DE2923563A1

DE2923563A1 - Ein aus grundelementen aufbaubares optomechanisches system zur bewegung von optischen elementen mit mehreren freiheitsgraden

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Publication number: DE2923563A1
Application number: DE19792923563
Authority: DE
Inventors: Gyula Eisler
Original assignee: MTA KOEZPONTI FIZIKAI KUTATO INTEZETE; Magyar Tudomanyos Akademia Kozponti Fizikai Kutato Intezet
Current assignee: MTA KOEZPONTI FIZIKAI KUTATO INTEZETE; Magyar Tudomanyos Akademia Kozponti Fizikai Kutato Intezet
Priority date: 1978-06-13
Filing date: 1979-06-11
Publication date: 1980-06-12
Also published as: GB2022860B; DE2923563C2; US4331384A; GB2022860A; FR2432722B1; FR2432722A1; HU177856B

Description

EIN AUS GRUNDELEMENTEN AUFBAUBARES OPTOMECHANISCHES SYSTEM ZUR BEWEGUNG VON OPTISCHEN ELEMENTEN MIT MEHREREN FREIHEITSGRADEN.

Gegenstand der Erfindung ist ein aus Grundelementen aufbaubares optomechanisches System zur Bewegung von optischen Elementen mit mehreren Freiheitsgraden«

Im Laufe der optischen Messungen und Versuche besteht im allgemeinen die optomechanische Aufgabe^die in den Meß- oder Versuchsanordnungen vorhandenen optischen Elemente von unterschiedlichen Abmessungen und Arten, z.B. Spiegel, Linsen, Polarisatoren usw. in eine geeignete Po-

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sition zu bringen bzw* in gewissen Fällen mit denen Bewegungen von bestimmter Größe durchzuführen.

Die Aufgabe kann derweise gelöst werden, daß zur Sicherung der gewünschten Position der optische Gegenstand auf eine, die zur Einstellung erforderlichen Freiheitsgrade sicherstellende optotnechanische Einheit gelegt wird, wobei die gewünschte Position mit Hilfe der Bewegungselemente des optomechanischen Elements eingestellt wird. ^:

Außer gewissen, leicht übersichtbaren Forderungen,

;O wie z.B. die entsprechende Gliederung der Bewegungen, die Genauigkeit der Bewegungsskale, die Reproduzierungsgenauigkeit, mechanische Stabilität, besteht gegenüber der Einstellvorrichtung eine wesentlich schwerer erfüllbare Forderung, und zwar die gegenseitige Unabhängigkeit der ein-

IB zelnen Freiheitsgrade. Die Unabhängigkeit der Freiheitsgrade kann auf einem gegebenen Punkt des Gegenstandes auf der Weise sichergestellt werden, daß der Schnittpunkt der zu der gewünschten Winkeleinstellung verwendeten Drehachsen den gegebenen Punkt des Gegenstandes durchquert«

; C- Es sind optomechanische Elementensysteme bekannt, unter Zuhilfenahme deren aus fertigen Grundelementen verschiedene Einstellkonstruktionen aufgebaut werden können. Ein solches System ist z.B. in dem Prospekt der Firma ARDEL KINAmaTIC USA N.Y. zu sehen· In dem System werden

.'--■■; zur linearen Verschiebungen lineare Bewegungselemente verwendet, die mit einer Mikrometerschraube mit Kugelführung unmittelbar In Bewegung gesetzt werden· Die Bewegungselemente werden in sieben unterschiedlichen Ausführungen hergestellt, wobei die einzelnen Ausführungen selbst in zahlreichen Varianten erzeugt werden. Zur Einstellung der Winkellage werden elf Type verwendet, innerhalb deren eine in mehreren Varianten erzeugte Einheit vorhanden ist*

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-δnie hohe Zahl der Bewegungselemente wird durch die bei den Meßanordnungen entstehenden vielseitigen Forderungen motiviert. Man strebt danach, die hohe Abmessungsstreuung der optischen Gegenstände und die Vielfältigkeit der Ein-Stellungskonfigurationen mit Hilfe des Maßsortiments der • Bewegungsölemente zu überbrücken. Infolge der auftretenden sogenannten stockenden Gleitung ("stick slip"), die durch die Bewegungselemente mit Kugelführung hervorgerufen wird, sowie infolge der Lösung, indem die Verschiebung mit einer Mikrometerschraube unmittelbar vorgenommen wird, ist das System zu Messungen mit großer absoluter und relativer Genauigkeit ungeeignet.

Die Nachteile des Systems können in den Folgenden zusammengefaßt werden:

1) Zu den Meßanordnungen sind zahlreiche kostaufwendige Bewegungselemente von unterschiedlichen Typen und Abmessungen erforderlich,

2) Die in dem System angewendeten zur Einstellung der Winkellage dienenden Vorrichtungen ermöglichen nur das Umfassen von stark begrenzten Abmessungen der optischen Gegenstände .

