DE102005013755C5

DE102005013755C5 - Verfahren zur Herstellung von Systemen zusammengesetzter Linsen

Info

Publication number: DE102005013755C5
Application number: DE200510013755
Authority: DE
Inventors: Josef Heinisch; Dr. Krey Stefan; Eugen Dumitrescu
Original assignee: Trioptics GmbH
Current assignee: Trioptics GmbH
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2025-03-23
Also published as: DE102005013755A1; DE102005013755B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Systemen zusammengesetzter Linsen unter Errechnen der Zentrierfehler, mit den Schritten:
a) Einsetzen einer ersten Linse in eine lagernde Halterung ohne dass die erste Linse bei diesem Schritt oder zu einem späteren Zeitpunkt relativ zum Bezugskoordinatensystem justiert wird,
b) Erfassen des Krümmungsmittelpunktes der obersten Sphäre der ersten Linse,
c) Bestimmen der exakten Lage des Krümmungsmittelpunktes der obersten Sphäre der ersten Linse zum Bezugskoordinatensystem,
d) Erfassen des Krümmungsmittelpunktes der untersten Sphäre der ersten Linse,
e) Bestimmen der exakten Lage des Krümmungsmittelpunktes der untersten Sphäre der ersten Linse zum Bezugskoordinatensystem;
f) Rechnerische Bestimmung der optischen Achse der ersten Linse im Bezugskoordinatensystem,
g) Aufsetzen einer weiteren Linse nach Auftrag des Klebstoffs auf wenigstens eine der Linsenoberflächen,
h) Erfassen des Krümmungsmittelpunktes der äußersten Sphäre der weiteren Linse und Bestimmung der Lage des Krümmungsmittelpunktes der äußersten Sphäre, und
i) Einjustieren der weiteren Linse...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Systemen zusammengesetzter Linsen mit den Merkmalen des Oberbegriffs.
Nach dem Stand der Technik werden zur Erhöhung der Abbildungsqualität in optischen Geräten Objektive verwendet, die aus vielen optischen Komponenten zusammengesetzt sind. Hierzu gehören auch die Achromate wie z. B. die Dubletts oder Tripletts. Bei der Herstellung von Dubletts oder Tripletts werden zwei bzw. drei Linsenelemente flächig miteinander verkittet. So hat z. B. eine Linse eine konkave Fläche mit dem Radius R und die zweite beteiligte Linse hat eine konvexe Fläche mit exakt dem gleichen Radius R.
Beide Flächen können ineinandergefügt und mit einem Klebstoff verkittet werden. Dies ist in der 2 beispielhaft dargestellt. Dabei bezeichnet Bezugszeichen 22 eine Linse mit den Radien R1 und R2 (konvex), Bezugszeichen 24 eine Linse mit den Radien R2 (konkav) und R3 (konvex) und Bezugszeichen 26 eine Kittfläche mit gleichmäßig verteiltem UV-härtendem Kleber.
Das Verkitten von zwei Linsen geschieht typischerweise, wie etwa aus der AT 005 793 U1 , DD 275 327 A1 , DD 234 501 A1 oder DD 142 824 A bekannt, in folgender Weise:

1) Eine Linse wird auf einen Halter gebracht. Dies kann eine Ringschneide oder ein Dreibackenspannfutter oder ähnliches sein.
2) Diese erste Linse wird zu einer vorgegebenen Bezugsachse justiert. Hierzu wird die Linse auf der Halterung (z. B. Ringschneide) gekippt und geschoben, bis die beiden Krümmungsmittelpunkte der Linse auf der Bezugsachse sind. Im Falle eines Dreibackenfutters ist eine Justage der Linse nicht möglich. In diesem Fall muss die Annahme gemacht werden, dass die Zylinderachse, die durch den Linsenrand gegeben ist, mit der Bezugsachse zusammenfällt.
3) Es wird Kitt auf die obere Sphäre der ersten Linse aufgetragen.
4) Eine zweite Linse wird auf die erste Linse aufgesetzt und der Kleber durch Andrücken und Bewegen der zweiten oberen Linse soweit verteilt, dass er über die gesamte Fläche einen gleichmäßig dünnen Film bildet.
