DD291153A5 - Verfahren zur automatischen justierung optischer systeme und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatischen Justierung optischer Systeme und eine Anordnung zur Durchfuehrung des Verfahrens. Mit diesem Verfahren sollen gleichzeitig die Erfassung der Bildguete und des Zentrierzustandes sowie die Ableitung von Justierinformationen erfolgen. Das wird realisiert mittels eines speziell ausgebildeten fotoelektrischen Sensors, ueber den die als Lichtverteilung des Beugungsbildes einer beleuchteten Lochblende in der Bildebene des zu pruefenden Systems auftretenden Parameter modifiziert erfaszt und in Abhaengigkeit von der Lichtverteilung Justierinformationen an Stellelemente abgeleitet werden. Der fotoelektrische Sensor besteht aus einer sternfoermigen Anordnung mehrerer, aus Fotodioden bestehenden Sensorzeilen, in dessen Zentrum sich ein unsensibler Bereich befindet, dessen Durchmesser der Beugungsstruktur nullter Ordnung entspricht. Fig. 1{automatische Justierung; optisches System; Bildguete; Zentrierzustand; Justierinformationen; fotoelektrischer Sensor; Lichtverteilung; Lochblende; Beugungsbild; Stellelemente}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatischen Justierung optischer Systeme und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens und findet Anwendung bei der Montage und Bildgütekorrektur von optischen Baugruppen und Systemen, insbesondere Objektiven mit quasi-beugungsbegrenzter Korrektion und Objektiven mittlerer Abbildungsleistung. Solche Objektive sind beispielsweise Fotoobjektive und Reproduktionsobjektive. Weitere Anwendungsgebiete sind optische Systeme mit zusätzlichen Bauteilen wie Spiegel und Prismen, bei denen die Bildgüte während eines Justierprozesses optimiert werden muß.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt sind Anordnungen und Methoden, mit denen optische Systeme zueinander justiert werden können, auf Basis der Beurteilung der relativen Bildlage einer Lochblende. Solche Methoden sind beispielsweise in der DE-PS 2935008 beschrieben. Nachteilig ist dabei, daß der Korrektionszustand des Prüflings nicht erfaßt wird, sondern nur sein Justierzustand relativ zu einer Bezugsachse. Eine Ableitung von Justierinformationen zur Justierung von Elementen einzelner Wirkungsgruppon ist nicht auf automatischem Wege möglich. Weiterhin sind Meßverfahren bekannt, die die relative Position eines Beugungsbildes von einer Kante, einem Spalt oder Gitter beurteilen, wie z.B. in EP 0185167 und WP 215158 beschrieben. Nachteilig bei diesen Methoden ist der Umstand, daß auch hier nur die koordinatenmäßige Erfassung dieser Objekte ausgewertet werden kann und die optische Abbildungsqualität durch bzw. von einem Prüfling nicht erfaßbar ist. Zentrierzustand und Bildleistung können mit Hilfe

integrierter Justiermittel nicht automatisch optimiert werden. Prüfungen und Justierungen optischer Systeme mit einem Beugungsgitter (US-PS 3912395) oder Linienprüfstrukturen (DE-OS 3007514) besitzen den Nachteil, daß die Prüfung bzw. Auswertung der vom Prüfling abgebildeten Strukturen nur mit aufwendigen elektronischen Empfängern und Auswerteeinheiten vorgenommen werden kann, wobei eine Abrasterung des gesamten Bildfeldes zu langen Meßzeiten führt. Bei Vorhandensein von mehreren überlagerten Abbildungsfehlern ist eine Aufschlüsselung auf die einzelnen Fehlerkomponenten nicht möglich. Weiterhin sind Methoden bekannt, die die Punktbildbewertung beinhalten, wobei zumindest ein Punktbild vom Prüfling in eine Bildebene abgebildet und die Beugungsfigur visuell oder fotometrisch (z. B. WP 218459, US-PS 3709608) erfaßt wird. Nachteilig bei diesen Methoden ist die Tatsache, daß eine Überlagerung von verschiedenen Abbildungsfehlern zu einer starken Veränderung des Beugungsbildes führt und eine visuelle oder fotometrische Bewertung nur schwer möglich ist. Ebonso ist von NachteH, daß bei fotometrischen Methoden Veränderungen der Grundhelligkeiten des Meßaufbaus Fehler induzieren, die nicht im Prüfling vorhanden sind und eine automatische Justierung zum Zwecke der Optimierung der Abbildungsqualität nicht gegeben ist.

