DE4120497C2

DE4120497C2 - Alignment device for the adjustment of objects that are functionally and geometrically related

Info

Publication number: DE4120497C2
Application number: DE19914120497
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl Ing Fischer; Reiner Dr Ing Hofmann; Lutz Dipl Ing Gawronski; Juergen Loewinger
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1991-06-21
Filing date: 1991-06-21
Publication date: 1994-05-26
Anticipated expiration: 2011-06-22
Also published as: DE4120497A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ausrichtevorrichtung zur Justierung von im funktionellen und geometrischen Zusammenhang stehenden Objekten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Sie kann vorwiegend sowohl zur Justierung bereits gefaßter optischer Bauelemente relativ zu einer vorgegebenen Geräteachse als auch zur Justierung einer optischen Achse relativ zu einer mechanischen Fassungsachse eingesetzt werden.The invention relates to an alignment device for adjustment of functional and geometric relationships Objects according to the preamble of the claim. It can mainly be used for adjustment composed optical components relative to a predetermined Device axis as well as for adjusting an optical axis relative to a mechanical socket axis can be used.

Bekannt sind Vorrichtungen und Verfahren zur Justierung und Lagefixierung optischer Elemente, bei denen die optischen Elemente in vorgearbeitete mechanische Fassungen eingebracht und mittels mechanischer (DD-PS 2 77 131) oder chemischer (DE-OS 36 02 723) Mittel lagefixiert werden.Devices and methods for adjusting and Fixation of optical elements in which the optical Elements inserted in pre-machined mechanical frames and by means of mechanical (DD-PS 2 77 131) or chemical (DE-OS 36 02 723) funds are fixed in position.

Zur Realisierung der Übereinstimmung zwischen der optischen und der mechanischen Bezugsachse erfolgt in DD-PS 2 06 591 eine Justierung über einen Bewegungsmechanismus, dessen Basis ein Kugelfutter bildet, mit sich anschließender spanender Feinbearbeitung der mechanischen Funktionsfläche zwecks Ausrichtung derselben zur optischen Achse. Eine weitere bekannte, in DD-PS 2 55 797 offenbarte sowie auf DD-PS 80 998 basierende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zentrierung von in Ringen gefaßten optischen Gliedern mit dem Ziel der Einsparung von einer Vielzahl von Vorrichtungen und der dabei auftretenden Umrüstarbeiten. Damit wird der Anwendungsbereich der Vorrichtung gemäß DD-PS 80 998 bezüglich unterschiedlicher Flächenradien der optischen Glieder wesentlich erweitert. Dies wird dadurch erreicht, daß die Vorrichtung zwei auf der Achse der Arbeitsspindel angeordnete Kugelkalotten enthält, die mit einem Mittelstück an zwei sphärischen Gleitflächen befestigt sind, und daß beide Kugelkalotten feststellbar um den jeweiligen Kugelkalottenmittelpunkt kippbar gelagert sind.To achieve the match between the optical and the mechanical reference axis is in DD-PS 2 06 591 Adjustment via a movement mechanism, the basis of which Ball chuck forms, with subsequent cutting Finishing of the mechanical functional surface for the purpose Alignment of the same with the optical axis. Another well-known in DD-PS 2 55 797 and based on DD-PS 80 998 Invention relates to a device for centering in rings optical links with the aim of saving a variety of devices and the occurring Retrofitting. So that the scope of the device according to DD-PS 80 998 regarding different surface radii of the optical links significantly expanded. This is achieved that the device two on the axis of Includes spherical caps arranged with a working spindle Middle piece is attached to two spherical sliding surfaces, and that both spherical caps can be determined around the respective one Spherical cap center are tiltable.

Zur Justierung von Linsen mit beliebigen Flächenradien sind nach DD-PS 2 64 521 Vorrichtungen bekannt, bei denen für jeden Radius eine entsprechende Schwenkkalotte der Justiervorrichtung verwendet wird. In US-PS 40 46 458 wird eine Vorrichtung zur Zentrierung von Linsen beschrieben. Eine auf einer Ringschneide aufliegende Linse wird durch Druck mittels eines positionierenden Zentrierstempels ausgerichtet und anschließend fixiert.For the adjustment of lenses with any surface radii are after DD-PS 2 64 521 devices known in which for each radius a corresponding swivel cap of the adjusting device is used. In US-PS 40 46 458 a device for Centering lenses described. One on a ring cutter overlying lens is pressed by means of a positioning Centering stamp aligned and then fixed.

