DE69829267T2

DE69829267T2 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Positionskorrektur von optischen Elementen in einem optischen Aufbau

Info

Publication number: DE69829267T2
Application number: DE69829267T
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Gaffard
Original assignee: Compagnie Industriel des Lasers CILAS SA
Current assignee: Compagnie Industriel des Lasers CILAS SA
Priority date: 1997-12-17
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2018-11-17
Also published as: DE69829267D1; FR2772475B1; EP0926529A1; EP0926529B1; FR2772475A1; US6188652B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Korrigieren von Positionsfehlern von optischen Elementen einer optischen Kette.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine optische Kette durch eine Vielzahl von optischen Elementen gebildet, zum Beispiel Linsen, Spiegel, Blenden oder optische Empfänger, die in Bezug auf die optische Achse der Kette zentriert sind und dazu bestimmt sind, einem Lichtbündel ausgesetzt zu werden.
Besonders gut, jedoch nicht ausschließlich, ist die vorliegende Erfindung in einer Kette vom Lasertyp anwendbar.
Damit eine solche optische Kette, insbesondere eine Laserkette, normal und wirksam funktionieren kann, ist es notwendig, dass die optischen Elemente in Bezug auf die optische Achse der Kette gut positioniert sind.
Folglich ist es notwendig, jeden Positionsfehler zu korrigieren, der zu Beginn des Arbeitsgangs besteht oder im Lauf der Arbeitsgänge auftritt.
Um eine solche Korrektur durchzuführen, wird auf bekannte Weise eine Vielzahl von sequentiellen Prozessen ausgeführt, die alle darin bestehen, die Position eines Bildes zu messen und auf eines der optischen Elemente einzuwirken, um dieses Bild neu zu zentrieren. Dieser gleiche Prozess wird für eine Vielzahl von Bildern ausgeführt, Bild für Bild, wobei für jedes Mal ein geeignetes optisches Element gewählt wird.
Im Allgemeinen ist festzustellen, dass die Einwirkung auf ein beliebiges optisches Element der Kette Auswirkungen auf mehrere Bilder hat, die unterhalb von diesem optischen Element angeordnet sind. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass sich ein Lichtbündel in Bezug auf zwei Ebenen definiert, nämlich eine Brennpunktsebene und eine Pupillenebene. Diese beiden Ebenen werden von den verschiedenen optischen Elementen entlang der Kette abgebildet. Daher verschiebt die Einwirkung auf ein optisches Element diese beiden Bildebenen gleichzeitig.
Um eine vollständige und zufriedenstellende Einstellung der optischen Kette zu erzielen, ist es folglich notwendig, die gleichen Kontroll- und Positionskorrektursequenzen mehrere Male durchzuführen. Diese bekannte Korrekturmethode ist daher wiederholend, und ihre Dauer nimmt mit der gewünschten Präzision rasch zu.
Mit der vorliegenden Erfindung ist beabsichtigt, diesen Mängeln abzuhelfen. Sie betrifft ein Verfahren zum automatischen Korrigieren von Positionsfehlern von optischen Elementen einer optischen Kette in Bezug auf die optische Achse der Kette, in einer einzigen Anwendung, da das Verfahren kein wiederholtes Einwirken erfordert und die gewünschte Präzision bereits mit der ersten Anwendung erzielt wird.
Zu diesem Zweck umfasst das Verfahren alle in Anspruch 1 genannten Schritte.
Zusätzliche Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Auf diese Weise wird dank der Erfindung gleich bei der ersten Anwendung des Verfahrens die Positionierung der n optischen Elemente erzielt (wobei n nicht notwendigerweise die Gesamtzahl der optischen Elemente der optischen Kette ist, wie man unten sehen wird), so dass die Korrektur bewerkstelligt ist. Folglich ist kein wiederholtes Einwirken notwendig.
Da es während der Messungen möglich ist, ein Arbeitslichtbündel der optischen Kette zu verwenden, kann man daher darüber hinaus die Korrektur gleichzeitig mit der Anwendung der von der optischen Kette ausgeführten Arbeit (Messungen, Berechnungen, Korrekturen usw.) ausführen. Folglich führt die Korrektur zu keinerlei Zeitverlust.
Selbstverständlich können im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Bilder auch mit Hilfe eines Hilfslichtbündels gebildet werden, das spezifisch zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird darüber hinaus die Übergangsmatrix |A| durch Berechnung bestimmt, indem der Weg eines Lichtbündels in der optischen Kette mit Hilfe der geometrischen Optik simuliert wird. Als Variante kann diese Matrix auch auf experimentelle Weise in der Kette selbst gebildet werden.
Darüber hinaus wird vorzugsweise die Matrix |A|^–1 ausgehend von der Übergangsmatrix |A| mit Hilfe einer Umkehrmethode durch Singulärwert-Zerlegung berechnet. Diese Methode weist zudem den Vorteil auf, dass sie die Mindestzahl an optischen Elementen bestimmt, die zur Ausführung der Korrekturen notwendig sind. Diese Zahl ist im Allgemeinen kleiner als die Gesamtzahl der optischen Elemente der Kette, was es ermöglicht, die Anzahl der auszuführenden Korrekturen zu reduzieren und zu minimieren.
Gemäß der Erfindung kann eine Messebene sein:

– eine Pupillenebene eines optischen Elements; oder
– eine Brennpunktsebene eines optischen Elements; oder
– eine in der Kette befindliche beliebige Ebene.

Darüber hinaus wird auf vorteilhafte Weise eine Beziehung zwischen den Messfehlern und den Korrekturfehlern ausgehend von folgendem Ausdruck bestimmt: |ϵ2| = |A|–1·|ϭ2|·(|A|–1)t in dem:

– |ϵ²| eine Matrix ist, die durch die Varianz der Positionsfehler zumindest eines optischen Elements gebildet wird;
– |ϭ²| eine Matrix ist, die durch die Varianz der entsprechenden Messfehler gebildet wird; und
– (|A|^–1)^t die Transponierte der Matrix |A|^–1 ist.

Diese Beziehung ermöglicht es, die Merkmale und Eigenschaften der Messmittel und der Korrekturmittel (oder der Positionsmittel) optimal anzupassen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum automatischen Korrigieren von Positionsfehlern vom oben genannten Typ.
Gemäß der Erfindung weist die Vorrichtung die in Anspruch 8 genannten Merkmale auf.
Die D1 = PAJ Bd. 010, Nr. 003 (S. 418), 8. Januar 1986 offenbart eine Vorrichtung zur Ausrichtung einer optischen Achse, in der eine Messung in einer gegebenen Messebene durchgeführt wird.
Die Figuren der beigefügten Zeichnung verdeutlichen, wie die Erfindung ausgeführt werden kann. In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen ähnliche Elemente.
1 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 zeigt eine erste Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Laserkette.
3 zeigt eine besondere Ausführungsform der Messmittel.
4 zeigt eine zweite Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer verstärkten Laserkette.
Die erfindungsgemäße und schematisch in 1 dargestellte Vorrichtung 1 ist zum automatischen Korrigieren von Positionsfehlern von unten beschriebenen optischen Elementen, zum Beispiel Linsen, Spiegeln, Blenden oder optischen Empfängern, einer optischen Kette CH1 oder CH2 in Bezug auf die optische Achse der Kette CH1 oder CH2 bestimmt, wobei die Ketten CH1 und CH2 in zwei verschiedenen Ausführungsformen gemäß der 2 bzw. 4.
Dazu umfasst die Vorrichtung 1 gemäß einer Hauptausführungsform:

– Mittel A1 bis Am vom bekannten Typ, die zum Beispiel Bildempfänger und zugeordnete, nicht dargestellte Mittel zur automatischen Bildverarbeitung umfassen und die dazu bestimmt sind, Messungen der Bildverschiebung auszuführen, zum Beispiel durch eine Schwerpunktberechnung;
– eine Rechnereinheit UC, die über Verbindungen e1 bis em jeweils mit den Mitteln A1 und Am verbunden ist und ausgehend von den Messungen, die von den Letztgenannten ausgeführt wurden, Positionskorrekturbefehle bestimmt; und
– Mittel C1 bis Cn, die jeweils über Verbindungen l1 bis ln mit der Rechnereinheit UC verbunden sind und die Position von zugeordneten, unten näher beschriebenen optischen Elementen in Abhängigkeit von Positionskorrekturbefehlen, die von der Rechnereinheit UC empfangen wurden, ändern. Die Zahl m ist größer oder gleich der Zahl n.

Gemäß der Erfindung führt jedes der Mittel A1 bis Am zwei Messungen der Bildverschiebung in Bezug auf die optische Achse X-X oder L-L der Kette CH1 oder CH2 in einer Messebene aus, die orthogonal zur optischen Achse X-X oder L-L steht, nämlich:

– eine erste Messung in einer Richtung OY der Messebene; und
– eine zweite Messung in einer Richtung OZ der Messebene, die orthogonal zur Richtung OY ist, wie in 3 dargestellt.