Zur geometrischen Identifizierung von Lichtreflexen an Prüflingsflächen, insbesondere Linsenflächen, sind Methoden bekannt, bei denen der Reflex abgerastert wird. Dabei erfolgt die Reflexbildung vorzugsweise mit Lochblendenabbildung und Signalformung, indem eine Sektorenblende diesen Reflex abrastert, wie z.B. im WP 147149 und WP 234501 dargestellt. Nachteilig ist die Tatsache, daß nur die Zentrierung einer optisch wirksamen Fläche ausgewertet werden kann und keine Ableitung von Justierinformationen möglich ist, mit denen Justiermittel zur Beseitigung des Zentrierfehlers angesteuert werden können. Die Abbildungsqualität von optischen Wirkungsgruppen bzw. eines Gesamtsystems kann nicht ermittelt werden. Ebenso ist es von Nachteil, daß die Justierelements nur in speziellen Justiervorrichtungen betrieben werden können und eine Lagefixierung der optischen Bauelemente relativ zu einer Halterung nur mit stoffschlüssigen Mitteln (Klebstoffen) erfolgen kann, da sich ansonsten der Justierzustand beim Lagefixieren verändern würde.

Bekannt sind auch optische Systeme, insbesondere Objektive, bei denen mittels Stiftschrauben eine relative Verschiebung von zumindest zwei Teilen gegeneinander in zwei Koordinaten erfolgt, wobei diese im Objektiv verbleiben und die Lagefixierung nach Abschluß der Justierung gewährleisten. Ebenso ist es bekannt, daß mittels ambulanter Justierschrauben eine latente Justierung erfolgt und anschließend ein axialer Kraft- und Formschluß mit Vorschraubring am Gesamtsystem erfolgt (z. B. Mikroskopobjektive). Nachteilig ist der Umstand, daß eine Lagefixierung mit automatischen Justiermethoden nicht genau genug realisierbar ist, da eine Dejustierung beim Lagefixieren mit mechanischen Mitteln auftritt bzw. daß eine solche Lagefixierung nicht möglich ist.

Ziel der Erfindung

Durch Anwendung der Erfindung werden die gleichzeitige Erfassung von Bildgüte und Zentrierzustand optischer Systeme sowie die Ableitung von Justierinformationen in einer gemeinsamen Einrichtung realisiert. Die Optimierung der optischen Wirkungsgruppe soll dabei im nichtsichtbaren Wellenlängenbereich stattfinden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur automatischen Justierung optischer Systeme und einer dazugehörigen Anordnung, bei der mittels eines speziellen Sensors mindestens ein optisches Element oder eine optische Wirkungsgruppe optimal hinsichtlich Bildgüte und Zentrierung justiert werden und bei dem die Anordnung zur Erfassung des optischen Zustandes unabhängig von zeitlichen Bildhelligkeitsschwankungen oder Verstärkerdrift ist und gleichzeitig eine Signalauswertung im Echtzeitbetrieb ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem der Zentrierzustand und die Bildgüte des optischen Systems mit Hilfe eines fotoelektrischen Sensors als Lichtverteilung des Beugungsbiides einer beleuchteten Lochblende in der Bildebene des Prüflings erfaßt wird und in Abhängigkeit von dieser Lichtverteilung Justierinformationen an Stellelemente abgeleitet werden. Der erfindungsgemäße fotoelektrische Sensor besteht aus einer sternförmigen Anordnung mehrerer aus Fotodioden bestehenden Sensorzeilen, in dessen Zentrum sich ein unsensibler Bereich befindet, dessen Durchmesser der Beugungsstruktur nullter Ordnung entspricht. Die in Abhängigkeit von der Lichtverteilung vom fotoelektrischen Sensor abgegebenen Ausgangssignale werden mit Hilfe einer elektronischen Auswerteschaltung verarbeitet und an Stellelemente geleitet, mit denen eine vorzugsweise um 90 Grad versetzte, laterale Verschiebung oder eine vorzugsweise um 90 Grad versetzte Kippung in einer ring- bzw. kartenförmigen Ausnehmung eines mechanisch gefaßten optischen Bauelementes oder einer Baugruppe definiert vorgenommen wird, wobei der Prüfling zentrisch an einer dafür vorgesehenen mechanischen Funktionsfläche im Prüfgerät aufgenommen wird. Um die intra- bzw. extrafokale Beugungsstruktur detektieren zu können, ist es auch möglich, ein Bauelement oder eine Baugruppe der erfindungsgemäßen Justiereinrichtung axial schwingen zu lassen. Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens sieht vor, daß der fotoelektrische Sensor wahlweise aus um 45 Grad zueinander versetzten CCD-Zeilen oder CCD- Ringen oder kreisringförmigen Vollflächendioden besteht. Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, daß die zur Justierung benötigten Stelle! jmente aus an sich bekannten Gewindestiften bestehen, die sich in der mechanischen Fassung befinden und vor der Justierung mit Klebstoff versehen werden, der eine Aushärtezeit besitzt, die größer bzw. gleich der Justierzeit ist.