5) Die obere Linse wird zur Bezugsachse ausgerichtet.
6) Der Klebstoff (z. B. ein UV-härtender Kleber) wird ausgehärtet.

Der entscheidende Punkt für die Qualität eines Achromaten ist die Ausrichtung der einzelnen Linsenelemente zueinander. Idealerweise liegen die Krümmungsmittelpunkte aller beteiligten Flächen exakt auf einer Linie. Dies erreicht man durch folgende Strategien:

1) Wenn man davon ausgeht, dass das Zentrum des Linsenumfangs in einem erlaubten Rahmen auf der optischen Achse liegt, dann kann der Linsenumfang als Referenz zum Ausrichten der Linsen genutzt werden. So können z. B. die einzelnen Linsen in eine gemeinsame Fassung gesetzt werden. Der Durchmesser der Fassung muss dem Durchmesser der beiden Linsen entsprechen.
2) Zur Erreichung höherer Genauigkeiten werden die einzelnen Krümmungsmittelpunkte aller beteiligten Flächen auf eine gemeinsame Achse ausgerichtet. Die Achse kann durch eine Achse gegeben sein, die durch das Messsystem oder durch eine hochpräzise Spannvorrichtung definiert wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, dieses Verfahren des Zusammensetzen entscheidend zu verbessern und zu vereinfachen. Gelöst wird dies durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungen wieder.
Hauptbestandteil des neuen Verfahrens ist die Bestimmung der individuellen Zentrierfehler der zusammenzusetzenden Linsen und Nutzung der so gewonnenen Daten zum einfachen, präzisen Ausrichten des Linsensystems. Im Folgenden wird daher der Begriff des Bezugskoordinatensystems und des Zentrierfehlers erläutert und die eingesetzten Messverfahren werden beschrieben.
Definition des Bezugskoordinatensystems
Das Bezugskoordinatensystem im vorgeschlagenen Gerät ist ein kartesisches Koordinatensystem.

• Die Z-Achse des Koordinatensystems ist identisch mit der Drehachse des Drehtisches mit dem Prüflingshalter.
• Die X- und Y-Achse liegen in der Tischebene des Drehtisches.
• Die Wahl der X- bzw. Y-Achse ist frei und muss daher einmalig festgelegt werden. (Typischerweise wird eine der beiden Achsen parallel zum verwendeten 2-D-Sensor z. B. CCD-Kamera gelegt, siehe unten).

Definition des Zentrierfehlers einer einzelnen sphärischen Fläche
Man spricht von einem Zentrierfehler, wenn eine sphärische Fläche zu einer festgelegten Bezugsachse verkippt ist (siehe 3). Bestimmt wird der Zentrierfehler durch den Winkel zwischen der Bezugsachse und der Flächennormalen, die im Durchstoßungspunkt der Bezugsachse auf der Sphäre entspringt (Dieser Winkel wird Flächenkippwinkel genannt). Alternativ kann auch der Abstand zwischen dem Krümmungsmittelpunkt und der Bezugsachse zur Angabe des Zentrierfehlers verwendet werden. Aus dieser Messgröße wird der Flächenkippwinkel bestimmt durch: Flächenkippwinkel = Gemessener Abstand / Radius der Sphäre
In 3 wird dies anhand einer Zeichnung verdeutlicht, bei der die Krümmungsmittelpunkte der Sphäre mit Bezugszeichen 30, die Bezugsachse (z. B. Drehachse oder Zentrum der Randbearbeitung) mit 32; die sphärische Oberfläche mit 34; der Flächenkippwinkel mit 36 und der Abstand zwischen Krümmungsmittelpunkt und Bezugsachse mit 38 bezeichnet ist.
