CN114051589A - 用于适配嵌装在支架中的光学元件的支架的方法、光学构件和光学组件 - Google Patents

Abstract

提供了一种光学构件(1)，具有支架(3)和嵌装在支架(3)中的光学元件(5)。光学元件(5)具有相对于光学元件(5)的成像轴线(A)不具有旋转对称性的第一光学面(7)。支架(3)具有至少一个参考元件(9)，参考元件限定支架(3)在预定坐标系中的位置和/或取向，位置和/或取向至少在一个自由度上补偿在支架(3)中第一光学面(7)的实际姿态与第一光学面(7)的额定姿态的偏差。该至少一个参考元件(9)限定支架(3)的至少一个确定的方位角位置。此外还提供一种方法，用于将嵌装在支架(3)中的具有至少一个第一光学面(7)的光学元件(5)的支架(3)对在支架(3)中第一光学面(7)的实际姿态与第一光学面(7)的额定姿态的偏差进行适配，第一光学面相对于光学元件(5)的成像轴线(A)不具有旋转对称性。

Description

用于适配嵌装在支架中的光学元件的支架的方法、光学构件 和光学组件

技术领域

本发明涉及一种用于适配嵌装在支架中的光学元件的支架的方法，该光学元件具有至少一个第一光学面，该第一光学面相对于该光学元件的成像轴线不具有旋转对称性。此外，本发明还涉及一种光学构件，该光学构件具有支架和嵌装在该支架中的具有至少一个第一光学面的光学元件，该第一光学面相对于该光学元件的成像轴线不具有旋转对称性，并且本发明还涉及一种具有至少一个此类光学构件的光学组件。

背景技术

光学元件如透镜、反射镜、散射光栅等一般被嵌装在支架中，以便将其与支架一起安装到光学设备中。在此，光学元件还可以由两个或更多个单独元件构成，其中可以通过形状配额和、力配合或材料配合(粘合、填塞(kitten)等)产生连接。在任何情况下，相对于光学设备的成像轴线来小心地调节该光学元件或这些光学元件的成像轴线都是重要，以便能够用光学元件尽可能好地实现光学设备的所需的光学性能。

在将光学元件嵌装到支架中时，由于制造支架时的公差和/或制造光学元件时的公差，可能出现光学元件在支架中的位置和/或取向的小幅度偏差。在安装到光学设备的固定元件中时这导致光学元件的成像轴线与光学设备的成像轴线缺乏一致性，这降低了光学设备的成像质量。光学元件在支架中的由公差导致的位置和/或取向偏差可以通过在将光学元件插入之后对支架的调节加工来补偿。在调节加工中，作为支架的参考面将外面如下加工，使得该外面在安装到光学设备的固定元件中时确定支架在固定元件中的位置和/或取向，从而使得嵌装在支架中的光学元件的成像轴线的位置和/或取向与光学设备的成像轴线的位置和/或取向一致。以此方式，即使有在制造支架时或在制造光学元件时的由制造导致的公差，仍然可以将所嵌装的光学元件相对于光学设备的成像轴线非常精确地在设备中定向。

用于调节加工支架嵌装的光学元件的方法的例子在DE 103 22 587 A1和DE 102016 014 834 B3中说明。这两篇文献都说明了定心旋转方法，利用这些方法可以加工作为参考面的支架外侧面，使得其对称轴与所嵌装的光学元件的光轴一致。但是这种定心旋转方法只能用于具有呈柱体或偏斜柱体形状的参考面的支架，其中作为参考面的柱体罩面的外面或者柱体的端面可以用于准确地确定支架在光学设备的固定元件中的位置。

发明内容

相对于现有技术，本发明的目的是提供一种用于适配嵌装在支架中的光学元件的支架的方法，该方法可以在补偿所嵌装的光学元件的光学面的位置和/或取向与额定位置和/或额定取向的偏差时实现更大的灵活性。本发明的另一个目的是提供一种有利的光学元件以及一种有利的光学组件。

第一个目的通过根据权利要求1所述的用于适配嵌装在支架中的光学元件的支架的方法来实现，其余的目的通过根据权利要求15所述的光学构造元件及根据权利要求19所述的光学组件来实现。从属权利要求包含本发明的有利的设计方案。

根据本发明提供了一种方法，用于将嵌装在支架中的具有至少一个第一光学面的光学元件的支架对在该支架中该第一光学面的实际姿态与该第一光学面的额定姿态的偏差进行适配，该第一光学面相对于该光学元件的成像轴线不具有旋转对称性。术语“姿态”在本发明的范围内应理解为物体(在此为光学面)的位置和取向的组合。因此，利用光学面的一个确定的姿态既可以确定光学面在一个确定的坐标系中的平动位置也可以确定其旋转取向。光学面在支架中的额定姿态由此给出了光学面在支架中的额定位置和额定取向。实际姿态对应地给出了该面在支架中的实际上的位置和实际上的取向，实际上的位置和取向可以与额定位置和额定取向有偏差。

该至少一个光学面可以为折射光学面、反射光学面、衍射光学面或其组合。在本发明的范围内，非旋转对称的第一光学面可以具有所谓的形状旋转对称性，也就是说光学面完全可以围绕与成像轴线成角度延伸的轴线具有旋转对称性，但是围绕成像轴线没有旋转对称性。具有形状旋转对称性的面的例子是围绕与成像轴线垂直的轴线具有旋转对称性的环曲面或柱面。但是非旋转对称的第一光学面还可以为没有任何旋转对称性的面，尤其自由曲面。在较广泛的意义上，自由曲面理解为可以借助于区间定义的函数来形成的复杂曲面。区间定义的函数可以——但并非必须——为连续的或连续可导且尤其二次连续可导的。区间定义函数的例子为多项式函数，其中尤其多项式样条，例如三次样条、4阶或更高阶的高阶样条或多项式非均匀有理B样条(Nurbs)。与此不同的是具有规则几何形状的曲面，例如球形曲面、非球形曲面、柱状曲面和至少沿着主子午线沿圆曲线延伸的环曲面。自由曲面尤其不需要具有任何轴对称性和任何点对称性。自由曲面可以基于对面的数学描述在CNC方法的范围内数控地制造。但是还可能的是，借助于坯件压制来制造自由曲面，为此借助于CNC方法建立具有用于随温度的收缩的对应添加部分(Zugaben)的阴压模。