Ausführungsbelsplel

Nachstehend wird das Verfahren zur automatischen Justierung von optischen Systemen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die dazu gehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1: den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung zur Justierung optischer Systeme und das funktioneile

Zusammenwirken seiner wesentlichen Bestandteile und Fig. 2: den Aufbau des erfindungsgemäßen fotoelektrischen Sensors.

In der in Fig. 1 dargestellten Anordnung zur erfindungsgemäßen Justierung optischer Systeme leuchtet eine Lichtquelle, z. B. ein Laser 1 über einen Kollimator 2 eine Lochblende 3 aus, deren Durchmesser eine solche Abmessung besitzt, daß Beugungsstrukturen in der Bildebene erfaßbar sind. Die Lochblende kann eine mechanisch gebohrte Scheibe oder eine geätzte Chrom- oder Lackschicht auf einem geeigneten Substrat sein. Auch auf Basis fotografischer bzw. fotolithografischer Methoden

ist eine Herstellung möglich.

Über einen Umlenkspiegel 4, der vorzugsweise in zwei Koordinaten justierbar ist (nicht dargestellt), wird die Lochblende 3

telezentrisch mit einem Hilfsobjektiv 5 auf ein Objektiv 6 abgebildet, welches auf den objektseitigen Brennpunkt des zu justierenden Objektivs 8 fokussiert ist. Dab Objektiv 8 realisiert eine telezentrisch^ Abbildung der Lochblende 3 auf ein weiteres

Hilfsobjektiv 9, welches auf die lichtempfindliche Schicht eines fotoelektrischen Sensors 10 fokussiert ist. Dessen Ausgangssignal wird in einer elektronischen Auswerteschaltung 11, welche über eine periphere Einheit 12 programmierbar ist,

in der Weise verarbeitet, daß eine Ansteuereinheit 13 geschaltet wird, die die Stellglieder 14 ansteuert. Diese sind gestellfest in einer Gerätebasis 15 befestigt und besitzen axial drehbare Schraubklingen 16, die in Stiftschrauben 17 einrasten, die sich im

Objektivteilgehäuse 18 befinden und auf die justierbare Fassung 19 Kraftschluß ausüben. In dieser Fassung sind optische Linsen

lagefixiert, die lateral in zwei Koordinaten senkrecht zur optischen Achse 20 als Bezugsachse verschoben werden können. Die

Bestandteile 14,16 und 17, die erfindungsgemäß vierfach um je 90 Grad, mindestens jedoch dreifach um je 120 Grad zueinander

versetzt angeordnet sind, sind in Fig. 1 nur je einfach dargestellt. Nach der Vormontage der Fassung 19 einschließlich aller optischer Bauelemente, wird das Objektiv 8 in die Gerätebasis 15 eingelegt und die Stellglieder 14 werden solange betätigt, bis ein Einrasten der Schraubklingen 16 in die Stiftschrauben 17 erfolgt. Hierzu weisen die Teile 16 und 17 Fügeflächen auf, die eine quasi Selbstpositionierung ermöglichen und geringe Lageungenauigkeiten ausgleichen können.

Zunächst wird ein solcher Zustand vorjustiert, der eine auswertbare Abbildung auf dem Sensor 10 (lewährleistet. Dazu wird

durch Betätigen der Stellglieder 14 um den gesamten zur Verfügung stehenden Justierweg der Fassung 19 im

Objektivteilgehäuse 18 die geometrische Mitte eingestellt. Dies kann prinzipiell auch bei der Vormontage mit Hilfe einer einem

definierten Fügespalt entsprechenden Lehre erfolgen.

Nach Auswertung des vom Sensor 10 erfaßten Beugungsbildes werden von der Auswerteeinheit 11 die Stellglieder 14 so

aktiviert, daß durch die resultierende Bewegung der justierbaren Fassung 19 eine Optimierung der Beugungsfigur erzielt wird, wobei deren Fläche minimal wird.