Die Bezugsachse kann sehr unterschiedlich festgelegt sein. Grundsätzlich kann es jede beliebige Achse im Raum sein. Bei einem beispielhaften Messsystem ist diese Bezugsachse durch die Rotationsachse des Prüflingstisches festgelegt. Bei anderen Messystemen ist die Bezugsachse durch eine Gerade gegeben, die durch das Zentrum der zylindrischen Randbearbeitung und den Krümmungsmittelpunkt einer weiteren Sphäre bestimmt wird.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird nicht nur der Abstand zur Bezugsachse, sondern zusätzlich die exakte Position des Krümmungsmittelpunktes zum Bezugskoordinatensystem ermittelt. D. h., es wird die x- und y-Komponente dieser Position im Bezugskoordinatensystem bestimmt.
Definition der optischen Achse einer Linse
Die optische Achse einer Linse ist definiert durch eine Gerade, die durch die Krümmungsmittelpunkte der beiden beteiligten Sphären gelegt wird. Sie ist unabhängig von der Randbearbeitung. In 4 ist die optische Achse durch Bezugszeichen 40, die sphärische Oberfläche Nr. 1 durch Bezugszeichen 42, die sphärische Oberfläche Nr. 2 durch Bezugszeichen 44, der Krümmungsmittelpunkt von Fläche 1 durch 46 und der Krümmungsmittelpunkt von Fläche 2 durch 48 bezeichnet.
Der Zentrierfehler einer Linse
Der Zentrierfehler einer Linse ist dann gegeben durch die Lage der optischen Achse zu einer beliebigen Bezugsachse. Eine Linse kann als optisches Teilsystem (vgl. ISO 10110-6) betrachtet werden. Zur vollständigen Beschreibung des Zentrierfehlers wird noch die Definition eines Bezugspunktes benötigt. Dies ist ein bestimmter Punkt auf der Bezugsachse des Teilsystems (z. B. kann dies der Durchstoßungspunkt der Bezugsachse durch eine der beteiligten optischen Flächen sein).
5 zeigt eine schematische Darstellung in der die Bezugsachse des Teilsystems (hier: die optische Achse der Linse) mit Bezugszeichen 50, der Bezugspunkt des Teilsystems mit Bezugszeichen 52, der seitliche Versatz zwischen der Bezugsachse und dem optischen Teilsystem mit 54, der Winkel zwischen der Bezugsachse und dem optischen Teilsystem mit 56 und die Bezugsachse selbst mit 58 bezeichnet ist.
Neue Strategie
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun auf eine exakte Ausrichtung aller Linsen auf eine gemeinsame Systembezugsachse verzichtet. Auch die aufwändige Justage der ersten Linse auf die Systembezugsachse und die damit verbundenen Justagefehler entfallen. Stattdessen wird in einem ersten Schritt der Zentrierzustand der ersten Linse exakt ermittelt. Aus dem Zentrierzustand der beiden Sphären, kann bei Kenntnis der Designparameter der Linse, die Lage der optischen Achse dieser Linse im Bezug zum Messsystem sehr genau im Raum ermittelt werden.
Schließlich wird die zweite Linse, die auf die erste gekittet wird, auf diese Achse hin ausgerichtet und ausgehärtet. Dies ist der entscheidende Punkt bei dem neuen Verfahren:
Die Achse, auf welche die einzelnen Linsenelemente ausgerichtet werden, liegt für jedes individuelle Werkstück vollkommen anders im Raum und wird vor dem Verkitten durch ein Messverfahren exakt ermittelt. Es erfolgt keine weitere Justage der ersten Linse.
Dieses Verfahren bietet entscheidende Vorteile:

1. Nur ein Krümmungsmittelpunkt (die zweite Linse) muss justiert werden. Die erste Linse muss nicht justiert werden. Dies reduziert Zeit und Kosten.
2. Die Randbearbeitung der einzelnen Linsen spielt keine Rolle bei dem Verkitten.
3. Die erste Linse wird fest in eine einfache Spannvorrichtung gesetzt. Während des gesamten Vorgangs kommt es zu keinen Relativbewegungen zwischen dieser Linse und der Halterung. D. h. die Gefahr von Kratzern ist deutlich reduziert gegenüber Verfahren, bei denen diese Linse z. B. auf einem Ring gedreht wird.
