DD256916A1 - Anordnung zum pruefen optischer elemente, systeme oder geraete mittels beugungsfigurenauswertung - Google Patents

Abstract

Anordnung zum Pruefen optischer Elemente, Systeme oder Geraete mittels Beugungsfigurenauswertung. Die Erfindung ist anwendbar im optischen Geraetebau, bei der Pruefung und Bewertung sowie bei der Justierung von optischen Elementen, Systemen oder Geraeten, insbesondere von Objektiven, vorzugsweise bei beugungsbegrenzten oder quasi-beugungsbegrenzten Objektiven. Die Erfindung besteht darin, dass in einer Pruefanordnung mit einem Pruef- und einem Referenzstrahlengang polarisationsoptische Bauelemente eingesetzt werden, die halbseitig nicht polarisierend sind und die in einem Azimut von 180 zueinander versetzt positioniert sind, und dass in den Strahlengaengen ein zueinander justierbares Spiegelsystem angeordnet ist. Das Spiegelsystem besteht aus mindestens einem Hohlspiegel und mindestens einem in Richtung der optischen Achse zwischen einem Polarisator und einem Analysator befindlichen, in Richtung der optischen Achse verschiebbaren Fokussierelement. Die Pruefung der optischen Elemente, Systeme oder Geraete erfolgt durch die Auswertung der Beugungsfiguren von zwei Halbbildern in einer Ebene im zusammengefuehrten Auswertestrahlengang. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung findet Anwendung bei der Prüfung und Qualitätsbewertung optischer Elemente, Systeme oder Geräte, insbesondere bei Objektiven, vorzugsweise bei beugungsbegrenzten oder quasi-beugungsbegrenzten Objektiven. Weiterhin ist die Anwendung gegeben bei der Justierung von optischen Elementen, Systemen oder Geräten. Dabei sind die Einsatzfälle in Bereichen möglich, in denen optische Systeme hergestellt werden, z. B. geodätische Meßgeräte, Fernrohrabbildungssysteme, Jutiermittelbau, fotografische Optik, Spiegeloptik. Eine Anwendung ist auch für Lehr- und Demonstrationszwecke möglich, z. B. zur Ausbildung von Fachkräften zur Justierung im OPG.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt sind Methoden, bei denen die Prüfung der Korrektionsgüte von optischen Elementen, Systemen oder Geräten mittels der Bewertung des Beugungsbildes zumindestens eines Punktbildes vorgenommen wird.

In der Patentschrift DD 226660 ist eine Vorrichtung zur Prüfung optischer Systeme beschrieben, bei der in die Nähe einer beleuchteten Testvorlage zwischen dieser und dem Prüfling eine parallel zur Testvorlage laterale verschiebbare Punktblende eingebracht wird, deren Bild von einem fotoelektrischen Empfänger erfaßt wird und das elektrische Ausgangssignal in einer Auswerteeinrichtung ausgewertet wird bzw. in Abhängigkeit von dem jeweilig ausgewerteten Objektpunkt der Verschiebung der Punktblende steuert.

Nachteilig bei dieser Lösung ist, daß nur ein begrenzter Umfang von Prüflingen ausgewertet werden kann. Da der Abstand zwischen Punktblendenebene und Bildebene konstant ist, können nur Prüflinge mit annähernd gleicher Brennweite geprüft werden. Ebenso ist es von Nachteil, daß hohe Anforderungen an die Korrektion der Prüflinge gestellt werden müssen, da sonst eine solche negative Beeinflussung der Abbildungsqualität der Punktblende auftritt, daß keine sichere Auswertung möglich ist ' bzw. daß überhaupt keine Auswertung möglich ist. Es ist weiterhin von Nachteil, daß Prüflinge mit negativer Brennweite kein reelles Bild in der Auffangebene des fotoelektrischen Empfängers erzeugen, so daß ein Kompensationsglied nachgeschaltet

werden muß, dessen Abbildungseinfluß das Meßergebnis verfälscht bzw. aufwendig in der Herstellung ist und hohen Justieraufwand in der Anordnung nach sich zieht. Für viele Anwendungsfälle ist die Anordnung eines Kompensationsgliedes aus geometrischen Platzverhältnissen nicht möglich.

Nachteilig ist der meßtechnische Aufwand und die lange Auswerte- bzw. Meßzeit. Schnelle Übersichtsprüfungen sind nicht hinreichend möglich. Eine visuelle Prüfung kann mit der Anordnung nicht akzeptierbar realisiert werden.

