DE60120530T2

DE60120530T2 - Mehrere Laser beinhaltendes Laserausrichtungssystem zum Auftreffen auf ein einziges Ziel

Info

Publication number: DE60120530T2
Application number: DE60120530T
Authority: DE
Inventors: Carlos 5 Ye Olde Road Danbury Araujo
Original assignee: Hamar Laser Instruments Inc
Current assignee: Hamar Laser Instruments Inc
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2021-02-17
Also published as: EP1134548A2; US20010030743A1; EP1134548B1; DE60120530D1; EP1134548A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserausricht- bzw. -ausrichtungssystem, welches eine Mehrzahl von Lasern, ein Ziel und einen Computer zum Steuern bzw. Regeln eines Betriebs der Laser und zum Analysieren von Signalen umfaßt, die durch die Ziele erzeugt werden.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Viele Herstellungsprozesse erfordern die Ausrichtung einer Mehrzahl von Teilen, die voneinander beabstandet sind. Beispielsweise kann ein rotierendes Werkzeug eine spezifizierte bzw. bestimmte Ausrichtung zu einem Werkstück zum Bohren eines Lochs in dem Werkstück oder für ein Gewindeschneiden in ein vorher gebohrtes Loch erfordern. In anderen Situationen müssen Anordnungen bzw. Arrays von Rotoren oder Statoren präzise zu der Achse einer Turbine ausgerichtet werden bzw. sein. In noch anderen Situationen sollten Seilscheiben oder Riemenscheiben einer Werkzeugmaschine auf Rotationsachsen, die präzise parallel zueinander sind, an spezifizierten Abständen und mit den Seil- bzw. Antriebsscheiben in einer gemeinsamen Ebene montiert werden. Andere Herstellungsprozesse erfordern, daß Teile an spezifizierten Positionen in bezug auf Bezugsebenen zusammenzubauen sind. Beispielsweise sollten Sitze und Lagerbe hälter an einem großen Flugzeug genau in bezug auf horizontale und vertikal ausgerichtete Ebenen positioniert sein, die sich entlang der Länge des Flugzeugs erstrecken.
Historisch wurde das meiste der oben beschriebenen Ausrichtung mit rein mechanischen Vorrichtungen ausgeführt, wie beispielsweise Wasserwaagen, oder durch rein optische Vorrichtungen, wie beispielsweise Sicht- bzw. Schaumeßgeräten. Jedoch beinhaltet ein sehr wirksamer Apparat bzw. eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik zum Überprüfen einer Ausrichtung einen Laserstrahler und ein photo- bzw. lichtempfindliches Ziel. Der Laserstrahler bzw. -emitter erzeugt einen perfekt geraden Strahl, der nicht durch die Schwerkraft beeinflußt wird. Das Ziel ist betätigbar bzw. arbeitet, um Signale zu generieren bzw. zu erzeugen, die das Zentrum der Energie des Laserstrahls identifizieren, der auf das Ziel auftrifft. Das Ziel des Laserausrichtsystems gemäß dem Stand der Technik ist typischerweise an einen Computer angeschlossen, welcher bestimmte Verlagerungen und Ausrichtungs- bzw. Ausrichtinformation basierend auf den Signalen berechnet, die durch das Ziel erzeugt werden. Dieses System nach dem Stand der Technik wird verwendet, indem der Laser auf eine festgelegte Stelle montiert wird und indem das Ziel auf eine spezifizierte bzw. bestimmte Stelle auf einem Teil montiert wird, das ausgerichtet werden muß. Ein sehr einfacher, aber wirksamer Apparat für ein Ausrichten eines rotierenden Werkzeugs auf ein Hauptteil oder Werkstück ist in U.S. Patent Nr. 4,566,202 geoffenbart, welches auf die Zessionarin bzw. Empfängerin der vorliegenden Erfindung übertragen ist.
Einige Laserapparate vom Stand der Technik beinhalten ein Penta-Prisma, welches betätigbar ist bzw. arbeitet, um einen Eingabe- bzw. Eingangslaserstrahl zu empfangen und diesen Eingabe- bzw. Eingangslaserstrahl durch genau 90° zu reflektieren. Das Penta-Prisma kann dann um die Achse rotiert werden, die durch den Eingangslaserstrahl definiert ist. Somit überstreicht der Ausgabe- bzw. Ausgangslaserstrahl wirksam eine flache Laserebene, die senkrecht zum Eingangslaserstrahl ist. Die Ebene, die durch den rotierenden Laser erzeugt wird, definiert einen Bezugs- bzw. Referenzrahmen. Eine Mehrzahl von Zielen kann dann in der Bezugsebene positioniert werden, und die Stellen bzw. Orte dieser Ziele können dann präzise in bezug auf die Bezugsebene gemessen werden. Ein Laserapparat mit einem rotierenden Penta-Prisma zum Überstreichen einer flachen optischen Ebene ist in U.S. Patent Nr. 4,297,031 gezeigt, welches auf die Zessionarin der vorliegenden Erfindung übertragen ist. U.S. Patent Nr. 4,297,031 zeigt auch die oben erwähnte Mehrzahl von photo- bzw. lichtempfindlichen Zielen, die an Stellen montiert sind, auf die durch den rotierenden Ausgangslaser aufzutreffen ist.
Die Zessionarin der vorliegenden Erfindung ist auch Eigentümerin des U.S. Patents Nr. 5,307,368, welches auf einen Apparat zum gleichzeitigen Generieren bzw. Erzeugen einer Mehrzahl von gegenseitig senkrechten Ebenen abzielt. Die in U.S. Patent Nr. 5,307,368 gezeigte Vorrichtung ermöglicht, daß Ziele in jeder der gegenseitig senkrechten Ebenen für ein Positionieren eines Objekts bzw. Gegenstands relativ zu diesen Ebenen angeordnet sind bzw. werden.
