der F i g. 3 ausführlich erläutert.

Der Autokollimator 21 kann längs der Drehachse der Welle 311 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 Interfcrenzringe zählende Interferometer 165 von üblicher Bauart festgestellt, welches ein Lichtstrahlenbündel auf ein als Reflektor dienendes Prisma 167 am Autokollimator richtet.

Der Photodetektor 151 kann, wie in der Fig. 2 dargestellt, ein Quadranten-Photodetektor 211 sein, in dessen Zentrum sich eine kleine öffnung 231 mit angenähert der Größe des von der Linse 145 erzeugten Beugungsscheibchens befindet. Unter bestimmten Umständen, die später beschrieben werden, kann einfallendes Licht durch diese öffnung hindurchgehen und einen hinter der öffnung angeordneten anderen Photodetektor 235 erreichen. Jeder der vier Quadranten 221, 222, 223 und 224 des Detektors 211 bildet einen selbständigen Photodetektor. Die von diesen Quadranten abgehenden Leitungen 241, 242, 243 und 244 führen eine Spannung ab, die proportional der

Lichtmenge ist, die auf den speziellen Quadranten fällt. Die vom Photodetektor 235 abgehende fünfte Leitung 245 führt eine Spannung, die der auf diesen Photodetektor fallenden Lichtmenge proportional ist. Wie im einzelnen noch später beschrieben wird, wird der Quadranten-Photodetektor in einer dem Fachmann bekannten Weise zum Feststellen von Zentrierfehlern der Linse 135 bezüglich einer bestimmten Achse verwendet. Der Photodetektor 235 dient zur Bestimmung der axialen Lage der Oberfläche der einzustellenden Linse 135.

In der F i g. 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 321, die übereinander mit dazwischenbefindlichen 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 öffnung 325, 330 bzw. 335, in die der Schaft der Präzisionswelle 311 paßt. Mit Ausnahme der öffnungen in den Platten entspricht der Schlitten 321 bekannten käuflichen Translationsstufen.

Die Platte 323 ist starr auf der Platte 317 montiert. Die öffnung 325 muß daher nur so groß sein, daß der Schaft der Welle 311 hindurchgehen kann. Die Öffnungen 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 F i g. 3 gezeigt, ist die Platte 327 in der Ä'-Richtung durch einen Schrittmotor bewegbar, der eine Differentialschraubenspindel antreibt, die mit der Platte 327 verbunden ist. 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 Beweglichkeit 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 öffnung 342 von ähnlicher Größe wie die öffnung 335. Durch diesen Aufbau werden 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 y-Position der Platten 327 und 331 vorgesehen sind, in der Z-Richtung bewegt werden. Ein solcher linearer Betätiger 345 ist in der F i g. 3 schematisch dargestellt und dient zum Einstellen der Höhe des Bolzens 344. Ähnliche nicht dargestellte lineare Betätiger werden zum Einstellen der Höhe der Bolzen 346 und 348 verwendet.

Wie in der F i g. 3 dargestellt, weist die Oberseite des Bolzens 344 einen V-förmigen Schlitz 354 und die Oberseite des Bolzens 346 eine konische Vertiefung 356 auf. Der Grund des V-förmigen Schlitzes ist auf das Zentrum der konischen Vertiefung ausgerichtet. Die Oberseite des Bolzens 348 ist eben. Die Oberseiten der Bolzen 344, 346 und 348 bilden Stützflächen für drei mit Kugeln versehene Füße 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, und die Linie, welche die Bolzen 346 und 348 verbindet, schließen einen Winkel von 90° ein. Die Unterseiten der Füße 364 und 366 haben ebenfalls den Abstand d voneinander, der gleich ist dem Abstand zwischen den Unterseiten der Füße 366 und 368. Die Achse, welche die Füße 364 und 366 verbindet, und die Achse, welche die Füße 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, S. 427 bis 431, erschienen 1966 bei McGraw-Hill, beschrieben. Ein solcher Träger weist ein Minimum an Einstellmitteln auf, die zum Festlegen eines Objekts wie der Platte 361 in einer bestimmten Stellung in bezug auf ein zweites Objekt wie die Platte 341 notwendig ist. Durch Ändern der Höhenlage der Bolzen 344, 346 und 348 können der Platte 361 mehrere Bewegungen erteilt werden. Zum Beispiel kann eine Bewegung in der Z-Richtung durch Verschieben der Bolzen 344, 346 und 348 um gleiche Beträge in der vertikalen Richtung erzielt werden. Eine Kippung um die Verbindungslinie zwischen den Bolzen 344 und 346 kann durch Verschieben des Bolzens 348 und eine Kippung um die Verbindungslinie zwischen den Bolzen 346 und 348 durch Verschieben des Bolzens 344 erzielt werden.

