DE102004029735A1

DE102004029735A1 - Verfahren zur Messung optischer Oberflächen innerhalb einer mehrlinsigen Anordnung

Info

Publication number: DE102004029735A1
Application number: DE200410029735
Authority: DE
Inventors: Josef Heinisch; Stefan Dr. Krey; Eugen Dumitrescu
Original assignee: Trioptics GmbH
Current assignee: Trioptics GmbH
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-06-22
Also published as: DE102004029735C5; DE102004029735B4

Abstract

Verfahren zur Messung optischer Oberflächen innerhalb einer mehrlinsigen Anordnung mit einem lichtabgebenden und lichtempfangenden Meßkopf mit den Schritten: DOLLAR A - Aufstrahlen eines auf einen Teilbereich der zu untersuchenden Linsenoberfläche fallenden von der Linsenoberfläche wenigstens in geringem Maße rflektierten Lichtbündels unter Drehung eines Prüflings über wenigstens ein definiertes Kreissegment, DOLLAR A - Erfassen der zurückgeworfenen Strahlungsenergie auf einem zweidimensionalen Sensor unter ortsaufgelöster Abspeicherung der gemessenen Werte, DOLLAR A - Errechnen eines Justierfehlers für die jeweils untersuchte Fläche unter rechnerischer Berücksichtigung der abbildenden Eigenschaften vorgelagerter Linsen, die von Einstrahllicht und zurückgeworfenem Licht passiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung optischer Oberflächen innerhalb einer mehrlinsigen Anordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs.
Bisher bestand kein Verfahren, das es erlaubte, die optischen Oberflächen innerhalb eines bereits bestehenden Objektivs zu vermessen. Insbesondere ist erwünscht durch Zentrierfehlermessung von optischen Systemen, den Flächenkippwinkel (ISO 10110-6) einer Oberfläche im Bezug auf eine Achse im Raum zu ermitteln. Diese Achse kann z.B. durch die zylindrische Fassung des Objektivs gegeben sein.
Bei der klassischen Zentrierfehlermessung einer sphärischen Oberfläche fokussiert man hierzu einen Lichtstrahl in den Krümmungsmittelpunkt der zu untersuchenden Oberfläche. Das Licht trifft hierbei nahezu senkrecht auf die Oberfläche. Der reflektierte Anteil des Lichts läuft in diesem Fall wieder über den Weg zurück, über den es eingefallen ist. Über einen Strahlteiler wird das reflektierte Licht ausgekoppelt und auf einem zweidimensionalen Sensor erfasst.
In klassischen Geräten ist dies das menschliche Auge. Ist der Krümmungsmittelpunkt der untersuchten Sphäre nicht exakt auf der Bezugsachse, so weicht der reflektierte Strahl leicht von der erwarteten Position ab. Die Abweichung ist direkt proportional zum Zentrierfehler der untersuchten Sphäre.
Bei der Zentrierfehlerbestimmung aller Einzelflächen eines Objektivs ergibt sich nun das Problem, dass die zu untersuchende Oberfläche durch andere Flächen verdeckt ist. Hieraus ergeben sich zwei Probleme:

1. Zur Fokussierung auf einen innen liegenden Krümmungsmittelpunkt muss die Brechung an den Vorgängerflächen berücksichtigt werden.
2. Der gemessene Zentrierfehler einer innen liegenden Einzelfläche wird durch die Abbildungseigenschaften und den Zentrierfehler der Vorgängerflächen stark beeinflusst.