Die Messebene ist gemäß der Erfindung die Brennpunktsebene oder die Pupillenebene eines optischen Elements oder eine beliebige Ebene wie die Ebene eines optischen Elements M2, wie in 3 dargestellt.
Um ihre Berechnungen auszuführen, verwendet die Rechnereinheit UC darüber hinaus eine Matrizenbeziehung: |M| = |A|·|C|, in der:

– |M| ein Spaltenvektor ist, der die 2m Messungen enthält, die von den Mitteln A1 bis Am ausgeführt wurden;
– |C| ein Spaltenvektoren ist, der die 2n Werte enthält, die jeweils repräsentativ für die Positionsfehler in der Richtung OY und in der Richtung OZ von n optischen Elementen sind, denen die n Mittel C1 bis Cm jeweils zugeordnet sind; und
– |A| eine Übergangsmatrix ist.

Gemäß der Hauptausführungsform wird diese Übergangsmatrix |A|, d.h. ihre Komponenten, durch Berechnung bestimmt, indem der Weg eines Lichtbündels in der optischen Kette CH1 oder CH2 mit Hilfe der geometrischen Optik simuliert wird.
Als Variante können die Komponenten der Matrix |A| auch auf empirische Weise bestimmt werden,

– indem bestimmte Bewegungen der optischen Elemente durchgeführt werden;
– indem die beiden Bildverschiebungen gemessen werden, die durch diese Bewegungen induziert wurden; und
– indem eine Beziehung zwischen den Bewegungen und den Messungen definiert wird.

Ausgehend von dieser Matrix |A| bestimmt die Rechnereinheit UC die Kehrmatrix |A|^–1. Sodann berechnet sie die 2n Werte des Spaltenvektors |C| ausgehend vom Matrixausdruck: |C| = |A|–1·|M|.
Diese 2n Werte, die repräsentativ für Positionsfehler der n optischen Elemente sind, werden zu den Mitteln C1 bis Cn übertragen, die die Position der Letztgenannten automatisch derart verändern, dass die Positionsfehler korrigiert werden. Die Mittel C1 bis Cn sind vom bekannten Typ und umfassen zum Beispiel elektromechanische Positionierungselemente, die auf die zugeordneten optischen Elemente einwirken.
Auf diese Weise ermöglicht es die Vorrichtung 1 dank der Erfindung, alle Positionsfehler der optischen Kette CH1 oder CH2 automatisch, präzise und in einem einzigen Arbeitsgang zu korrigieren.
Folglich ist keinerlei wiederholte Tätigkeit notwendig, was es ermöglicht, die Korrekturzeit erheblich zu verkürzen. Andere Vorteile der Erfindung Werden unten näher beschrieben.
In der Hauptausführungsform wird die Matrix |A|^–1 mit Hilfe einer Umkehrmethode, bekannt unter dem Namen "Singulärwert-Zerlegung", ausgehend von der Übergangsmatrix |A| berechnet. Mit Hilfe dieser Methode werden die Eigenschwingungen der Übergangsmatrix analysiert und ihre Degeneration eliminiert, was es ermöglicht, die Anzahl der durchzuführenden Messungen und Korrekturen merklich zu senken, insbesondere im Fall einer Kette mit vielen Durchgängen von Lichtbündeln.
Folglich ist die Anzahl n optischer Elemente, deren Position korrigiert wird, somit auch die Anzahl der zu diesem Zweck zu verwendenden Mittel C1 bis Cn, kleiner als die Gesamtzahl der optischen Elemente der Kette CH1 oder CH2, was es ermöglicht, die Kosten der Vorrichtung 1 zu senken.
Gemäß der Hauptausführungsform wird darüber hinaus eine Beziehung zwischen den Messfehlern und den Korrekturfehlern ausgehend von folgendem Ausdruck bestimmt: |ϵ2| = |A|–1·|ϭ2|·(|A|–1)t (1)in dem

– |ϵ²| eine Matrix ist, die die Varianz der Positionsfehler zumindest eines optischen Elements enthält;
– |ϭ²| eine Matrix ist, die die Varianz der entsprechenden Messfehler enthält; und
– (|A|^–1)^t die Transponierte der Matrix |A|^–1 ist.