3) Infolge der angewendeten Führungs- und .Bewegungslösungen können hochgradige absolute und Reproduktionsgenauigkeiten nicht erreicht werden» Eine davon abweichende Methode ist an der Seite 114 des Katalogs der Firma PHYSIK INSTRUMENTE (PI GmbH BRD München) beschrieben. Mit dem Bereits geschilderten ARDEL KINAMATIC System verglichen, besteht ein grundsätzlicher Unterschied, bei dem Aufbau des Systems, insofern die Differenz zwischen den Dimensionen der optischen Gegenstände mit Zwischenstücken, mit Hilfe von stellbaren Gestängen überbrückt wird. Infolge der entstehenden

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src ;kenden Gleitung, die an den langen Armen dank dem Abbe-Fehler eventuell noch zunimmt, kann die Länge der Gestänge nur bis zu einer beschränkten Grenze erhöht werden. Als ein weiterer Beschränkungsfaktor kann es betrachtet werden, daß bei Einspannen der Gestänge, sowie infolge der in den Gestängen selbst auftretenden Kraftwirkungen Gleitungen Zustandekommen, infolge deren die sorgfältig eingestellten Positionen sich verschieben.

Die Nachteile des Systems (Pi) dem System Ardel gegenüberstellt, sind wie folgt:

Obgleich es gelungen ist mit Hilfe der mit Gestängen versehenen Zwischenstücke die Vielfältigkeit der erforderlichen Bewegungselemente herabzusetzen, gleichzeitig aber beeinträchtigt deren Anwendung die mit dem System erreichbare Genauigkeit und die Stabilität des Systems.

Bei beiden Systemen besteht der gemeinsame Nachteil, daß diese die im Laufe der weitgehenden und sonstigen mikrotechnischen Verwendung der Laserstrahlen entstehenden, sich auf die interferometrische Auflösungs- und Genauigkeit beziehenden Forderungen zu befriedigen nicht imstande sind; so z.B. werden bei der meßtechnischen Anwendung der koherenten Optik solche Forderungen gestellt, indem die einzelnen Gegenstände mit einer Auflösung, deren Größenordnung der Wellenlänge des Lichtes entspricht, sowie mit einer 0,1 ,um überschreitenden Reproduktionsgenauigkeit eingestellt werden müssen.

Zweck der Erfindung ist die Entwicklung eines universell verwendbaren optomechanischen Systems, welches unter Anwendung von dreierlei Bewegungselemente von normaler und interoferometrischer'Genauigkeit, sowie mit Hilfe einiger einfachen und leicht einstellbaren Zwischenstücke die Mehrheit der in der optischen Meßtechnik vor-

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kommenden optomechanischen Aufgaben - inbegriffen die Anwendungen auf dem Gebiete der kohärenten Optik - löst.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß in der Abhängigkeit der vorgeschriebenen Meß-, bzw. Einstellungsgenauigkeit zweierlei, zweier Genauigkeitsklassen zugeordneten Bewegungselemente verwendet· werden.

Das eine Element gehört zu der Klasse der interoferometrischen Genauigkeit, die durch eine Auflösung .und Genauigkeit, deren Größenordnung mit der Wellenlänge des

10' Lichtes übereinstimmen, charakterisiert werden kann.

Diese Elemente sind frei von Reibung, wodurch keine stockende Gleitung eintritt, die Einstellung erfolgt über eine Mikrometerschraube bzw. Differential-Mikrometerschraube, durch einen Hebelmechanismus mit hoher Obersetzung. Ein solches Mittel ist z.B. das auf Grund der ungarischen Patentanmeldung Ma-2703 hergestellte lineare Bewegungselement der Klasse der interoferometrischen Genauigkeit.

Die der normalen Klassengenauigkeit zugeordneten Bewegungselemente sind zu einer Auflösung von 0,01 mm bzw. 1/2 Winkel-Minute geeignet. Die Führung findet mit Kugelreihen statt. Die günstigen Parameter in der Hinsicht der hohen Belastbarkeit und guten Laufs wird durch die Gestaltung einer spezialen Lauffläche erreicht. Eine solche Vorrichtung ist z.B. die aufgrunde der ungarischen Patentanmeldung MA-2835 hergestellte zur Einstellung der Winkellage dienende Vorrichtung Typ KS der normalen Klassengenauigkeit. Die Bewegungselementengarnitur des Systems besteht aus in einem einzigen Typ und einer Abmessung hergestellten linearen Bewegungselementen und zur Einstellung der Winkellage dienenden Vorrichtungen der Klasse der interferometrischen Genauigkeit, sowie aus den, der normalen Genaüigkeitsklasse zugeordneten, linearen Bewegungs-

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elementen und den zur Einstellung der Winkellage dienenden Verrichtungen.

Das derweise aufgebaute optomechanische System bietet die Möglichkeit dazu mit Hilfe einer Garnitur von äußerst einfach herstellbaren, in sieben Sorten erzeugten, in seinen Elementen in verschiedenen Abmessungen fabrizierten Zwischenstücken die Aufbaukonfiguration der Bewegungselemente innerhalb recht weiter Grenzen zu verändern, wodurch die Unabhängigkeit der Einstellungsfreiheitsgrade unabhängig von der Abmessung der Gegenstände sichergestellt werden kann.