Das Verfahren nach dem Hauptanspruch schafft Abhilfe. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.
Es wird vorgeschlagen, zur Messung optischer Oberflächen innerhalb einer mehrlinsigen Anordnung mit einem lichtabgebenden und lichtempfangenden Meßkopf auf einen Teilbereich der zu untersuchende Linsenoberfläche einen fokussierten von der Linsenoberfläche wenigstens in geringem Maße reflektierten Laserstrahl unter Drehung des Meßkopfes über wenigstens ein definiertes Kreissegment aufzustrahlen, die zurückgeworfenen Laserstrahlenergie auf einem zweidimenionalen Sensor unter ortsaufgelöster Abspeicherung der gemessenen Werte aufzufangen, und einen Zentrierfehler für die jeweils untersuchte Fläche unter rechnerischer Berücksichtigung der Zentrierfehler vorgelagerter Linsen, die von Einstrahllicht und zurückgeworfenem Licht passiert werden, zu errechnen.
Dieses Verfahren erfolgt vorteilhafterweise unter Fokussierung des Einstrahllichts auf eine im Inneren einer mehrlinsigen Anordnung befindliche Linse mit einem Autokollimator unter Beachtung der fokussierenden Eigenschaften einer oder mehrerer zuvor durchlaufender Linsen.
Die scheinbare Lage (virtuelle Lage) der Krümmungsmittelpunkte kann über optische Rechnung ermittelt werden. Der tatsächliche Zentrierfehler einer innen liegenden Fläche wird durch ein iteratives Verfahren ermittelt.
Im ersten Schritt wird der Zentrierfehler der obersten Fläche ermittelt. Dieser Wert ergibt sich unmittelbar aus der Messung. Im nächsten Schritt wird der Zentrierfehler der zweiten Fläche ermittelt. Dieser Wert wird jedoch durch den Fehler der ersten Fläche beeinflusst. Durch optische Rechnung unter Berücksichtigung des Zentrierfehlers der ersten Fläche wird der tatsächliche Fehler der zweiten Fläche ermittelt usw.
In klassischen Systemen dagegen erfolgt die Messung mit einem Messkopf der entlang einer Präzisionsachse geführt wird. Es werden alle Krümmungsmittelpunkte angefahren und die Abweichung zu der Präzisionsachse für jede einzelne Fläche ermittelt. Dieses und auch andere Verfahren, die extrem aufwendige Fokussieroptiken nutzen, die sehr präzise den Fokuspunkt entlang einer Achse führen, lassen sich im Inneren eines Objektivs naturgemäß nicht anwenden.
Das erfindungsgemäße Verfahren jedoch erfasst wie das klassischen Verfahren die lokalen Abweichungen gegenüber der berechneten Form und besitzt folgende Vorteile:

– Es erlaubt die Messung des Zentrierfehlers aller Einzelflächen im montierten Zustand. Die Messung und Auswertung erfolgt durch das o.g. iterative Verfahren. Die Auswertung und die Steuerung des Messgerätes geschehen in Echtzeit über einen angeschlossenen Rechner.
– Im Gegensatz zum klassischen Verfahren wird die Bezugsachse nicht durch eine mechanische Präzisionsführung realisiert, sondern durch eine Drehachse. Drehachsen lassen sich deutlich einfacher, präziser und kostengünstiger realisieren als lineare Achsen. Die Drehung des Prüflings erfolgt durch ein Präzisionsdrehlager (z.B. Luftlager).
– Hieraus folgen deutlich geringere Präzisionsanforderungen an die Mechanik (Linearführung des Messkopfes) und an die Optik.
– Die Vorsatzoptik des Messkopfes kann zwischen zwei Einzelmessungen (zwei Flächen eines Objektivs) ausgetauscht werden, um die Vergrößerung und den Fokuspunkt an die nächste zu untersuchende Fläche anzupassen. Alternativ können auch Zoomoptiken eingesetzt werden. Da die Drehachse als Referenz dient, folgen keine hohen Anforderungen an die Positionierung und an die Abbildungseigenschaften der Vorsatzoptik. Die Bewegung des Messkopfes auf den Krümmungsmittelpunktes der nächsten Fläche erfordert ebenfalls keine hohe Genauigkeit, da die Referenz für die Messung immer durch die Drehung des Luftlagers für jede einzelne Fläche neu ermittelt wird.
– Der Prüfling muss nicht vollständig gedreht werden, da die Auswertung über Software erfolgt. Es genügt ein definiertes Kreissegment (z.B. Halbkreis oder Viertelkreis). Dadurch kann die Messzeit reduziert werden.