Die oben beschriebenen Laserausrichtsysteme nach dem Stand der Technik verwenden typischerweise eine Mehrzahl von Zielen zum Definieren einer Position und Ausrichtung in bezug auf wenigstens eine Ebene, die durch den wenigstens einen rotierenden Ausgabe- bzw. Ausgangslaserstrahl überstrichen wird. Beispielsweise würde eine Mehrzahl von photoempfindlichen Zielzellen im Stand der Technik verwendet werden, um sowohl eine Verlagerung als auch eine Winkelfehlausrichtung zu beurteilen.
DE 3814466 beschreibt die Verwendung eines einzigen Lasers und von zwei photo- bzw. lichtempfindlichen Zielen, um eine Verlagerung und die Winkelausrichtdaten des Ziels relativ zu einem Strahl von der Laserquelle zu bestimmen.
In den letzten Jahren wurden Laserausrichtsysteme geringer Kosten und niedriger Genauigkeit auf den Markt gebracht. Die Verfügbarkeit eines Laserausrichtsystems geringer Kosten, obgleich schlechterer Qualität, hat einen Marktdruck geschaffen, um die Kosten für Laserausrichtsysteme hoher Qualität zu verringern. Während dieser gleichen Zeitspanne sind die Kosten von photoempfindlichen Zielzellen hoch geblieben und haben sich in einigen Fällen erhöht. Deshalb begrenzen die Kosten für lichtempfindliche Ziele in einem Laserausrichtsystem, das mehrere Ziele erfordert, die Fähigkeit, auf Marktdrücke hinsichtlich niedriger Kostenalternativen zu antworten, ohne die Genauigkeit oder die Qualität der Ausführung zu opfern. Gleichzeitig haben sich jedoch die Kosten von Lasern signifikant verringert.
In Anbetracht des Obigen ist es ein Ziel bzw. Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Laserausricht- bzw. -ausrichtungssystem mit niedrigen Kosten und hoher Qualität bereitzustellen.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Laserausrichtsystem zur Verfügung zu stellen, das eine Beurteilung einer Verlagerung und von Winkelausrichtfehlern mit einem einzigen Ziel ermöglicht.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Laserausrichtsystem mit mehreren Laserstrahlen und einem einzigen Ziel für ein Beurteilen einer Verlagerung und Winkelausrichtung bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zielt auf ein Laserausrichtsystem ab, das eine Mehrzahl von Lasern und eine licht- und positionsempfindliche Zielzelle umfaßt. Ein Regel- bzw. Steuersystem kann zum sequentiellen Ein- und Ausschalten des Lasers vorgesehen bzw. zur Verfügung gestellt sein. Somit ist die einzige licht- und positionsempfindliche Zielzelle betätigbar bzw. arbeitet, um sequentiell Signale zu generieren bzw. zu erzeugen, welche für Stellen bzw. Orte hinweisend sind, an welchen die jeweiligen Laserstrahlen auf die Zielzelle auftreffen. Das Regel- bzw. Steuersystem kann weiterhin an die Zielzelle zum Empfangen von Signalen, die durch die Zielzelle erzeugt werden, und zum Analysieren der Signale angeschlossen sein, um die Positions- und Ausrichtinformation bereitzustellen.
Das System der vorliegenden Erfindung kann einen ersten und zweiten Laser und einen Strahlteiler beinhalten. Der Strahlteiler kann in der Nähe zur einzigen licht- und positionsempfindlichen Zielzelle positioniert sein. Insbesondere kann der Strahlteiler derartig angeordnet sein, daß ein erster Strahl, der durch den ersten Laser erzeugt wird, durch den Strahlteiler hindurchtritt und auf der Zielzelle auftrifft. Da bzw. wenn die Zielzelle relativ zum ersten Strahl bewegt wird, werden vertikale und horizontale Positionssignale generiert bzw. erzeugt. Der zweite Laser erzeugt einen zweiten Strahl, der im allgemeinen parallel zum ersten Strahl ausgerichtet ist. Das System beinhaltet weiterhin einen Spiegel, der angeordnet ist, um sich mit dem zweiten Strahl auszurichten. Der Spiegel reflektiert den Strahl zu dem Strahlteiler, welcher darüber hinaus den Strahl auf die licht- und positionsempfindliche Zielzelle reflektiert. Zusätzlich kann das System eine Linse enthalten, die zwischen der Quelle des zweiten Strahls und dem Spiegel angeordnet ist. Somit wird der zweite Strahl durch die Linse fokussiert und zu dem Spiegel gerichtet. Der kombinierte optische Abstand von der Linse zum Spiegel, vom Spiegel zum Strahlteiler und vom Strahlteiler zur Zielzelle wird ausgewählt, um im wesentlichen gleich der Brennweite der Linse zu sein. Somit wird der zweite Strahl im wesentlichen auf der einzigen Licht- und Positionszelle in der Zielanordnung fokussieren.
Wenn der erste Laser eingeschaltet ist, wirkt der erste Laserstrahl als eine Positionsmeßvorrichtung, die X-Achsen- und Y-Achsen- (horizontale und vertikale) Positionssignale erzeugt, um eine Verlagerung der Zielanordnung relativ zu dem einlangenden ersten Laserstrahl anzuzeigen. Wenn der zweite Laser eingeschaltet ist bzw. wird, wirkt das Ziel als ein winkelempfindliches Ziel sowohl in der Ganghöhe bzw. Neigung als auch in der Gierung. Zusätzliche Ablesungen der Zelle werden eine kurze Zeit nach jeder der Zentrums- oder Winkelablesungen vorgenommen. Diese Ablesungen bilden Hintergrundlichtablesungen und werden von den jeweiligen Ablesungen subtrahiert, wenn der Laser eingeschaltet ist. Das Ergebnis ist eine Kompensation für das Hintergrundlicht, das auch auf die Zielzelle fällt.