光学元件和支架无须一定是分开制造的元件，也就是说光学元件不需要是与支架分开制造的、在制造之后配合到支架中的零件。先前和随后使用的措辞，即“光学元件被嵌装在支架中”，还包括以下可能性，即光学元件和支架实施为单件式制造的构件。例如，可以借助于注塑模制来制造塑料构件，该塑料构件不仅包括代表具有第一光学面的光学元件的区段而且包括代表支架的区段。注塑模制中的不准确性在此可能导致第一光学面的实际姿态与第一光学面的额定姿态的偏差。同样，第一光学面例如在反射面的情况下可以例如借助于铣制通过对金属坯件的区段表面的加工来制造，其中所加工的区段形成光学元件并且未加工的区段形成支架。表面加工中的不准确性在此可能导致第一光学面的实际姿态与第一光学面的额定姿态的偏差。

本发明的用于适配该支架的方法包括以下步骤：

-在预定的坐标系中给出该第一光学面的额定姿态；

-获取该第一光学面在该预定的坐标系中的实际姿态；以及

-获取该支架在该预定的坐标系中的位置变化和/或取向变化，从而通过该支架在该预定的坐标系中的该位置变化和/或取向变化补偿该第一光学面的实际姿态与该第一光学面的额定姿态的偏差；以及

-在该支架处形成至少一个参考元件，该参考元件限定该支架的位置和/或取向，该位置和/或取向实现所获取的变化。

根据本发明，该至少一个参考元件限定该支架在该预定的坐标系中的至少一个确定的方位角定向。支架的方位角定向在此应理解为在与光学元件的成像轴线垂直的平面中支架的经限定的定向。方位角定向可以通过在与光学元件的成像轴线垂直的平面之内支架的一条经限定的直线与坐标系的一个经限定的方向之间的角度来确定。支架在预定的坐标系中的所确定的方位角定向尤其可以以如下方式限定：使参考元件形成为围绕第一光学面的成像轴线旋转不对称。

在所给出的额定姿态中还可以考虑到具有该参考元件的支架应被安装到其中的上级组件的位置偏差和/或取向偏差。可以在测量技术上获取例如可以由与上级组件的接口的位置偏差和/或取向偏差造成的上级组件的此类位置偏差和/或取向偏差，并且在计算第一光学面的额定姿态考虑到此类位置偏差和/或取向偏差。换言之，额定姿态无须一定再现根据标注的理想位置和理想取向。取而代之，额定姿态还可以考虑到对上级组件的位置误差和/或取向误差进行补偿的位置和/或取向，从而通过额定姿态对这些误差进行补偿。

通过使该至少一个参考元件限定支架在预定的坐标系中的确定的方位角方向，与开篇所述的车削的支架相比，可以将支架的取向固定在与成像轴线垂直的平面中。因为加工车削的支架的目的是使支架的对称轴与光学元件的成像平面重合，所以所获得的支架的外部罩面是围绕成像轴线旋转对称的。由此无法固定光学元件的确定的方位角定向。因此，在涉及到在射束路径中的方位角取向的经嵌装光学元件情况下(例如在环曲面、柱状面且尤其自由曲面的情况下就是这样)，利用开篇所述的方法无法进行支架的唯一的调节加工。相反，利用本发明的方法可以保证支架的经限定的方位角取向，由此还可以实现对在经嵌装的光学元件的光学面的额定方位角取向与实际方位角取向之间的任何偏差的补偿。

在本发明的方法中，该至少一个参考元件尤其可以被形成为使其不仅限定该支架在该预定的坐标系中的一个确定的方位角方向，而且还在所有三个旋转自由度上限定该支架的确定的定向。该至少一个参考元件于是可以实现在光学组件的固定元件中经嵌装的光学元件的光学面的准确取向。此外，在本发明方法的另一个涉及方案中，该至少一个参考元件可以被形成为使其除了该支架的方位角定向以及在适当时该支架在所有三个旋转自由度上的定向之外还限定该支架在至少两个平动自由度且尤其在所有三个平动自由度上的位置。该至少两个平动自由度在此优选为在垂直于光学元件的成像轴线的平面中的平动自由度。尤其在自由曲面的情况下，用光学面实现的效果的质量一般很大程度上取决于光学面在垂直于成像轴线的平面中的位置。因此，在与成像轴线垂直的面之内位置的较小的错误定位就已经可能严重影响光学设备中经嵌装的光学元件的光学效果。借助于所描述的本发明方法的另外的设计方案，可以如此获取该支架在该预定的坐标系中的位置变化和/或取向变化并且用该至少一个参考元件进行限定，从而补偿在垂直于成像轴线的平面之内光学面的实际位置与额定位置的平动偏差。在所说明的另外的设计方案中，本发明的方法尤其可以被设计为可以借助于该支架的位置和/或取向的变化来补偿在所有六个自由度上该光学面的实际姿态与额定姿态之间的偏差。

获取该支架的位置和/或取向可以通过将该第一光学面的实际姿态对该第一光学面的额定姿态进行适配来进行。于是，由第一光学面的实际姿态对额定姿态的适配得到的第一光学面的实际姿态变化代表支架的位置变化和/或取向变化。于是，第一光学面的额定姿态在此可以通过在该预定的坐标系中多个额定表面点的位置给出。然后，对于该第一光学面的多个表面测量点，以测量技术来检测在该预定的坐标系中的相应位置。于是，所获取的表面测量点的位置代表第一光学面的实际姿态。然后，将该第一光学面的实际姿态对该第一光学面的额定姿态进行适配通过将这些表面测量点的位置对这些额定表面点的位置进行适配来进行。在将这些表面测量点的位置对这些额定表面点的位置进行适配时，表面测量点相对于彼此的相对位置不改变。以测量技术检测该至少三个表面测量点在预定的坐标系中的位置可以通过逐点测量、通过逐线测量或通过面状测量来进行。例如可以采用波前传感器、摄影测量学或反射测量学进行平面测量。该方法的所说明的设计方案可以实现用常用的算法获取该支架的位置和/或取向的变化，以便将光学面的实际姿态对额定姿态进行适配，其中所需的计算耗费——但是一般还有适配准确度——随着测量点的数量而提高。依据可供使用的计算能力和所需的准确度，可以选择适当数量的表面测量点和额定表面点。