4. Da nur eine Linse justiert wird, werden deutlich weniger bewegliche Komponenten benötigt, als bei herkömmlichen Kittgeräten. Damit ist der Gesamtaufbau stabiler und erlaubt eine höhere Präzision beim Kitten.
5. Da ein PC mit Bildverarbeitungssoftware verwendet werden muss, lassen sich deutlich höhere Genauigkeiten bei der Bestimmung des Zentrierfehlers und bei der Justage der zweiten Linse erreichen.
6. Jede Justage einzelner Komponenten bringt Fehler mit sich. Da in dem hier vorgestellten Verfahren nur eine Fläche justiert wird, können höhere Genauigkeiten gegenüber den bisher üblichen Verfahren erreicht werden.
7. Es wird keine Vorjustage von mechanischen Komponenten der Kittvorrichtung benötigt.

Wichtig für dieses Verfahren ist die vorherige Erfassung der individuellen Zentrierfehler wie obig beschrieben. Im Folgenden werden die eingesetzten Messverfahren und Maßapparaturen beschrieben. Dabei zeigt:
1 schematisch die nichtjustierte optische Achse der ersten Linse,
2 schematisch zwei verkittete Linsen,
3 die den Zentrierfehler definierenden Größen,
4 die den optische Achse einer Linse definierenden Größen,
5 die beiden Bezugssysteme bei der Definition der optischen Achsen,
6 u. 7 die Verhältnisse beim erfindungsgemäßen Vorgehen,
8 die Verhältnisse beim Berechnen der Sollposition,
9 den Meßkopf,
10 die Benutzung des Meßkopfes, und
11 die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung.
Die in der 6 dargestellte Messung des Zentrierfehlers einer einzelnen sphärischen Fläche wird zunächst wie folgt erreicht:
Ein Autokollimator wird mit vorgesetzter Optik (zusätzliche Linse) auf einer Linearführung entlang einer Achse geführt, die in etwa mit der Bezugsachse zusammenfällt. Das Licht des Autokollimators wird durch die zusätzliche Linse in einem Fokus gebündelt. Der Autokollimator wird soweit auf den Prüfling abgesenkt, bis sich der Fokus in der Ebene des Krümmungsmittelpunktes befindet. In diesem Fall trifft das Licht nahezu senkrecht auf die zu untersuchende Fläche. Einfallendes Licht wird durch eine gepunktete Linie dargestellt.
Ein Teil des Lichts wird von der untersuchten Fläche reflektiert und läuft bei senkrechter Inzidenz wieder über den Weg zurück, über den es zuvor eingefallen ist. Im Autokollimator wird ein Autokollimatonsbild der Strichplattenstruktur sichtbar. Wird die zu untersuchende Sphäre etwas um die Bezugsachse gekippt, so werden auch die Strahlen, die reflektiert werden (durchgezogene Linie), um den doppelten Betrag verkippt und das dazugehörende Autokollimationsbild verschiebt sich in der Ebene der CCD.
Ist der Prüfling perfekt zur Bezugsachse ausgerichtet, treffen die einzelnen Lichtstrahlen immer unter dem selben Winkel auf die Oberfläche. D. h. auch bei Drehung des Prüflings um die Bezugsachse wird das Bild auf der CCD auf der selben Stelle erscheinen.
Der Durchmesser eines so genannten Zentrierschlags und somit der gemessene Zentrierfehler ist Null. Ist die Prüflingsfläche verkippt, so wird auch das Autokollimationsbild bei Drehung des Prüflings einen Kreis auf der CCD beschreiben. Der Durchmesser des Kreises ist direkt proportional zum Flächenkippfehler der sphärischen Fläche. Das Zentrum des beobachten Kreises entspricht dem Zentrierfehler Null.
Im Beispiel von 6 ist der gemessene Zentrierfehler 62 nach dem Ausrichten der aufzukittenden Linse 60 größer, dafür ist sein Krümmungsmittelpunkt 64 nun auf der Achse.