Diese Beziehung (1) wird verwendet, um die Merkmale und Eigenschaften der oben genannten Mittel A1 bis Am und der Mittel C1 bis Cn optimal zu spezifizieren.
In 2 ist eine erste Anwendung der Erfindung in einer optischen Kette CH1 dargestellt, die einem Laserresonator vom bekannten Typ entspricht und als optische Elemente zwei Spiegel M1 und M2 umfasst.
Auf bekannte Weise ist zwischen den Spiegeln M1 und M2 ein Laserverstärkungsmedium, zum Beispiel ein Gas, eingeschlossen. Die Brennpunktsebenen der Spiegel M1 und M2 werden zur Übereinstimmung gebracht, um ein brennpunktsloses optisches System zu bilden.
Für die Anwendung der Erfindung wird ein speziell zu diesem Zweck vorgesehener Laserstrahl F0 verwendet, der in den Laserresonator eingeführt wird, zum Beispiel durch eine Öffnung 2 mit kleinen Abmessungen, die in dem Spiegel M1 im Bereich der optischen Achse X-X gebildet ist.
Dieser Laserstrahl F0 wird an den Spiegeln M1 und M2 aufeinanderfolgenden Reflexionen unterworfen, so dass sein Durchmesser progressiv steigt, bis er aus dem Resonator austreten kann, wie dies dargestellt ist.
Es sind Messmittel A1 und A2 an den Spiegeln M1 bzw. M2 vorgesehen. Jedes dieser Messmittel A1 und A2 umfasst vier Photodioden, die auf symmetrische Weise in Bezug auf die optische Achse X-X an den Rändern der Spiegel M1 und M2 angeordnet sind, wie dies für die Photodioden A1A, A1B des Mittels A1 und die Photodioden A2A, A2B, A2C und A2D des Mittels A2 in 2 und 3 dargestellt ist.
Diese Mittel A1 und A2 funktionieren nach dem bekannten Prinzip, der sogenannten "Vier Quadranten".
Wenn man zum Beispiel annimmt, dass S1, S2, S3 und S4 die Amplituden der von den Photodioden A2A, A2B, A2C bzw. A2D aufgefangenen Signale darstellen, werden davon die Bildverschiebungen My und Mz in den Richtungen OY bzw. OZ abgeleitet, die orthogonal zueinander und orthogonal zur Achse X-X stehen, und zwar ausgehend von den Beziehungen:
Die auf diese Weise bestimmten Werte My und Mz werden für die Anwendung der Erfindung verwendet, d.h. zum Korrigieren von eventuellen Positionsfehlern der Spiegel M1 und M2 auf die oben genannte Weise.
In 4 ist eine zweite Anwendung der Erfindung in einer optischen Kette CH2 dargestellt, die einer verstärkten Laserkette vom bekannten Typ entspricht und einen schwachen Pilotlaser 3 und als optische Elemente ein Objektiv 4 und einen Resonatorspiegel M3 umfasst.
Auf bekannte Weise umfasst die Laserkette CH2 auch ein Verstärkungsmedium 5, das zum Beispiel durch eine Lichtlampe gepumpte Stäbe aus Neodymglas umfasst und dazu bestimmt ist, die Stärke des vom Pilotlaser 3 erzeugten Laserstrahls F1 zu erhöhen.
Wie in der Ausführungsform von 2 sind an den Rändern des Spiegels M3 und des Objektivs 4 nicht dargestellte Photodioden angeordnet. Die Korrektur der Position dieser optischen Elemente M3 und 4 wird auf dieselbe Weise durchgeführt, wie dies vorher für die Ausführungsform von 2 beschrieben wurde.