Eine weitere Vorrichtung zur Justierung von Linsen oder Linsengruppen mit beliebigen Flächenradien ist in DD-PS 2 10 766 veröffentlicht. Der Aufbau der Vorrichtung verwirklicht in Anlehnung an eine kardanische Aufhängung die Bewegung einer Kugelkalotte mit definierten Radien.Another device for adjusting lenses or Lens groups with any surface radii is in DD-PS 2 10 766 released. The structure of the device is realized in Following a gimbal the movement of a Spherical cap with defined radii.

Ein in DD-PS 2 75 327 veröffentlichter Vorschlag beruht ausschließlich auf spielfreier Gestaltung der Lagerstellen, wobei die Steifigkeit des Gesamtsystems verringert wird und der Nachteil einer mathematisch enorm aufwendigen Justierhirarchie besteht.A proposal published in DD-PS 2 75 327 is based exclusively on clearance-free design of the bearing points, whereby the rigidity of the overall system is reduced and the Disadvantage of a mathematically extremely complex adjustment hierarchy consists.

Eine in DD-PS 2 86 053 vorgestellte Justiermöglichkeit umgeht die genannten Nachteile bei erheblicher Einengung des Justierbereiches. Prinzipiell ist nur eine Kippbewegung, also eine Bewegung in nur einer Ebene, mit den für konventionelle Justierungen üblichen Stellwegen verfügbar. Die konstruktive Gestaltung der Lagerstellen zur spielfreien Lagerung führt zu undefinierten Bewegungsverhältnissen und damit zu einer nur mit erheblichem rechentechnischem Aufwand beherrschbaren unbestimmten Justierung. Alle bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Justierung optischer Bauelemente, die auf dem Kalottenprinzip basieren, weisen den Nachteil auf, daß entweder nur eine begrenzte Genauigkeit erzielt wird, wobei die Ursachen in auftretenden Stick-Slip-Effekten begründet liegen, oder der Aufwand bezüglich des Justiervorganges aufgrund des notwendigen Umrüstens der Vorrichtung auf maßlich voneinander abweichende optische Baugruppen sehr hoch ist.An adjustment option presented in DD-PS 2 86 053 circumvents the mentioned disadvantages with considerable narrowing of the Adjustment range. In principle there is only one tilting movement, i.e. one Movement in only one plane, with that for conventional ones Adjustments usual travel ranges available. The constructive design of the bearings for play-free Storage leads to undefined movement conditions and thus only with considerable computational effort manageable indefinite adjustment. All known Devices and methods for adjusting optical components, which are based on the calotte principle have the disadvantage that either only a limited accuracy is achieved, whereby the causes are due to stick-slip effects lie, or the effort related to the adjustment process due to the necessary retrofitting of the device to different dimensions optical assemblies is very high.

Sämtlichen Justiermechanismen haftet der Nachteil der Reibung der Formflächen zweier Bewegungsglieder an, der Ursache für die die Reproduzierbarkeit der Stellbewegung nachteilig beeinflussenden Stick-Slip-Effekte ist.All adjustment mechanisms are subject to the disadvantage of friction the form surfaces of two motion elements, the cause of which adversely affects the reproducibility of the actuating movement influencing stick-slip effects.

Sowohl dem Kugelfutter, als auch dem nach kardanischen Prinzip wirkenden Stellmechanismus ist eine erhebliche Massenanhäufung eigen, die den prinzipiellen fertigungtechnischen Aufwand an peripheren Einrichtungen (Spindel) unnötig steigert. Die Stellbewegung erfolgt bei bekannten automatisierten Verfahren bei Rotation.Both the ball lining and the gimbal principle acting actuating mechanism is a considerable mass accumulation own, which the basic manufacturing expenditure peripheral equipment (spindle) increases unnecessarily. The Adjustment movement takes place in known automated processes Rotation.

Die Justierung der Achsen zueinander erfolgt in allen Lösungen nach demselben Grundprinzip speziell ausgewählter Krümmungsmittelpunkte. In engem Zusammenhang damit ist eine aufwendigere Justierhirarchie, begründet in der funktionellen Abhängigkeit und einem Mehranteil an Stellbewegungen, zu sehen.The adjustment of the axes to each other takes place in all solutions specially selected according to the same basic principle Center of curvature. In close connection there is one more complex adjustment hierarchy, based on the functional Dependency and a greater proportion of actuating movements.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ausrichtevorrichtung zur Justierung von im funktionellen und geometrischen Zusammenhang stehenden Objekten, insbesondere zur Justierung sowohl bereits gefaßter optischer Bauelemente relativ zu einer vorgegebenen Geräteachse als auch zur Justierung einer optischen Achse relativ zu einer mechanischen Fassungsachse zu entwickeln, der eine spiel- und stick-slip-freie, reproduzierbare Justierung im statischen und dynamischen Zustand unter Minimierung von Stellbewegungen bei hoher Qualität des Justierzustandes ermöglicht.The invention is therefore based on the object Alignment device for the adjustment of the functional and geometrically related objects, especially for Adjustment of both already taken optical components relative to a given device axis as well as for adjusting one optical axis relative to a mechanical socket axis develop a play and stick-slip-free, reproducible Adjustment in static and dynamic condition under Minimization of positioning movements with high quality of the Adjustment state enables.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst.According to the invention, this object is achieved by the features of the patent claim.