为了将这些表面测量点的位置对这些额定表面点的位置进行适配，尤其可以实施以下步骤：

-预定目标函数，该目标函数形成对于这些表面测量点的位置与这些额定表面点的位置的全局偏差的度量；以及

-借助于刚性变换，在保持这些表面测量点相对彼此的位置的情况下改变这些表面测量点的位置，直至该目标函数满足终止标准。

例如达到目标函数的最小值、低于目标函数的预定极限值或者达到某一迭代次数都可以作为终止标准。

在本发明方法的一个特别的设计方案中，对于每个表面测量点检验其是否满足预定的质量标准。可能的质量标准是表面测量点与额定表面的最大距离。由此可以消除测量技术上的离群值。于是，为了将这些表面测量点的位置对这些额定表面点的位置进行适配，仅仅考虑满足该质量标准的那些表面测量点。由此可以确保存在足够好的测量数据来执行优化。在通过借助于光束对第一光学面采样来对表面测量点进行光学检测的情况下，作为附加的或替代的质量标准可以对被第一光学面反射的光的信号强度进行检验。为此，对于信号强度确定一个下阈值，必须达到或超过该下阈值，反射光才符合作为有效信号的要求。该阈值可以在考虑到第一光学面的表面区域的最大预期倾斜度和第一光学面的表面区域与所使用的传感器的最大预期距离的情况下确定。

此外，可以掩蔽表面测量点的数量，使得对于将实际姿态对额定姿态的适配仅仅考虑处于与试图实现的表面光学效果相关的表面区域中的表面测量点。由此，在相关的光学区域之外的表面的形状缺陷(例如抛光溢流道(Polierüberlauf))不会扭曲实际姿态和/或降低了计算耗费。

在本发明方法的范围内，获取支架的位置和/或取向的变化尤其迭代式进行。这提供了如下可能性：重复该方法，直至已经实现了对第一光学面的实际姿态与额定姿态的偏差的足够好的补偿或者已经实现了第一光学面的实际姿态对额定姿态的足够准确的适配。在迭代式获取支架的位置和/或取向的变化或将实际姿态对额定姿态进行适配的范围内，可以在适当时至少重新再一次检验所考虑的表面测量点是否满足质量标准。然后，从以后的迭代步骤开始，仅考虑再次满足该质量标准的表面测量点。以此方式可以避免过于不准确的测量点阻碍实现对第一光学面的实际位置与额定位置的偏差的更好补偿或者妨碍实现实际姿态对额定姿态的更好适配。

在本发明方法的范围内，在该支架处形成该至少一个参考元件可以通过磨削加工和/或通过施加加工该支架来进行。磨削加工在此尤其可以为车削加工或基于射束的加工。对于施加加工尤其可以应用涂覆方法或增材制造，也就是说在其中在利用物理和/或化学效果的情况下从无形状的或形状中性的材料逐层构造工件的方法。该支架的磨削加工和/或施加加工可以借助于具有至少三个定位轴的加工设备来CNC控制地进行。这三个定位轴在此可以尤其至少包括一个旋转定位轴和两个平动定位轴。由此例如可以实现如下的磨削加工和/或施加加工，使得除了所限定的方位角位置之外还可以在两个平动自由度上实现经限定的位置。通过不仅应用磨削加工而且还应用施加加工，在创造参考元件时的自由度明显大于开篇说明的定心旋转。

当该光学元件具有至少一个第二光学面，该第二光学面可以是旋转对称的或旋转不对称的并且具有在该预定坐标系中的额定姿态时，可以将该支架对该支架中的第一光学面的实际姿态与该第一光学面的额定姿态的偏差进行适配以及将该支架对该支架中的第二光学面的实际姿态与该第二光学面的额定姿态的偏差进行适配。由于第一光学面的实际姿态与第一光学面的额定姿态的偏差一般并不对应于第二光学的实际姿态与第二光学面的额定姿态的偏差，所以用于补偿这些偏差的该支架在预定的坐标系中的位置变化和/或取向变化大多数情况下是超定的。在支架在预定的坐标系中的位置变化和/或取向变化超定的情况下可以通过补偿计算来获取唯一确定的位置变化和/或取向变化。以此方式可以实现用于同时补偿第一光学面的实际姿态与额定姿态的偏差和第二光学面的实际姿态与额定姿态的偏差的最优折中。如果第二光学面是围绕其成像轴线旋转对称的，则在方位角定向上不存在超定性，于是在方位角定向方面不需要补偿计算。

一种根据本发明的光学构件包括支架和嵌装在该支架中的光学元件，该光学元件具有至少一个第一光学面，该第一光学面可以为折射光学面、反射光学面、衍射光学面或其组合。该第一光学面相对于该光学元件的成像轴线不具有旋转对称性，其中该第一光学面尤其可以被形成为自由曲面，但是还可以被形成为具有形状旋转对称性的面。该支架具有至少一个参考元件，该参考元件限定该支架在预定的坐标系中的位置和/或取向，该位置和/或取向在至少一个自由度上补偿了在该支架中该第一光学面的实际姿态与该第一光学面的额定姿态的偏差。在此该至少一个参考元件限定该支架至少一个确定的方位角位置。由此该支架的该至少一个参考元件实现了：将本发明的光学构件插入到光学组件的固定元件中，使得光学面的实际方位角取向与其额定方位角取向的偏差至少通过支架在固定元件中的安装位置所补偿，从而使所嵌装的光学元件在安装到该光学组件中之后在该光学组件中具有至少一个经限定的方位角定向。

当该至少一个参考元件在所有三个旋转自由度上限定该支架的确定的定向时，可以实现该支架在该固定元件中的如下的取向，使得光学面的实际取向与额定取向的偏差在所有三个旋转自由度上都得以补偿。

