DE3315703A1

DE3315703A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen einer flachen optischen ebene senkrecht zu einem einfallenden laserstrahl

Info

Publication number: DE3315703A1
Application number: DE19833315703
Authority: DE
Inventors: Martin R. 06897 Wilton Conn. Hamar
Original assignee: Hamar M R
Current assignee: Hamar Laser Instruments Inc
Priority date: 1982-05-24
Filing date: 1983-04-29
Publication date: 1983-11-24
Anticipated expiration: 2003-04-30
Also published as: GB2121166A; CA1219477A; DE3315703C2; GB8309195D0; GB2121166B; US4468119A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ablenken eines Laserstrahls um einen Winkel von genau 90° unter Benutzung eines Penta-Prismas, das zur Erzeugung bzw. zum Schwenken einer flachen Ebene senkrecht zu dem einfallenden Laserstrahl gedreht wird, und betrifft insbesondere eine Technik, mit der auf leichte Weise die richtige Ausrichtung des Laserstrahls zu der Penta-Prisma-Anordnung gewährleistet wird.

In der US-PS 4 2 97 031, auf deren gesamten Inhalt hier Bezug je- genommen wird, ist eine Technik zum Schwenken einer flachen Ebene senkrecht zu einem einfallenden Laserstrahl beschrieben. Ein Penta-Prisma wird an einer Spindel angebracht und mit einem einfallenden Laserstrahl ausgerichtet. Der einfallende Laserstrahl wird durch das Penta-Prisma reflektiert zur Erzeugung eines rechtwinklig zum einfallenden Laserstrahl austretenden Laserstrahls. Wenn die Spindel gedreht wird, schwenkt bzw. erzeugt der austretende Laserstrahl eine Ebene senkrecht zu dem einfallenden Laserstrahl.

Wenn perfekte Bedingungen gegeben sind, nämlich die Drehachse des Penta-Prismas mit dem einfallenden Laserstrahl ausgerichtet ist, dann schwenkt bzw. erzeugt der austretende Strahl eine perfekte flache Ebene. Wenn jedoch die Drehachse des Penta-Prismas mit dem einfallenden Laserstrahl nicht ausgerichtet ist, dann treten optische und geometrische Translations-Fehler in dem Ausgangsstrahl auf, wie in dem vorstehend angegebenen Patent mehr im einzelnen erläutert ist. Eine perfekte Ausrichtung der Drehachse und der Laserstrahlachse ist sehr schwierig zu erreichen.

-δι In dem oben erwähnten Patent wird eine Technik verwendet, die dazu führt, daß die durch einen Avisri chtungs fehler bzw. das Fehlen einer Ausrichtung erzeugten optischen und geometrischen .Fehler sich gegenseitig auslöschen, um die Schwierigkeiten beim Ausrichten der Drehachse und der Laserstrahlachse miteinander zu überwinden und dennoch eine im wesentlichen flache Ebene senkrecht zum einfallenden Laserstrahl zu erzeugen. Insbesondere ist der Schnittpunkt des Laserstrahls mit der ersten reflektierenden Oberfläche des Prismas näherungsweise in einem vorbestimmten Abstand E von dem Schnittpunkt des Laserstrahls mit der Drehachse des Penta-Prismas angeordnet. Wenn diese Anordnung erreicht wird, sind die geometrischen und optischen Translations-Fehler gleich in ihrer Größenordnung, jedoch von entgegengesetztem Vorzeichen und löschen sich somit aus, um eine wirklich flache Ebene zu erzeugen.

Der vorbestimmte Abstand R ist

gegeben durch R = D/T,7O7 - 3,414(1-^,27 ,wenn ein massives Penta-Prisma verwendet wird, und fi = 1,7O7D, wenn ein hohles Penta-Prisma verwendet wird, wobei D die Distanz ist, die der Laserstrahl in dem Penta-Prisma zwischen der ersten und der zweiten reflektierenden Oberfläche durchläuft, und N' der Brechungsindex des Penta-Prismas ist.

Bei der Ausübung der oben erläuterten Technik ist es dennoch notwendig, das Penta-Prisma und den Laser derart relativ anzuordnen, daß der Laserstrahl die Drehachse des Penta-Prismas in oder nahe bei dem vorbestimmten Punkt schneidet. Dies ist in einigen Fällen schwierig aufgrund menschlicher Fehler, Maschinen-Vibrationen, Luft-Turbulenzen, akustischer Ablenkungen oder anderer Störungen.

