DE4026333A1 - Vorrichtung zur symmetrisierung eines fluchtstrahls mit einem strahlteiler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Symmetrisierung eines Fluchtstrahls mit einem Strahlteiler.

Fluchtstrahlen eignen sich als Geradheitsnormal, sofern sie hinreichend parallel sind und einen kleinen Strahldurchmesser aufweisen. Das Licht eines Lasers erfüllt diese beiden Bedingungen. Für die praktische Anwendung ist weiter zu fordern, daß die absolute Lage des Fluchtstrahls zeitlich konstant ist. Nur so können mit einem Detektor Geradheiten und Parallelitäten vermessen werden. Der Fluchtstrahl eines Lasers schwankt jedoch sowohl parallel zu seiner mittleren Lage als auch durch Verkippungen gegenüber dieser. Starke Schwankungen treten vor allem in der Aufheizphase des Lasers auf. Dies ist verständlich, da ein Laser immerhin eine Verlustleistung von mehr als dem tausendfachen der Strahlungsleistung aufweist. Die Verlustleistung fällt vorwiegend in Form von Wärme an, führt also zu thermischen Ausdehnungen, die sich in den Schwankungen bemerkbar machen. Nach der Aufheizphase, in der Betriebsphase kann die Stabilität der Absolutlage des Fluchtstrahls bei guten Lasern vielfach als hinreichend konstant angesehen werden. Die Anwendungsgebiete von Geradheitsmessungen mit Laserfluchtstrahlen sind aber auch von den stetig steigenden Präzisionsansprüchen betroffen. So reicht bei der Steuerung von CNC-Maschinen in einigen Fällen die Fluchtstrahlrichtungsstabilität eines guten Lasers von 10 µrad nicht mehr aus. Außerdem kann in der technischen Anwendung die Aufwärmphase bei der Beurteilung der Fluchtstrahlstabilität nicht ausgeschlossen werden. In der Aufheizphase sind häufig Fluchtstrahllageschwankungen zu beobachten, die mehr als 100 µrad betragen. So entsteht eine Notwendigkeit für Vorrichtungen, die die Lage des Fluchtstrahls stabilisieren. Die möglichen Vorrichtungen basieren auf zwei gänzlich verschiedenen Grundprinzipien: Zum einen ist eine Meßeinrichtung vorgesehen, die ein Referenzsignal aufnimmt, mit dessen Hilfe die Fluchtstrahllage entweder rechnerisch oder apparativ korrigiert wird. Bei einer anderen Vorrichtung wird eine Achse vorgeben, um die der Fluchtstrahl symmetrisch angeordnet wird. Dieses zweite Prinzip kann mit dem Begriff Fluchtstrahlsymmetrisierung besser gekennzeichnet werden, da die Stabilität des Fluchtstrahls selbst eigentlich nicht verbessert wird. Vielmehr definieren die entsprechenden Vorrichtungen eine vom Fluchtstrahl weitgehend unabhängige Achse, um die herum sie die Fluchtstrahlintensität so verteilen, daß der Schwerpunkt des Fluchtstrahls auf die Achse fällt.

Eine Vorrichtung zur Symmetrisierung eines Fluchtstrahls mit einem Strahlteiler ist aus der Dissertation Trapet, Aachen (1982), bekannt. Sie weist zwei Strahlteiler und einen Spiegel auf. Der erste Strahlteiler wirkt als Strahlteiler im eigentlichen Sinne und spaltet den Fluchtstrahl in zwei Teilstrahlen gleicher Intensität auf. Der eine Teilstrahl wird sowohl von dem Spiegel als auch dem zweiten Strahlteiler reflektiert, während der zweite Teilstrahl durch beide Strahlteiler ohne Ablenkung hindurchtritt. Durch die Reflektion an den unabhängigen Ebenen des Spiegels und des zweiten Strahlteilers folgt der erste Teilstrahl den Lageschwankungen des Fluchtstrahls mit gleichem Betrag aber entgegengesetzter Richtung. Der gemeinsame Schwerpunkt der beiden Teilstrahle ist somit zeitlich stabil. Dies gilt allerdings nur für Schwankungen in den Ebenen, die sowohl senkrecht zu der Spiegelfläche des Spiegels wie auch senkrecht zu der Spiegelfläche des zweiten Strahlteilers verlaufen. Da aber die Fluchtstrahllageschwankungen zwei Freiheitsgrade aufweisen, sind zur vollständigen Symmetrisierung des Fluchtstrahls zwei derartige Vorrichtungen einzusetzten. So sind insgesamt acht Bauteile vorhanden, von denen sechs exakt justiert werden müssen. Außerdem beträgt die Intensität des symmetrisierten Strahls weniger als 25% der Intensität des eintretenden Fluchtstrahls. Die Hauptnachteile dieser Vorrichtung zur Fluchtstrahlsymmetrisierung sind also ein hoher apparativer Aufwand, eine komplizierte Justierung und ein ausgeprägter Verlust an Fluchtstrahlintensität.