Die Bewegung der Platte 361 wird über eine Reihe von Tragbolzen 371, 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 Verschieben des Tragringes 381 auf den Tragbolzen 371 eingestellt werden. Zum Befestigen des Tragringes 381 in der gewünschten Höhe auf den Tragbolzen 371 dienen bekannte Mittel (nicht dargestellt). Die Linse 135 ist mittels dreier Träger 385 am Tragring 381 befestigt.

Mit der vorstehend beschriebenen mechanischer Anordnung ist es unter Verwendung von fün! linearen Betätigern möglich, die Linse 135 sowohl ir einer oder mehreren von drei orthogonalen Richtun gen zu verschieben als auch um eine beliebige Achse quer zur Drehachse der Präzisionswelle 311 zu nei gen. Daher kann mittels der genannten linearen Be tätiger die Linse in fünf Freiheitsgraden verschober werden. Wie weiter unten beschrieben wird, genüg diese Einstellmöglichkeit in fünf Freiheitsgraden zun Bewegen einer Oberfläche einer Linse um einen be liebigen Punkt auf der Drehachse der Welle 311. D; insbesondere der Krümmungsmittelpunkt eine richtig zentrierten Linsenoberfläche auf der Dreh

fc 8

achse der Welle liegt, kann die zentrierte Oberfläche detektor 211 fallenden Lichtmusters ein, wodurch der Linse um ihren Krümmungsmittelpunkt gedreht angezeigt wird, daß die obere Oberfläche der Linse werden. Wie bekannt ist, bleibt beim Drehen einer richtig zentriert ist. Wenn andererseits diese Oberzentrierten optischen Oberfläche um ihren Krüm- fläche exzentrisch liegt, dann ändert sich das auf den mungsmittelpunkt die Zentrierung der Oberfläche er- 5 Photodetektor 211 fallende Lichtmuster mit der Drehalten, da diese sphärisch ist. Daher kann nach dem hung der Welle 311. Durch Analysieren der Signale Zentrieren der einen Oberfläche einer Linse zur auf den Leitungen 241 bis 244 mittels bekannter optischen Achse auch die andere Oberfläche durch Methoden kann festgestellt werden, ob die Ober-Drehen der Linse um den Krümmungsmittelpunkt fläche der Linse 135 richtig zentriert ist. Ferner kann der zentrierten einen Oberfläche zentriert werden. io wieder nach bekannten Methoden die Verschiebung Mit der beschriebenen Vorrichtung kann somit jede des Krümmungsmittelpunktes der oberen Oberfläche Oberfläche einer Linse ohne Beeinflussung der Zen- der Linse 135 von der Drehachse 311 bestimmt wertrierung der anderen Oberfläche der Linse zentriert den. Im in der F i g. 3 verwendeten Koordinatenwerden, system ist diese Verschiebung eine Verschiebung in

Vor der Verwendung muß die Vorrichtung aus- 15 der A'-l'-Ebene. Die Bestimmung dieser Verschie-

gerichtet werden. Insbesondere muß der Ort der bung erfolgt nach einem einfachen Programm im

Oberseiten der drei mit Kugeln versehenen Füße Rechner U unter Verwendung der Signale auf den

364, 366 und 368 in bezug auf eine Bezugsfläche Leitungen 241 bis 244, der Dicke der Linse 135,

(nicht dargestellt) festgelegt werden. Diese Festlegung der Krümmungsradien der Oberflächen der Linse

erfolgt mit bekannten Mitteln. Es muß auch die 20 135 und des Ortes der Drehachse der Welle 311 als