Aufgabe der Erfindung ist es infolgedessen, eine Technik

anzubieten, die gewährleistet, daß die Achse des Laserstrahls und die Drehachse des Penta-Prismas sich in oder nahe dem vorgewählten Punkt schneiden. Hierzu wird ein Penta-Prisma-Modul vorgeschlagen, der Einrichtungen umfaßt, die sicherstellen, daß der einfallende Laserstrahl die Drehachse des Penta-Prismas in oder nahe dem vorbestimmten Punkt schneidet. Außerdem ist ein Verfahren vorgesehen, das gewährleistet, daß der einfallende Laserstrahl die Drehachse des Penta-Prismas in oder nahe dem vorbestimmten Punkt schneidet. Schließlich ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung und ein Verfahren zur leichten Anbringung eines Penta-Prisma-Moduls an einer Spindel und zum Einstellen eines einfallenden Laserstrahls relativ zu dem Modul zur Erzeugung einer wirklich flachen Ebene senkrecht zu dem einfallenden Laserstrahl vorgesehen.

Erfindungsgemäß umfaßt eine Vorrichtung zur Erzeugung einer im wesentlichen flachen optischen Ebene im wesentliehen senkrecht zu einem von einer Laserquelle einfallenden Laserstrahl ein Penta-Prisma, einen Detektor und Einstelleinrichtungen. Das Penta-Prisma ist an einer Spindel näherungsweise in einem vorbestimmten Abstand von einem vorbestimmten Punkt auf der Drehachse der Spindel anbringbar. Die Detektoreinrichtung stellt fest, ob die Achse des einfallenden Laserstrahls den vorbestimmten Punkt schneidet und mit den Einstelleinrichtungen wird der einfallende Laserstrahl, bis seine Achse den vorbestimmten Punkt im wesentlichen schneidet, in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Detektoreinrichtung in Translation verschoben, so daß das Penta-Prisma die im wesentlichen flache optische Ebene erzeugt, wenn es auf der Spindel gedreht wird.

Insbesondere umfaßt die Detektoreinrichtung einen zwischen der Laserquelle und dem Penta-Prisma angeordneten Spiegel und einen optischen Detektor mit einem Targetpunkt. Der optische Detektor und der Spiegel sind jeweils relativ

-ιοί zu dem vorbestimmten Punkt derart angeordnet, daß ein gegebener Punkt auf dem Spiegel im wesentlichen gleich weit von dem Targetpunkt und dem vorbestimmten Punkt entfernt ist.

Bevorzugt ist der Spiegel halbversilbert, um den einfallenden Laserstrahl in einen ersten, zu dem Penta-Prisma gerichteten, und einen zweiten, zu dem optischen Detektor gerichteten Strahl aufzuteilen.

Eine Zylinderlinse kann wahlweise zwischen dem Spiegel und dem optischen Detektor angeordnet sein.

Die Einstelleinrichtungen umfassen eine Einstellinse, durch die der einfallende Laserstrahl hindurchgeht, wobei die Ausrichtung der Einstellinse einstellbar ist, um eine Translation des einfallenden Laserstrahls herbeizuführen. Bevorzugt ist die Einstellinse eine ebene parallele Linse. Gemäß einer ersten Ausführungsform umfassen die Einstelleinrichtungen Mittel zur manuellen Änderung der Ausrichtung der Einstellinse in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des optischen Detektors. Gemäß einer zweiten Ausführungsform umfassen die Einstelleinrichtungen eine automatische Servoeinrichtung zur automatischen Änderung der Ausrichtung der Einstelllinse in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des optischen Detektors.

Alternativ können die Einsteileinrichtungen ein Paar von Einstellinsen umfassen, durch welche der einfallende Laserstrahl hindurchgeht. Die Einstellinsen sind um wechselweise zueinander senkrechten Achsen drehbar, wobei die Ausrichtung der Einstellinsen einstellbar ist zur Herbeiführung der Translation des einfallenden Laser-Strahls. Auf diese Weise braucht nur das Penta-Prisma gedreht zu werden, während der halbversilberte Spiegel, der optische Detektor und die Einstellinsen stationär bleiben können.

Erfiadungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer im wesentlichen flachen optischen Ebene im wesentlichen senkrecht zu einem von einer Laserquelle einfallenden Laserstrahl vorgesehen mit einem Gehäuse, einem Penta-Prisma, einem optischen Detektor, einem Spiegel und Einstelleinrichtungen. Das Gehäuse ist an einer Spindel in einem vorbestimmten Punkt anbringbar und mit dieser drehbar. Das Penta-Prisma ist an bzw. in dem Gehäuse näherungsweise in einem vorbestimmten Abstand von dem

jQ vorgewählten Punkt angeordnet. Der optische Detektor weist einen Targetpunkt auf und ist ebenfalls in dem Gehäuse angeordnet. Der Spiegel ist in dem Gehäuse vor dem Penta-Prisma in Richtung des einfallenden Laserstrahls angeordnet und richtet zumindest einen Teil des einfallenden Laserstrahls zu dem optischen Detektor. Die Einstelleinrichtungen sind in dem Gehäuse vor dem Spiegel in Richtung des einfallenden Laserstrahls angeordnet und verschieben den einfallenden Laserstrahl in Translation in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des optischen

2Q Detektors, so daß das Penta-Prisma die im wesentlichen flache optische Ebene erzeugt, wenn das Gehäuse auf der Spindel gedreht wird.

Mehr im einzelnen sind das Penta-Prisma, der Spiegel und der optische Detektor relativ in dem Gehäuse derart angeordnet, daß der optische Detektor ein Fehlersignal erzeugt, wenn die Achse des einfallenden Laserstrahls im wesentlichen von dem vorbestimmten Punkt weggerichtet ist. Die Einstelleinrichtungen richten die Achse des einfallenden Laserstrahls im wesentlichen zu dem vorbestimmten Punkt aus durch Vermindern des Fehlersignals. In fundamentaler Weise ist ein gegebener Punkt auf dem Spiegel gleich weit von dem Targetpunkt und dem vorbestimmten Punkt entfernt angeordnet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung einer im wesentlichen flachen optischen Ebene im wesentlichen senkrecht zu einem von

einer Laserquelle einfallenden Laserstrahl vorgesehen, bei dem ein Penta-Prisma auf einer Spindel näherungsweise in einem vorbestimmten Abstand von einem vorbestimmten Punkt auf der Drehachse der Spindel angeordnet wird, durch Messung festgestellt wird, ob die Achse des einfallenden Laserstrahls den vorbestimmten Punkt kreuzt, der einfallende Laserstrahl in Translation verschoben wird, bis seine Achse den vorbestimmten Punkt schneidet, wenn die Achse des einfallenden Laserstrahls den vor- IQ bestimmten Punkt nicht schneidet, und das Penta-Prisma auf der Spindel zur Erzeugung der im wesentlichen flachen optischen Ebene gedreht wird.

Zum feststellen durch Messen können ein optischer Detektor mit einem Targetpunkt und ein Spiegel relativ zu dem vorbestimmten Punkt derart angeordnet werden, daß ein gegebener Punkt auf dem Spiegel im wesentlichen gleich weit von dem Targetpunkt und dem vorbestimmten Punkt angeordnet ist, wobei der Spiegel zwischen der Laserquelle und dem Penta-Prisma angeordnet wird. Der Spiegel kann halbversilbert sein, um den einfallenden Laserstrahl in einen ersten, zu dem Penta-Prisma gerichteten, und einen zweiten, zu dem optischen Detektor gerichteten Strahl aufzuteilen. Zum Feststellen durch Messen kann weiterhin wahlweise eine Zylinderlinse zwischen dem Spiegel und dem optischen Detektor angeordnet werden.

I¹Ur die Einstellung kann der einfallende Laserstrahl durch eine Einstellinse geführt werden, während die Ausrichtung der Einstellinse so eingestellt wird, daß die Translation des einfallenden Laserstrahls herbeigeführt wird. Bevorzugt wird eine ebene, parallele Linse als Einstellinse verwendet. Zum Einstellen kann weiterhin die Ausrichtung der Einstellinse in Abhängigkeit davon manuell geändert werden, ob die Achse des einfallenden Laserstrahls den vorbestimmten Punkt schneidet, oder alternativ kann die Ausrichtung der Einstellinse

-13-

automatisch mit einer automatischen Servoeinrichtung erfolgen.

Bevorzugt ist die vorbestimmte Strecke bzw. der vorbestimmte Abstand gegeben durch K = ϋ/Τ,7Ο7 - 3,4-14-(1-jt,_27", wenn das Penta-Prisma massiv ist, und R = 1,7O7D» wenn das Penta-Prisma hohl ist, wobei D die Strecke ist, die der Laserstrahl in dem Penta-Prisma zwischen der ersten und der zweiten reflektierenden Oberfläche von diesem durchläuft, und N¹ der Brechungsindex des Penta-Prismas ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigt:

i'ig. 1 eine schematische Darstellung des Strahlenverlaufs verschiedener Laserstrahlen,

Fig. 2 schematisch eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform, und

Pig. 3 rein schematisch eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Paar von Einstelllinsen vorgesehen sind, die um zueinander senkrechte Achsen drehbar sind.