Aus derselben Druckschrift ist eine zweite Vorrichtung zur Fluchtstrahlsymmetrisierung bekannt. Sie besteht aus zwei Strahlteilern und zwei Spiegelpaaren. Diese Bauteile sind derart angeordnet, daß am ersten Strahlteiler der einfallende Fluchtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgespalten wird und beide Teilstrahlen anschließend von den Spiegeln jeweils eines Spiegelpaares reflektiert werden. Im einen Teilstrahl sind die Spiegelflächen derart angeordnet, daß der Teilstrahl in beiden von der Einfallsrichtung des Fluchtstrahls unabhängigen Richtungen ausgelenkt wird und im wesentlichen nach dem Austritt aus der Vorrichtung einen Parallelversatz zum einfallenden Fluchtstrahl aufweist. Die Anordnung der Spiegelflächen im zweiten Fluchtstrahl bewirkt ebenfalls einen Parallelversatz. In anderer Form machen sie sich aber nicht bemerkbar. Diese Vorrichtung ist geeignet, den einfallenden Fluchtstrahl beim einmaligen Durchtreten vollständig zu symmetrisieren. Der Intensitätsverlust ist dabei mit etwa 50% schon deutlich reduziert. Der hohe apparative Aufwand bleibt als Nachteil weiterhin bestehen, ebenso die große Anzahl von zu justierenden Bauteilen. Auch wenn jeweils zwei Spiegel zu einem Paar zusammengefaßt sind, muß jeder einzelne Spiegel sorgfältig ausgerichtet werden, so ist auch hier die Justierung von sechs Bauteilen sorgfältig durchzuführen.

Aus der Interferometrie ist bekannt, zur Vermeidung von Intensitätsverlusten beim Durchtritt eines Strahls durch einen Strahlteiler polarisiertes Licht und einen Polarisationsstrahlteiler zu verwenden. Der nominelle Verlust an Intensität ist dann sogar 0.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Symmetrisierung eines Fluchtstrahls mit einem Strahlteiler aufzuzeigen, die aus wenigen zu justierenden Bauteilen besteht.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Vorrichtung zur Symmetrisierung eines mit einem Strahlteiler in mindestens zwei Teilstrahlen aufgespaltenen Fluchtstrahls dadurch erreicht, daß in einem der Teilstrahlen zwei Sammellinsen gleicher Brennweite vorgesehen sind und daß die Sammellinsen mit ihren Brennpunkten auf der optischen Achse des Teilstrahls zusammenfallend und mit ihren Hauptebenen senkrecht zur der optischen Achse des Teilstrahls angeordnet sind. Die Ausformung und Anordnung der Sammellinsen bewirkt, daß Lageschwankungen des Teilstrahls in ihrer Richtung umgekehrt werden, aber ihr Betrag erhalten bleibt. Der virtuelle Schnittpunkt zwischen dem eintretenden Teilstrahl und dem gebrochenen Teilstrahl weicht hierbei zwar etwas von der optischen Achse des Teilstrahls ab, die Größenordnung dieser Abweichung ist aber so gering, daß dies vernachlässigt werden kann. Die Sammellinsen bewirken eine Umkehr der Richtung der Lageschwankungen des Teilstrahls, ohne daß in der Vorrichtung Spiegelflächen vorhanden sind, die den Teilstrahl von seiner optischen Achse weg reflektieren. Bei einer vollständigen Umkehr der Lageschwankungen des Teilstrahls tritt so kein seitlicher Versatz auf. Daher muß die Lage des zweiten Teilstrahls im Gegensatz zum Stand der Technik nicht korrigiert werden. Entsprechende Bauteile sind demnach in der Vorrichtung nicht vorhanden und müssen auch nicht justiert werden. Keine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist mehr als vier richtungsempfindliche Bauteile auf.

Bei der Vorrichtung kann nur eine Sammellinse körperlich vorhanden sein, während die zweite virtuell als Bild der ersten in einem Planspiegel vorliegt, wobei der Planspiegel der Richtung des Teilstrahls folgend hinter der körperlich vorhandenen Linse in deren Brennpunkt angeordnet ist und seine Spiegelfläche senkrecht zur optischen Achse des Teilstrahls verläuft, und wobei auch in dem zweiten Teilstrahl ein Planspiegel angeordnet ist, dessen Spiegelfläche auf die Ebene fällt, die zur Hauptebene der im ersten Strahl körperlich vorhandenen Sammellinse konjugiert ist. Es ist nicht notwendig, daß in der Vorrichtung zwei Sammellinsen körperlich vorhanden sind. Entscheidend ist nur, daß der Teilstrahl zweimal durch eine Sammellinse gebrochen wird. Dies läßt sich durch die Kombination einer Sammellinse mit einem Planspiegel realisieren. Diese Kombination wird auch Katzenauge genannt. Für den Teilstrahl spielt es überhaupt keine Rolle, ob er durch zwei gleiche Sammellinsen oder zweimal durch dieselbe Sammellinse hindurchtritt. Der Effekt auf den Teilstrahl ist in beiden Fällen derselbe. Wenn auch im zweiten Teilstrahl ein Planspiegel angeordnet ist, der senkrecht zu dessen optischer Achse verläuft, werden beide Teilstrahlen zum Strahlteiler zurückreflektiert und dort ein Strahl gebildet, der vollständig symmetrisiert ist. Dies erlaubt eine sehr kompakte Bauweise der Vorrichtung unter ausschließlicher Verwendung von optischen Standardbauteilen. Wenn der Planspiegel in dem zweiten Teilstrahl so angeordnet ist, daß seine Spiegelfläche mit der virtuellen Hauptebene der körperlich vorhandenen Linse zusammenfällt, so wird dafür Sorge getragen, daß die Abweichung des virtuellen Schnittpunktes zwischen den beiden Teilstrahlen von der optischen Achse symmetrisch bezüglich der Verkippung des Fluchtstrahls ist. Die Intensität des symmetrisierten Strahls beträgt bei dieser Ausführung der Vorrichtung etwa 50% der Intensität des einfallenden Fluchtstrahls.