Eine alternative Ausführungsform dieser Erfindung beinhaltet eine Linse, eine Viertelwellenplatte, einen Spiegel und einen ersten und zweiten Laser. Der erste Laser erzeugt einen ersten Strahl, der gerade durch die Linse hindurchtritt. Die Linse startet bzw. beginnt, den Strahl auf der Zelle zu fokussieren. Der zweite Laser erzeugt einen zweiten Laserstrahl, der parallel zu oder weg von der Achse in bezug auf den ersten Strahl ist. Der zweite Strahl tritt durch die Linse hindurch, trifft den Spiegel, reflektiert zurück zu der polarisierenden Strahlteilerbeschichtung auf der Rückseite der Linse und reflektiert weiter, um auf der Zelle zu fokussieren. Der zweite Strahl ist der Winkelstrahl und die Kombination der Linse, des Spiegels und der polarisierenden Strahlteilerbeschichtung bildet ein System, das in einem Fokussieren des zweiten Strahls auf der Oberfläche der Zielzelle endet. Diese Kombination wirkt als ein Kollimator. Die Zelle arbeitet mit dem zweiten Strahl zusammen, um den Winkel der Zielachse relativ zu dem zweiten Strahl zu messen. Der erste Strahl geht andererseits gerade durch die Linse und wird teilweise fokussiert. Der erste Strahl und die Zelle wirken als eine Zentrumsmeßvorrichtung und stellen Signale bereit, die hinweisend für eine X-Achsen- und Y-Achsen- (horizontale und vertikale) Position oder Verlagerung bzw. Verschiebung sind. Wenn das Ziel seitlich bzw. seitwärts oder senkrecht zum ersten Strahl bewegt wird, dann wird Positionsinformation von der Zielzelle im wesentlichen wie in Zellen gemäß dem Stand der Technik abgelesen. Das Problem mit dem wie oben beschriebenen System ist, daß die teilweisen Fokussiermittel auch teilweise empfindlich gegenüber dem Winkel sind. Ein herkömmliches bzw. konventionelles Ziel ohne Linse mißt ein Zentrum, ist aber nicht dem Winkel gegenüber empfindlich.
Jedoch kann in der vorliegenden Erfindung aufgrund der Tatsache, daß der Winkel gemessen wird, die Zentrumsablesung für jeden beliebigen Winkel korrigiert werden.
Der primäre Vorteil dieser letzteren Ausführungsform ist, daß die Kombination des ersten Strahls und der Linse der Zelle derart wirken, daß der Lichtfleck bzw. Lichtpunkt im Durchmesser reduziert ist. Dies erhöht wirksam die Zellgröße, und deshalb wird der Bereich der Messung erhöht. Die Menge bzw. das Ausmaß der Erhöhung ist proportional zum Verhältnis der Brennweite der Linse, dividiert durch den Abstand vom Knotenpunkt der Linse zur Oberfläche der Zelle. Wie oben erwähnt, können positionsempfindliche Zielzellen teuer sein, speziell für größere Größen. Kleinere Zellen sind jedoch relativ billig. Somit ist ein Vorteil des oben beschriebenen Systems, daß eine kleine Zelle sich verhalten bzw. funktionieren kann, als ob sie physikalisch bzw. physisch viel größer wäre durch das Verhältnis der zwei Abstände, solange die Auflösung adäquat ist. Somit verwendet die oben beschriebene Kombination ein sehr wirtschaftliches Verfahren, um größere Messungsbereiche zu erzielen.
Der zweite Strahl wird auf das photoempfindliche Ziel fokussiert, wie dies oben beschrieben ist. Insbesondere ist die Linse des oben beschriebenen Systems eine plan-konkave Linse mit einer polarisierenden empfindlichen 50 %–50 % Strahlteilerbeschichtung auf der ebenen bzw. planaren oder flachen Seite der Linse. Eine polarisierende empfindliche Beschichtung wird beinahe 100 % einer P Polarisation weiterleiten bzw. durchlassen und S Polarisation beinahe völlig reflektieren. Die Ebene einer Polarisation sowohl des ersten als auch zweiten Strahls werden so rotiert bzw. gedreht, daß ungefähr 100 % ihres Lichts weitergeleitet wird.
In dieser Ausführungsform ist eine Viertelwellenplatte Aluminium, Al, welches auf der Rückseite beschichtet ist, um einen Mangrin-Spiegel auszubilden. Eine Viertelwellenplatte wird einen ebenen polarisierten Strahl annehmen bzw. empfangen und ihn in einen kreisförmig polarisierten Strahl verwandeln. Bei bzw. nach Reflexion wird der Strahl von rechts kreisförmig polarisiert zu links sich ändern bzw. wechseln. Da bzw. wenn der zweite Strahl durch die Viertelwellenplatte nochmals hindurchtritt, wird er von kreisförmig polarisiertem Licht zurück zu linear geändert, aber um 90° gedreht. Der zweite Strahl reflektiert dann 100 % weg von der Rückseite der Linse und fokussiert auf der Linse.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A ist eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Zielanordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
1B ist eine schematische Ansicht einer modifizierten Version der ersten Ausführungsform einer Zielanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
2A ist eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Zielanordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
2B ist eine schematische Ansicht der zweiten Ausführungsform einer Zielanordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer einzigen Laserebene anstelle von mehreren Lasern.