Das Prinzip der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 1 erläutert. Ein Penta-Prisma 10 ist auf einer Spindel 12 drehbar um die Drehachse 14· angebracht. Der Laser 16 erzeugt einen einfallenden Laserstrahl 18, der durch erste und zweite reflektierende Wände 20 und 22 des Penta-Prismas reflektiert wird zur Erzeugung eines reflektierten Laserstrahls 18', der rechtwinklig zu dem einfallenden Laserstrahl 18 angeordnet ist.

Das Penta-Prisma 10 wird gedreht, um mit dem reflektierten Laserstrahl 18' eine flache Ebene zu verschwenken. Da jedoch die Drehachse 14 nicht kolinear mit dem Laserstrahl 18 ist, können die oben erläuterten geometrischen und optischen Fehler auftreten, die zu der Erzeugung

!5 einer Abweichung von der flachen Form oder einer waffeiförmigen Verformung der Ebene führen. Gemäß dem oben erwähnten Patent und der Patentanmeldung wird der Abstand E zwischen der ersten reflektierenden Oberfläche 20 und dem Schnittpunkt Z zwischen dem Laserstrahl und der Drehachse 14 derart gewählt, daß sich die optischen und geometrischen I'ehler perfekt auslöschen und somit eine wirklich flache Ebene bei Drehung des Penta-Prismas 10 erzeugt wird. Wenn der Abstand R gegeben ist, dann besteht ein Erfordernis für die Einrichtung darin, daß die Achse des einfallenden Laserstrahls 18 die Drehachse in Punkt Z schneidet.

Nach Fig. 1 führt ein Laserstrahl, wie der Laserstrahl 18 oder der Laserstrahl 24 (in punktierter Linie dargestellt) von denen jeder die Drehachse 14 im Punkt Z schneidet, zu einem reflektierten Laserstrahl, in welchem die geometrischen und optischen Fehler gelöscht bzw. beseitigt sind, wobei der vom Strahl 18 erzeugte reflektierte Laserstrahl 18' dargestellt ist. Ein Drehen des Penta-Prismas 10 um die Achse 14 führt bei Benutzung jedes der Laserstrahlen 18 oder 24 zu einer wirklich flachen Ebene senkrecht zu den zugeordneten Eingangs-Laserstrahlen 18 oder 24.

Probleme treten jedoch dann auf, wenn die Achse des Laserstrahls die Drehachse 14 nicht in oder nahe beim Punkt Z schneidet. Diese Situation kann trotz sorgfältiger Anbringung der Spindel 12 relativ zum Laser 16, beispielsweise aufgrund eines menschlichen .Fehlers, auftreten. Ebenso können Translations-Verschiebungen im Laserstrahl 18 vom Punkt Z auftreten aufgrund von Maschinen-Vibrationen, Luft-Turbulenzen, akustischen Beugungen oder Ablenkungen und dergleichen.

Ein Beispiel für einen solchen verschobenen Strahl ist mit einer Achse 26 (in gestrichelten Linien dargestellt) gezeigt, der quer zum Laserstrahl 18 derart versetzt ist, daß er die Drehachse 14 im Punkt Z+£ schneidet, der in einem Abstand ß+£ von der ersten reflektierenden Überfläche 20 des Penta-Prismas gelegen ist. Bei Benutzung eines Laserstrahls entlang Achse 26 wird eine Ebene erzeugt, die zwar noch senkrecht zum Eingangs-Laserstrahl liegt, jedoch geometrische und/oder optische Fehler aufweist, die zu einer unflachen Abweichung der Ebene führt, wenn das Penta-Prisma gedreht wird. Unglücklicherweise ist die Feststellung einer solchen Bedingung in einer Arbeitsumgebung schwierig, da die involvierten Toleranzen sehr klein, in der Größenordnung von Tausendstel eines Zoll (inch) oder Zentimeters liegen.