Alle Translationselemente sind vorteilhafterweise steuerungstechnisch paarweise montiert, wobei die Ansteuerung auf dem Gegentaktprinzip basiert. Der durch die federnden Elemente bedingte Nachteil geringerer Steifigkeit wird durch die Anordnung der Translationselemente kompensiert, wobei diese Teile eines Regelkreises sind, der zu einer Erhöhung der Steifigkeit des Gesamtsystems und damit zur Gewährleistung der Stellgenauigkeit unter dynamischen Bedingungen führt. Die Ausrichtevorrichtung realisiert sowohl ein Kippen als auch ein Verschieben eines Objektes auf einer reproduzierbaren Führungsbahn, so daß nach Messung der Relativlage der Krümmungsmittelpunkte bei einem aus optischen Elementen bestehenden Objekt und anschließender Justierung der aus den gemessenen Werten berechneten optischen Achse in Zusammenwirkung der Justiermechanismen die optimale Ausrichtung relativ zu der mechanischen Achse realisiert wird. Durch die Anordnung der Lagerstellen und die konstruktive Ausführung der mechanischen Kontaktstellen in Form von Punktberührungen in Verbindung mit dem Einsatz beispielsweise elektromagnetischer, piezoelektrischer oder thermosensibler Stellwerkprinzipien wird eine einfache, hochgenaue Justierung realisiert. Die Aufnahme der Meßgrößen kann beispielsweise durch kapazitive Wegaufnehmer erfolgen.All translation elements are advantageous Control technology mounted in pairs, with the control on based on the push-pull principle. The through the resilient elements conditional disadvantage of lower rigidity is due to the Arrangement of the translation elements compensated, these parts of a control loop leading to an increase in Rigidity of the overall system and thus to ensure the Positioning accuracy under dynamic conditions. The Alignment device realizes both a tilt and a Moving an object on a reproducible Guideway, so that after measuring the relative position of the Center of curvature in one of optical elements existing object and subsequent adjustment of the measured values calculated optical axis in interaction the adjustment mechanisms the optimal alignment relative to the mechanical Axis is realized. By arranging the bearings and the design of the mechanical contact points in Form of point contact in connection with the Use for example electromagnetic, piezoelectric or thermosensitive signal box principles is a simple, high-precision adjustment realized. The recording of the measurands can be done, for example, by capacitive displacement sensors.

Infolge der als Gegenlager fungierenden Flexure-Hinge-Säule, welche koaxial zu den vertikal wirkenden Translationselementen angeordnet ist, wobei das Hingeelement als quasistationäres Lager funktioniert, wird eine Kippung um jeden Azimut in dieser Ebene realisiert.As a result of the Flexure Hinge column acting as a counter bearing, which are coaxial with the vertically acting translation elements is arranged, the hinge element as a quasi-stationary Camp works, there will be a tilt around every azimuth in this Level realized.

Je nach Einsatzfall ist bei Elimination der die Kippung realisierenden Elemente eine zweidimensional wirkende Justiervorrichtung realisierbar.Depending on the application, the tilting is the elimination realizing elements a two-dimensional effect Adjustment device can be implemented.

In einem nachstehenden Ausführungsbeispiel soll die erfindungsgemäße Ausrichtevorrichtung in der Ausführung einer Koaxialfeder näher erläutert werden.In an exemplary embodiment below, the Alignment device according to the invention in the execution of a Coaxial spring are explained in more detail.

Die Figur zeigt die Ausrichtevorrichtung zur Justierung einer im Raum liegenden Geraden relativ zu einer Geräteachse.The figure shows the alignment device for adjustment a straight line in space relative to a device axis.