另外存在以下可能性：除了至少该方位角位置或者除了该支架在所有三个旋转自由度上的确定的定向之外，该至少一个参考元件还限定该支架在至少两个平动自由度上的确定的位置。该至少两个平动自由度中的两个平动自由度优选在垂直于该光学元件的成像轴线的平面中。尤其在自由曲面的情况下，由此可以通过将该支架对应地定位在该固定元件中来补偿在与成像轴线垂直的平面之内的实际位置与额定位置的平动偏差。因为自由曲面通常对于垂直于光轴的平面之内的错误定位非常灵敏，所以由此可以在安装到光学组件中时实现带有自由曲面的所嵌装的光学元件的高光学质量。

该至少一个参考元件另外可以被形成为使其允许沿着一个经限定的方向推移该支架。由此存在以下可能性：提供经嵌装的参考元件，其中通过相对彼此推移自由曲面可以针对性地影响光学效果。经限定的方向在此优选在与光学元件的成像轴线垂直的平面之内。此类被称为阿尔瓦雷斯(Alvarez)元件的光学元件例如在WO 2007/037691 A2、US2017/0227747 A1和US 2013/0278911 A1中描述。借助于阿尔瓦雷斯元件例如可以针对性地矫正不同焦平面的成像误差，如在DE 10 2013 101 711 A1中所描述的。此外，垂直于光学轴线可推移的带有自由曲面的光学元件还提供了如下可能性：向光学系统中针对性地引入成像误差，例如以便在摄影物镜中引起软聚焦效果，例如在DE 10 2014 118 383 A1中所描述的。垂直于光轴可推移的带有自由曲面的光学元件的类似用途在DE 10 2015 116 895B3中也有描述。替代于阿尔瓦雷斯元件，经限定的方向还可以在成像轴线的方向上。由此尤其可以实现缩放功能。

一种根据本发明的光学组件包括至少一个本发明的光学构件和固定并调节该至少一个光学构件的固定元件，其中该光学构件的支架的该至少一个参考元件与该固定元件以如下方式合作以进行调节：产生该第一光学面相对于该固定元件的经限定的位置和/或取向。由此可以将被固定元件固定的光学元件针对性地定向，使得其光学面在光学组件之内采取经限定的与额定姿态无偏差的姿态。

附图说明

本发明的其他特征、特性和优点从参照附图对实施例的后续说明得出。

图1以流程图形式展示了用于将嵌装在支架中的光学元件的支架对其光学面的实际姿态与额定姿态的偏差进行适配的示例性实施例。

图2以流程图形式示出了图1的细节。

图3示出了带有经嵌装的光学元件的构件的第一示例性实施例。

图4示出了带有经嵌装的光学元件的光学构件的第二示例性实施例。

图5示出了带有经嵌装的光学元件的光学构件的第三示例性实施例。

图6示出了带有光学构件的光学组件的一个示例性实施例，该光学构件包括经嵌装的光学元件。

具体实施方式

下面参考图1和图2来说明用于将经嵌装的光学元件的支架对该光学元件的光学面的实际姿态与该光学面的额定姿态的偏差进行适配的本发明方法的一个示例性实施例，其中图2描述了在当前实施例中所应用的用于获取支架的位置变化和/或取向变化的方法，以便补偿实际姿态与额定姿态的偏差。

光学面是围绕成像轴线不具有旋转对称性的光学面。光学面的成像轴线是贯穿该光学面的射束的主射束方向，该主射束方向由用该光学面试图实现的成像功能给出。该光学面尤其可以是具有形状旋转对称性的面，其对称轴线与成像轴线具有角度，典型地与成像轴线成直角。此类面的例子是环曲面或柱面。替代于此，该光学面可以形成为自由曲面，该自由曲面典型地既不具有点对称性也不具有轴对称性。

本发明的方法的各部分优选在计算机上或在被设计为专用于实施该方法的计算单元上执行。计算机或计算单元可以尤其为CNC控制的加工机器的一部分，利用该加工机器来加工支架以便进行支架对实际姿态与额定姿态的偏差。

该方法的第一步骤S1中，给出经嵌装的光学元件的光学面在预定的坐标系中的额定姿态，该支架的位置和取向也已在该坐标系中给出。在此，给出额定姿态可以通过给出多个代表该光学面的额定表面点在该预定的坐标系中的空间位置来进行。在此需要至少三个额定表面点的位置，才能唯一给出该光学面在该预定的坐标系中的平动位置以及取向。当额定表面点相对于该光学面的位置也是已知的时，从额定表面点相对于该预定的坐标系的原点的位置，可以容易地获取该光学面的额定姿态(即额定位置和额定取向)。在此不需要额定表面点是该光学面自身上的实际点，而是只需要，在了解额定表面点的位置的情况下可以获取事实上位于该光学面的点的位置。例如可以在与光学元件耦合的坐标系中描述该光学面。额定表面点在此情况下可以为与光学元件耦合的坐标系中的任意点，其相对于该预定的坐标系的位置和取向是已知的。于是，该光学面的点在与光学元件耦合的坐标系中给出的坐标可以借助于坐标变换而变换成该预定的坐标系的坐标。然而，在当前的实施例中选择不同的方式。在当前的实施例中，对于位于该光学面上的大量额定表面点，给出了相应的空间位置，使得额定表面点形成在额定姿态中的光学面的点云模型。

为了获取该光学面的实际姿态，在步骤S2中获取多个表面测量点在该预定的坐标系中的空间位置。只要表面测量点在该光学面上的位置是已知的，从所检测的三个表面测量点在该预定的坐标系中的位置已经可以获取该光学面在该预定的坐标系中的实际上的位置和实际上的取向。然而，在当前的实施例中选择不同的方式。为了获取该光学面的实际姿态，在测量技术上检测大量表面测量点的空间位置，使得表面测量点的位置形成该光学面在该预定的坐标系中的点云模型(只要以足够的密度检测这些表面测量点)。