Die in Querrichtung durch Translation verschobene Laserstrahlachse, sowie die Laserstrahlachse 26, kann durch die Benutzung eines halbversilberten Spiegels 28 und eines optischen Detektors 30 festgestellt werden. Nach Fig. 1 ist der halbversilberte Spiegel 28 unter einem Winkel von 45° relativ zu der Eintrittsfläche 32 des Penta-Prismas 10 und in bezug auf den optischen Detektor 30 angeordnet. Jedoch können, wie es in der Patentanmeldung des Anmelders vom gleichen Tage mit der US-Priorität vom 24. Mai 1982, US-Aktenzeichen 381 078 (unser Aktenzeichen: H 1538), mit dem Titel

"Optische Einrichtung und Meßverfahren zur Benutzung mit einer Laser-Meßeinrichtung",

beschrieben ist, auf deren gesamten Inhalt hier Bezug genommen wird, das Penta-Prisma 10, der Spiegel 28 und der optische Detektor 30 relativ unter im wesentlichen irgendeinem beliebigen Winkel angeordnet sein, wobei das einzige Erfordernis darin besteht, daß die Abstände, wie in Fig. 1 gezeigt, nämlich Ry und R,. im wesentlichen identisch sind. Mehr im einzelnen muß der Abstand Ry

,Q gemessen zwischen irgendeinem Punkt auf dem Spiegel 28 und dem gewünschten Punkt Z (im vorbestimmten Abstand R hinter der ersten reflektierenden Oberfläche 20) gleich dem Abstand R. sein, der zwischen demselben Punkt auf dem Spiegel 28 und dem Zentrum des optischen Detektors

,c 30 besteht. Indem der Spiegel 28 und der optische Detektor in dieser Weise vorgesehen werden, wird der Detektor 30 hinter dem Penta-Prisma 10 in virtueller Weise "lokalisiert", wobei dessen Tot-Zentrums-Punkt mit dem Punkt Z koinzidiert; der virtuelle Ort des optischen Detektors

2Q 30 ist in Phantom-Linien bzw. gestrichelten Linien beim Punkt Z gezeigt und mit 30¹ bezeichnet. Bei der Anordnung des Spiegels 28 und des Detektors 30 in dieser Weise wird,, wie es in der oben zitierten Anmeldung des Anmelders vom gleichen Tage mehr im einzelnen erläutert ist, irgendein Laserstrahl mit einer Achse, die die Dreha-^.se 14- im Punkt Z schneidet, sowie die Laserstrahlen 18 oder 24, von dem halbversilberten Spiegel 28 zu dem Tot-Zentrums-Punkt des optischen Detektors 30 reflektiert, der in der Zeichnung als Z¹ bezeichnet ist, so daß von dem Ausgang

₃q des optischen Detektors 30 eine unmittelbare Anzeige geliefert wird, daß der Laserstrahl näherungsweise zum Punkt Z gerichtet ist. Wenn andererseits eine Translation des Laserstrahls weg vom Punkt Z auftritt, wie in dem Fall des Laserstrahls 26, dann wird der Strahl 26 durch den Spiegel 28 derart reflektiert, daß er auf den Punkt Ζ'+ε¹ auf dem Detektor 30 fällt, wodurch eine unmittelbare Anzeige geliefert wird, daß der Laserstrahl 26 nicht richtig zum Punkt Z gerichtet ist. Somit fallen nur solche

Laserstrahlen, die zum Punkt Z gerichtet sind, und zwar unabhängig von dem Winkel, unter dem sie ausgerichtet sind, auf den Tot-Zentrums-Punkt Z¹ des optischen Detektors 30, während alle anderen Strahlenpfade, die zu irgendeinem anderen Punkt, als dem Punkt Z, auf der Achse 14 gerichtet sind, in ähnlicher Weise auf irgendeinen anderen Punkt als das Tot-Zentrum auf den optischen Detektor 30 fallen.

IQ Die wesentlichen Vorteile der in Pig. 1 veranschaulichten Anordnung werden nun mit Bezug auf Pig. 2 beschrieben. Ein Penta-Prisma-Modul-Gehäuse 34- kann an der Spindel 12 in dem vorbestimmten Punkt Z angebracht werden, wobei die erste reflektierende Fläche 20 des Penta-Pris-

!5 mas 10 in dem vorbestimmten Abstand E von diesem angeordnet ist. Ein einfallender Laserstrahl, beispielsweise 26, tritt in dem Modul 34- durch ein Fenster 36 ein und verläuft zum Penta-Prisma 10 durch eine ebene, parallele Glaslinse 38 und einen halbversilberten Spiegel 28. Weiterhin ist der optische Detektor 30 vorgesehen, wobei der Detektor 30, der Spiegel 28 und das Penta-Prisma 10 Jeweils relativ in der anhand von Fig. 1 erläuterten Weise angeordnet sind. Außerdem ist eine manuelle Einstelleinrichtung 40 oder alternativ eine automatische Servoeinrichtung 4-2 vorgesehen, von denen j3de die parallele ebene Linse 38 in eine gewünschte Stellung bewegt. Schließlich kann wahlweise eine Zylinderlinse 44 zwischen dem Spiegel 28 und dem optischen Detektor 30, falls gewünscht, angeordnet sein. Jedoch ist die Zylinderlinse 44 für eine richtige Betriebsweise nicht erforderlich.