Da die Auswertung des Kreises automatisch über eine Software erfolgt, ist eine exakte Justage der Autokollimationsoptik und auch eine exakte Führung des Autokollimators nicht notwendig. Man muss lediglich sicherstellen, dass sich der Messkopf innerhalb des Messbereichs parallel zur Bezugsachse bewegt, damit das reflektierte Bild im Sichtbereich der Kamera liegt. Entscheidend für die Messung ist, dass die Drehachse sehr stabil im Raum steht (Radialschlag z. B. kleiner als 1 μm) und dass der Drehtisch nach einer Drehung exakt an derselben Azimutposition stoppt (Genauigkeit z. B. 1 Winkelminute).
Nach einer Drehung des Prüflings liefert das Zentrum des gemessenen Zentrierkreises den Nullpunkt des Koordinatensystems. Wird der Drehtisch des Prüflings immer in derselben Azimutposition nach erfolgter Drehung gestoppt, so zeigt die letzte Position des Autokollimationsbildes die x bzw. y Komponente des Krümmungsmittelpunktes im Bezugskoordinatensystem an.
Messung des Zentrierfehlers einer einzelnen Linse (bestehend aus zwei sphärischen Flächen)
Dieses Verfahren verläuft, analog zur Messung einer einzelnen Sphäre. In diesem Fall wird die obere Sphäre von einem Autokollimator, der von oben herangeführt wird, angetastet und die untere Sphäre wird von einem Autokollimator angetastet, der von unten herangeführt wird. Der Prüfling wird in Drehung versetzt und der Zentrierfehler der beiden Flächen wird simultan von beiden Autokollimatoren erfasst und ausgewertet.
Auch hier gilt: Es wird keine Präzision bei der Justage der beiden Autokollimatoren und der Vorsatzoptiken zueinander benötigt. Durch einmalige Justage (im Werk) muß lediglich gewährleistet werden, dass beide Autokollimatoren in der Lage sind, das Reflexbild innerhalb des erwarteten Messbereiches einzufangen.
Nach einer Drehung wird der Drehtisch immer exakt in derselben Azimutposition gestoppt. Aus dem Durchmesser der beobachteten Zentrierkreise wird der Betrag des Zentrierfehlers der einzelnen Flächen ermittelt. Aus der Position des Lichtzeigers auf dem Zentrierkreis wird die Richtung der Kippung ermittelt.
Es besteht auch die Möglichkeit den Zentrierzustand der beiden Sphären mit einem einzelnen Autokollimator nur von einer Seite zu bestimmen. In diesem Fall wird zunächst der Zentrierfehler der ersten Fläche bestimmt (wie oben beschrieben). In einem zweiten Schritt wird durch die erste Fläche hindurch auf den Krümmungsmittelpunkt der zweiten Sphäre fokussiert. Die Messung des Zentrierfehlers ist nun verfälscht durch die Brechung an der ersten Fläche und durch den Zentrierfehler der ersten Fläche. Da die Designdaten der Linse und der Zentrierfehler der ersten Fläche bekannt sind, kann der tatsächliche Zentrierzustand der zweiten Fläche jedoch errechnet werden.
Das erfindungsgemäße Zusammensetzen
Ablauf des Verfahrens:

1. Einsetzen der ersten Linse in eine feste Halterung. Die erste Linse wird in eine zentrierende Halterung auf den Drehtisch gesetzt. Es wird auf eine präzise Justierung der ersten Linse verzichtet. Es ist eine sehr grobe Vorzentrierung notwendig. Diese kann deutlich über den Toleranzen des Endprodukts liegen. Es muss nur gewährleistet werden, dass die erste Linse einmal gefasst, ihren Zentrierzustand während des gesamten Verfahrens nicht mehr verändert.
2. Der Autokollimator wird in den Krümmungsmittelpunkt der obersten Sphäre der ersten Linse fokussiert. Es wird die exakte Lage des Krümmungsmittelpunktes im Bezugskoordinatensystem bestimmt. Hierzu wird der Drehtisch um einen festen Winkel gedreht und die Bewegung des Krümmungsmittelpunktes wird ermittelt. Typischerweise erfolgt die Drehung über 360°. Es sind aber auch andere fest definierte Kreissegemente möglich (z. B. 180°).