表面测量点的检测可以通过逐点检测表面测量、通过逐线检测表面测量点或者通过面状检测表面测量点来进行。逐点检测表面测量点例如可以借助于多波长干涉仪、借助于彩色传感器、借助于三角测量传感器、借助于触觉按钮、借助于共焦传感器等来进行，逐线检测表面点例如借助于直线扫描仪等来进行。可以将干涉测量方法或波前传感器用于面状检测表面测量点。替代地存在以下可能性，即借助于条纹投影方法来进行表面测量点的面状检测。在此，在时间上依次将不同宽度的平行亮条纹和暗条纹的图案投影到该光学面上并且由至少两个观察摄影机进行拍摄。于是，从由所投影的图案拍摄的图像可以计算表面测量点的位置。用于表面测量点的面状检测的另一个例子是以正弦式强度分布将条纹图案投影到毛玻璃屏上并且通过该光学面反射该图案。用至少一个摄影机拍摄被该光学面反射的图案，其中从该图案在所拍摄的图像中的失真可以计算表面测量点的位置。为了检测表面测量点的位置，尤其还可以应用所说明的检测方法中的两种或更多种。例如可以在经嵌装的光学元件的相反侧面执行不同方法。

所选择的用于检测表面测量点位置的方法尤其可以由加工机器实施，借助于该加工机器稍后在该支架处形成该至少一个参考元件。在这种情况下，该预定的坐标系可以为该机器的坐标系，使得表面测量点的检测和稍后对支架的加工可以在同一个坐标系中进行。当相反用与该加工机器分开的设备来进行表面测量点的检测时，在加工支架之前仍然需要坐标系变换。因此，当在本发明的范围内提及预定的坐标系时，这无须一定是指该方法的所有步骤都在同一个坐标系中实施。但是必需的是，所使用的坐标系的坐标可以通过已知的坐标变换彼此转换。在这种意义上，预定的坐标系还应理解为通过坐标变换可以唯一地彼此转换的一组坐标系。

在检测表面测量点的范围内，仅对该光学面的一个子区域检测表面测量点的位置理论上就是足够的。但是还存在以下可能性：对于整个光学面或对于该光学面的多个子区域获取表面测量点的位置。

在步骤S1中已经由于给出多个额定表面点而存在代表处于额定姿态的光学面的点云模型从而给出该光学面的额定姿态，并且在步骤S2中已经以足够的密度检测表面测量点的位置从而存在该光学面的代表该光学面在该预定的坐标系中的实际姿态的点云模型之后，在步骤S3中获取该支架的位置变化和/或取向变化，从而通过该支架在该预定的坐标系中的位置变化和/或取向变化至少在一个自由度上补偿该光学面的实际姿态与该光学面的额定姿态的偏差。优选获取该支架在该预定的坐标系中的此类位置变化和/或取向变化，使得通过该支架的位置变化和/或取向变化将该光学面的完整的实际取向对额定取向进行适配。此外有利的是，该支架的位置变化和/或取向变化还如此进行，使得另外将该光学面的实际平动位置在至少两个平动自由度上对该光学面的额定平动位置进行适配。尤其还可以在所有三个平动自由度上进行适配。然而在具有自由曲面的光学元件的情况下可能有利的是，仅仅在两个平动自由度上进行适配，其中例如在一个与成像轴线垂直的方向上的平动位置未被固定。这可以允许将经嵌装的具有自由曲面的光学元件垂直于成像轴线相对彼此推移，以便由此实现这些光学元件的不同的光学效果。

下面参考图2说明为补偿该光学面的实际姿态与该光学面的额定姿态的偏差所需的该支架的位置变化和/或取向变化的获取。

在获取该支架的位置变化和/或取向变化的第一步骤中检查在代表处于实际姿态的光学面的点云模型中所检测的表面测量点中的哪些满足预定的质量标准(步骤S31)。在该方法的进一步进程中仅使用满足该预定的质量标准的表面测量点。在当前的示例性实施例中，由所使用的表面测量点构成的、代表处于实际姿态的光学面的点云模型借助于刚性变换迭代地接近由额定表面点构成的、代表处于额定姿态的光学面的点云模型，直至找到优化的刚性变换，在实施该优化的刚性变换之后目标函数值满足预定的终止标准(步骤S32)。刚性变换在此是仅仅改变点云模型的姿态(也就是说仅仅改变点云模型的平动位置和取向)而不改变点云模型的点之间的距离的变换。此类手段作为点集配准或作为点映射是已知的。目标函数形成了对构成处于实际姿态的光学面的点云模型的表面测量点的位置与构成处于额定姿态的光学面的点云模型的额定表面点的位置的全局偏差的度量。目标函数的终止标准例如可以为达到目标函数的最小值。替代地存在以下可能性：预定目标函数的最大可允许值并且在达到或低于这个最大可允许值时终止优化，或者预定最大迭代数量并且当已经进行了最大迭代数量时终止优化。

在步骤S32中执行的每一次刚性变换之后，在步骤S33中检查目标函数值是否满足终止标准。如果目标函数值不满足终止标准，则该方法返回到步骤S32并且重新实施变换。替代于步骤S32，该方法还可以返回到步骤S31，如在图2中由虚线箭头所示。在这种情况下，重新检查所使用的表面测量点是否满足质量标准。在重新变换和重新计算目标函数值时可以只考虑仍然还满足该质量标准的表面测量点。该方法尤其可以被设计为使得只有在一定数量的迭代步骤之后才重新检验质量标准。如果出现以下情况，即即使在一定数量的迭代之后仍然没有达到目标函数的终止标准，则存在以下可能性：使用更严格版本的质量标准来提高对在迭代期间使用的表面测量点的要求。

当在步骤S33中确定，目标函数值满足终止标准，则该方法前进到步骤S34，在该步骤中构建用于待形成在该支架处的参考元件的至少一个数字模型，该模型限定了在迭代方法中获得的经优化的刚性变换，也就是说该模型与光学组件的固定元件中的参考面相结合地实现使该支架与该经优化的刚性变换相对应地在该光学组件中定位和/或取向。构建相对于成像轴线不具有旋转对称性的参考元件作为该至少一个参考元件。该参考元件尤其被形成为用其确定该支架在该预定的坐标系中的经限定的方位角取向，使得借助于该参考元件可以实现该支架的预定的方位角取向并且由此可以实现在安装到该光学组件中时经嵌装的光学元件的光学面的预定的方位角取向。