3 ist eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Zielanordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Vorderansicht einer 1/4-Wellenplatte einer Zielanordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Ein Laserausrichtsystem in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist allgemein durch das Bezugszeichen 10 in 1A identifiziert. Das Laserausricht- bzw. -ausrichtungssystem 10 enthält einen ersten und zweiten Laseremitter 12 und 14, welche betätigbar sind bzw. arbeiten, um einen ersten 13 und zweiten 15 Laserstrahl zu erzeugen, die parallel zueinander sind. Die Laser 12 und 14 sind an ein Regel- bzw. Steuersystem angeschlossen, das allgemein durch das Bezugszeichen 16 identifiziert ist. Das Regel- bzw. Steuersystem 16 ist betätigbar bzw. arbeitet, um sequentiell die Laser 12 und 14 mit Leistung zu versorgen, so daß nur einer des ersten und zweiten Lasers 12 und 14 zur gleichen Zeit eingeschaltet ist. Zusätzlich ist das Regel- bzw. Steuersystem 16 vorzugsweise betätigbar bzw. operativ, um eine abgelaufene bzw. verstrichene Zeit zwischen der Beendigung einer Energie bzw. Leistung an den ersten Laser 12 und dem Einschalten von Energie bzw. Leistung an den zweiten Laser 14 zu lassen. Die abgelaufene Zeit zwischen der Versorgung des ersten und zweiten Lasers 12 und 14 mit Leistung ermöglicht dem System 10, Hintergrundlicht einzuschätzen und zu kompensieren.
Das Lasersystem 10 enthält darüber hinaus eine Zielanordnung 20. Die Zielanordnung 20 beinhaltet eine lichtempfindliche Zielzelle 22, einen Strahlteiler 24, ein Filter 27 und einen Spiegel 28. Die lichtempfindliche Zielzelle 22 ist angeordnet, um sich im wesentlichen mit dem ersten Laserstrahl 13 auszurichten, der durch den ersten Laser 12 erzeugt wird. Der Strahlteiler 24 ist zwischen der lichtempfindlichen Zielzelle 22 und dem ersten Laser 12 angeordnet. Somit wird der erste Laserstrahl 13 durch den Strahlteiler 24 hindurchtreten und auf die lichtempfindliche Zielzelle 22 auftreffen. Ein Auftreffen des ersten Strahls 13 auf der lichtempfindlichen Zielzelle 22 erzeugt die elektrischen Signale, die hinweisend für X- und Y-Koordinaten des Energiezentrums des ersten Laserstrahls 13 sind, der auf die lichtempfindliche Zielzelle 22 auftrifft. Die lichtempfindliche Zielzelle 22 ist bzw. wird elektrisch an die Regel- bzw. Steuervorrichtung 16 angeschlossen, und Signale, die durch die lichtempfindliche Zielzelle 22 in Antwort auf ein Auftreffen durch den ersten Strahl 13 erzeugt werden, werden verwendet, um X-Achsen- und Y-Achsen-Positionsdaten bereitzustellen, die für eine Verlagerung der Zielanordnung 20 relativ zu der fixierten bzw. festgelegten Bezugslinie hinweisend sind, die durch den ersten Strahl 13 definiert ist.
Der Spiegel 28 ist um einen ausgewählten Abstand vom Filter 27 beabstandet, welches vorzugsweise aus rotem Glas hergestellt ist, und ist angeordnet, um durch den zweiten Laserstrahl 15 getroffen zu werden. Der Spiegel 28 ist unter einem Winkel so ausgerichtet, daß der zweite Laserstrahl 15 vom Spiegel 28 auf die Rückwand bzw. rückwärtige Fläche bzw. Seite des Strahlteilers 24 reflektiert wird. Der Strahlteiler 24 ist auch relativ zu den Achsen des ersten und zweiten Laserstrahls winkelig ausgerichtet und ist im wesentlichen parallel zum Spiegel 28. Als eine Folge funktioniert bzw. fungiert der Strahlteiler, um wenigstens einen Abschnitt des zweiten Strahls 15 hin zur lichtempfindlichen Zielzelle 22 zu reflektieren. Die Zielzelle 22 wird X- und Y-Achsen-Koordinatendaten erzeugen, um den Ort bzw. die Stelle zu identifizieren, an welchem(r) der zweite Laserstrahl 15 auf der lichtempfindlichen Zielzelle 22 auftrifft. In diesem Fall stellt jedoch die Positionsinformation entsprechend den X- und Y-Koordinaten des Energiezentrums des zweiten Laserstrahls 15 auf der lichtempfindlichen Zielzelle 22 winkelige bzw. Winkelausrichtinformation zur Verfügung, die der Neigung und der Gierung der Zielzellenebene relativ zu der Achse entspricht, die durch den zweiten Laserstrahl 15 definiert ist. Das Regel- bzw. Steuersystem 16 verwendet Signale, die sequentiell und alternativ durch ein Auftreffen des ersten und zweiten Laserstrahls auf der lichtempfindlichen Zielzelle 22 erzeugt werden, um Verlagerungsfehler und Winkelausrichtfehler bereitzustellen oder um Korrekturinformation zur Verfügung zu stellen, um die Zielzelle 22 in eine geeignete bzw. richtige bzw. passende Stelle und richtige bzw. ordnungsgemäße Ausrichtung zu bringen.