Bei einer vorteilhaften Ausführung werden einen geringeren Freiheitsgrad beanspruchende optische Elemente, z.B. Spiegel, sowie eine kippbare, mit um einander uberschneidende Achsen inerhalb eines engen Bereiches verdrehbaren, zum schnellen Einspannen von verschiedenen Spiegeln und Linsen geeigneten Einsätzen versehene Fassung verwendet.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, die die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen optomechanischen Systems, die Bewegungselemente, die die Montage sichernden Zwischenstücke und die Bohrungsgruppen darstellen. Es zeigen: Figuren 1 bis 12 die Bohrungsgruppen, Figuren 13 bis 22 die Zwischenstücke,

die normale zur Einstellung der Winkellage dienende Vorrichtung, das normale lineare Bewegungselement, das interf.erometrische lineare Bewegungselement,

die interferometrische, zur Einstellung der Winkellage dienende Vorrichtung,

Figuren 13 bis 22
Figuren 23, 24

Figuren 25, 26
Figuren 27, 28

Figuren 29, 30

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Figur	31
Figur	32
Figur	33
5 Figur	34
Figuren 35

die normale Kippfassung, die interferometrische Kippfassung, eine über drei Freiheitsgrade verfügende Anordnung,

eine über drei Verdrehungsfreiheitsgrade verfügende, zur Einstellung der Winkellage dienende Vorrichtung, 36 die Anordnungsvarianten des optomechanischen Systems.
In Figure 1 ist die Bohrungsgruppe A dargestellt, die eine StellLohrung H, und drei auf dem rundum die Stellbohrung H vorhandenen Kreis mit einem Radius von R/2.,1 ausgestaltete Gewindebohrungen M veranschaulicht. R = 60 mm ist ein Rastermaß, das die Abmessungen aller Zwischenstucke, Anschlußelemente und Bohrungsgruppen ,charakterisiert·

In Figur 2 ist die Bohrungsgruppe A. dargestellt, die in der Hinsicht ihrer Anordnung mit der Bohrungsgruppe A übereinstimmt mit dem Unterschied, daß in der Mitte anstatt der Stellbohrung H ein Stellbolzen I-L und rundum den Stellbolzen die Durchgangsbohrungen O vorgesehen sind«

Bei der Bohrungsgruppe der Figur 3 gemäß sind auf einem Kreis in einem Abstand von R/1«7 vier Gewindebohrungen M ausgestaltet, während auf dem selben Kreis, in einem Abstand von R/2,3 vier Durchgangsbohrungen O ausgebildet «5 sind.

In der Hinsicht der Anordnung ist die Bohrungsgruppe B nach Figur 4 der Bohrungsgruppe B gleich, mit dem Unterschied, daß die Bohrungsgruppe B₂ aus der Bohrungsgruppe B durch eine Verdrehung um 90 erhalten wird, d.h. den vier Gewindebohrungen M entsprechen die vier Durchgangsbohrungen O, während den vier Durchgangsbohrungen O die vier Gewindebohrungen entsprechen.

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In der in Figur 5 dargestellten Bohrungsgruppe C sind ebenfalls vier, auf einem Kreis quadratisch angeordnete Bohrungen vorgesehen, die aus den auf der einen Diagonale vorhandenen beiden Gewindebohrungen M und den auf der anderen Diagonale vorhandenen beiden Durchgangsbohrungen O besteht.

In der Hinsicht der Anordnung übereinstimmt die Bohrungsgruppe C₂ nach Figur 6 mit der, in der Figur 5 dargestellten Bohrungsgruppe mit dem Unterschied, daß die Bohrungsgruppe C₂ aus der Bohrungsgruppe C durch eine Verdrehung um 90° erhalten wird, d.h. den beiden, bei der Bohrungsgruppe C₂ angewendeten Gewindebohrungen M entsprechen bei der Bohrungsgruppe C die beiden Durchgangsbohrungen 0, während den beiden Durchgangsbohrungen 0 die beiden Gewindebohrungen M entsprechen.

Die in der Figur 7 dargestellte Bohrungsgruppe D zeigt acht, ebenfalls auf einem Kreise angeordnete Gewindebohrungen M, die paarweise in einem Abstand von R/1,7 und R/2,3 voneinander liegen» Die Anordnung der Bohrungsgruppe D. laut Figur 8 ist mit jener der Bohrungsgruppe D identisch mit dem Unterschied, daß den einzelnen Gewindebohrungen M die Durchgangsbohrungen O entsprechen.