Im Betrieb wird der Modul y\- auf der Spindel 12 im Punkt Z angebracht, wobei der Abstand R für das besondere, zu verwendende Penta-Prisma voreingestellt ist.

Somit braucht die Achse des einfallenden Laserstrahls nur zum Punkt Z, wie dargestellt, ausgerichtet zu werden, um bei Drehung der Spindel 12 eine wirklich flache

« * to » ■* 'u

-18-

Ebene zu erzeugen. E ineiSxaliender Laserstrahl 26 wird in dem Modul in die näherungsweise Richtung des Punkts Z gerichtet und verläuft durch die ebene, parallele Linse 38 zu dem halbversilberten Spiegel 28. Ein Anteil des Strahls wird vom Spiegel 28 zum optischen Detektor 30 reflektiert und wenn der einfallende Strahl nicht genau auf den Punkt Z gerichtet ist, fällt der zum optischen Detektor 30 reflektierte Strahl auf einen anderen Punkt als dem Tot-Zentrums-Punkt Z¹, wodurch ein Ausgangssignal vom optischen Detektor erzeugt wird, das für den Verschiebungsfehler im Strahl 26 kennzeichnend ist. Dieses Fehlersignal vom Detektor 30 kann an ein Heßgerät oder eine andere sichtbarmachende Anzeigeeinrichtung angelegt werden, so daß eine Bedienungsperson die ebene, parallele Linse 38 mittels der manuellen Einstelleinrichtung 4-0 bewegen kann, bis der Ausgang des Detektors 30 zu Null gemacht ist, wodurch angezeigt wird, daß der Strahl 26, beispielsweise, in den Strahl 26' durch Translation, bewegt worden ist, der genau auf den Punkt Z gerichtet ist. Alternativ kann das Fehlersignal vom Detektor 30 zu einer automatischen Servoeinrichtung 42 geliefert werden, welches die Linse 38 derart dreht, daß das Fehlersignal nach Null geht. Die Zylinderlinse 44- kann vorgesehen werden, da der Detektor 30 nur die Position des vom Spiegel 28 reflektierten Strahls entlang einer einzigen Dimension, wie durch den Pfeil 46 dargestellt, zu bestimmen braucht, weil eine Translation des Strahls 26 senkrecht zur Richtung 46 (senkrecht zur Zeichnungsebene) eine Translation des reflektierten Strahls 18' in der erzeugten Ebene bewirkt.

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Fig. 3 erläutert. Die Ausführungsform in Fig. 3 umfaßt ein Penta-Prisma 10, einen Strahlungs-Teiler 28, einen Detektor 30» θίη Vertikalservo 48, das eine erste ebene, parallele Glaslinse 50 um eine horizontale Achse dreht, und ein Horizontalservo 52, das eine zweite ebene, parallele Glaslinse um eine vertikale Achse dreht. Wenn

das Paar von orthogonalen Servos 48 und 52 zusammen mit den entsprechenden ebenen, parallelen Linsen 50 und 5^ verwendet wird, braucht nur das Penta-Prisma ΊΟ gedreht zu werden, während der Strahlungsteiler 28, der Detektor 30, der Vertikalservo 48 und der Horizontalservo 52 und die ebenen, parallelen Linsen 50 und 5^ stationär bleiben, wodurch die Abmessung des Moduls verringert werden kann, falls dies erwünscht ist. Der Detektor 30 liefert die Information sowohl für eine horizontale als auch für eine vertikale Ausrichtung in der bekannten Weise, wobei die horizontalen und vertikalen Abweichungen des Eingangslaserstrahls 26 von dem Tot-Zentrums-Punkt des Detektors 30 bzw. hierdurch hervorgerufene Signale an den horizontalen Servo 52 bzw. den vertikalen Servo 48 angelegt werden, so daß der Eingangs-Laserstrahl sowohl vertikal als auch horizontal zu dem gewünschten Punkt Z bewegt wird.