Eine rechnergestützte Auswertung des Beugungsbildes von strichkreuzförmigen Objekten ist in DD 218459 beschrieben. Dabei ist die Abmessung einer Strichkreuzbreite so gewählt, daß in einer Bildebene ein Beugungsbild des Strichkreuzes entsteht, welches mit Detektoren ausgewertet wird. Die geometrische Verteilung der Beugungsmaxima wird zweidimensional ausgewertet.

In der DE-OS 3412076 ist eine fotoelektrische Vermessung eines Lichtpunktes zweidimensional bzw. in der DE-OS 3412075 als dreidimensionale Vermessung dargestellt.

Nachteilig bei diesen genannten Auswerteprinzipien ist die Tatsache, daß bei einer Überlagerung von mehreren Abbildungsfehlern die Beugungsfigur des Sterntestbildes bzw. des Kreuztestbildes sehr verzerrt in der Bildebene dargestellt wird und eine hohe Qualifikation von der Prüfperson erforderlich ist, des weiteren subjektive Auswertefehler möglich sind, Fehlmessungen nicht auszuschließen sind und die psychologischen Anforderungen zunehmen, so daß die Prüfperson sehr belastet wird. Die Sicherheit der Prüfung bzw. Auswertung und ggf. Justierung nimmt ab, gleichfalls die Zahl der von der Prüfperson in einer bestimmten Zeiteinheit bearbeitbaren Prüflinge. Bei den fotoelektrischen Prinzipien ist eine Fehlertrennung auf Grund der Beugungsfigurüberlagerung nicht hinreichend durchführbar, sondern nur eine globale fotometrische Erfassung bzw. eine Abstandsvermessung möglich.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer universell einsetzbaren Prüfanordnung, die die Genauigkeit der Prüfung verbessert und. die die subjektiven Fehler bei visueller Prüfung verringert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Prüfen optischer Elemente, Systeme oder Geräte zu entwickeln, die es ermöglicht, Beugungsfiguren von Punktbildern, die von Prüflingen erzeugt werden, auszuwerten, wobei die Prüflinge besonderen Anforderungen hinsichtlich der Varianz der Brennweite und der Korrektion erfordern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Anordnung zum Prüfen optischer Elemente, Systeme oder Geräte mittels Beugungsfigurenauswertung, bei der ein Prüfling und ein Normal jeweils in einem Prüf- und einem Referenzstrahlengang angeordnet sind, wobei beide Strahlengänge aus einem von einer Lichtquelle ausgehenden Beleuchtungsstrahlengang erzeugt sind, bei der weiterhin im Strahlengang vor und nach dem Prüfling und dem Normal ein Polarisator und ein Analysator eingebracht sind, und bei der über weitere optische Elemente eine Zusammenführung der beiden Strahlengänge zu einem Auswertestrahlengang, in dem eine Einrichtung zur Auswertung der Beugungsfiguren angeordnet ist, erfolgt, dadurch gelöst, daß Polarisator und Analysator halbseitig nicht polarisierend sind und bezüglich der optischen Achse in einem Azimut von 180° zueinander versetzt positioniert sind, und daß ein zueinander justierbares Spiegelsystem, bestehend aus mindestens einem Hohlspiegel und mindestens einem in Richtung der optischen Achse verschiebbaren Fokussierelement im Strahlengang zwischen Polarisator und Analysator angeordnet ist.

Das zueinander justierbare Spiegelsystem bewirkt, daß mit Hilfe von weiteren optischen Elementen, wie z.B. Spiegel und Hilfsobjektive, eine Abbildung in eine gemeinsame Bildebene realisiert wird. Durch die verschiebbaren Fokussierelemente werden die Halbblenden in den bildseitigen Brennpunkt von Prüfling bzw. Normal positioniert. In der gemeinsamen Bildebene können die Halbbilder durch laterales Verschieben von Prüfling oder Normal so justiert werden, daß diese sich gerade berühren und visuell oder mittels anderer an sich bekannter Methoden auswertbar werden.