1B zeigt eine modifizierte Version des Laserausrichtsystems 10, das eine Linse 26 anstelle des Filters 27 verwendet. Die Linse 26 ist angeordnet, um durch den zweiten Strahl 15 getroffen zu werden, der durch den zweiten Laser 14 erzeugt wird. Die Linse 26 weist eine spezifizierte Brennweite auf und funktioniert bzw. fungiert, um den zweiten Laserstrahl 15 an einer Stelle zu fokussieren, die von der Linse 26 beabstandet ist. Der Spiegel 28 ist um einen ausgewählten Abstand von der Linse 26 beabstandet und ist angeordnet, um durch den teilweise fokussierten zweiten Laserstrahl 15 getroffen zu werden. Die kombinierten optischen Distanzen bzw. Abstände von der Linse 26 zum Spiegel 28, vom Spiegel 28 zum Strahlteiler 24 und vom Strahlteiler 24 zum lichtempfindlichen Ziel 22 sind im we sentlichen gleich der Brennweite der Linse 26. Somit wird der zweite Laserstrahl im wesentlichen auf die Zielzelle 22 fokussiert.
2A zeigt ein zweites Laserausrichtsystem 30, das strukturell und funktionell ähnlich dem in 1A und 1B gezeigten Laserausrichtsystem 10 ist. Das Laserausrichtsystem 30 unterscheidet sich vom Laserausrichtsystem 10 insofern, als es einen ersten, zweiten und dritten Laser 32, 34 und 36 zum Erzeugen jeweils eines ersten, zweiten und dritten Laserstrahls 33, 35 und 37 enthält. Ein Regel- bzw. Steuersystem 38 ist für ein sequentielles Versorgen des ersten, zweiten und dritten Laserstrahls 32, 34 und 36 im wesentlichen vorgesehen, wie dies oben beschrieben ist.
Eine Zielanordnung 40 wird zur Verfügung gestellt und beinhaltet eine einzige lichtempfindliche Zielzelle 42. Die Zielanordnung 40 enthält weiterhin einen ersten und zweiten Spiegel 48 und 49 und einen ersten und zweiten Strahlteiler 44 und 45 in der Form von Spiegeln. Der erste Strahl 33, der im System 30 erzeugt wird, ist bzw. wird ausgerichtet, um direkt auf der Zielzelle 42 ohne Fokussieren aufzutreffen. Somit funktioniert der erste Strahl 33 im Laserausrichtsystem 30 im wesentlichen wie der erste Strahl 13 im Laserausrichtsystem 10, um X-Achse und Y-Positionsdaten bereitzustellen. Die Spiegel 48 und 49 und die Strahlteiler 44 und 45 funktionieren, um den zweiten 35 und dritten 37 Strahl auf die lichtempfindliche Zielzelle 42 zu reflektieren. Zusätzlich sind die relativen Abmessungen und Abstände der Komponenten der Zielanordnung 40 derart, daß der zweite 35 und dritte 37 Laserstrahl im wesentlichen auf die lichtempfindliche Zielzelle 42 fokussiert werden. Der zweite 35 und dritte 37 Strahl funktionieren, als ob die Ablesungen, die durch die lichtempfindliche Zielzelle 42 gemacht werden, von Zielen gemacht werden, die direkt hintern den Spiegeln angeordnet sind und axial mit dem zweiten 35 und dritten 37 Strahl ausgerichtet sind, die sich der Zielanordnung 40 nähern. Somit funktioniert die Zielanordnung 40, als ob es drei Zielzellen geben würde, die an jeweiligen Ecken eines Dreiecks, und vorzugsweise den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind. Die Ablesungen, die durch Zielzelle 42 von dem zweiten 35 und dritten 37 Laserstrahl gemacht werden, können voneinander subtrahiert werden, und die Differenz stellt eine Anzeige bzw. einen Hinweis von Neigungsfehlern bereit. Der Durchschnitt der Ablesungen, die durch die Zielzelle 42 von dem zweiten 35 und dritten 37 Strahl gemacht werden, definiert Verlagerungsfehler relativ zu der Ebene, die durch den zweiten 35 und dritten 37 Laserstrahl definiert ist. Gierausrichtfehler können basierend auf der Differenz zwischen Ablesungen, die durch die Zielzelle 42 basierend auf dem ersten Laserstrahl 33 genommen werden, und dem Durchschnitt der Ablesungen berechnet werden, die durch den zweiten 35 und dritten 37 Strahl erhalten werden. Verlagerungsfehler sind basierend auf tatsächlichen Ablesungen, die auf dem ersten Strahl 33 basieren. Somit beinhaltet das Laserausrichtsystem 30 drei relativ billige Laser und eine einzige ziemlich teure lichtempfindliche Zielzelle, um Verschiebungs- bzw. Verlagerungsdaten und Ausrichtungs- bzw. Ausrichtdaten in bezug auf zwei Achsen bei wesentlich niedrigeren Kosten als Systeme nach dem Stand der Technik bereitzustellen, die eine Mehrzahl von ziemlich teuren lichtempfindlichen Zielzellen erfordern.
2B zeigt eine modifizierte Version des zweiten Laserausrichtsystems 30, wo ein Penta-Prisma 31, um eine Abtast- bzw. Scanebene 39 zu erzeugen, anstelle von mehreren Lasern verwendet wird, die einzelne Laserstrahlen erzeugen. Da bzw. wenn die Scanebenenüberstreichungen das Ziel 41 passieren, reflektiert der erste Spiegel 48 Strahl 35'', welcher dem gleichen Zweck wie der oben beschriebene Laserstrahl 35 dient. Der Laserstrahl 37'' wird ähnlich vom zweiten Spiegel 49 reflektiert. Das Penta-Prisma 31 und die Zielanordnung 41 stellen die gleiche Funktionalität zur Verfügung und folgen den gleichen Betriebsprinzipien, wie dies oben in bezug auf mehrere Laser 32, 34, 36 und die Zielanordnung 40 beschrieben ist.