3. Gleichzeitig wird die untere Sphäre von einem weiteren Autokollimator von unten angetastet und der Zentrierfehler der unteren Sphäre wird ebenfalls bestimmt. Alternativ kann der Zentrierzustand der unteren Sphäre auch durch den ersten Autokollimator bestimmt werden (s. o.).
4. Berechnung der Lage der optischen Achse der Linse. Aus den gemessenen Lagen der Krümmungsmittelpunkte wird die Lage der optischen Achse im Raum ermittelt. (Der Abstand der beiden Krümmungsmittelpunkte wird rein rechnerisch ermittelt. Eine genaue Bestimmung des Abstandes ist nicht zwingend erforderlich.)
5. Aufbringen des Klebstoffs Mit einer Kanüle wird UV-härtender Klebstoff auf die untere Linsenoberfläche gebracht.
6. Aufbringen der zweiten Linsen und Verteilen des Klebstoffs Die obere Linse wird aufgesetzt und so bewegt, dass sich der Klebstoff gleichmäßig zwischen den beiden Linsen verteilt.
7. Bestimmung des Zentrierzustandes der obersten Sphäre der zweiten Linse Der Autokollimator wird so eingestellt, dass er in den Krümmungsmittelpunkt der obersten Sphäre der zweiten Linse fokussiert. Der Drehtisch wird in Drehung versetzt und so die Lage des Krümmungsmittelpunktes zum Bezugskoordinatensystem bestimmt.
8. Manuell oder automatisch (durch elektrische Aktuatoren) kann nun die zweite Linse auf die zuvor berechnete Achse der ersten Linse ausgerichtet werden. Die Solllage des Zentrierfehlers wird durch die Software berechnet und graphisch im Videobild dargestellt. Es muss lediglich der Zentrierzustand der äußersten Sphäre der zweiten Linse justiert werden. Der Krümmungsmittelpunkt der inneren Sphäre der zweiten Linse braucht nicht berücksichtigt werden. Da die innere Sphäre der zweiten Linse im direkten mechanischen Kontakt mit der ersten Linse steht, wird der Krümmungsmittelpunkt dieser Sphäre mechanisch auf die optische Achse der ersten Linse gezwungen.

6 und 7 zeigen dies schematisch vor (6) und nach (7) dem Ausrichten der obersten Linse. In 1 sind die gemessenen Zentrierfehler 10 von Sphäre 2 (oben) und von Sphäre 1 (Zentrierfehler 12, unten) als Abstand von der Bezugsachse 14 dargestellt. Der Abstand der beiden Krümmungsmittelpunkte 16 ist rechnerisch aus den Designdaten ermittelt.
Zur Verdeutlichung ist nun in 6 und 7 der Zentrierfehler der obersten Sphäre zum Bezugskoordinatensystem dargestellt. In diesem speziellen Beispiel ist der Zentrierfehler der Linse nach der Justage deutlich größer ist als vor der Justage. Trotzdem ist der Zentrierfehler der zweiten Linse bezogen auf die optische Achse der ersten Linse (hier eine Bikonvexlinse) minimiert.
Die aufzukittende Linse trägt das Bezugszeichen 60, der Krümmungsmittelpunkt der obersten Sphäre Bezugszeichen 64 und der gemessene Zentrierfehler Bezugszeichen 62.
Berechnung der Sollposition
Zur Berechnung der Sollposition ist zunächst eine Konvention zu treffen: Das Koordinatensystem wird durch ein x-y-z-Dreibein aufgespannt. Die z-Achse fällt mit der Drehachse (Bezugsachse) des Systems zusammen und zeigt nach unten. Der Nullpunkt des Koordinatensystems ist gegeben durch den Schnittpunkt der z-Achse mit der obersten Fläche der ersten Linse.
In 8 ist die Bezugsachse (Drehachse) mit Bezugszeichen 80 bezeichnet und der Nullpunkt des Koordinatensystems (die Y-Achse zeigt aus der Papierebene auf den Betrachter) mit 82.
Radien in positiver z-Richtung werden positiv gezählt. D. h. bei einer bikonvexen-Linse wird die oberste Fläche mit einem positiven Radius bewertet und die untere Fläche mit einem negativen Wert. Mittendicken werden immer positiv angegeben.