Der Strahlteiler kann als Polarisationsstrahlteiler ausgebildet sein, wobei eine λ/4-Platte in dem einen Teilstrahl zwischen dem Strahlteiler und der körperlich vorhandenen Linse und eine weitere λ/4-Platte in dem zweiten Teilstrahl zwischen dem Strahlteiler und dem Planspiegel angeordnet ist. Die Verwendung eines Polarisationsstrahlteilers in Verbindung mit den λ/4-Platten führt dazu, daß ein entsprechend polarisierter Fluchtstrahl durch die Vorrichtung ohne Intensitätsverlust symmetrisiert werden kann. Durch die λ/4-Platten treten die beiden Teilstrahlen jeweils zweimal hindurch, so daß sie demnach wie λ/2-Platten wirken, die die Polarisationsrichtung um 90^o drehen. Unter einer entsprechenden Polarisation des Fluchtstrahls ist zu verstehen, daß dieser linear polarisiert ist, wobei die Polarisationsrichtung unter 45^o zu den Polarisationshauptebenen des Polarisationsstrahlteilers verläuft. Der Polarisationsstrahlteiler bildet so zwei Teilstrahlen gleicher Teilintensität. Die Polarisationsrichtungen der Teilstrahlen werden jeweils um 90^o gedreht, bevor diese ein zweites Mal auf den Strahlteiler treffen. Dadurch wird aus dem s-polarisierten Strahl ein p-polarisierter und umgekehrt. So wirkt der Polarisationsstrahlteiler beim zweiten Hindurchtreten für die Teilstrahlen entweder als Spiegel oder als planparallele Platte. In beiden Fällen ist mit dem Hindurchtreten kein Intensitätsverlust verbunden.

Am Eingang des Fluchtstrahls kann ein Umlenkprisma vorgesehen sein. Durch das Umlenkprisma ist es möglich, die Richtung des symmetrisierten Strahls gegenüber der des einfallenden Fluchtstrahls zumindest in einem Freiheitsgrad unabhängig zu wählen. Unter anderem kann so bei Verwendung eines Katzenauges und eines Lasers als Quelle des Fluchtstrahls ein insgesamt gestreckter Gesamtaufbau erzielt werden. Die Haupterstreckungsrichtung des Gesamtaufbaues fällt dann mit der des Lasers zusammen.

Die Vorrichtung kann mit der Quelle des zu symmetrisierenden Fluchtstrahls durch einen Lichtleiter verbunden sein, wobei zwischen der Vorrichtung und dem Lichtleiter noch eine Linsenkombination angeordnet ist. Die Verwendung eines Lichtleiters erlaubt es, die Quelle des Fluchtstrahls von der Vorrichtung weitgehend zu trennen. Dies hat Vorteile wenn ein Geradheitsnormal bei beengten Platzverhältnissen benötigt wird oder wenn ein thermischer Einfluß der Verlustleistung des Lasers auf die Vorrichtung vermieden werden soll. Die Linsenkombination zwischen dem Lichtleiter und der Vorrichtung ist notwendig, um nach dem Hindurchtritt des Fluchtstrahls durch den Lichtleiter die Strahlparallelität wieder herzustellen.

Ein reflektierendes oder brechendes Bauteil, das entweder im Strahlengang des einen oder des zweiten Teilstrahls angeordnet ist, kann mit einem Aktuator verbunden sein, der es in eine mechanische Schwingung der optischen Achse des jeweiligen Teilstrahls versetzt. Durch die Schwingung wird die Laufzeit eines der beiden Teilstrahle periodisch verkürzt bzw. verlängert, dadurch wird die feste Phasenbeziehung zwischen den beiden Teilstrahlen aufgehoben. Der symmetrisierte Strahl zeigt so in Beobachtungszeiträumen, die länger sind als die Dauer der durch den Aktuator hervorgerufenen Schwingung, keine Interferenzphänomene. Das heißt, daß die Intensität des symmetrisierten Strahls nicht vom Bestimmungsort abhängig ist, was die Genauigkeit einer Messung beeinträchtigen könnte.

Der Planspiegel hinter der körperlich vorhandenen Linse kann mit einem Aktuator verbunden sein, der als Piezotranslator realisiert sein kann. Der Planspiegel hinter der körperlich vorhandenen Linse eignet sich besonders für die Anbringung des Aktuators. Kippbewegungen relativ zur optischen Achse, die der Aktuator ungewollt auf das mit ihm verbundene Bauteil überträgt, machen sich bei diesem Planspiegel nur wenig bemerkbar. Dies liegt daran, daß der Planspiegel den gebrochenen Teilstrahl reflektiert, der nach der Reflektion erneut gebrochen wird. Die Auswirkungen der Verkippung werden durch den zweiten Brechvorgang reduziert. Dies wäre z. B. nicht der Fall, wenn der Aktuator mit dem Planspiegel in dem zweiten Teilstrahl verbunden wäre. Der Planspiegel hinter der körperlich vorhandenen Linse darf natürlich nur eine solche Schwingung ausführen, deren Amplitude nicht über den Bereich der Tiefenschärfe der körperlich vorhandenen Linse hinausgeht. Die Realisierung des Aktuators durch einen Piezotranslator ist besonders vorteilhaft, da hierbei die Anzahl der bewegten Teile sehr klein ist und keine spezielle Führung des Planspiegels längs der optischen Achse notwendig ist.