Die Bohrungsgruppe laut Figur 9 stellt acht, gleicherweise auf einem Kreise angeordnete Bohrungen dar, aus denen je zwei Bohrungen in einem gegenseitigen Abstand von R/1,3, je zwei Bohrungen in einem gegenseitigen Abstand von R/1_f8 liegen. Die zu der vertikalen Mittellinie näher liegenden vier Bohrungen sind die Durchgangsbohrungen O, während die anderen vier Bohrungen Gewindebohrungen M sind#

Die Anordnung der Bohrungsgruppe E₂ laut figur 10,

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entspricht der Bohrungsgruppe E und kann daraus durch eine Verdrehung um 90° gewonnen werden. Dementsprechend sind die in der Nähe der vertikalen Mittellinie liegenden vier Bohrungen die Gewindebohrungen M, während die ferner lie- B genden vier Bohrungen die Durchgangsborhungen O sind.

Die Bohrungsgruppe F^ laut Figur 11 veranschaulicht die an zwei, aufeinander senkrechten Teilungslinien angeordneten Durchgangsbohrungen 0, aus denen die erste und die dritte, sowie die zw.eite und die vierte Bohrung in einem Abstand von R/1,7 voneinander ausgestaltet sind·

Die Bohrungsgruppe G laut Figur 12 zeigt vier, an einer T_eilungslinie angeordnete Gewindebohrungen M, aus denen die beiden· äußeren in einem Abstand von R/1,7, die beiden inneren in einem Abstand von R/2,3 voneinander vorgesehen sind.

Aus den Figuren 1 bis 12 ist es wohl ersichtlich, daß aus dem Standpunkt des möglichen Zusammenbaus die folgenden Bohrungspaare aneinander zugeordnet sind: A-A,., B-B , C-C , D-D-, E-E , F-G, D-B, G-B, D-B , G-B .

Figure 13 stellt die Grundplatte 40 dar, deren Grundabmessungen 42 z.B. 1,9-mal R betragen, die Stärke 43 dagegen z.B. R/6 beträgt. Die Grundplatte ist mit den Bohrungsgruppen A, B, C, E und F versehen, wobei die Bohrungen gegenüber dem Mittelpunkt 41 zentrisch-symmetrisch angeordnet sind.

Figuren 14, 15, 16 zeigen das perspektivische Bild der ersten Durchgangsplatte 57, der zweiten Durchgangsplatte 58 mit doppelter Dimension und der dritten Durchgangsplatte 59 mit dreifacher Dimension. Die Oberflächen der .einzelnen elementaren Quadrate sind mit den Bohrungsgruppen A, B und C bzw. B₂ und C_g versehen, welche gegenüber dem Mittelpunkt 41 zentrisch-symmetrisch angeordnet

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sind. Die Stärkenmai3e 61 der Durchgangsplatten 57, 58, 59 betragen R/6, die einzelnen elementaren Quadrate weisen ein Rastermaß von R=60 auf, die Seitenabmessungen 60 der Durchgangoplatten sind 1,17 R, 2,17 R bzw. 3,17 R. Die Durchgangsplatten sind zur Gestaltung von Armen hochgradiger Steifheit und unterschiedlicher Länge geeignet.

Figur 17 zeigt das perspektivische Bild der

Zentrierunterlage 44, in deren Mittelpunkt ein Führungsstift 45 der Abmessung R/6 vorhanden ist₅ außerdem ist sie mit den Bohrungsgruppen A. und B versehen- Die Zentrierunterlage 44 kann bei dem multiaxialen Zusammenbau der die Winkellage einstellenden Vorrichtungen verwendet werden.

Figur 18 zeigt das perspektivische Bild des bei der senkrechten Montage der Grundplatten 40 angewendeten Rechtecks 54, dessen waagrechte und senkrechte Flächen mit der Bohrungsgruppe G versehen sind. Die Seitenabmessungen 55 der waagrechten und senkrechten Seiten weisen z.B. den Wert 1,16-mal R auf, das Stärkenmaß beträgt R/6.

Figur 19 stellt den erhöhenden Klotz 83 perspektivisch dar, dessen Grundmaße 84 den Wert R/1,07 aufweisen· Was die Stärkenabmessungen 85 betrifft., werden sie in vier Maßen hergestellt, und zwar R/1, R/1,5, R/2,4 und R/6. Die Oberfläche des zur Erhöhung dienenden Klotzes 83 ist mit den Bohrungsgruppen A und B versehen, die zum Zusammenbau mit den Elementen dienen. Die erhöhenden Klötze ermöglichen die Gestaltung von recht steifen Armen. Der Zusammenbau miteinander findet nach erfolgter Verdrehung um 90 mit Hilfe der Bohrungsgruppen B-B₂ statt.

3P In Figur 20 ist die Unterlagsplatte 86 dargestellt, deren Grundmaße 87 den Grundmaßen 84 des erhöhenden Klotzes 83 entspricht· In der Hinsicht der Stärkenabmessungen wird

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sie in den Abmessungen von z.B. R/10, R/15, R/24 und R hergestellt. Die Oberflächen der Unterlagsplatten 86 sind mit den Bohrungsgruppen A₁ und D^ versehen. Unter Zuhilfenahme der erhöhenden Klötze 83 und der Unterlagsplatten ^ö kann ein beliebiger, das ganze Vielfache des Maßes R/60 aufweisender Untersatz aufgebaut werden.