Ein drittes Laserausrichtsystem wird allgemein durch das Bezugszeichen 50 in 3 identifiziert. Das dritte Laserausrichtsystem 50 ist ähnlich der ersten Ausführungsform insofern, daß der erste und zweite Laser 52 und 54 zum Erzeugen eines ersten 53 und zweiten 55 parallelen Laserstrahls bereitgestellt sind bzw. werden. Das Laserausrichtsystem 50 kann auch ein Regel- bzw. Steuersystem 56 enthalten, welches betätigbar ist bzw. arbeitet, um sequentiell die Laser 52 und 54 mit Leistung zu versorgen: Außerdem ist eine Zielanordnung 60 mit einer einzigen lichtempfindlichen Zielzelle 62 bereitgestellt. In anderen Hinsichten bzw. Beziehungen unterscheidet sich jedoch das Laserausrichtsystem 50 signifikant von der ersten und zweiten Ausführungsform. Insbesondere enthält die Zielanordnung 60 eine Linse 64, einen polarisierenden Strahlteiler 70 und einen Spiegel 66 mit einer Viertelwellenplatte 68. Der erste Laserstrahl 53 wird ausgerichtet, um zentral durch die Linse 64 durchzutreten. Die Linse 64 startet bzw. beginnt, den Strahl auf die Zelle 62 zu fokussieren. Jedoch ist der Abstand zwischen der Linse 64 und der Zelle 62 wesentlich geringer als die Brennweite, die Länge "a", der Linse 64. Der zweite Strahl 55 ist parallel zum ersten Strahl 53, aber ist von der Achse der Linse 64 versetzt. Der zweite Strahl 5S wird teilweise durch die Linse 64 fokussiert und trifft auf den Spiegel 66 unter einem Winkel auf. Der Spiegel 66 reflektiert den zweiten Strahl 55 zurück zur Linse 64. Die rückwärtige Fläche der Linse 64 weist einen polarisierenden Strahlteiler 70 darauf beschichtet auf und reflektiert weiter den zweiten Strahl 55 zurück zur Zielzelle 62. Die kombinierte optische Länge des zweiten Strahls 55 von der Linse 64 zum Spiegel 66, vom Spiegel 66 zurück zur Linse 64 und von der Linse 64 zur Zielzelle 62 ist im wesentlichen gleich der Brennweite, "a", der Linse 64. Die Zielzelle 62 identifiziert die Position, bei welcher der zweite Strahl 55 darauf auftrifft. Diese Positionsinformation für den fokussierten zweiten Strahl 55 wird verwendet, um Winkelausrichtfehler zu identifizieren.
Wenn die Zielanordnung 60 seitlich senkrecht zum ersten Strahl 53 bewegt wird, dann wird Positionsinformation von der Zielzelle 62 abgelesen, wie dies oben beschrieben ist. Das partielle Fokussieren des ersten Strahls, das durch die Linse 64 verursacht ist bzw. wird, bedeutet jedoch, daß die Zielzelle 62 auch teilweise gegenüber dem Winkel empfindlich ist. In dieser Hinsicht ist ein typisches Laserausrichtsystem gemäß dem Stand der Technik zum Messen einer Verlagerung nicht gegenüber dem Winkel empfindlich. In Anbetracht der Tatsache, daß die Zielanordnung 60 auch den Winkel basierend auf dem zweiten Strahl 55 mißt, kann jedoch die Zentrumsablesung, die mit dem ersten Strahl 53 gemacht wird, hinsichtlich beliebiger Winkeldaten korrigiert werden, die mit dem zweiten Strahl 55 bestimmt wurden. Diese Korrektur involviert einen einfachen Algorithmus, der durch das Regel- bzw. Steuersystem 56 durchzuführen ist, das sowohl an die Laser 52 und 54 als auch an die Zielzelle 62 angeschlossen ist.
Ein signifikanter Vorteil der Zielanordnung 60 besteht darin, daß die Kombination des ersten Strahls 53 und der Linse 64 wirkt, um den Querschnittsdurchmesser des ersten Strahls 53 zu verringern. Das weist die gleiche Wirkung bzw. denselben Effekt auf, wie die Fläche der Zielzelle 62 zu erhöhen. Somit wird der Bereich der Messung vergrößert. Die Menge bzw. das Ausmaß der Vergrößerung bzw. Erhöhung ist proportional zum Verhältnis der Brennweite, "a", der Linse 64, dividiert durch den Abstand, "b", des Knotenpunkts 72 der Linse 64 bis zur Oberfläche der Zielzelle 62. In dem illustrierten Beispiel von 3 weist die Zielzelle 62 eine wirksame Größe von 16 × 16 mm auf, obgleich sogar die tatsächliche Größe der Zielzelle 62 nur 10 × 10 mm ist. Wie oben erwähnt, können lichtempfindliche Zellen sehr teuer sein, und die Kosten steigen dramatisch für größere Größen an. Eine 10 mm Quadrat- bzw. Viereckzelle ist verhältnismäßig billig in Anbetracht des größeren Produktionsvolumens. Größere Zellen werden nicht im gleichen Volumen hergestellt, und sind deshalb signifikant teurer. Somit weist die oben beschriebene und illustrierte Zielanordnung 60 die Vorteile eines viel teureren Ziels auf, das eine große Zielzelle aufweist, selbst obwohl eine viel weniger teure kleinere Zielzelle 62 bereitgestellt wird. Außerdem wird eine Kostenersparnis erzielt, indem man eine einzige Zielzelle 62 hat, um die Funktion durchzuführen, die sonst zwei gesonderte Zellen erfordern würde.