Krümmung der Wellenfront des vom Autokollimator Eingangsdaten.

kommenden Lichts an die Krümmung der zu zen- Es wäre möglich, die obere Oberfläche der Linse trierenden Oberfläche angepaßt werden. Zuerst wird 135 einfach durch Verschieben der Linse 135 in die die obere Oberfläche der Linse 135 zentriert. Zu ^-Richtung und Y-Richtung zu zentrieren, so daß diesem Zweck wird der Autokollimator 21 längs der 25 der Krümmungsmittelpunkt der oberen Oberfläche Drehachse der Welle 311 in eine Stellung verscho- der Linse 135 auf der Drehachse der Welle 311 liegt, ben, in der die Krümmung der Wellenfront des vom Es wird jedoch vorgezogen, die Linse 135 um einen Autokollimator kommenden Strahls angenähert der- Punkt auf der Drehachse der Welle 311 zu drehen, jenigen der näher zum Autokollimator liegenden der der Krümmungsmittelpunkt der unteren Ober-Oberfläche der Linse 135 entspricht. In einigen 30 fläche der Linse 135 ist, wenn die untere Oberfläche Fällen kann mit der speziellen Linss 129 im Auto- zentriert ist.

kollimator keine Anpassung der Krümmungen erzielt Zum Zentrieren der oberen Oberfläche der Linse

werden. In diesen Fällen ist die spezielle Linse 129 135 durch Drehen der Linse um den Krümmungs-

gegen eine andere Linse mit geeigneter Brechkraft mittelpunkt der unteren Oberfläche müssen sieben

auszuwechseln. 35 simultane Gleichungen gelöst werden, welche die

Die erste zu zentrierende Linse wird mittels des Positionen der Unterseite der drei Kugeln aufweisen-Ringes 391, in dem die zu zentrierende Linse einge- den Füße 364, 366 und 368 beschreiben. Da diese kittet ist, im Träger 385 befestigt. Dann wird ein Füße mechanisch mit der Position der Linse 135 Strahlenbündel kohärenter Strahlung vom Laser 115 gekuppelt sind, beschreiben die genannten Gleichunauf den Strahlteiler 125 gerichtet und von diesem 40 gen auch die Position der Linse 135. Vor dem über die Linsen 127 und 129 auf die Linse 135 Beginn des Zentriervorganges hat die Unterseite des reflektiert. Das auf die obere Oberfläche der Linse Fußes 366 die Position χ,,ν,,ζ,, die Unterseite des fallende Licht wird von dieser Oberfläche über die Fußes 364 die Position x₂, y₂, Z₂ und die Unterseite Linsen 129 und 127 zurück zum Strahlteiler 125 des Fußes 368 die Position x_s, y_s, Z₃, wobei x, y und ζ reflektiert. Das Licht geht weiter durch den Strahl- 45 in einem Koordinatensystem gemessen werden, dessen teiler 125 zu einem Reflektor 139, der das Licht über Ursprung derjenige Punkt ist, der mit dem Krümeine Sammellinse 145 auf den Photodetektor 151 mungsmittelpunkt der unteren Oberfläche der Linse wirft. Wenn das optische System im Autokollimator 135 zusammenfällt, wenn diese Oberfläche zentriert genau ausgerichtet und die obere Oberfläche der ist. Unter dieser Annahme sind die Beziehungen zwi-Linse genau zentriert ist, dann fällt das Licht so auf 5» sehen den drei Unterseiten der Füße durch die folden Photodetektor 211, daß jeder der Quadranten genden Gleichungen gegeben:
221, 222, 223 und 224 die gleiche Lichtmenge er- (_ _ _xy + (Z₂- Z₁)² = d^s (1) hält, wodurch auch auf den Leitungen 241, 242, , _ „ , , __\₂_ J₂ /₉\ 243 und 244 gleiche Spannungen erhalten werden. )^y3 *> ]" ^ W « W Gewöhnlich wird jedoch das Licht derart auf den 55 t^x2 ~ ^xs> +Vy₂- y₃r + (Z₂- Z₃V - 2.d^l (3) Photodetektor 211 fallen, daß die vier Quadranten J₁* + y,² + Z₁ ² = T₁ ² (4) ungleiche Lichtmengen erhalten und demzufolge die ^2 + y₂ ^z + z₂ ² = r² (5) vier von diesen Quadranten kommenden Leitungen ^a ₊ ^₂ _|_ ^_{2 =} ^₂ ^ vier verschiedene Spannungen führen. Diese Signale __ ,~ zeigen entweder eine Nichtausrichtung des optischen 60 '2 -α w Systems des Autokollimators oder eine Exzentrizität Die Gleichungen (1) bis (3) und (7) ergeben sich der oberen Oberfläche der Linse 135 an. aus einfachen mechanischen Abstandsbetrachtungen.