Figur 21 veranschaulicht die Seitenansicht des .' asymmetrisch montierten, die die Winkellage einstellende Vorrichtung tragenden Halters 50. Der Halter ist aus der.

Grundplatte 51 und dem Bügel 52 aufgebaut. Der Grund ist mit den Bohrungsgruppen A und B versehen., die den Zusammenbau mit den sonstigen Elementen bzw. Zwischenstöcken ermöglichen· Der Bügel 52 ist mit Bohrungen versehen, die zur Befestigung der normalen, die Winkellage einstellenden Vorrichtung (Figuren 23, 24), bzw. der interferometrischen, zur Einstellung der Winkellage dienenden Vorrichtung (Figuren 29, 30) vorgesehen sind.

Der Unterschied zwischen dem die Winkellage einstellende Vorrichtung tragenden Halter laut Figur 22 und dem in Figur 21 veranschaulichten Halter besteht darin, daß der Bügel 52 gegenüber der Grundplatte 51 symmetrisch angeordnet ist.

In Figur 23 ist die normale, zur Einstellung der Winkellage dienende Vorrichtung in Seitenansicht dargestellt, die aus der Grundplatte 37, dem Kreistisch 38 und dem Stellorgan 39 besteht. Die Grundplatte 37 und der Kreistisch 38 können über die Bohrungsgruppe D den entsprechenden Zwischenstücken angeschlossen werden. Die inneren strukturellen Lösungen sind in der ungarischen Patentanmeldung MA-2835 beschrieben.

Die technischen Charakteristiken sind, wie folgt: Verdrehungsbereich O - 360 Feinstellbereich 10

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ί-knlenauf lösung 30"

Reproduziergenauigkeit 3"

In Figur 24 ist die Vorderansicht der normalen, die Winkellage einstellenden Vorrichtung 36 unter Angabe der Grundplatte 37, des Kreistisches 38 und des Stellorgans 39 dargestellt*

In Figur 25 ist der Grundriß des normalen linearen Bewegungselements 31 in Seitenansicht dargestellt, welches aus der Grundplatte 32, dem Tisch 33 und dem Stellorgan ^J₀ 34 besteht· Die Grundplatte 32 des Bewegungselements und der Tisch 33 sind mit den Bohrungsgruppen A und D versehen, welche den Zusammenbau mit den sonstigen, zur 3ewegung dienenden Grundelementen mit Hilfe der Zwischenstücke ermöglichen. Die innere strukturelle Gestaltung ähnelt der in der ungarischen Patentanmeldung MA-2835 beschriebenen Lösung. Die technischen Charakteristiken sind, wie folgt:

Verschiebungsbereich 25 bzw. 50 mm Skalenauflösung 0,01 mm

• Reproduziergenauigkeit 1 .um

Figur 26 stellt ebenfalls den Grundriß des normalen Bewegungselements 31 in Vordersicht, unter Anführung der Grundplatte 32, des Tisches 33 und des Stellorgans 34 dar.

In Fiqur 27 ist das interferometrische lineare Be- ?5

lAiegungselement 62 in der Seitenansicht dargestellt, welches in seiner äußeren Erscheinung mit dem in Figur 25 und 26 dargestellten normalen linearen Bewegungselement identisch ist-. Das intorferometrip.ch · ^sequnaafiif""·="¹· ^c^ ist .-u·*

Jer Grundplatte 63, dem T^,..,ι -■ und dem olc* 'gen b& «ui-

3^f gebaut. Die Grundplatte 63 und der Tisch 64 des Bewegungselements sind mit den Bohrungsgruppen A und D versehen, die den Zusammenbau mit den sonstigen Grundelemen-

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ten mit Hilfe der Zwischenstücke ermöglichen.

In Figur 28 ist der Grundriß des interferometrischen linearen Bewegungselements 62 dargestellt. Die technischen Charakteristiken sind, wie folgt: Verschiebungsbereich 2,5 mm

Skalenauflösung 0,1 ,um bzw. 0,2 ,um

Reproduziergenauigkeit 0,1 .um

In Figur 29 ist der Grundriß der interfer(»metrischen, zur Einstellung der Winkellage dienenden Vorrichtung 66 in Seitenansicht dargestellt, die eine Grundplatte 67, einen Kreistisch 68 und ein Stellorgan 69 aufweist. Die Grundplatte 67 und der Kreistisch 68 der interferometrischen, zur Einstellung der Winkellage dienenden Vorrichtung 66 ist gleicherweise mit der Bohrungsgruppe D versehen, die den Zusammenbau mit den sonstigen Bewegungselementen unter Zwischenschaltung der Zwischenstücke · ermöglicht. Die inneren strukturellen Lösungen sind in der ungarischen Patentanmeldung MA-3031 beschrieben» Die technischen Charakteristiken sind, wie folgt:

Verdrehungsbereich 0-360° Feinstellbereich 1°

Skalenauflösung 3"

Reproduziergenauigkeit 1"

In der Figur 30 ist ebenfalls die interferometrisehe Vorrichtung 66 zur Einstellung der Winkellage in Vordersicht dargestellt.