Die beiden Sammellinsen können aus doppelbrechendem Material angefertigt sein, wobei sie mit Zerstreuungslinsen aus nicht doppelbrechendem Material direkt verbunden sind, so daß die Gesamtoberflächen senkrecht zur optischen Achse des einen Teilstrahls verlaufen. Die Verwendung von doppelbrechendem Material für die Sammellinsen erlaubt in Verbindung mit dem Einsatz eines polarisierten Fluchtstrahls einen besonders eleganten Aufbau der Vorrichtung. Werden die Sammellinsen aus doppelbrechendem Material derart mit Zerstreuungslinsen aus nicht doppelbrechendem Material verbunden, daß die Gesamtoberflächen planparallele Platten bilden, können beide Teilstrahlen die Sammellinsen durchlaufen und dennoch wirken diese nur auf einen der beiden. Die erste Grenzfläche zwischen einer der Sammellinsen und einer der ihr zugeordneten Streulinsen stellt dabei gleichzeitig den Strahlteiler dar. Die beiden Teilstrahlen sind dann der ordentliche und der außerordentliche Strahl bezogen auf das doppelbrechende Material der Sammellinsen. Der außerordentliche Strahl wird quasi von dem einfallenden Fluchtstrahl abgespalten und gebrochen, während der ordentliche Strahl nur auf die planparallelen Gesamtoberflächen reagiert. Auch die zweite Sammellinse wirkt nur auf den außerordentlichen Strahl und bricht diesen erneut. Der ordentliche Strahl reagiert wieder nur auf die planparallelen Gesamtoberflächen. Beide Teilstrahlen können also die Sammellinsen durchlaufen und nur der eine wird von diesen beeinflußt. Wenn die Linsenkombinationen aus doppelbrechender Sammellinse und nicht doppelbrechenden Zerstreuungslinsen vorgegeben sind, sind bei dieser Ausführung der Vorrichtung nur zwei Bauteile zu justieren. Außerdem ist ein vollständig gestreckter Gesamtaufbau in Verbindung mit einem Laser als Quelle des Fluchtstrahls möglich.

Zwischen den beiden Sammellinsen aus doppelbrechendem Material können Umlenkprismen angeordnet sein. Die Brechkraft der Kombination aus einer Sammellinse aus doppelbrechendem Material und Zerstreuungslinsen aus nicht doppelbrechendem Material mit einer planparallelen Gesamtoberfläche ist nicht besonders groß. Das heißt, ihre Brennweite liegt im Bereich einiger cm. Da der Abstand zwischen den Hauptebenen der beiden Sammellinsen die doppelte Brennweite betragen soll, kann es sinnvoll sein diesen Abstand durch die Verwendung von Umlenkprismen baulich zu verkürzen.

Am Strahlausgang der Vorrichtung kann eine λ/4-Platte vorgesehen sein, die so ausgebildet ist, daß beide Teilstrahlen hindurchtreten. Die λ/4-Platte bewirkt bei linear polarisiertem Licht eine zirkulare Polarisation. Eine lineare Polarisation des symmetrisierten Strahls ist wenig vorteilhaft, da linear polarisierte Strahlen unerwünschte Effekte bei Reflexion bzw. Brechung zeigen. Diese können schon bei dem Durchtritt durch das Fenster eines Detektors auftreten.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert und beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zur Symmetrisierung eines Fluchtstrahls,

Fig. 2 bis 4 die Verläufe der Teilstrahlen des Fluchtstrahls in der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 5 und 6 zwei weitere Ausführungsformen der Vorrichtung und

Fig. 7 und 8 eine gestreckte Ausführungsform der Vorrichtung mit Darstellung der Verläufe der Teilstrahlen des Fluchtstrahls.

Fig. 1 stellt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur Symmetrisierung eines Fluchtstrahls 2 der von einem Laser 3 kommt, dar. Die Vorrichtung 1 besteht hier aus einem Strahlteiler 4, zwei Planspiegeln 5, 6 und einer körperlich vorhandenen Sammellinse 7. Der Richtung des Fluchtstrahls 2 folgend, die durch Pfeile 8 markiert ist, ist in einem Teilstrahl 9 die Sammellinse 7 derart angeordnet, daß ihre Hauptebene 10 senkrecht zur optischen Achse 11 des Teilstrahls 9 verläuft und ihr Brennpunkt 12 auf die optische Achse 11 fällt. Hinter der Sammellinse 7 befindet sich der Planspiegel 5. Seine Spiegelfläche 13 schneidet die optische Achse 11 des Teilstrahls 9 senkrecht im Brennpunkt 12 der Sammellinse 7. Das Spiegelbild der Sammellinse 7 im Planspiegel 5 bildet eine virtuelle zweite Sammellinse 14, die hier gestrichelt dargestellt ist. Auch ihre Hauptebene 15 verläuft senkrecht zur optischen Achse 11 des Teilstrahls 9. Der Brennpunkt 16 der virtuellen Sammellinse 14 fällt mit dem Brennpunkt 12 der körperlich vorhandenen Sammellinse 7 zusammen. Im Verlauf des zweiten Teilstrahls 17 ist der Planspiegel 6 derart angebracht, daß seine Spiegelfläche 18 auf die zur Hauptebene 10 der körperlich vorhandenen Sammellinse 7 konjugierte Ebene 19 fällt. Die Wirkungsweise der Vorrichtung 1 wird anhand der folgenden Fig. 2 bis 4 verdeutlicht:

Fig. 2 zeigt den Einfluß der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 auf einen Fluchtstrahl 2′, der zur optischen Achse 20 des Fluchtstrahls 2 aus Fig. 1 eine parallele Verschiebung 21 vom Betrag x aufweist. Die Sammellinse 7 und die Planspiegel 5, 6 aus Fig. 1 sind hier nur durch ihre Hauptebene 10 bzw. ihre Spiegelflächen 13, 18 repräsentiert. Die Pfeile 8 geben wieder die Richtungen des Fluchtstrahls 2′ und seiner Teilstrahlen 9, 17 wieder. Der Teilstrahl 9 wird beim Durchtritt durch die Hauptebene 10 gebrochen und trifft im Brennpunkt 12 auf die Spiegelfläche 13. Dort wird der Teilstrahl 9 reflektiert. Wenn er ein zweites Mal durch die Hauptebene 10 hindurchtritt, so entspricht dies dem Durchtreten durch die Hauptebene 15 der virtuellen Sammellinse 14 aus Fig. 1. Beim zweiten Hindurchtreten durch die Hauptebene 10 wird der Teilstrahl 9 so gebrochen, daß er wieder parallel zu seiner optischen Achse 11 verläuft. Zu dieser weist er nun die Verschiebung 21′ auf. Die Verschiebung 21′ hat denselben Betrag wie die Verschiebung 21 aber genau entgegengesetzte Richtung. Der zweite Teilstrahl 17 wird an der Spiegelfläche 18 reflektiert ohne daß die Verschiebung 21 ihre Richtung ändert. So fällt der Schwerpunkt 22 des austretenden Strahls 23 in jeder zu ihm senkrechten Ebene 24 auf den Durchtrittspunkt der optischen Achse 11. Der Schwerpunkt 22 ist somit von der Verschiebung 21 völlig unabhängig. Seine Lage wird nur von der optischen Achse 11 bestimmt. Diese gibt wiederum die Vorrichtung 1 mit dem Strahlteiler 4, der Sammellinse 7 und dem Planspiegel 5 bzw. der Sammellinse 14 eindeutig vor. Die hier gemachten Ausführungen für Verschiebungen 21 in der Zeichenebene gelten natürlich auch für Verschiebungen 21 senkrecht zur Zeichenebene und damit für Verschiebungen 21 beliebiger Richtung.

Fig. 3 zeigt die Arbeitsweise der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 auf einen Fluchtstrahl 2′′, der gegenüber der optischen Achse 20 um einen Winkel 25 vom Betrag y im Bogenmaß verkippt ist. Wieder sind die Sammellinse 7 und die Planspiegel 5, 6 aus Fig. 1 nur durch die Hauptebene 10 bzw. die Spiegelflächen 13, 18 repräsentiert und die Richtungen des Fluchtstrahls sowie seiner Teilstrahlen durch Pfeile 8 markiert. In diesem Fall wird der Teilstrahl 9 von der körperlich vorhandenen Sammellinse 7 und der virtuellen Sammellinse 14 aus Fig. 1 derart gebrochen, daß nach dem zweiten Durchtritt durch die Hauptebene 10 um einen Winkel 25′ gegenüber seiner optischen Achse 11 verkippt ist. Der Winkel 25′ weist denselben Betrag y vom Bogenmaß wie der Winkel 25 auf. Die Richtung des Winkels 25′ ist zu der des Winkels 25 entgegengesetzt. Hierbei ist zu beachten, daß die Richtungen der Winkel 25, 25′ von der Richtung des betrachteten Strahls und der entsprechenden Richtung der optischen Achse abhängig sind. Beim zweiten Teilstrahl 17 bleibt der Winkel 25 unbeeinflußt. Der Schwerpunkt 22 des austretenden Strahls 23 in der beliebigen, zu ihm weitgehend senkrechten Ebene 24 fällt bis auf eine Abweichung 26 mit dem Durchtrittspunkt der optischen Achse 11 zusammen. Auch hier spielt die Richtung des Winkels 25 keine Rolle. Sein Betrag geht hingegen in die Größe der Abweichung 26 ein.