Somit sieht der Modul gemäß der Erfindung eine in vollem Umfang wirksame Technik zum Schwenken einer wirklich flachen Ebene senkrecht zu einem einfallenden Laserstrahl vor. Der Modul braucht nur an der Spindel an einem vorbestimmten Kopplungspunkt angebracht zu werden, während ein Laserstrahl ausreicht, der zum Penta-Prisma nur grob ausgerichtet zu sein braucht. Die ebene, parallele Linse 38 kann manuell oder automatisch derart gedreht werden, daß der durch diese hindurchgehende Laserstrahl die gewünschte Ausrichtung zur Erzeugung einer im wesentlichen perfekten optischen Ebene erhält.
30

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer im wesentlichen flachen optischen Ebene im wesentlichen senkrecht zu einem von einer Laserquelle einfallenden Laserstrahl, gekennzeichnet durch ein Penta-Prisma, das an einer Spindel näherungsweise in einem vorbestimmten Abstand von einem vorbestimmten Punkt auf der Drehachse der Spindel anbringbar ist, eine Detektoreinrichtung zur Feststellung, ob die Achse des einfallenden Laserstrahls den vorbestimmten Punkt schneidet, und durch Einstelleinrichtungen, die den einfallenden Laserstrahl, bis dessen Achse im wesentlichen den vorbestimmten Punkt schneidet, in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Detektoreinrichtung durch Translation verschieben, so daß das Penta-Prisma die im wesentlichen flache optische Ebene erzeugt, wenn es auf der Spindel

15 gedreht wird.

D-8000 München 86, Siebertstraße 4 · POB 860 720 · Kabel: Muebobat · Telefon (089) 4740 05 Telecopier Infotec 6400 B - (089) 4740 08 · Telex 5-24285

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung einen Spiegel, der zwischen der Laserquelle und dem Penta-Prisma angeordnet ist, und einen optischen Detektor mit einem Targetpunkt umfaßt und daß der optische Detektor und der Spiegel jeweils relativ zu dem vorbestimmten Punkt derart angeordnet sind, daß ein gegebener Punkt auf dem Spiegel sich im wesentlichen im gleichen Abstand von dem Targetpunkt und dem vorbestimmten Punkt befindet.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel halbversilbert ist und dadurch den einfallenden Laserstrahl in einen ersten, zum Penta-Prisma gerichteten und einen zweiten, zum optischen Detektor gerichteten Strahl austeilt.

4-. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zylinderlinse zwischen dem Spiegel und dem optischen Detektor angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtungen eine Einstelllinse umfassen, durch die der einfallende Laserstrahl verläuft, und daß die Ausrichtung der Einstellinse einstellbar ist für eine translatorische Verschiebung des einfallenden Laserstrahls.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellinse eine ebene, parallele Linse ist.

7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtungen eine Einrichtung zur manuellen Änderung der Ausrichtung der Einstellinse in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des optischen Detektors umfassen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtungen eine automatische Servoeinrichtung zur automatischen Änderung der Ausrichtung der Einstellinse in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des optischen Detektors umfassen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtungen erste und zweite Einstellinsen umfassen, durch die der ein- IQ fallende Laserstrahl hindurchgeht, und daß die Ausrichtung der ersten und zweiten Einstellinsen für eine translatorische Verschiebung des einfallenden Laserstrahls einstellbar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Einstellinsen ebene, parallele Linsen sind und daß die erste Einstellinse um eine erste Achse in Abhängigkeit von einem ersten Ausgangssignal des optischen Detektors und die zweite Einstellinse um eine zweite, zu der ersten Achse senkrechte Achse, in Abhängigkeit von einem zweiten Ausgangssignals des optischen Detektors drehbar ist.

11. Vorrichtung zur Erzeugung einer im wesentlichen flachen optischen Ebene im wesentlichen senkrecht zu einem von einer Laserquelle einfallenden Laserstrahl, gekennzeichnet durch ein Gehäuse, das auf einer Spindel im wesentlichen in einem vorbestimmten Punkt anbringbar und auf dieser drehbar ist, durch ein an bzw. in dem Gehäuse näherungsweise in einem vorbestimmten Abstand von dem vorbestimmten Punkt angeordnetes Penta-Prisma ist, durch einen optischen Detektor mit einem Targetpunkt, der an bzw. in dem Gehäuse angeordnet ist, durch einen an bzw. in dem Gehäuse vor dem Penta-Prisma in der Richtung des einfallenden Laserstrahls angebrachten Spiegel, der zumindest einen Teil des einfallenden Laserstrahls zu dem optischen Detektor richtet, und durch Einstelleinrichtungen, die an bzw. ixi dem Gehäuse