Als Messkopf wird ein optisches Winkelmesssystem (z.B. Autokollimator) verwendet, das über einen elektronischen Sensor (z.B. CCD Sensor) die Ablenkung des Messstrahls in 2 Dimensionen sehr präzise erfasst.
Dabei können als Messkopf sowohl konventionelle Autokollimatoren (inkohärente Beleuchtung) als auch Winkelmesssysteme mit kohärenter Beleuchtung eingesetzt werden. Letztere erlauben auch die Vermessung von extrem schwach reflektierenden Oberflächen (stark entspiegelte Oberflächen oder Kittflächen)
Die Messung sollte in einer vorteilhaften Ausführungsform von beiden Seiten, mit zwei Messköpfen erfolgen. Unter überlappendem Berechnen der Zentrierfehler für wenigstens eine in der Mitte befindliche optische Oberfläche kann so durch gleichzeitiges oder auch zeitversetztes Aufstrahlen und erfassen je eines Laserstrahls von jeder Seite des mehrlinsigen Prüflings eine Referenz für die weitere Kalkulation gewonnen werden.
Grundsätzlich nämlich stößt die optische Messung des Zentrierfehlers an natürliche Grenzen. Je mehr optische Flächen ein Objektiv hat, desto stärker sind die Reflexions- und Transmissionsverluste. Außerdem nimmt der Fehler, der sich nach dem Fehlerfortpflanzungsgesetz für tiefer liegende Flächen ergibt, mit der Zahl der beteiligten Flächen zu. Das beschriebene Verfahren stößt aber erst bei ca. 30 Flächen an eine Grenze.
Durch die Verwendung von zwei Messköpfen, die den Prüfling simultan von beiden Seiten erfassen, kann die Anzahl der Flächen verdoppelt werden. Alternativ kann der Messfehler durch den Einsatz von zwei Messköpfen reduziert werden, da man die Messung der Flächen auf zwei Hälften aufteilen kann.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann durch Steuern einer Neigung des aufgestrahlten Strahls relativ zur Bezugsachse und weiterer Errechnung einer Zuordnung der hierbei erfaßten Reflexbilder zu einzelnen Oberflächen erfolgen. Beim ganzen Verfahren soll die Drehung des Prüflings hochpräzise um die Bezugsachse erfolgen.
Die Messung von zwei Seiten wird durch Software unterstützt. Durch einen kleinen Überlapp in der Mitte des Prüflings (d.h. z.B. zwei zentrale Flächen werden von beiden Messköpfen gemessen) können die Messergebnisse von beiden Seiten rechnerisch zusammengesetzt werden ohne, dass eine aufwändige Justage der beiden Messköpfe notwendig wird.
Die Auswertung und Steuerung des Gerätes erfolgt online über einen Rechner. Dies ermöglicht die Umrechnung der gemessenen Zentrerfehler auf beliebige andere Achsen. So kann z.B. über einen „Least Square" Fit eine optimale Achse gefunden werden, für die der Zentrerfehler (für ein Objektiv) minimal wird.
Die direkte Kopplung zwischen Messgerät und Rechner eröffnet neue Möglichkeiten hinsichtlich der online-Justage von denzentrierten Prüflingen. So kann gezielt die Fläche mit dem größten Zentrerfehler korrigiert werden. Der Rechner ermittelt hierzu unter Berücksichtigung der Zentrierfehler der Vorgängerflächen den Nullpunkt des Zentrierfehlers auf dem zwei-dimensionalen Sensor. Dieser Nullpunkt wird auf dem Monitor durch ein Zielkreuz visualisiert. Der Bediener kann nun gezielt die entsprechende Fläche neigen, bis das reflektierte Bild auf dem Zielkreuz liegt. Es ist auch möglich den Prüfling in x und y Richtung über Aktuatoren direkt zu schieben bzw. zu neigen. Der benötigte Weg ergibt sich direkt aus dem ermittelten Zentrerfehler.
Bei einigen Optiken (je nach Design) kann es geschehen, dass die virtuellen Krümmungsmittelpunkte von zwei Oberflächen in der derselben Ebene liegen. D.h. Der Flächensensor zeigt gleichzeitig das Reflexbild von zwei Oberflächen. Durch gezielte Neigung des einfallenden Strahls und über einen Vergleich mit der optischen Rechnung kann ermittelt werden, von welcher Oberfläche die verschiedenen Reflexbilder stammen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung optischer Oberflächen innerhalb einer mehrlinsigen Anordnung mit einem lichtabgebenden und lichtempfangenden Meßkopf erlaubt auch die online-Justierung während der Messung. Es werden keine hohen Präzisionsanforderungen an die mechanischen Führungen des Meßköpfe und die Meßoptiken gestellt.
Im einzelnen wird