Eine bezüglich des verarbeitbaren Wellenlängenbereiches vorteilhafte Ausführung der Anordnung ergibt sich dann, wenn im Prüf-und im Referenzstrahlengang zwischen Prüfling bzw. Normal und den zugeordneten Analysatoren jeweils ein Hohlspiegel vorgesehen ist, die zur gemeinsamen Verschiebung in Richtung optischer Achse miteinander starr verkoppelt sind und die mittig eine Strahldurchtrittsöffnung aufweisen, und daß zwischen den Hohlspiegeln und dem Prüfling bzw. Normal jeweils ein weiterer erhabener Spiegel vorgesehen ist, der die von den Hohlspiegeln reflektierte Beugungsinformationen achsnah durch die Strahldurchtrittsöffnungen in Richtung Analysator abbilden.

Zur Intensitätsabstimmung der Beugungsbilder ist es günstig, wenn der Polarisator um die optische Achse drehbar angeordnet

Eine weitere für Prüflinge mit bildseitig divergenten Strahlengang vorteilhafte Ausführung wird dadurch erreicht, daß im Prüf- und im Referenzstrahlengang dem Prüfling bzw. Normal nachgeordnet je ein ortsfester Hohlspiegel vorgesehen ist, und daß den Hohlspiegeln zugeordnet im Strahlengang zwischen Prüfling bzw. Normal je ein um 45° gegen die optische Achse geneigter Planspiegel vorgesehen ist, die zur gemeinsamen Verschiebung in Richtung optischer Achse miteinander starr verkoppelt sind und zur Ausblendung der Beugungsbilder dienen.

Ausführungsbeispiel

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispieie der Erfindung dargestellt und zwar zeigen:

Fig. 1: ein Schema der Anordnung mit Hohlspiegeln als Fokussierelement und Fig.2: ein Ausführungsbeispiel zur Prüfung von Prüflingen mit bildseitig divergentem Strahlengang

Die Erfindung ist auf Fig. 1,2 näher erläutert. Gemäß Fig. 1 sendet eine Lichtquelle 1 einen Lichtstrahl aus, der mit einem Aufweitungssystem 2 aufgeweitet wird. Über einen Umlenkspiegel 3, der justierbar angeordnet ist, gelangt der Lichtstrahl auf einen Teilerspiegel 4, der einen Teilstrahl 5 ablenkt, der über einen Polarisator 6 auf einen Prüfling 7 gelangt. Vom Prüfling 7 wird der Lichtstrahl je nach Abbildungseigenschaften entsprechend konvergent oder divergent abgelenkt. Eine justierbare, axial verstellbare Spiegelkombination, bestehend aus Primärspiegel 8 und Sekundärspiegel 9 bildet den Lichtstrahl über einen Analysator 10 und Objektiv 11 ab. Der Primärspiegel 8 ist mittig durchbohrt.

Der andere Teilstrahl 12 wird über einen Umlenkspiegel 13 auf einem Polarisator 14 bzw. Normal 15 abgelenkt. Mit der anschließenden Spiegelkombination, bestehend aus Primärspiegel 16 und Sekundärspiegel 17, wird der Lichtstrahl über einen Analysator 18 und Objektiv 19, Umlenkspiegel 20 auf einen Teilerspiegel 21 abgebildet, nach dem beide Teilstrahlen über ein Objektiv 22 in eine gemeinsame Okularebene 23 abgebildet werden. In dieser Ebene befinden sich nicht dargestellte Strukturmarken, mit denen die Beugungsstrukturen visuell über Okular 24 ausgewertet werden können. Die Polarisatören 12,14 sind so ausgeführt, daß sie halbseitig nicht polarisierend sind und in einem Azimut von 180° versetzt zueinander positioniert sind in den Teilstrahlen 5 bzw. 12. Die Analysatoren 10,18 sind jeweils im gleichen Azimut wie die Polarisatoren angeordnet, wobei auch eine drehbare Ausführung im Zusammenhang mit einer Drehung der Polarisatoren günstig ist.

In der Zwischenbildebene 23 entstehen jeweils Halbbilder von den Beugungserscheinungen, wobei bei idealer Korrektion der Prüflinge konzentrische Beugungsfiguren entstehen und bei Vorliegen von Abbildungsfehlern nur die Beugungsfigur des Prüflings Änderungen erfährt, wobei die Größe der Abbildungsfehler anhand der Geometrie der Beugungsfigur des Normals bzw. von zusätzlichen Strukturmarken ermittelt werden kann.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der nach Prüfling 7 und Norrnal 15 Spiegel 25 bzw. 26 so angeordnet 'sind, daß ein adäquater Rückreflex ermöglicht wird, wobei die Spiegel axial justierbar sind, so daß eine Abbildung durch Prüfling bzw. Normal zurück und von dort über Teilerspiegel 27,28 sowie Umlenkspiegel 29,30,31 und Teilerspiegel 32 auf Analysator 33 in eine Zwischenbildebene 34 ermöglicht wird und von der aus über ein Abbildungssystem 35,36 die Beugungsfigur erfaßt wird.