Zum Eliminieren der Wirkungen einer Nichtaus- wobei d der oben definierte Abstand zwischen der

richtung im Autokollimator 21 wird die Linse 135 Unterseiten det Füße 364 und 366 ist. Die Gleichun-

mittels der Welle 311 gedreht Wenn der Krüm- 65 gen (4) bis (6) folgen aus der gewählten Lage des

mungsmittelpunkt der oberen Oberfläche der Linse Koordinatensystems. Jede dieser Gleichungen defl·

135 auf der Drehachse der Welle 311 liegt, tritt niert eine Kugel mit dem Radius r„ r₂ bzw. r₃, derer

keine Änderung des auf den Quadranten-Photo- Mittelpunkt im Koordinatenursprung liegt. Demzu-

folge liegt die Unterseite jedes Fußes auf der Oberfläche einer Kugel, deren Mittelpunkt auf der Drehachse der Welle im Krümmungsmittelpunkt der unteren Oberfläche der Linse 135 liegt. Da der Ort dieses Krümmungsmittelpunktes und die Orte der Unterseiten der Füße bekannt sind, können r,, r_ä und r, leicht berechnet werden.

Zum Bewegen der Linse angenähert um den Krümmungsmittelpunkt ihrer unteren Oberfläche braucht die Linse nur derart bewegt werden, daß jeder der Füße den gleichen Abstand vom Krümmungsmittclpunkt der unteren Oberfläche der Linse 135 beibehält. Mit anderen Worten, die Radien r_v r., und r_:1 sollen vor und nach der Bewegung der Linse

	X 2 - A₁	7 ² = —	-1
		^U- 2	W²
wobei

	^y₁ ²

- 2 ve* - ε») ± gleich sein. Zu diesem Zweck werden die Platten 327 und 331 mittels ihrer linearen Betätiger in dei X- und F-Richtung um einen Teil 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 Werte für .v, und v,. Durch den Rechner wird dann aus der Gleichung (4) ein neuer Wert für z, berechnet, wobei

*i² = Ί² - *Γ - >'i" (8)

Als nächstes wird ein Wert z., gemäß der folgenden Beziehung berechnet:

dabei wird in dem mit + x_{d beginnenden Ausdruck das Minuszeichen verwendet, wenn z, größer als Null ist, und das Pluszeichen, wenn z, kleiner als Null ist. Die Gleichung (9) ist aus den Gleichungen (1), (4), (5) und (7) abgeleitet. Schließlich wird ein neuer Wert z_:i berechnet. Diese Berechnung erfolgt am besten nach einem der Newton-Raphson-Methode entsprechenden iterativen Verfahren. Zur Ausführung dieser Rechnung muß gleichzeitig die Ä'-Koordinate des Fußes 368 bestimmt werden. Dies erfolgt ebenfalls nach iterativen Methoden. Die allgemeinen iterativen Gleichungen zum Berechnen der neuen Werte χ'_Ί und z'., der Koordinaten des Fußes 368 sind:

^A

ED

C-BD ~C~F

■■Z., -r

B-F-A-E ED- CF

(10)

(Π)