Die Einstellung von geringeren Einstellungsforderungen, wie z.B. einen engeren Verschiebungsbereich.und nicht mehr, als zwei Verdrehungsfreiheitsgrade beanspruchenden optischen Elementen kann mit, um zwei einander überschneidende Achsen kippbarer, mit einem Schnellzentriep· einsatz ebenfalls versehener Kippfassung vorgenommen werden*

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In Figur 31 ist der Umriß der normalen Kippfa9sung 71 dargestellt, die aus der Grundplatte 72, der ersten 73 und der zweiten Kipplatte 74, desweiteren aus dem ersten 75 und dem zweiten Stellorgan 76 besteht. Auf der Grundplatte 72 der normalen Kippfassung 71 ist die Bohrunge gruppe B vorhanden, welche den Zusammenbau mit den sonstigen bewegenden Grundelementen mit Hilfe der Zwischenstücke ermöglicht. Die technischen Charakteristiken sind, wie folgt:

Verdrehungsbereich 6° Skalenauflösung 30"

Reproduziergenauigkeit 3"

In Figur 32 ist der Grundriß der interferometrischen Kippfassung 77 dargestellt/ die aus der Grundplatte 78, der ersten 79 und der zweiten Kipplatte 80, weiterhin aus dem ersten 81 und dem zweiten 82 Stellorgan besteht· Gegenüber der normalen Kippfassung 71 besteht der Unterschied darin, daß anstatt eines Mikrometers ein Differentialmikrometer als Stellorgan verwendet wird· Die Grund- platte der interferometrischen Kippfassung 77 ist ebenfalls mit der Bohrungsgruppe B versehen, die den Zusammenbau mit den bewegenden Grundelementen mit Hilfe der Zwischenstücke ermöglicht. Die technischen Kennzeichnenden sind, wie folgt:

Verdrehungsbereich 6 Feinstellbereich 0,6 Skalenauflösung 3" Reproduziergenauigkeit 1" Die Anwendung des aus den Grundelementen aufbauba-

ren optomechanischen Systems' wird anhand von zwei Beispielen mit Hilfe der Figuren 33 und 34 vorgezeigt.

Aus der vorgegebenen optischen Messung ergibt sich,

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war. für Einatellungsforderungen die vorhandenen optischen Elemente in der Hinsicht der Anzahl der Freiheitsgrade, der Richtung der einzelnen Freiheitsgrade und der Skalenauflösung stellen. Die Zahl der erforderlichen Freiheitsgrade bestimmt die minimale Zahl der zur Einstellung erforderlichen Bewegungselemente, während die an der Genauig-• keit gestellten Forderungen die Klassengenauigkeit der Bewegungselemente bestimmen«

Sollte das Maß des gewünschten Einstellungsbereiches

jü den maximalen Verschiebungsbereich des über die beanspruchten Skalenauflösungsforderungen verfügenden, die Bewegung ausführenden Grundelements überschreiten, so kann der gewünschte Bereich mit Hilfe von entsprechenden Zwischenstücken,, durch in Serie vorgenommenes Aufeinanderbauen zwei oder mehrerer Elemente umgefaßt werden. Solle z.B. eine Auflösungsforderung von 0,2 ..um auf einer Länge von 4 mm bestehen, müssen zwei Stück interferometrische lineare Bewegungselemente 62 unter Anwendung von zwei Stück Grundplatten 40 verwendet werden; bei einem in der gleichen Richtung vorgenommenen Zusammenbau sichern diese die erforderliche Auflösung in dem gewünschten Bereich«

In Figur 33 ist der Aufbau einer Anordnung mit drei linearen Freiheitsgrsden veranschaulicht. Mit Hinsicht darauf, daß drei lineare Freiheitsgrade beansprucht werden, sind wenigstens drei lineare Bev/egungselemente erforderlich. Nehmen wir an, daß die beanspruchte Auflösungsforderung in allen drei. Richtungen 0,2 ,um, und der Verschiebungsbereich j+"¹ mm betragen, ist in diesem Fall die Anwendung von je einem zriterf eroMiet Tischen linearen EIement 27 in allen Richtungen genügend. Um drei interferometrische lineare Bewegungse leinen i e zusammenzubauen können, sind vier Stück Grundplatten 4(i sind .wei. Stück Rechtecke 54

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benotigt. Der Gang der Montage ist, wie folgt: das Bohrungssystem D des Tisches 64 des linearen Bewegungselements 27 und das Bohrungssystem B der Grundplatte 40 werden mit Hilfe von Befestigungsschrauben 89 zusammengebaut, wonach das Bohrungssysten D der Grundplatte 63 des zweiten interferometrischen Bewegungselements 27 dem Bohrungssystem B der zweiten Grundplatte 40 angeschlossen wird, wobei das genannte Bohrungssystem durch die Verdrehung um 90° der ersten Grundplatte 40 erhalten wird.