vor dem Spiegel in der .Richtung des einfallenden Laserstrahls angeordnet sind, für eine translatorische Verschiebung des einfallenden Laserstrahls in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des optischen Detektors, so daß das Penta-Prisma die im wesentlichen flache optische Ebene erzeugt, wenn das Gehäuse auf der Spindel gedreht wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, !O daß das Penta-Prisma, der Spiegel und der optische Detektor relativ in dem Gehäuse derart angeordnet sind, daß der optische Detektor ein Eehlersignal erzeugt, wenn die Achse des einfallenden Laserstrahls von dem vorbestimmten Punkt im wesentlichen weggerichtet ist, und daß die Einsteileinrichtungen die Achse des einfallenden Laserstrahls im wesentlichen zu dem vorbestimmten Punkt ausrichten durch Vermindern des Fehlersignals.

13* Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein.gegebener Punkt auf dem Spiegel im wesentlichen gleich weit entfernt ist von dem Targetpunkt und dem vorbestimmten Punkt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Abstand näherungsweise gegeben ist durch K. = D/T,707 - 3»414 (I-^T,^ wenn das Penta-Prisma massiv ist, und R = 1,7O7D, wenn das Penta-Prisma hohl ist, wobei D die Distanz ist, die der Laserstrahl in dem Penta-Prisma zwischen der ersten und zweiten reflektierenden Oberfläche von diesem durchläuft, und N¹ der Brechungsindex des Penta-Prismas ist.

15· Verfahren zur Erzeugung einer im wesentlichen flachen optischen Ebene im wesentlichen senkrecht zu einem von einer Laserquelle einfallenden Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß ein Penta-Prisma auf einer Spindel näherungsweise in einem vorbestimmten Abstand von einem vorbestimmten Punkt auf der Drehachse der Spindel angebracht wird, daß durch Messung festgestellt wird, ob die Achse des einfallenden Laserstrahls den vorbestimmten Punkt schneidet, daß der einfallende Laserstrahl durch Translation versetzt wird, bis dessen Achse im wesentlichen den vorbestimmten Punkt schneidet, wenn die Achse des einfallenden Laserstrahls den vorbestimmten Punkt nicht schneidet, und daß das Penta-Prisma auf der Spindel zur Erzeugung der im wesentlichen flachen optischen Ebene gedreht wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zum Feststellen durch Messen ein optischer Detek-"tor mit einem Targetpunkt und ein Spiegel relativ zu dem vorbestimmten Punkt derart angeordnet werden, daß ein gegebener Punkt auf dem Spiegel im wesentlichen gleich weit von dem Targetpunkt und dem vorbestimmten Punkt entfernt ist, wobei der Spiegel zwischen der Laserquelle und dem Penta-Prisma angeordnet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zum Feststellen durch Messen der einfallende Laserstrahl in einen ersten, zu dem Penta-Prisma gerichteten und einen zweiten, zu dem optischen Detektor gerichteten Strahl aufgeteilt wird, und zwar durch Benutzen eines halbversilberten Spiegels.

-δ18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zylinderlinse zwischen dem Spiegel und dem optischen Detektor angeordnet wird.

19· Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verschieben durch
Translation der einfallende Laserstrahl durch eine Einstellinse geführt und die Einstellinse derart
ausgerichtet wird, daß sie die Translation des einfallenden Strahls herbeiführt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß zum Versetzen durch Translation eine ebene,
parallele Linse benutzt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,

daß zum Versetzen durch Translation die Ausrichtung der Einstellinse in Abhängigkeit davon manchmal
geändert wird, ob die Achse des einfallenden Laser-Strahls den vorbestimmten Punkt schneidet.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verschieben durch Translation die Ausrichtung der Einstellinse mittels einer automatischen

Servoeinrichtung in Abhängigkeit davon automatisch geändert wird, ob die Achse des einfallenden Laserstrahls den vorbestimmten Punkt schneidet.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Abstand näherungsweise gegeben ist durch R = D/T,7O7 - 3,4-14-(1-^,J)/, wenn das Penta-Prisma massiv ist, und R = 1,7O7D,
wenn das Penta-Prisma hohl ist, wobei D die Distanz ist, die der Laserstrahl in dem Penta-Prisma zwischen der ersten und zweiten reflektierenden Oberfläche von diesem durchläuft, und N' der Brechungsindex des
Penta-Prismas ist.