C= 2(z, -Z₁)
D- -2(^₃Z₁-J
E= 2(x.-xj F=-- -2xAy,

- .V₁)² -

40

45

so

55

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

Nachdem die neuen Werte x,, V₁, Z₁, z., und .-., bestimmt sind, berechnet der Rechner die vorzunchinenden Änderungen der Positionen der Platten 327 und 331 sowie der Bolzen 344, 346 und 348 und erzeugt die für die Durchführung dieser Änderungen notwendigen Signale. Diese Signale gelangen über entsprechende Leitungen und über die^auf der Welle 311 angeordneten Schleifringe 319 zu den verschiedenen linearen Betätigern, weiche die Platter 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. Wenn jedoch die obere Oberfläche noch nicht zentriert ist, wird die Verschiebung des Krümniungsmittelpunktes 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 durch ihre linearen Betätiger in der X- und ^-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 .v, und y, wird nach der Gleichung (8) ein neuer Wert von z, berechnet. Unter Verwendung der Gleichung (9) wird ein Wert für z₂ und unter Verwenduni? der Gleichungen (10) und (11) ein Wert für z," berechnet. Der Rechner erzeugt ein Signal, das die Position der Unterseiten 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 Krummungsmittelpunkt auf der Drehachse der Welle 311. Die genaue Lage dieses Punktes kann leicht mittels des Rechners bestimmt werden, wem der Autokollimator 21 längs der Drehachse der Welle 311 bewegt und das Ausgangssignal des Inkrferometers 165 und des Photodetektors 235 beobachtet werden. Wenn das vom Autokollimator 21 kommende Strahlenbündel auf einem Punkt auf der oberen Oberfläche der Linse 135 fokussiert ist, wird das auf den Photodetektor 151 fallende Strahlenbündel gleichfalls /u einem Punkt konver_eiert, der nur durch das von der Linse 145 gebildete Beugungsscheibchen begrenzt is.. Da die obere Oberfläche der Linse 135 zentriert ist fällt dieser Punkt mit der Öff-

nung 231 in der Mitte des Quadranten-Photodetektors 211 zusammen. Somit geht praktisch das ganze von der oberen Oberfläche der Linse 135 reflektierte Licht durch die öffnung 231 im Quadranten-Photodetektor 211 und fällt auf den Photodetektor 235. Die größte Lichtmenge geht dann durch die öffnung 231, wenn der Lichtstrahl auf die obere Oberfläche der Linse 135 fokussiert ist. Wenn der Lichtstrahl auf irgendeinen anderen Punkt fokussiert ist, fällt weniger Licht auf den Photodetektor 235. Zum Bestimmen des genauen Ortes der Linse 135 betätigt der Rechner den Motor 61 zum Bewegen des Autokollimators 21 längs der Drehachse der Welle 311. Gleichzeitig überwacht der Rechner das Ausgangssignal auf der Leitung 245 des Photodetektors 235 und die vom Interferometer 165 festgestellte Position des Autokollimators 21. Aus diesen Informationen bestimmt der Rechner durch Kurvenanpassung den Punkt, in dem der Autokollimator 21 auf die obere Oberfläche der Linse 135 fokussiert ist. Da im Speieher des Rechners der Ort der Bezugsfläche gespeichert ist, die zur Bestimmung der Lage der Unterseite der drei Füße 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. Es wird wieder die Krümmung des vom Autokollimators kommenden Lichtes an die Krümmung der zu zentrierenden Linsenoberfläche durch Einstellung der Position des Autokollimators oder, wenn notwendig, durch Auswechseln der Linse 129 angepaßt. Jedoch ist zu beachten, daß in diesem F all die Wellenfront des Lichtes in der Linse an die Krümmung der unteren Oberfläche der Linse anzupassen ist. Dann werden die Abstände r_v r, und r_:i zwischen den Unterseiten der Füße und dem Krümmungsmittelpunkt der oberen Oberfläche der Linse 135 berechnet. Anschließend wird die Exzentrizität der unteren Oberfläche durch den Quadranten-Photodetektor 211 gemessen. Die Linse wird dann um den Krümmungsmittelpunkt ihrer oberen Oberfläche gedreht. Zur Durchführung dieser Drehung werden die Platten 327 und 331 in der X- bzw. V-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. Dadurch ergeben sich neue Werte für die X_x- und y,-Koordinaten der Unterseite des Fußes 356. Aus diesen Werten und dem Wert für r, wird ein neuer Wert für <:, gemäß der Gleichung (8) berechnet. Aus den Gleichungen (9), (10) und (11) werden auch Werte für Z₁ und Z^ berechnet. Dann werden die vorzunehmenden Änderangen der Stellungen der Platten 327 und 331 sowie der Bolzen 344, 346 und 348 berechnet und entsprechende Signale zur Durchführung dieser Änderungen den verschiedenen linearen Betätigern zugeführt, 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 ist, wird die Größe 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 Krümmungsmittelpunkte der oberen und der unteren Oberfläche der Linse 135 auf der Drehachse der Welle. Die Linse wird dann am oberen Ende der Welle 311 aufgekittet. In der F i g. 1 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, zu welchem Zweck der Tragring, in welchen die Linse eingekittet ist, am Support 385 befestigt wird. Die Linse ist nahe der optischen Achse des Autokollimators 21 angeordnet, so daß das von der Oberfläche der Linse reflektierte Licht auf den Photodetektor 151 fällt. Der Tragring 381 wird so auf den Bolzen 371 verschoben, daß die zweite Linse angenähert den gewünschten 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 dem Ausrichten der oberen Oberfläche wird der Ort der oberen Oberfläche auf die gleiche Weise, wie bei der ersten Linse 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 Welle 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 F i g. 4 ist ein Objektiv 410 mit drei Linsen 412, 422 und 432 dargestellt, die auf die beschriebene Weise zentriert wurden. Die Linsen sind in Metallringe 411, 421 bzw. 431 eingekittet. Die Ringe werden durch die Abstandsbolzen 415 und 425 im gewünschten Abstand gehalten. Die Bolzen 415 sind in Ausnehmungen 418 der Ringe 411 und in Lochen 427 der Ringe 421 festgekittet. Die Bolzen 425 sine in Ausnehmungen 428 der Ringe 421 und in Lochen 437 der 431 festgekittet. Der Innendurchmesser dei Ausnehmungen und Löcher soll größer sein als de; Außendurchmesser der Bolzen, so daß die Lage de Ringe zum Zentrieren der Linsen geändert werdei kann.