Die Befestigung der zwischen dem ersten und zweiten interferometrischen linearen Bewegungselement 27 liegenden Grundplatten wird mit Hilfe der Bohrungsgruppen E-E gelöst. Der Einbau des dritten linearen Bewegungselements 27 kann ähnlicherweise gelöst werden. Mit Hinsicht darauf, daß ein Einbau in senkrechter Lage erwünscht ist, wird die Verbindung zwischen der dritten und vierten Grundplatte 40 mit Hilfe von zwei Rechtecken 54 vorgenommen, undzwar mit Hilfe des an der dritten Grundplatte 40 vorhandenen Bohrungssystems F bzw. des Bohrungssystems G an den Rechtecken 54. Der Tisch 64 des zweiten interferometrischen Bewegungselements 27 schließt sich gleicherweise über das Bohrungssystem D dem Bohrungssystem B der dritten Grundplatte 40 an. Das dritte interferometrische lineare Bewegungselement 27 ist über das an der Grundplatte 63 ausgebildete Bohrungssystem D mit dem Bohrungssystem B der Grundplatte 40 verbunden. Die große Anzahl der mit dem System erreichbaren Variationsmöglichkeiten kann dadurch veranschaulicht werden, daß mit Hilfe der Bohrungssysteme F und G das dritte Bewegungselement gegenüber dem zweiten linearen Bewegungselement in sechzehn unterschiedlichen vertikalen Lagen zusammengebaut werden kann. Zur festen Verbindung zwischen den einzelnen Grundelementen dienen die Befestigungsschrauben 09..

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In Figur 34 ist der Aufbau einer, zur Einstellung der Winkellage dienenden Vorrichtung mit drei Verdrehungsfreiheitsgraden dargestellt. Zwecks Vereinfachung des Beispiels nehmen wir an', das der Einstellungsbereich in den einzelnen Richtungen unter Zuhilfenahme eines bewegenden Grundelementes sichergestellt werden kann. Das auf dem sich verdrehenden Teil der normalen, die zur Einstellung der Winkellage dienenden Vorrichtung 36 vorhandene Bohrungssystem D wird mit Hilfe von vier Befestigungsschrauben 89 mit dem Bohrungssystem B der zweiten Durchgangsplatte 58 von zwei Rasterlängen verbunden, während das an dem anderen Ende der Durchgangsplatte vorhandene Bohrungssystem B₂ mit dem, an dem Halter 50 der die Winkellage einstellenden Vorrichtung vorhandenen Bohrungssystem B verbunden ist. Die .zweite, zur Einstellung der Winkellage dienende Vorrichtung 36 wird mit drei Befestigungsschrauben 89 an dem Halter 50 befestigt. Dem an dem Kreistisch 38 der zweiten, zur Einstellung der Winkellage dienenden Vorrichtung 36 vorhandenen Bohrungssystem D wird

2.0 mit Hilfe der Befestigungsschrauben 89 über das Bohrungssystem B der Zentrieruntersatz 44 angeschlossen. Darauffolgend wird der Zentrieruntersatz 44 über das Bohrungssystem A^ dem Bohrungssystem A des zweiten, die Winkellage einstellende Vorrichtung tragenden Halters 50 angeschlossen. Zuletzt wird die dritte, zur Einstellung der Winkellage dienende Vorrichtung 36 mit drei Befestigungsschrauben 89 an dem Halter 50 befestigt.

Die unterschiedlichen Zusammenbauvarianten des erfindungsgemäßen optomechanischen Systems werden in Figuren 35 und 36 dargestellt, wobei hier nur die wichtigsten Grundfälle vorgezeigt werden. Figur 35 zeigt die mit den normalen linearen Bewegungselementen 31, sowie mit den

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normalen, zur Einstellung der Winkellage dienenden Vorrichtungen 36, und Figur 36 die mit den interferometrischen linearen Bewegungselementen 62 und den interferometrischen, zur Einstellung der Winkellage dienenden Vorrichtungen 66, sowie mit Hilfe der Grundplatte 40, des Zentrieruntersatzes 44, des die Winkellage einstellende Vorrichtung tragenden Halters 50, des Rechtecks 54, der Durchgangsplatten, 57, 58, • 59, des erhöhenden Klotzes 83 und der Unterlagsplatte 86 durchführbaren Aufbaumöglichkeiten, die zur Realisierung der verschiedenen Verschiebungs-, bzw. Verdrehungsfälle geeignet sind. Die in der Figur angewendeten Bezeichnungen werden mit Hilfe des in der ersten Kolonne "a-|" der ersten Zeile "a" vorhandenen Koordinatensystems vorgezeigt, auf dem die die Achsenrichtungen x, y, z, die rundum die Achsen vor sich gehenden Verdrehungen Rx, Ry, Rz bezeichnenden Bezeichnungen bzw. die die axialen linearen Bewegungen angebenden Bezeichnungen Tx, Ty und Tz angeführt sind. Die ersten Zeilen der Figuren 35 und 36 zeigen aus ausschließlich die Winkellage einstellenden Vorrichtungen aufgebaute Elemente mit einem oder mehreren Freiheitsgraden, die erste Kolonne "a^*¹ der Figur 35 zeigt aus ausschließlich linearen Bewegungselementen aufgebaute Bewegungskonstruktionen jnit einem oder mehreren Freiheitsgraden. Die weiteren Elemente der Figuren 35 und 36 ver- anschaulichen die Kombination der aus den Bewegungskonstruktionen bi, c|, di, ei, fi der ersten Reihe, bzw. aus den Elementen b, c, d, e, f der ersten Kolonne gebildeten Bewegungselemente·