Die Linse 64 ist eine plan-konkave Linse mit einer polarisierenden empfindlichen 50 %–50 % Strahlteilerbeschichtung 70 auf der planen oder flachen Seite der Linse 64. Die polarisierende empfindliche Beschichtung wird beinahe 100 % von P Polarisation übertragen bzw. weiterleiten und beinahe völlig S Polarisation reflektieren. Die Polarisationsebene sowohl des ersten als auch des zweiten Strahls wird derart so gedreht, daß ungefähr 100 % ihres Lichts übertragen bzw. durchgelassen wird.
In dieser Ausführungsform ist eine Viertelwellenplatte 68 Aluminium, Al, das an der Rückseite beschichtet ist, um einen Mangrin-Spiegel 66 auszubilden, wie dies in 4 gezeigt ist. Eine Viertelwellenplatte wird einen in einer Ebene polarisierten Strahl nehmen und ihn in einen kreisförmig polarisierten Strahl umwandeln. Bei bzw. nach Reflexion wird der Strahl von rechts kreisförmig polarisiert zu links geändert. Wenn der zweite Strahl nochmals durch die Viertelwellenplatte hindurchtritt, wird er von kreisförmig polarisiertem Licht zurück zu linearem geändert, aber um 90° gedreht. Der zweite Strahl reflektiert dann zu nahezu 100 % weg von der Rückfläche der Linse, um so auf der Zelle zu fokussieren.
Die oben beschriebene und illustrierte Zielanordnung 60 stellt eine kompaktere Baueinheit bereit als früher verfügbar war. Zusätzlich erhöht die Kombination von optischen Komponenten den effektiven Bereich der Zielzelle 62 für Zentrumsablesungen ohne Vergrößerung der Zellgröße oder Kosten. Eine Verwendung der kleineren Zelle führt zu einem System mit viel höherer Auflösung, welches wiederum eine genauere Messung des Zentrums und Winkels erzeugt.
Während die Erfindung hinsichtlich einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden ist, ist es ersichtlich, daß verschiedene Änderungen gemacht werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die beigefügten Patentansprüche definiert ist.

Claims

Laserausrichtsystem, umfassend: Wenigstens einen ersten und zweiten Laser (12, 14), die angeordnet sind, um wenigstens einen ersten und zweiten Laserstrahl (13, 15) zu generieren bzw. zu erzeugen, die im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind; ein Steuer- bzw. Regelsystem (16) zum sequentiellen Versorgen der Laser mit Leistung; eine Target- bzw. Zielanordnung (20), umfassend eine lichtempfindliche Target- bzw. Zielzelle (22), die betätigbar ist bzw. arbeitet, um elektrische Signale zu produzieren, die für Orte bzw. Stellen hinweisend bzw. anzeigend sind, an welchen einer des ersten und zweiten Laserstrahls auf der Zielzelle auftrifft, wobei die Zielzelle im wesentlichen in Ausrichtung mit dem ersten Laserstrahl derart angeordnet ist, daß Signale, die durch die Zielzelle in Antwort auf den ersten Laserstrahl produziert sind, Verlagerungsdaten der Zielzelle relativ zu dem ersten Laserstrahl identifizieren, wobei die Zielanordnung weiters wenigstens einen Spiegel (28) umfaßt, der zum Reflektieren des zweiten Laserstrahls auf die Zielzelle angeordnet ist, wobei das System so angeordnet ist, daß ein Auftreffen des zweiten Laserstrahls auf der Zielzelle mit Winkelausrichtdaten zum Identifizieren von Winkelausrichtungen der Zielzelle relativ zu dem zweiten Laserstrahl zur Verfügung stellt.
Laserausrichtsystem nach Anspruch 1, weiters umfassend einen Strahlteiler, wobei der Strahlteiler im wesentlichen in Ausrichtung zwischen dem ersten Laser und der Zielzelle angeordnet ist, wobei der erste Laserstrahl durch den Strahlteiler hindurchtritt, um auf die Zielzelle aufzutreffen, wobei der Strahlteiler winkelig relativ zu Achsen des ersten und zweiten Laserstrahls ausgerichtet ist und im wesentlichen parallel zu dem Spiegel ist, wodurch der Strahlteiler den zweiten Laserstrahl von dem Spiegel auf die Zielzelle reflektiert.
Laserausrichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiters umfassend ein Filter, wobei das Filter im wesentlichen zwischen dem zweiten Laser und dem Spiegel angeordnet ist.
Laserausrichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiters umfassend eine fokussierende Linse zum Fokussieren des zweiten Laserstrahls, wobei die Linse im wesentlichen zwischen dem zweiten Laser und dem Spiegel angeordnet ist.
Laserausrichtsystem nach Anspruch 4, wobei die fokussierende Linse eine Brennweite umfaßt.
Laserausrichtsystem nach Anspruch 4 oder 5, wobei ein kombinierter optischer Abstand von der Linse zu dem Spiegel, von dem Spiegel zu dem Strahlteiler und von dem Strahlteiler zu der Zielzelle im wesentlichen gleich der Brennweite der Linse ist.
Laserausrichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiters umfassend einen dritten Laser, der angeordnet ist, um einen dritten Laserstrahl im wesentlichen parallel zu dem ersten und zweiten Laserstrahl zu generieren, wobei der dritte Laser mit einem Steuer- bzw. Regelsystem derart verbunden ist, daß das Steuer- bzw. Regelsystem sequentiell den ersten, zweiten und dritten Laser mit Leistung versorgt, wobei die Zielzelle wenigstens einen zweiten Spiegel umfaßt, der den dritten Laserstrahl auf die Zielzelle reflektiert.