Fig. 4 zeigt anhand des Verlaufs des Teilstrahls 9 das Zustandekommen und die Größe der Abweichung 26. Hierzu ist ein Ausschnitt der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 dargestellt. Die Sammellinse 7 und der Planspiegel 5 sind durch ihre Hauptebene 10 bzw. ihre Spiegelfläche 13 repräsentiert. Die Abweichung 26 liegt zwischen dem virtuellen Schnittpunkt 27 der Teilstrahlen 9, 17 aus Fig. 3 und der optischen Achse 11 vor. Die Fortsetzungen 28, 29 der Teilstrahlen 9, 17, die zum virtuellen Schnittpunkt führen, sind hier gestrichelt dargestellt. Die Abweichung 26 besteht auch zwischen der optischen Achse 11 und dem Symmetriepunkt 30. Der Symmetriepunkt 30 entspricht dem Durchstoßpunkt des Teilstrahls 9 durch die gemeinsame Brennebene der körperlich vorhandenen Sammellinse 7 und der virtuell vorhandenen Sammellinse 14 aus Fig. 1. Die gemeinsame Brennebene fällt mit der Spiegelfläche 13 zusammen. So ist hier der Symmetriepunkt 30 die Stelle, an der der Teilstrahl 9 reflektiert wird. Die Abweichung 26 zwischen dem Symmetriepunkt 30 und der optischen Achse 11 läßt sich in Abhängigkeit von dem Betrag des Winkels 25 leicht berechnen. Ein Winkel 31 mit demselben Betrag wie der Winkel 25 liegt zwischen der optischen Achse 11 und dem Mittelpunktstrahl 32. Der Mittelpunktstrahl 32 schneidet die Hauptebene 10 am Durchtrittspunkt der optischen Achse 11 und verläuft parallel zum reflektierten und erneut gebrochenen Teilstrahl 9. Der Mittelpunktstrahl 32 trifft daher auf die Spiegelfläche 13 ebenfalls im Punkt 30. Daher gilt für den Betrag z der Abweichung 26 z=tan (y)·f. Hierbei ist y der Betrag des Winkels 25 im Bogenmaß und f der Betrag der Brennweite 33, also des Abstandes zwischen der Hauptebene 10 und dem Brennpunkt 12. Da der Betrag y des Winkels 25 typischerweise sehr klein ist, kann der Ausdruck für den Betrag z der Abweichung 26 vereinfacht werden. In sehr guter Näherung gilt z=y·f. Typische Beträge des Winkels 25 und der Brennweite 33 von 10 µrad und 10 mm führen so zu einer Abweichung 26 vom Betrag 0,1 µm. Die Abweichung 26 kann daher in aller Regel vernachlässigt werden.

Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführung der Vorrichtung 1 zur Symmetrisierung eines Fluchtstrahls 2. Sie ist als Weiterentwicklung der Ausführung gemäß Fig. 1 zu verstehen. Die Bauteile gemäß Fig. 1 wurden um einige weitere ergänzt.

Im Eingangsbereich des Fluchtstrahls 2 befindet sich ein Umlenkprisma 34. An der Rückseite des Planspiegels 5 ist ein Aktuator 35 angebracht. Im Ausgangsbereich des symmetrisierten Strahls 23 befindet sich eine Blende 36. Das Umlenkprisma 34 lenkt den vom Laser 3 kommenden Fluchtstrahl 2 um 90^o um. So ist es möglich, einen relativ gestreckten Gesamtaufbau zu erzielen. Der Aktuator 35 versetzt den Planspiegel 5 in mechanische Schwingungen parallel zur optischen Achse 11. Dadurch wird der Laufweg des Teilstrahls 9 periodisch verkürzt bzw. verlängert. Als Folge wird die feste Phasenbeziehung zwischen den Teilstrahlen 9, 17 aufgehoben. Für Zeiten die länger sind als die Schwingungsdauer der mechanischen Schwingung des Planspiegels 5, mitteln sich so Interferenzeffekte im Bereich des symmetrisierten Strahls 23 heraus. Die Blende 36 läßt nur den symmetrisierten Strahl 23 hindurch, während Streulicht zurückgehalten wird.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführung der Vorrichtung 1 zur Symmetrisierung des Fluchtstrahls 2′. Auch diese Ausführung geht im wesentlichen auf die Fig. 1 zurück. Hier ist allerdings der Strahlteiler 4 als Polarisationsstrahlteiler realisiert. Außerdem befinden sich in beiden Teilstrahlen 9, 17 λ/4-Platten 37, 38. Im Teilstrahl 9 ist die λ/4-Platte 37 direkt hinter dem Strahlteiler 4 angebracht. Im Teilstrahl 17 befindet sich die λ/4-Platte vor dem Planspiegel 6. Eine weitere λ/4-Platte befindet sich im symmetrisierten Strahl 23. Sie ist zwischen dem Strahlteiler 4 und der Blende 36 angeordnet. Neben der Blende 36 ist auch der Aktuator 35 gemäß Fig. 5 in dieser Ausführung der Vorrichtung 1 vorhanden. Zur Nutzung dieser Ausführung ist es nötig, daß das Licht des Fluchtstrahls 2′ polarisiert ist. Dies kann durch die Verwendung eines geeigneten Lasers 3 oder durch ein hier nicht dargestelltes Polarisationsfilter verwirklicht werden. Die Polarisationsrichtung des Fluchtstrahls 2′ ist so zu wählen, daß sie einen 45^o Winkel mit den Polarisationshauptebenen des als Polarisationsstrahlteiler ausgebildeten Strahlteilers 4 bildet. Die Polarisationsrichtungen des Fluchtstrahls 2′, der Teilstrahlen 9, 17 sowie des symmetrisierten Strahls 23 sind durch Symbole 40-43 gekennzeichnet. Hierbei entspricht das Symbol 40 der eben beschriebenen Polarisation des Fluchtstrahls 2′, das Symbol 41 der Polarisation des s-polarisierten Strahls senkrecht zur Zeichenebene, Symbol 42 der Polarisation des p-polarisierten Strahls in der Zeichenebene und Symbol 43 einer zirkularen Polarisation. Anhand der Symbole 40-43 läßt sich die Wirkungsweise der λ/4-Platten verfolgen. Besonders wird diese beim Teilstrahl 9 deutlich. Der Fluchtstrahl 2′ wird entsprechend seiner Polarisationsrichtung vom Strahlteiler 4 in einen p-polarisierten Teilstrahl 17 und einen s-polarisierten Teilstrahl 9 gleicher Intensität aufgespalten. Direkt nach der Aufspaltung ist der Teilstrahl 9 senkrecht zur Zeichenebene polarisiert. Beim ersten Durchtritt durch die λ/4-Platte 37 wird er zirkular polarisiert. Diese Polarisation behält er bei, bis er ein zweites Mal durch die λ/4-Platte 37 hindurchtritt. Dabei erhält er eine Polarisation in der Zeichenebene. Da diese Polarisation der p-Polarisation bezogen auf den Strahlteiler 4 entspricht, kann der Teilstrahl 9 den Strahlteiler 4 nun ungehindert passieren. Vor dem Verlassen der Vorrichtung wird der Teilstrahl 9 durch die λ/4-Platte 39 zirkular polarisiert. Mit dem Teilstrahl 17 geschieht entsprechendes. Vorteilhaft bei dieser Ausführung ist, daß die beiden Teilstrahlen 9, 17, wenn sie ein zweites Mal durch den Teilstrahler treten, nicht in ihrer Intensität geschwächt werden, wie dies bei den Ausführungen gemäß Fig. 1 und 5 der Fall war. Dort werden an entsprechender Stelle die Teilstrahlen 9, 17 ein zweites Mal aufgespalten, so daß der symmetrisierte Strahl 23 nur die halbe Intensität des Fluchtstrahls 2 besitzt. Die λ/4-Platte 39 hebt die lineare Polarisierung der Teilstrahlen auf, so daß der symmetrisierte Strahl 23 beim Reflektieren oder Brechen keine unerwünschten Polarisationseffekte anzeigt.