Die Linsen können auch durch Metallstreifen ii ihrer Position gehalten werden, welche am äußerei Umfang des jede Linse umgebenden Tragringe fixiert sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Ausrichten von optischen Elementen auf eine optische Achse, wobei die optischen Elemente auszurichtende optische Oberflächen aufweisen und mindestens ein optisches Element als Linsenglied mit Krümmungsmittelpunkten ausgebildet ist, insbesondere zur Objekzurichtende optische Oberflächen aufweisen und mindestens ein optisches Element als Linsenglied mit Krümmungsniittelpunkten ausgebildet ist, insbesondere zur Objektivmontage, mit einer Einrichtung, die ein Strahlenbündel auf die jeweils auszurichtende optische Oberfläche des Elementes richtet, mit einer Emp/ängereinrichtung für die rückempfangene, von der auszurichtenden optischen Oberfläche reflektierte Strahlung und mit einer Halte- und Verschiebeein-

tivmontage, mit einer Einrichtung, die ein Strah- io richtung für das Element, welche die Verstellung des lenbündel auf die jeweils auszurichtende optische Krümmungsmittelpunktes der jeweils auszurichtenden

optischen Oberfläche auf die optische Achse ermöglicht, ohne daß eine mechanische Zwangszentrierung

Oberfläche des Elementes richtet, mit einer Empfängereinrichtung für die rückempfangene, von der auszurichtenden optischen Oberfläche refbktierte Strahlung mit einer Halte- und Verschiebeeinrichtung für das Element, welche die Verstellung des Krümmungsmittelpunktes der jeweils auszurichtenden optischen Oberfläche auf die optische Achse ermöglicht, ohne daß eine mechanische vorgesehen ist.

Zur Erzielung der optimalen Leistung eines optischen Systems, beispielsweise eines Objektivs, muß jedes optische Element, insbesondere jedes Linsenglied, des Systems zur optischen Achse zentriert sein und sich im richtigen Abstand zu den benachbarten