Laserausrichtsystem nach Anspruch 7, weiters umfassend einen ersten und zweiten Strahlteiler entsprechend jedem des ersten und zweiten Spiegels.
Laserausrichtsystem nach Anspruch 8, wobei der erste Strahlteiler winkelig relativ zu einer Achse des zweiten Laserstrahls ausgerichtet ist und im wesentlichen parallel zu dem ersten Spiegel ist, wodurch der erste Strahlteiler den zweiten Laserstrahl von dem ersten Spiegel auf die Zielzelle reflektiert.
Laserausrichtsystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei der zweite Strahlteiler winkelig relativ zu einer Achse des dritten Laserstrahls ausgerichtet ist und im wesentlichen parallel zu dem zweiten Spiegel ist, wodurch der zweite Strahlteiler den dritten Laserstrahl von dem zweiten Spiegel auf die Zielzelle reflektiert.
Laserausrichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiters umfassend eine Linse, die derart angeordnet ist, daß der erste und zweite Laserstrahl durch die Linse durchtreten, wobei der erste Laserstrahl zentral durch die Linse derart durchtritt, daß die Linse teilweise den Laserstrahl fokussiert, wobei die Linse die Querschnittsabmessungen des ersten Laserstrahls verringert, der auf die lichtempfindliche Zielzelle auftrifft, wodurch effektiv Abmessungen der lichtempfindlichen Zielzelle relativ zu dem ersten Laserstrahl vergrößert sind bzw. werden.
Laserausrichtsystem nach Anspruch 11, wobei die Linse eine ebene Linse ist, die eine ebene bzw. planare Fläche bzw. Oberfläche aufweist, die zu der lichtempfindlichen Zielzelle schaut bzw. gerichtet ist, wobei die ebene Fläche der Linse mit einem polarisierenden Strahlteiler beschichtet ist, wobei der Strahlteiler den zweiten Laserstrahl von dem Spiegel auf die Zielzelle reflektiert.
Laserausrichtsystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Linse eine Brennweite umfaßt.
Laserausrichtsystem nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei ein kombinierter optischer Abstand von der Linse zu dem Spiegel, von dem Spiegel zu dem Strahlteiler und von dem Strahlteiler zu der Zielzelle im wesentlichen gleich der Brennweite ist.
Laserausrichtsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Spiegel eine Viertelwellenplatte ist, welche eine erste und eine zweite Fläche bzw. Oberfläche enthält, wobei die zweite Fläche bzw. Oberfläche mit einer ringförmigen Aluminium Al Beschichtung beschichtet ist, die einen zentralen Abschnitt freiläßt.
Laserausrichtsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei der Spiegel zwischen der Linse und der Zielzelle positioniert ist, wobei die Zielzelle positioniert ist, um in Kontakt mit dem freien Abschnitt des Spiegels zu sein.
Laserausrichtsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei eine effektive Zellengröße der Zielzelle um das Verhältnis der Brennweite der Linse, dividiert durch einen Abstand eines Knotenpunkts der Linse zu einer Fläche bzw. Oberfläche der Zielzelle erhöht ist.
Laserausrichtsystem, umfassend: wenigstens einen ersten Laser und ein Penta-Prisma (31) zum Generieren einer ebenen bzw. flachen optischen Lichtebene (39); ein Steuer- bzw. Regelsystem (38), um sequentiell den Laser mit Leistung zu versorgen, und eine Target- bzw. Zielanordnung (41), umfassend eine lichtempfindliche Zielzelle (42), die für ein Produzieren von elektrischen Signalen arbeitet, die für Orte bzw. Stellen hinweisend sind, an welchen die Lichtebene auf die Zielzelle auftrifft, wobei die Zielanordnung weiters einen ersten und einen zweiten Spiegel (48, 49) beinhaltet, der zum Reflektieren der Lichtebene auf die Zielzelle angeordnet ist, so daß das Steuer- bzw. Regelsystem angeordnet ist, um sequentielle eine erste Auftreffdatenablesung, wenn die Lichtebene von dem ersten Spiegel reflektiert ist, eine zweite Auftreffdatenablesung, wenn die Lichtebene mit der Zielzelle ausgerichtet ist, und eine dritte Auftreffdatenablesung zu lesen, wenn die Lichtebene von dem zweiten Spiegel reflektiert ist, wodurch die erste und zweite Ablesung Winkelausrichtdaten zur Verfügung stellen, um Winkelausrichtungen der Zielzelle relativ zu der Lichtebene zu identifizieren, und die zweite Ablesung Verlagerungsdaten der Zielzelle relativ zu der Lichtebene identifiziert.
Laserausrichtsystem, nach Anspruch 18, weiters umfassend einen ersten und zweiten Strahlteiler, die jedem des ersten und zweiten Spiegels entsprechen.
Laserausrichtsystem nach Anspruch 19, wobei der erste Strahlteiler winkelig relativ zu einer Achse der Lichtebene ausgerichtet ist und im wesentlichen parallel zu dem ersten Spiegel ist, wodurch der erste Strahlteiler die Lichtebene von dem ersten Spiegel auf die Zielzelle reflektiert.
Laserausrichtsystem nach Anspruch 19 oder 20, wobei der zweite Strahlteiler winkelig relativ zu einer Achse der Lichtebene ausgerichtet ist und im wesentlichen parallel zu dem zweiten Spiegel ist, wodurch der zweite Strahlteiler die Lichtebene von dem zweiten Spiegel auf die Zielzelle reflektiert.