Der optimale Justierzustand ist erreicht, wenn kein Ausgangssignal vom fotoelektrischen Sensor 10 abgegeben wird und das Beugungsbild auf der Empfängerfläche 21 fokussiert ist (Oszillation = 0) bzw. bei Oszillation das Ausgangssignal während der

gesamten Phase einmal verschwindet.

In Abhängigkeit von der Anzahl und der azimutalen Orientierung der Fototransistoren 23 werden von der Auswerteeinheit die Stellglieder 14 so aktiviert, daß mit der resultierenden Bewegung der justierbaren Baugruppe eine Reduzierung der Beugungsfigurfläche erzielt wird. In Fig. 2 ist der erfindungsgemäße Sensor 10 näher erläutert. Die Empfängerfläche 21 besteht aus vorzugsweise um 45 Grad

zueinander im Winkel stehende Sensorzeilen 22, die aus einzelnen, diskret angesteuerten Fototransistoren 23 bzw. je einer kompletten CCD-Zeile bestehen. Im Zentrum 24 des Sensors 10 befindet sich kein Fotoelement. Es ist erfindungsgemäß so bemessen, daß die Beugungsfigur nulüer Ordnung in ihrer Abmessung etwa seinem Durchmesser entspricht.

Die Empfängerfläche 21 kann aus einer Anordnung bestehen oder aus diskreten Zeilen oder Einzelelementen, die in der

dargestellten Weise angeordnet sind. Prinzipiell kann die Empfängerfläche 21 auch aus kreisringförmig angeordneten Flächen bestehen, die eine Lokalisierung und Auswertung des Beugungsbildes gewährleisten.

Claims (5)

1. Verfahren zur automatischen Justierung optischer Systeme, vorzugsweise eines Fotoobjektivs, welches mindestens ein justierbares gefaßtes optisches Bauelement oder eine Baugruppe aufweist und in einem Prüfgerät angeordnet ist, in dem mittels einer Beleuchtungseinrichtung und einer Lochblende in Verbindung mit einer Projektionseinrichtung ein als Zwischenbild erzeugtes Beugungsbild auf einen fotoelektrischen Sensor geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die über den fotoelektrischen Sensor (10), bestehend aus in bestimmten Azimuten angeordneten, Fototransistoren (23) aufweisende Sensorzellen (22) und einem einen unsensiblen Bereich aufweisenden Zentrum (24), erfaßte Lichtverteilung des Beugungsbildes Ausgangssignal für eine elektronische Auswerteschaltung (11) ist, über das Justierinformationen an Stellelemente abgeleitet werden, mit denen eine vorzugsweise um 90° versetzte, laterale Verschiebung des gefaßten optischen Bauelements definiert erfolgt oder eine um vorzugsweise 90° zueinander versetzte Kippung in einer ring- bzw. kartenförmigen Ausnehmung derart realisiert wird, daß die Fläche der Beugungsfigur ein Minimum annimmt, wobei das zu justierende Objektiv (8) zentrisch in eine dafür vorgesehene Funktionsfläche im Prüfgerät aufgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Auswerteschaltung (11) die Stellelemente nach einem festen Prozessorprogramm in Abhängigkeit vom relativen Azimut der maximalen Lichtverteilung ansteuert, bis die Fläche der Beugungsstruktur ein Minimum annimmt.

3. Anordnung zur automatischen Justierung optischer Systeme, bestehend aus mindestens einem justierbaren gefaßten optischen Bauelement oder einer Baugruppe, die in einem Prüfgerät angeordnet sind, in dem ein als Zwischenbild erzeugtes Beugungsbild auf einen fotoelektrischen Sensor geleitet wird, dessen Lichtverteilung des Beugungsbildes als Ausgangssignal zur Übermittlung von Justierinformationen an Stellelemente dient, dadurch gekennzeichnet, daß der fotoelektrische Sensor (10) wahlweise aus CCD-Zeilen besteht, die vorzugsweise um 45° versetzt zueinander angeordnet sind, oder aus CCD-Ringen oder kreisringförmigen Vollflächendioden, die mindestens eine Fläche geometrisch ausfüllen, die größer ist als das Bild in der Zwischenbildebene.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Beugungsbildes auf dem elektrischen Sensor (10) nichtsichtbares Licht, vorzugsweise Licht des infraroten Wellenlängenbereichs, vorgesehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellelemente aus an sich bekannten Stiftschrauben (17) bestehen, die sich in der Objektivfassung (19) befinden und vor der Justierung mit Klebstoff versehen werden, der eine Aushärtezeit besitzt, die größer bzw. gleich der Justierzeit ist.