Die Vorteile des erfindungsgemäßen optomechanischen Systems bestehen darin, daß es aus wenigen bewegenden Grundelementensorten aufgebaut werden kann; mit den beiden, der normalen Klassengenauigkeit zugeordneten bewegenden Grund-

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elementen, sowie mit Hilfe der Zwischenstückgarn i f. ur kann etwa 80% der mit den beiden optomechanischen, den Stand der Technik repräsentierenden Systemen ARDEL und PI lösbaren Aufgaben realisiert werden. Ergänzend mit den Bewegungselementen der interferometrischen Genauigkeit und den Kippfassungen erhalten wir ein System, das durch seine hochgradige Kombinationsmöglichkeiten die Unabhängigkeit der einzelnen Freiheitsgrade weitgehend - auch bei optischen Gegenständen von verschiedenen Abmessungen und Sortimenten - erleichtert. Die der interferometrischen Genauigkeitsklasse zugeordneten Bewegungselemente sichern in der den gegenwärtigen Stand der Technik überschreitenden Meßbereichen die Befriedigung höherer Reproduzierforderungen und Ansprüche der absoluten Genauigkeit.

Die Möglichkeiten bieten in der optischen Meßtechnik, insbesondere seit der weitgehenden Verbreitung der Laser, aus dem Standpunkt der Ausnutzung der in Lichtquellen von solchem Charakter latenten Möglichkeiten, bedeutende Perspektive.

Das aus den Grundelementen aufgebaute optomechanische System kann vorteilhaft zur Einstellung der z.B, in optischen Meß- oder Versuchsanordnungen vorhandenen optischen Elemente von verschiedenen Sortimenten und Abmessungen verwendet werden.

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L e ers e i t e

Claims

TISCHER & KERN

REPRESENTAT.VES ALBERT- ROSSHAUPTER- STRASSE 65 ^ZUGEL· Vertreter

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TISCHER & KERN ■ ALBERT-ROSSHAUPTER-STR. 6S · D-8 MÖNCHEN 70 D I P L. - I N G. HERBERT TISCHER

DIPL.-ING. WOLFGANG KERN

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KERNPATENT MUENCHEN

„ MTA-6606 _DATUM, 11. Juni 1979

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"Ein aus Grundelementen aufbaubares optomechanisches System zur Bewegung von optischen Elementen mit mehreren Freiheitsgraden."

Patentansprüche

Ein aus Grundelementen bestehendes optomechanisches System zur Bewegung und Einstellung von optischen

030024/0H66

POSTSCHECKKONTO MÖNCHEN NR. 113147-«O2<BLZ 7OrMOO MÜNCHNER BANK. MÜNCHEN. KONTO NR. 60 333 (BLZ 701 901 00)

Elementen mit'mehreren Freiheitsgraden, dadurch gekennzeichnet, daß es aus mit einheitlichem Bohrungssystem versehenen Elementen besteht, welches mindestens ein lineares Bewegungselement (31), mindestens ein .Drehelement (36), wenigstens fünf verschiedene Zwischenstücke, nämlich eine Grundplatte (40), einen Zentrieruntersatz (44), einen, die zur Einstellung der Winkellage dienende Vorrichtung tragenden Halter (50), einen Rechteck (54), sowie eine Übergangsplatte (57) aufweist, desweiteren die Elemente und Zwischenstücke miteinander unter Anwendung der einheitlichen Bohrungen verbindende, mindestens dreierlei, vorteilhaft viererlei Verbindungsorgane (89) (Verbindungselemente) vorgesehen sind, die aus den, in das einheitliche Bohrungssystem - das wiederum aus den Durchgangsbohrungen (θ), Gewindebohrungen (M), eventuell Setzbohrungen (H) besteht - einsetzbaren Schrauben» Schraubengestängen, Stiften und Stellstiften (Η,.) besteht.
2. Optomechanisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß dasselbe auch ein interferometrisches lineares Bewegungselement (62) und/oder Verdrehungselement (66) enthält.
3. Optomechanisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das System auch ein aus normaler (71) und/oder interferometrischer Kippfassung (77) bestehendes Bewegungselement (77) aufweist·
4. Optomechanisches System nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das System mit einem, aus einer Unterlagsplatte (86) und/oder einem erhöhenden Klotz (53) bestehenden weiteren Zwischenstück versehen ist·

030024/0566

OKtGINAL /NSPECTED