Die Fig. 7 und 8 stellen eine Ausführungsform der Vorrichtung 1 zur Symmetrisierung des Fluchtstrahls 2′, 2′′ dar, die mit besonders wenig Bauteilen auskommt. Sie erlaubt zudem eine vollständig gestreckte Bauweise der Einheit Laser 3 und Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 besteht hier aus den Sammellinsen 7, 14, die beide körperlich vorhanden sind. Sie sind aus doppelbrechendem Material gefertigt, und mit zwei Zerstreuungslinsen 44, 45 aus nicht doppelbrechendem Material ohne Zwischenschaltung eines Luftspaltes derart verbunden, daß die gemeinsamen Gesamtabmessungen denen einer planparallelen Platte entsprechen. Das doppelbrechende Material der Sammellinsen 7, 14 kann z. B. Quarz sein, während für das nicht doppelbrechende Material der Zerstreuungslinsen 44, 45 z. B. Glas oder Kunststoff in Frage kommt. Bei der Auswahl der Materialien ist es wichtig, daß die Brechungsindizes für eine Polarisationsebene von Sammel- und Zerstreuungslinse möglichst gleich sind, wo hingegen sie für die dazu senkrechte Polarisationsebene möglichst große Unterschiede aufweisen sollen. Die beiden Sammellinsen 7, 14 sind so im Fluchtstrahl 2′, 2′′ angeordnet, daß ihre Hauptebenen 10, 15 senkrecht zu der optischen Achse 11 des Fluchtstrahls 2 verlaufen und ihre Brennpunkte 12 zusammenfallen. Die Grenzfläche zwischen der Zerstreuungslinse 44 aus nicht doppelbrechendem Material und der Sammellinse 7 aus doppelbrechendem Material erweist sich als Strahlteiler 4 für einen polarisierten Fluchtstrahl 2′, 2′′. Zwei Teilstrahlen 9, 17 gleicher Intensität erhält man, wenn die Polarisation des Fluchtstrahls 2′, 2′′ sowohl einen 45^o Winkel mit der Polarisation des ordentlichen wie auch der Polarisation des außerordentlichen Strahls bezogen auf die Materialausrichtung der Sammellinse 7 bildet. Dem außerordentlichen Strahl entspricht der Teilstrahl 9, dem ordentlichen Strahl der Teilstrahl 17. Fig. 7 stellt dar, wie diese Ausführung der Vorrichtung 1 auf einen Fluchtstrahl 2′ wirkt, der zu der optischen Achse 11 eine Verschiebung 21 aufweist. Der Teilstrahl 17 tritt ungehindert durch die Vorrichtung 1 hindurch. An der Grenzfläche zwischen der Zerstreuungslinse 44 und der Sammellinse 7 wird der Teilstrahl 9 abgeteilt und durch die Sammellinse 7 zum Brennpunkt gebrochen. Am Brennpunkt 12 kreuzt der Teilstrahl 9 die optische Achse 11, durch die Sammellinse 14 wird er so gebrochen, daß er anschließend wieder parallel zur optischen Achse 11 verläuft. Dabei weist er eine Verschiebung 21′ zur optischen Achse 11 auf, die denselben Betrag aber entgegengesetzte Richtung wie die Verschiebung 21 hat. Der Schwerpunkt 22 des symmetrisierten Strahls 23 fällt auf einer beliebigen zu ihm senkrechten Ebene 24 mit dem Durchstoßpunkt der optischen Achse 11 zusammen. Fig. 8 stellt die Wirkung derselben Ausführung der Vorrichtung 1 auf einen Fluchtstrahl 2′′ dar, der um den Winkel 25 gegenüber der optischen Achse 11 verkippt ist. Wieder geht der Teilstrahl 17 durch die Vorrichtung 1 hindurch ohne beeinflußt zu werden. An der als Strahlteiler 4 wirkenden Grenzfläche zwischen der Streulinse 44 und der Sammellinse 7 wird der Teilstrahl 9 abgespalten. Durch die Brechungsvorgänge an den Sammellinsen 7, 14 ist der Teilstrahl 9 nach dem Durchtreten durch die Vorrichtung 1 um einen Winkel 25′ gegenüber der optischen Achse 11 verkippt. Der Winkel 25′ hat denselben Betrag wie der Winkel 25 aber entgegengesetzte Richtung. Der Schnittpunkt 27 der Teilstrahlen 9, 17 weist gegenüber der optischen Achse 11 die Abweichung 26 auf. Dieselbe Abweichung 26 tritt zwischen dem Punkt 30 und der optischen