– auf einen Teilbereich der zu untersuchende Linsenoberfläche ein von der Linsenoberfläche wenigstens in geringem Maße reflektiertes Lichtbündel unter Drehung eines Prüflings über wenigstens ein definiertes Kreissegment aufgebracht,
– die zurückgeworfenen Strahlungsenergie auf einem zweidimenionalen Sensor unter ortsaufgelöster Abspeicherung der gemessenen Werte gemessen, und
– ein Justierfehlers für die jeweils untersuchte Fläche unter rechnerischer Berücksichtigung der abbildenden Eigenschaften vorgelagerter Linsen, die von Einstrahllicht und zurückgeworfenem Licht passiert werden, errechnet.

Aus dem Justierfehler kann dann für jede Fläche eine optimale optischen Achse, die Achse der mehrlinsigen Anordnung und Korrekturwerte für alle Oberflächen in Bezug auf diese optimale optische Achse errechnet werden. Bei der Fokussierung des Einstrahllichts auf eine im Inneren einer mehrlinsigen Anordnung befindliche Linse mit dem Autokollimator erfolgt dies vorteilhafterweise unter Beachtung der abbildenden Eigenschaften einer oder mehrerer zuvor durchlaufender Linsen.
Neben der Neigung kann auch eine Verschiebung oder Translation des aufgestrahlten Lichtbündels relativ zur Bezugsachse zu einem Errechnen der Zuordnung der hierbei erfaßten Reflexbilder zu einzelnen Oberflächen genutzt werden. Die wird dabei Bezugsachse durch Drehung des Prüflings um eine hochpräzise Drehachse festgelegt.

Claims

Verfahren zur Messung optischer Oberflächen innerhalb einer mehrlinsigen Anordnung mit einem lichtabgebenden und lichtempfangenden Meßkopf mit den Schritten – Aufstrahlen eines auf einen Teilbereich der zu untersuchende Linsenoberfläche fallenden von der Linsenoberfläche wenigstens in geringem Maße reflektierten Lichtbündels unter Drehung eines Prüflings über wenigstens ein definiertes Kreissegment, – Erfassen der zurückgeworfenen Strahlungsenergie auf einem zweidimenionalen Sensor unter ortsaufgelöster Abspeicherung der gemessenen Werte, – Errechnen eines Justierfehlers für die jeweils untersuchte Fläche unter rechnerischer Berücksichtigung der abbildenden Eigenschaften vorgelagerter Linsen, die von Einstrahllicht und zurückgeworfenem Licht passiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Justierfehlern eine optimale optischen Achse der mehrlinsigen Anordnung und Korrekturwerte für alle Oberflächen in Bezug auf diese optimale optische Achse errechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung des Einstrahllichts auf eine im Inneren einer mehrlinsigen Anordnung befindliche Linse mit einem Autokollimator unter Beachtung der abbildenden Eigenschaften einer oder mehrerer zuvor durchlaufender Linsen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch gleichzeitiges Aufstrahlen und Erfassen je eines Lichtbündels von jeder Seite des mehrlinsigen Prüflings.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Steuern einer Neigung oder Translation des aufgestrahlten Lichtbündels relativ zur Bezugsachse und Errechnen einer Zuordnung der hierbei erfaßten Reflexbilder zu einzelnen Oberflächen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsachse durch Drehung des Prüflings um eine hochpräzise Drehachse festgelegt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine manuelle oder maschinelle Justage einer innen liegenden Linsenoberfläche unter Nutzung der Korrekturwerte während der Messung erfolgt.