Claims

Verfahren zum automatischen Korrigieren von Positionsfehlern von optischen Elementen (M1, M2, M3, 4) einer optischen Kette (CH1, CH2) in Bezug auf die optische Achse (X-X, L-L) der Kette (CH1, CH2), wobei bei diesem Verfahren: – m Paare von Messungen in unterschiedlichen Messebenen der Kette (CH1, CH2) mit Hilfe von m Mitteln (A1, A2, Am) ausgeführt werden, wobei m eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist und wobei jedes der m Paare von Messungen repräsentativ für eine Bildverschiebung in Bezug auf die optische Achse (X-X, L-L) in der entsprechenden Messebene ist; – eine Matrizenbeziehung definiert wird: |M| = |A|·|C| in der: – |M| ein Spaltenvektor ist, der die m Paare von Messungen enthält; – |C| ein Spaltenvektor ist, der 2n Werte enthält, die jeweils repräsentativ für die Positionsfehler von n optischen Elementen (M1, M2, M3, 4) sind, wobei n eine ganze Zahl kleiner oder gleich m ist; und – |A| eine Übergangsmatrix ist; – die Übergangsmatrix |A| bestimmt wird; – die 2n Werte des Spaltenvektors |C| ausgehend von folgendem Matrixausdruck berechnet werden: |C| = |A|–1·|M|, wobei |A|^–1 die Kehrmatrix von |A| ist und wobei die Matrix |A|^–1 ausgehend von der Übergangsmatrix |A| mit Hilfe einer Umkehrmethode durch Singulärwert-Zerlegung berechnet wird; – eine Beziehung zwischen den Messfehlern und den Korrekturfehlern ausgehend von folgendem Ausdruck bestimmt wird: |ϵ2| = |A|–1·|ϭ2|·(|A|–1)t in dem: – |ϵ²| eine Matrix ist, die die Varianz der Positionsfehler zumindest eines optischen Elements (M1, M2, M3, 4) enthält; – |ϭ²| eine Matrix ist, die die Varianz der entsprechenden Messfehler enthält; und – (|A|^–1)^t die Transponierte der Matrix |A|^–1 ist; und – die Position der n optischen Elemente (M1, M2, M3, 4) jeweils auf eine Weise geändert wird, die den 2n vorher berechneten Werten entspricht, um die Positionsfehler zu korrigieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens manche der Messebenen die Brennpunktsebenen von optischen Elementen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens manche der Messebenen die Pupillenebenen von optischen Elementen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsmatrix |A| durch Berechnung bestimmt wird, indem der Weg eines Lichtbündels (F0, F1) in der optischen Kette (CH1, CH2) mit Hilfe der geometrischen Optik simuliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsmatrix |A| auf experimentelle Weise bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Bildverschiebungen Bilder mit Hilfe eines Lichtbündels (F1) der optischen Kette (CH2) gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Bildverschiebungen Bilder mit Hilfe eines Hilfslichtbündels (F0) gebildet werden.
Vorrichtung zum automatischen Korrigieren von Positionsfehlern von optischen Elementen (M1, M2, M3, 4) einer optischen Kette (CH1, CH2) in Bezug auf die optische Achse (X-X, L-L) der Kette (CH1, CH2), wobei die Vorrichtung umfasst: – m erste Mittel (A1, A2, Am) zur Ausführung von 2m Messungen in den Messebenen der Kette (CH1, CH2), wobei m eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist und wobei jede der 2m Messungen repräsentativ für eine Bildverschiebung in Bezug auf die optische Achse (X-X, L-L) in der entsprechenden Messebene ist, und zwar in einer ersten Richtung (OY) der Messebene für eine Hälfte der Messungen und in einer zweiten Richtung (OZ) für die andere Hälfte; – eine Rechnereinheit (UC), um ausgehend von den 2m Messungen 2n Werte zu bestimmen, die jeweils repräsentativ für die Positionsfehler von n optischen Elementen (M1, M2, M3, 4) in der ersten und der zweiten Richtung (OY, OZ) sind, wobei n eine ganze Zahl kleiner – oder gleich m ist, wobei die Rechnereinheit (UC) zu diesem Zweck den Matrixausdruck |M| = |A|·|C| verwendet, wobei |M| und |C| Spaltenvektoren sind, die die 2m Messungen bzw. die 2n Werte enthalten und |A| eine Übergangsmatrix ist, und wobei die Rechnereinheit (UC) darüber hinaus eine Beziehung zwischen den Messfehlern und den Korrekturfehlern ausgehend von folgendem Ausdruck bestimmt: |ϵ2| = |A|–1·|ϭ2|·(|A|–1)t, in dem – |A|^–1 die Kehrmatrix von |A| ist; – |ϵ²| eine Matrix ist, die die Varianz der Positionsfehler zumindest eines optischen Elements (M1, M2, M3, 4) enthält; – |ϭ²| eine Matrix ist, die die Varianz der entsprechenden Messfehler enthält; und – (|A|^–1)^t die Transponierte der Matrix |A|^–1 ist; und – zweite Mittel (C1, C2, Cn), um die Position der n optischen Elemente (M1, M2, M3, 4) automatisch zu ändern, jeweils auf eine Weise, die den 2n von der Rechnereinheit (UC) berechneten Werten entspricht, um die Positionsfehler zu korrigieren.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens manche der ersten Mittel (A1, A2, Am) Bildempfänger und dazugehörige Mittel zur automatischen Bildverarbeitung umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens manche der zweiten Mittel (C1, C2, Cn) elektromechanische Positionierungsorgane umfassen.