Achse 11 auf. Der Punkt 30 ist die Stelle, an der der Teilstrahl 9 die gemeinsame Brennebene der Sammellinsen 7, 14 durchstößt. Die gemeinsame Brennebene verläuft senkrecht zu der optischen Achse 11 durch den Brennpunkt 12. Die hier geschilderte Ausführung der Vorrichtung 1 zur Symmetrisierung eines Fluchtstrahls 2 kann, was hier nicht dargestellt ist, mit dem Aktuator 35, der λ/4-Platte 39 und der Blende 36 gemäß Fig. 6 ausgestattet werden. Zusätzlich ist es möglich, den Abstand der beiden Sammellinsen 7, 14 durch den Zwischenbau geeigneter Umlenkprismen, wie sie aus dem Feldstecherbau bekannt sind, zu verkürzen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Symmetrisierung eines mit einem Strahlteiler in mindestens zwei Teilstrahlen aufgespalteten Fluchtstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß in einem (9) der Teilstrahlen (9, 17) zwei Sammellinsen (7, 14) gleicher Brennweite vorgesehen sind und daß die Sammellinsen (7, 14) mit ihren Brennpunkten (12, 16) auf der optischen Achse (11) des Teilstrahls (9) zusammenfallend und mit ihren Hauptebenen (10, 15) senkrecht zu der optischen Achse (11) des Teilstrahls (9) dort angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine der beiden Sammellinsen (7, 14) körperlich vorhanden ist, während die zweite virtuell als Bild der ersten in einem Planspiegel (5) vorliegt, wobei der Planspiegel (5) der Richtung des Teilstrahls (9) folgend hinter der körperlich vorhandenen Linse (7) in deren Brennpunkt angeordnet ist und seine Spiegelfläche (13) senkrecht zur optischen Achse (11) des Teilstrahls (9) verläuft, und daß auch in dem zweiten Teilstrahl (17) ein Planspiegel (6) angeordnet ist, dessen Spiegelfläche (18) auf die Ebene (19) fällt, die zur Hauptebene (10) der im ersten Teilstrahl (9) körperlich vorhandenen Sammellinse (7) konjugiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (4) als Polarisationsstrahlteiler ausgebildet ist und daß eine λ/4-Platte (37) in dem einen Teilstrahl (9) zwischen dem Strahlteiler (4) und der körperlich vorhandenen Linse (7) und eine weitere λ/4-Platte (38) in dem zweiten Teilstrahl (17) zwischen dem Strahlteiler (4) und dem Planspiegel (6) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang des Fluchtstrahls ein Umlenkprisma (34) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Quelle des zu symmetrisierenden Fluchtstrahls (2) durch einen Lichtleiter verbunden ist, wobei zwischen der Vorrichtung und dem Lichtleiter noch eine Linsenkombination angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein reflektierendes oder brechendes Bauteil, das entweder im Strahlengang des einen oder des zweiten Teilstrahls (9, 17) angeordnet ist, mit einem Aktuator (35) verbunden ist, der es in eine mechanische Schwingung in Richtung der optischen Achse (11, 20) des jeweiligen Teilstrahls versetzt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Planspiegel (5) hinter der körperlich vorhandenen Linse (7) mit dem Aktuator (35) verbunden ist, der als Piezotranslator realisiert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sammellinsen (7, 14) aus doppelbrechendem Material angefertigt sind und daß sie mit Streulinsen (44, 45) aus nicht doppelbrechendem Material direkt verbunden sind, wobei die Gesamtoberflächen senkrecht zur optischen Achse des einen Teilstrahls (9) verlaufen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Sammellinsen Umlenkprismen angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß am Strahlausgang eine λ/4-Platte (39) vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, daß beide Teilstrahlen (9, 17) hindurchtreten.