Ein auf einer Spindel 1, über eine aus einem äußeren Ring 2 und einem inneren Ring 3 bestehende Koaxialfeder sowie eine Zylinderfeder 4, spielfrei gehalteter Objektaufnahmetisch 5 trägt eine gefaßte optische Baugruppe 6, deren optische Achse 7 mit einer Geräteachse 8 in Übereinstimmung zu bringen ist. Mit dem Objektaufnahmetisch 5 in mechanischem Kontakt stehend sind Translationselemente 9 und 10 um 90° versetzt in gleichem Abstand zur Achse vertikal angeordnet. Zu diesen Translationselementen 9 und 10 sind weitere, nicht dargestellte Translationselemente um 90° versetzt angeordnet. Weitere, in einer Ebene liegende Translationselemente 11 und 12, sind im äußeren Ring 2 der Koaxialfeder integriert und gestellfest mit dem inneren Ring 3 der Koaxialfeder verbunden.On a spindle 1 , via a coaxial spring consisting of an outer ring 2 and an inner ring 3 as well as a cylindrical spring 4 , object-holding table 5 held without play carries a mounted optical assembly 6 , the optical axis 7 of which can be brought into line with a device axis 8 . Standing in mechanical contact with the object receiving table 5 , translation elements 9 and 10 are arranged vertically offset by 90 ° at the same distance from the axis. In addition to these translation elements 9 and 10 , further translation elements, not shown, are arranged offset by 90 °. Further translation elements 11 and 12 lying in one plane are integrated in the outer ring 2 of the coaxial spring and connected to the inner ring 3 of the coaxial spring in a manner fixed to the frame.

Die Translationselemente 9, 10, 11 und 12 sowie die nicht dargestellten Translationselemente sind mit Wegaufnehmern 13, 14, 15 und 16 versehen, wobei sich jedes Translationselement mit Wegaufnehmer neben einem Netz/Ansteuergerät und einem Mikroprozessor in einem Regelkreis befindet.The translation elements 9, 10, 11 and 12 and the translation elements (not shown) are provided with displacement transducers 13, 14, 15 and 16 , each translation element with displacement transducer being located in a control loop next to a network / control device and a microprocessor.

Die Federcharakteristik der Zylinderfeder 4 wird durch die mit Ausbrüchen 17 versehene konstruktive Gestaltung einer Stegkombination erzeugt. The spring characteristic of the cylinder spring 4 is generated by the structural design of a web combination provided with cutouts 17 .

Je nach Lage der optischen Achse 7 werden im Mikroprozessor die Stellwege und die jeweils optimale Justierhierarchie errechnet bzw. gewählt.Depending on the position of the optical axis 7 , the adjustment paths and the optimal adjustment hierarchy are calculated or selected in the microprocessor.

Im dargestellten Fall erfolgt eine Verschiebung in der Translationsebene, eingeleitet durch die geregelten Translationselemente 11 und 12 um den Betrag der Entfernung in der Ebene der Rotationsachse, gebildet durch die Stegkombination 18, bis zum Schnittpunkt der verlängerten optischen Achse 7 mit der Geräteachse 8.In the illustrated case, there is a shift in the translation plane, initiated by the regulated translation elements 11 and 12 by the amount of the distance in the plane of the axis of rotation, formed by the web combination 18 , up to the intersection of the extended optical axis 7 with the device axis 8 .

Eingeleitet durch die vertikal angeordneten Translationselemente 9 und 10 erfolgt die Kippung der optischen Achse 7 um die aus der Stegkombination gebildeten Rotationsachsen bis zur Übereinstimmung der optischen Achse 7 mit der Geräteachse 8.Introduced by the vertically arranged translation elements 9 and 10 , the optical axis 7 is tilted about the axes of rotation formed from the web combination until the optical axis 7 matches the device axis 8 .

Claims

Alignment device for adjusting objects that are functionally and geometrically related, in particular for adjusting both optical components that have already been gripped relative to a predetermined device axis and for adjusting an optical axis relative to a mechanical mounting axis,
consisting of an object receiving table, which is arranged in a frame-fixed and play-free manner via a spring element designed as a counter bearing, and
from at least two translation elements that act vertically on the underside of the object receiving table, are provided with displacement transducers and are arranged in the counter bearing on a concentric path to a device axis, distributed uniformly,
wherein the translation elements are connected to a control unit, characterized in that
the spring element ( 4 ) designed as a counter bearing is made of the body's own material in the form of a flexure hinge column and / or in the form of a cross-section-reduced cylinder spring bar combination characterized by cutouts ( 17 ),
the spring element ( 4 ) is surrounded by a coaxial spring ( 2, 3 ) with the four integrated translation elements ( 11, 12 ) arranged offset by 90 ° and acting horizontally on the spring element ( 4 ),
the coaxial spring consists of an outer ring ( 2 ) fixed to the frame and an inner spring ring ( 3 ) which fixes the translation elements ( 11, 12 ),
and the vertically acting translation elements ( 9, 10 ) are arranged in different planes relative to the horizontally acting translation elements ( 11, 12 ) in a function-separating manner.