在当前的示例性实施例中可以从开始起或者在一定数量的迭代之后，将该表面掩蔽成与试图实现的表面光学效果相关的表面区域。在实践中这是如下进行的：将表面测量点的量限制到表面测量点的如下子集，该子集仅包含处于与试图实现的表面光学效果相关的表面区域中的表面测量点。然后，为了将实际姿态对额定姿态进行适配，在后续的迭代中仅考虑来自表面测量点的该子集的表面测量点。由此，在相关的光学区域之外的表面的形状缺陷(例如抛光溢流道)不会扭曲实际姿态和/或降低了计算耗费。

来自图1的步骤S3以步骤S34结束。在图1中所示的方法然后继续到步骤S4，其中借助于对支架的磨削加工和/或施加加工形成了该光学元件的支架处的该至少一个在步骤S34中构建的参考元件。

在本发明的示例性实施例中，形成该至少一个参考元件通过车削加工(也就是说仅通过磨削加工)该支架来进行。在此可能有利的是，在加工之前该支架具有超量尺寸，使得在一侧上的磨削可以通过在另一侧上的磨削来补偿。在当前的示例性实施例中使用铣制作为车削加工。铣制以CNC控制的方式进行，其中使用如下的加工机器，该加工机器至少具有两个平动定位轴和一个旋转定位轴，利用这些定位轴可以在机器中将经嵌装的光学元件数控定位。

虽然在本发明方法的所描述的示例性实施例中仅仅存在应通过支架的位置变化和/或取向变化对实际姿态与额定姿态的偏差进行补偿的单一光学面，但是该方法还可以用于补偿多个光学面(尤其还有光学元件的正面和背面)的实际姿态与额定姿态。因为对于不同的光学面而言实际姿态与额定姿态的偏差可能是不同的，所以可能出现的情况是，经优化的刚性变换是超定的，也就是说对于该光学面存在不同的经优化的刚性变换。为了仍然实现唯一的结果，可以使用补偿计算。补偿计算例如可以被设计为由这些经优化的刚性变换获得平均化的经优化的刚性变换，其中还可以进行加权平均。权重在此例如可以与各个光学面对成像质量的贡献的相应重要程度耦合。但是还存在以下可能性：将补偿整合到目标函数中，例如通过对于这些光学面中的至少一个将表面测量点的位置与额定表面点的位置的偏差以一个乘法系数计入到目标函数中。由此例如可以实现，在参考图2说明的用于找到经优化的刚性变换的迭代中，允许一个光学面中的表面测量点的位置与额定表面点的位置的偏差大于另一个光学面的偏差。

下面参考图3至图5说明经嵌装的光学元件的示例性实施例的非完整图示，其中支架具有至少一个参考元件，利用该参考元件，该支架可以在光学组件的固定元件中定向为使得补偿该经嵌装的光学元件的光学面的实际姿态与其额定姿态的至少一个方位角偏差。

图3示出用于本发明光学构件1的第一示例性实施例，该光学构件具有在当前的示例性实施例中为矩形的支架3以及被嵌装在支架3中的、在当前的示例性实施例中同样为矩形的光学元件5。光学元件5具有自由曲面作为光学面7，该自由曲面既不具有点对称性也不具有轴对称性。在图3中示出的光学构件具有多个参考元件9a至9C、13、17A和17B，这些参考元件在当前的示例性实施例中具有被形成为贴靠面11A至11C、15、19A和19B的端面。利用贴靠面11A至11C、15、19A和19B，参考元件9a至9C、13、17A和17B在安装到光学组件20的固定元件21中时贴靠固定元件的参考面23、25(参见图6)，由此它们固定了支架3在固定元件21中并且由此在光学组件20中的位置和取向。

在当前的示例性实施例中，参考元件9A至9C与支架3的表面4的距离确定了支架3沿着成像轴线A的位置，贴靠面11A至11C相对于表面4的倾斜度确定了支架3在两个旋转自由度上的取向。因此，贴靠面11A至11C的倾斜度在当前的示例性实施例中是完全相同的，由此它们可以与同一个平坦的参考面共同作用。在不平坦的参考面的情况下或者当贴靠面11A至11C应与不同的参考面共同作用时，贴靠面11A至11C还可以根据与贴靠面共同作用的参考面的取向而具有彼此不同的相对于表面4的倾斜度。在当前的示例性实施例中，通过贴靠面11A至11C仅确定了支架3相对于成像轴线A的方位角取向。

另一个参考元件13位于支架3的短周向面8之一处。如其余参考元件一样，其贴靠面15A贴靠光学组件20的固定元件21的参考面23、25。贴靠面15A与短周向面8的距离在此限定了在与成像轴线A垂直的第一方向上支架3在固定元件中的定位。带有贴靠面19A、19B的另外两个参考元件17A、17B位于支架3的长周向面10之一处。这两个参考元件借助于其贴靠面19A、19B与长周向面10的距离限定了在与成像轴线A垂直的第二方向上支架3在固定元件中的定位。另外，通过参考元件13和参考元件17A和17B的贴靠面15、19A、19B的倾斜度确定了支架3围绕成像轴线A的方位角取向。在此，为了确定方位角取向所需的面15、17A和17B的倾斜度分别取决于与其贴靠的参考面的取向。

为了制造如在图3中所示的光学构件1，通过在具有比为了安装到光学组件20的固定元件21中所需的更大尺寸的、经嵌装的光学元件7的支架3的原始形式中，以数控方式磨削材料，使得支架3留有参考元件9a至9C、13、17A和17B。这些参考元件的形状在此由经优化的刚性变换与固定元件21中的参考面23、25的位置和取向结合地产生。

图4中示出了用于本发明光学构件101的第二示例性实施例。

来自图4的光学构件与来自图3的光学构件一样具有矩形的支架103和嵌装在该支架中的矩形的光学元件105，该光学元件具有自由曲面107。另外，光学构件在支架103的上侧104上具有带有贴靠面111A、111B和111C的三个参考元件109A、109B和109C，这些参考元件在其功能和设计上对应于来自图3的参考元件9A、9B和9C。光学元件105也对应于来自图3的光学元件5。