Die Lage der einzelnen Krümmungsmittelpunkte ist durch die Vektoren R ₁, R ₂ und R ₃ gegeben, wobei R ₁ = (x₁, y₁, R₁) mit x₁, y₁ als gemessenem Zentrierfehler der Fläche 1 und R₁ als dem Betrag des Radius (Designwert).
Weiter ist R ₂ = (x₂, y₂, D₁ + R₂) mit x₂, y₂ als gemessenem Zentrierfehler von Fläche 2, R₂ als dem Betrag des Radius (Designwert) und D₁ als der Mittendicke der ersten Linse.
Mit diesen Definitionen kann die Lage der optischen Achse wie folgt angegeben werden: optische Achse = R₁ + α(R ₂ – R ₁) mit α als einer reellen Zahl.
Die Solllage des Krümmungsmittelpunktes der obersten Fläche der zweiten Linse (R3) ergibt sich hieraus als: R ₃ = (x₁ + α_S(x₂ – x₁), y₁ + α_S(y₂ – y₁), R₃ – D₂) mit α_S = (R₃ – R₁ – D₂)/(R₂ – R₁ + D₁).
Entscheidend für die Justage sind die x und y-Komponenten von R ₃. Die gemessenen Zentrierfehler müssen dieser Formel entsprechen, dann ist der Krümmungsmittelpunkt der auf zu kittenden Linse auf der optischen Achse. Dabei werden die Z-Werte von R₁ und R₂ ausschließlich aus den Designwerten der Prüflinge abgenommen. Tatsächlich müssten für eine exakte Berechnung der z-Werte auch die tatsächlichen Radien, Mittendicken sowie die gemessenen Zentrierfehler in die Betrachtung mit aufgenommen werden. Es zeigt sich jedoch, dass die Fehler, die durch diese Vereinfachung gemacht werden, vernachlässigbar klein sind. Für höchste Genauigkeitsanforderungen können diese jedoch mit berücksichtigt werden. Dies erfordert jedoch die Vermessung der jeweiligen Parameter einer individuellen Linse vor jedem Kittprozess.
Messkopf zur Bestimmung des Zentrierfehlers
Zur Zentrierfehlermessung wird ein Autokollimationskopf mit 2-D Sensor und mit fokussierender Optik verwendet. Als Lichtquelle können inkohärente, oder kohärente Lichtquellen (Laser) eingesetzt werden. Die Lichtquelle beleuchtet eine Strichplatte (z. B. ein helles Fadenkreuz auf nicht transparentem Grund, oder ein Nadelloch (engl. einhole)). Das Licht wird dabei über einen Strahlteiler um 90° umgelenkt in die Richtung des Objektivs.
In 9 wird der Autokollimationskopf mit 2-D-Sensor (hier Kamerachip) 70, Strahlteilerplatte 72, beleuchteter Strichplatte 76, Objektivlinse 74 und einer zusätzlichen Linse 78 zum Fokussieren dargestellt. Der 2-D Sensor ist präzise positioniert in der Bildebene des Autokollimatorobjektives.
Auch die Strichplatte 76 ist nun genau im Fokus des Objektivs 74 positioniert. D. h. aus dem Autokollimator tritt ein paralleles Strahlenbündel heraus. Wird vor dem Autokollimator ein Spiegel positioniert, so wird das Licht in den Autokollimator reflektiert. Das Licht tritt parallel auf das Objektiv 14 und wird durch das Objektiv wieder in den Brennpunkt fokussiert. Um das Bild des Fokus aufnehmen zu können, wird dieses Mal das Licht genutzt, das geradeaus durch den Strahlteiler 72 verläuft. In der Fokusebene wird ein Kamerachip 70 positioniert. Vor den Autokollimator kann eine zusätzliche Optik 78 montiert werden, die wieder das aus dem Autokollimator austretende Licht fokussiert. Alternativ zum CCD-Chip können auch andere 2-D-sensitive Sensoren z. B. ein PSD-Sensor oder ein CMOS-Chip verwendet werden.