Der Analysator 33 ist so ausgeführt, daß er zwei Halbscheiben aufweist, die eine Polarisationsrichtung haben, die um 180° zueinander versetzt sind und die relative Stellung des Analysator 33 so ist, daß sich in bezug auf die dargestellten Polarisatoren 6,14 eine gleiche Schwingungsrichtung der linear polarisierten Welle ergibt.

Zur Auswertung der Beugungsfiguren in den beiden Halbbildern kann zur Kalibrierung der Anordnung zunächst das Normal 15 entfernt und durch eine Doppelspiegelkombination ersetzt werden. Die Doppelspiegelkombination kann auch zwei halbdurchlässigen Spiegeln bestehen, die so justierbar sind, daß verschiedene Brennweiten einstellbar sind. Die Brennweite wird dann so eingestellt, daß die gleiche Bildebene wie die des Prüflings 7 abgebildet wird.

Eine weitere mögliche Kalibriermethode wird dadurch ermöglicht, daß das Normal 15 entfernt wird und das fehlende Halbbild des Normals durch ein Objekt mit der Beugungsstruktur eines idealen Prüflings ersetzt wird, wobei die Beugungsstruktur fotografisch oder zeichnerisch hergestellt ist.

Claims (4)

1. Anordnung zum Prüfen optischer Elemente, Systeme oder Geräte mittels Beugungsfigurenauswertung, bei derein Prüfling und ein Normal jeweils in einem Prüf- und einem Referenzstrahlengang angeordnet sind, wobei beiden Strahlengänge aus einem von einer Lichtquelle ausgehenden Beleuchtungsstrahlengarrg erzeugt sind, bei der weiterhin im Strahlengang vor und nach dem Prüfling und dem Normal ein Polarisator und einen Analysator eingebracht sind, und bei der über weitere optische Elemente eine Zusammenführung der beiden Strahlengänge zu einem Auswertestrahlengang, in dem eine Einrichtung zur Auswertung der Beugungsfiguren angeordnet ist, erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß Polarisator und Analysator halbseitig nicht polarisierend sind und bezüglich der optischen Achse in einem Azimut von 180° zueinander versetzt positioniert sind, und daß ein zueinander justierbares Spiegelsystem, bestehend aus mindestens einem Hohlspiegel (8) (16) und mindestens einem in Richtung der optischen Achse verschiebbaren Fokussierelement (8,16,27,28) im Strahlengang zwischen Polarisator (6) (14) und Analysator (10) (18) (33) angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Prüf- und im Referenzstrahlengang zwischen Prüfling (7) bzw. Normal (15) und den zugeordneten Analysatoren (10) (18) jeweils ein Hohlspiegel (8) (16) vorgesehen ist, die zur gemeinsamen Verschiebung in Richtung optischer Achse miteinander starr verkoppelt sind und die mittig eine Strahldurchtrittsöffnung aufweisen, und daß zwischen den Hohlspiegeln (8) (16) und dem Prüfling (7) bzw. Normal (15) jeweils ein weiterer erhabener Spiegel (9) (17) vorgesehen ist, der die von den Hohlspiegeln (8) (16) reflektierte Beugungsinformationen achsnah durch die Strahldurchtrittsöffnungen in Richtung Analysator (10) (18) abbilden.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisator (6) (14) zur Intensitätsabstimmung der Beugungsbilder um die optische Achse drehbar angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Prüf- und im Referenzstrahlengang dem Prüfling (7) bzw. Normal (15) nachgeordnet je ein ortsfester Hohlspiegel (25) (26) vorgesehen ist, und daß den Hohlspiegeln (25) (26) zugeordnet im Strahlengang zwischen Prüfling (7) bzw. Normal (15) je ein um 45° gegen die optische Achse geneigter Planspiegel (27) (28) vorgesehen ist, die zur gemeinsamen Verschiebung in Richtung optischer Achse miteinander starr verkoppelt sind und zur Ausblendung der Beugungsbilder dienen.