图4中展示的光学构件101与图1中展示的光学构件1的区别在于缺少在长周向面处的柱状参考元件。替代于此，在当前的示例性实施例中，在这些长周向面中的至少一个长周向面中形成有呈具有V形横截面的凹槽113形状的参考元件。凹槽113的壁面115A、115B在此限定了贴靠面，这些贴靠面与形成在光学组件的固定元件中的凸起部的具有屋顶状横截面的面共同作用。具有屋顶状横截面的这些面在此示例性实施例中形成固定元件的参考面。通过凹槽113的壁面115A、115B与这些参考面的共同作用确定了支架103沿着成像轴线A和沿着与成像轴线A且与凹槽的纵向延伸方向垂直的方向的位置，此外凹槽的设计还确定了支架103的取向。为了确定方位角取向，凹槽可以在其一端处比其另一端处更深地伸入到支架103的材料中。凹槽在这两端之间直线延伸，使得凹槽的纵向方向确定了支架的方位角。

在当前的示例性实施例中，凹槽113的壁面115A、115B用作滑动面，这些滑动面可以相对于固定元件的接合用的屋顶状凸起部滑动。由此实现了，借助于适合的驱动器沿着凹槽的延伸方向针对性地推移和定位支架103，如在图4中通过双箭头表示的。

光学构件101的制造可以与制造图3中所示的光学构件1一样通过磨削加工支架103来进行。

图5中示出了用于本发明光学构件的第三示例性实施例。第三示例性实施例的光学构件201与先前的示例性实施例一样包括矩形的支架203以及嵌装在其中的矩形的光学元件205，该光学元件具有自由曲面207作为光学面。在支架中存在五个贴靠面211A至211E，这些贴靠面被形成在支架203的凹陷部209A、209B中。光学组件的固定元件的提供调节面的调节凸起部接合到凹陷部209A、209B中，使得贴靠面211A至211E贴靠调节面。支架203沿着与成像轴线A垂直的第一方向的位置在此通过贴靠面211D与短周向面106B的距离来确定。支架203沿着与第一方向且与成像轴线A垂直的第二方向的位置通过凹陷部209A、209B在支架203的这两个长周向面210A、210B之间的定位来确定。在当前的示例性实施例中，凹陷部209A、209B大体上位于这两个长周向面210A、210B之间的中部，然而这些凹陷部还可以与这些长周向面之一相比更靠近另外的长周向面，这可以限定支架沿着与该短周向面的纵向延伸平行的方向的另一个定位。此外，在当前的示例性实施例中凹陷部209A、209B在这两个长周向面210A、210B之间的定位还确定了支架203围绕成像轴线A的方位角取向。凹陷部209A例如可以被朝向这两个长周向面中的一个推移，相反凹陷部209B被朝向这两个长周向面中的另一个推移，其中贴靠面211A至211E的倾斜度被改变为可以使调节凸起部另外接合到凹陷部209A、209B中。由此，贴靠面211A至211E会与固定元件的调节凸起部的调节面相结合地产生支架203的另一个方位角取向。

当光学组件的固定元件的调节凸起部沿着成像轴线的延伸方向具有比支架更大的延伸尺寸时，凹陷部209A、209B可以沿着在凹陷部中被引导的调节凸起部来推移光学构件。支架203以及由此光学元件205于是可以借助于适合的驱动器沿着成像轴线A被针对性地推移和定位，如在图5中通过双箭头所示的。

下面参考图6说明本发明光学组件的一个示例性实施例。该图示出光学组件20，该光学组件带有固定元件21和被固定元件21固定的光学构件1。光学构件1包含被嵌装在支架3中的光学元件5，该光学元件具有自由曲面7作为光学面。光学元件5的背面8在当前实施例中被形成为平面。由于公差，光学元件5相对于其支架3略微翻转，使得在支架3中自由曲面7的实际姿态以及平面8的实际姿态与其在支架3中的额定姿态有偏差。支架3因此设有参考元件，该参考元件限定了支架3在固定元件21中的确定的位置和取向。为此，固定元件21具有调节面23、25，参考元件9的贴靠面11与这些调节面共同作用，以便确定支架3在固定元件21中的位置和取向。此外，固定元件21包括固位件27，借助于该固位件将支架3固位在固定元件中，并且该固位件同样具有调节面29，该调节面与参考元件9的贴靠面11共同作用。借助于参考元件9与固定元件21和固位件27的调节面23、25、29的共同作用，可以补偿自由曲面7和平面8的实际姿态与其相应的额定姿态的偏差。如果由于制造公差在自由曲面7和平面8的实际姿态与额定姿态的偏差不完全相同，则进行可以实现最佳光学结果的补偿。此类补偿可以通过参考本发明方法描述的补偿计算来进行。

出于解说目的已经借助于示例性实施例详细说明了本发明。但是本领域技术人员了解，在本发明的范围内可以偏离这些示例性实施例。于是，非旋转对称的光学面不需要为自由曲面，而是可以为不具有围绕成像轴线A的旋转对称性的其他面。另外，参考元件不需要具有在这些示例性实施例中所示的形状。重要的仅仅是它们适合于唯一地确定至少该光学面相对于成像轴线的方位角取向。另外，与所示的实施例不同，支架可以具有不同于矩形的形状。支架尤其还可以具有圆形的形状，其中参考元件此时例如可以以在图5中所示的凹陷部类型的凹陷部形状实现。理论上还可以考虑支架和光学元件的其他的几何形状，其中在形状方面不存在任何限制。图4中所示的凹槽的轮廓同样可以与所示的轮廓不同，或者可以在同一个面中或在彼此背离的面中存在多个凹槽。本领域技术人员了解，在本发明的方位内可以有所示的示例性实施例的大量其他的变化。因此本发明应仅由所附权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种方法，用于将嵌装在支架(3，103，203)中的具有至少一个第一光学面(7，17，207)的光学元件(5，105，205)的支架(3，103，203)对在该支架(3，103，203)中该第一光学面(7，17，207)的实际姿态与该第一光学面(7，17，207)的额定姿态的偏差进行适配，该第一光学面相对于该光学元件(5，105，205)的成像轴线(A)不具有旋转对称性，该方法具有以下步骤：