Aufbau der Kittstation
Der gesamte Aufbau ist auf einem Tisch 51 montiert, wie in 11 dargestellt. Der obere Messkopf einschließlich Linearführung 66 ist über dem Tisch montiert und der untere Messkopf mit Linearführung 68 befindet sich unter dem Tisch. Der Präzisionsdrehtisch 84 befindet sich auf dem Tisch 51. Der Drehtisch 84 und der Tisch 51 verfügen über eine Durchgangsbohrung, so dass der Prüfling auch von unten mit dem unteren Messkopf optisch angetastet werden kann. Zur Vorzentrierung befindet sich auf dem Drehtisch ein Dreibackenfutter. Das Dreibackenfutter ist fest mit dem Rotor des Drehtisches verbunden und stellt die Vorzentrierung der unteren Linse sicher. Es stellt ebenfalls sicher, dass der Zentrierzustand der unteren Linse während der gesamten Prozedur unverändert bleibt.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Systemen zusammengesetzter Linsen unter Errechnen der Zentrierfehler, mit den Schritten: a) Einsetzen einer ersten Linse in eine lagernde Halterung ohne dass die erste Linse bei diesem Schritt oder zu einem späteren Zeitpunkt relativ zum Bezugskoordinatensystem justiert wird, b) Erfassen des Krümmungsmittelpunktes der obersten Sphäre der ersten Linse, c) Bestimmen der exakten Lage des Krümmungsmittelpunktes der obersten Sphäre der ersten Linse zum Bezugskoordinatensystem, d) Erfassen des Krümmungsmittelpunktes der untersten Sphäre der ersten Linse, e) Bestimmen der exakten Lage des Krümmungsmittelpunktes der untersten Sphäre der ersten Linse zum Bezugskoordinatensystem; f) Rechnerische Bestimmung der optischen Achse der ersten Linse im Bezugskoordinatensystem, g) Aufsetzen einer weiteren Linse nach Auftrag des Klebstoffs auf wenigstens eine der Linsenoberflächen, h) Erfassen des Krümmungsmittelpunktes der äußersten Sphäre der weiteren Linse und Bestimmung der Lage des Krümmungsmittelpunktes der äußersten Sphäre, und i) Einjustieren der weiteren Linse auf die errechnete optische Achse der ersten Linse und Aushärten des Klebstoffes.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichten einer weiteren Linse mit erneutem Ausführen der Schritte g) bis h).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch rechnerische Bestimmung der exakten Lage des Krümmungsmittelpunktes der obersten Sphäre der weiteren Linse zum Bezugskoordinatensystem in Schritt g).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Drehen eines Drehtisches um einen festen Winkel und Erfassen der Bewegung des Krümmungsmittelpunktes der jeweils außen liegenden Sphäre der letzten Linse zum Bezugskoordinatensystem in Schritt d).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Justieren auf die Solllage in Schritt h) in Bezug zur optische Achse definiert durch R ₁ + α(R ₂ – R ₁) mit α als einer reellen Zahl durch Bestimmen der Solllage des Krümmungsmittelpunktes der obersten Fläche der zweiten Linse (R3) durch Auflösen der Gleichung: R ₃ = (x₁ + α_S(x₂ – x₁), y₁ + α_S(y₂ – y₁), R₃ – D₂) mit α_S = (R₃ – R₁ – D₂)/(R₂ – R₁ + D₁) in Bezug auf die x und y-Komponente von R ₃ erfolgt, wobei R ₁ = (x₁, y₁, R₁) und R ₂ = (x₂, y₂, D₁ + R₂) ist, mit x₁, y₁ als gemessenem Zentrierfehler der oberen Sphäre der ersten Linse und R₁ als dem Betrag des Radius der oberen Sphäre der ersten Linse, x₂, y₂ als gemessenem Zentrierfehler der unteren Sphäre der ersten Linse und R₂ als dem Betrag des Radius der unteren Sphäre der ersten Linse, D₁ als Mittendicke der ersten Linse, D₂ als Mittendicke der zweiten Linse, und R₃ als dem Betrag des Radius der oberen Sphäre der zweiten Linse ist.