-在预定的坐标系中给出该第一光学面(7，17，207)的额定姿态，该支架(3，103，203)的位置和/或取向也已在该坐标系中给出；

-获取该第一光学面(7，17，207)在该预定的坐标系中的实际姿态；

-获取该支架(3，103，203)在该预定的坐标系中的位置变化和/或取向变化，从而通过该支架(3，103，203)在该预定的坐标系中的该位置变化和/或取向变化至少在一个自由度上补偿该第一光学面(7，17，207)的实际姿态与其额定姿态的偏差；

-在该支架(3，103，203)处形成至少一个参考元件(9，109，209)，该参考元件限定该支架(3，103，203)的位置和/或取向，该位置和/或取向实现所获取的变化；

其特征在于，

该至少一个参考元件(9，109，209)限定该支架(3，103，203)在该预定的坐标系中的至少一个确定的方位角定向。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所给出的额定姿态中考虑到具有该参考元件(9，109，209)的支架(3，103，203)应被安装到其中的上级组件的位置偏差和/或取向偏差。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，该参考元件(9，109，209)被形成为围绕该第一光学面(7，107，207)的成像轴线(A)不对称的。

4.根据权利要求1至3之一权利要求1至3之一所述的系统，其特征在于，该至少一个参考元件(9，109，209)被形成为使其在所有三个旋转自由度上限定该支架(3，103，203)的确定的定向。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，该至少一个参考元件(9，109，209)被形成为使其附加地在至少两个平动自由度上限定该支架(3，103，203)的确定的位置。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，获取该支架(3，103，203)的位置变化和/或取向变化通过将该第一光学面(7，107，207)的实际姿态对该第一光学面(7，107，207)的额定姿态进行适配来进行，其中由将该第一光学面(7，107，207)实际姿态对该额定姿态进行适配产生的该实际姿态的变化代表该支架(3，103，203)的位置变化和/或取向变化。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

-该第一光学面(7，107，207)的额定姿态通过在该预定的坐标系中多个额定表面点的位置给出；

-对于该第一光学面(7，107，207)的多个表面测量点，以测量技术来检测在该预定的坐标系中的相应位置，并且

-将该第一光学面(7，107，207)的实际姿态对该第一光学面(7，107，207)的额定姿态进行适配通过将这些表面测量点的位置对这些额定表面点的位置进行适配来进行。

8.根据权利要求7所述的方法，其中将这些表面测量点的位置对这些额定表面点的位置进行适配包括以下步骤：

-预定目标函数，该目标函数形成对于这些表面测量点的位置与这些额定表面点的位置的全局偏差的度量，

-借助于刚性变换，在保持这些表面测量点相对彼此的位置的情况下改变这些表面测量点的位置，直至该目标函数满足终止标准。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，其特征在于，对于每个表面测量点检验其是否满足预定的质量标准，并且对于将这些表面测量点的位置对这些额定表面点的位置进行适配，仅仅考虑满足质量标准的那些表面测量点。

10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，迭代地获取该支架(3，103，203)的位置变化和/或取向变化。

11.根据权利要求9和权利要求10所述的方法，其特征在于，在迭代地获取该支架(3，103，203)的位置变化和/或取向变化的范围内，至少重新再一次检验所考虑的表面测量点是否满足该质量标准并且从以后的迭代步骤起仅考虑再次满足该质量标准的表面测量点。

12.根据权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，在该支架处形成该至少一个参考元件(9，109，209)通过磨削加工和/或通过施加加工该支架来进行。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，该支架(3，103，203)的磨削加工和/或施加加工借助于具有至少三个定位轴的加工设备来数控地进行。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，该至少三个定位轴至少包括一个旋转定位轴和两个平动定位轴。

15.根据权利要求1至14之一所述的方法，其特征在于，该光学元件(5)具有至少一个第二光学面(8)，该第二光学面具有在该预定坐标系中的额定姿态，并且将该支架(3)对该支架(3)中的第一光学面(7)的实际姿态与该第一光学面(7)的额定姿态的偏差进行适配以及将该支架对该支架(3)中的第二光学面(8)的实际姿态与该第二光学面(8)的额定姿态的偏差进行适配，其中在该预定的坐标系中通过这两个光学面(7，8)超定该支架(3)的位置变化和/或取向变化的情况下，通过补偿计算来获取唯一确定的变化。

16.一种光学构件(1，101，201)，该光学构件具有支架(3，103，203)和嵌装在该支架(3，103，203)中的具有至少一个第一光学面(7，107，207)的光学元件(5，105，205)，该第一光学面相对于该光学元件(5，105，205)的成像轴线(A)不具有旋转对称性，其中该支架(3，103，203)具有至少一个参考元件(9，109，209)，该参考元件限定该支架(3，103，203)在预定的坐标系中的位置和/或取向，该位置和/或取向至少在一个自由度上补偿了在该支架(3，103，203)中该第一光学面(7，107，207)的实际姿态与该第一光学面(7，107，207)的额定姿态的偏差，其特征在于，该至少一个参考元件(9，109，209)限定该支架(3，103，203)的至少一个确定的方位角位置。

17.根据权利要求16所述的光学构件(1，101，201)，其特征在于，该至少一个参考元件(9，109，209)在所有三个旋转自由度上限定该支架(3，103，203)的确定的定向。

18.根据权利要求16或17所述的光学构件(1，101，201)，其特征在于，该至少一个参考元件(9，109，209)附加地在至少两个平动自由度上限定该支架(3，103，203)的确定的位置。

19.根据权利要求16至18之一所述的光学构件(101，201)，其特征在于，该至少一个参考元件(109，209)允许沿着一个经限定的方向推移该支架(103，203)。

20.一种光学组件(20)，具有至少一个根据权利要求15至19之一所述的光学构件(1)以及固定元件(21)，该固定元件固定该至少一个光学构件(1)并且与该至少一个参考元件(9)相结合地进行调节，其中该光学构件(1)的支架(3)的该至少一个参考元件(9)与该固定元件(21)以如下方式合作以进行调节：产生该第一光学面(7)相对于该固定元件(21)的经限定的位置和/或取向。

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