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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit der Messung von Ausrichtsystemen mit mehreren im Strahlengang hintereinander angeordneten Messebenen. Die Verwendung von mindestens zwei Messebenen ermöglicht es, nicht nur den Auftreffpunkt eines Lichtstrahls zu bestimmen, sondern auch die Richtung, aus der dieser Lichtstrahl auf den Detektor mit diesen Messebenen trifft.
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Solche Messsysteme sind aus der
DE 38 14 466 A1 bekannt. Da für diese Messsysteme kaum lichtdurchlässige Detektoren zur Verfügung stehen, werden Strahlteiler in Form teildurchlässiger Spiegel verwendet, deren Beschichtung häufig auf der Diagonalfläche eines Würfels aus Glas aufgebracht wird. Diese Würfel werden durch Verkitten zweier Prismen mit dem Querschnitt eines gleichschenklig-rechtwinkligen Dreiecks gebildet. Solche Strahlteilerwürfel sind aber teuer zu fertigen. Deshalb wird oft nur eine Glasplatte teilverspiegelt. Es werden oft Linsen in das Gehäuse des Ausrichtdetektors eingebracht. Als Detektoren kommen eindimensional oder zweidimensional auslesbare fotosensitive Dioden (PSD) zum Einsatz. Auch Arrays auf CMOS- oder CCD-Basis werden verwendet. Mit zweidimensional auslesbaren Detektoren können natürlich mehr Freiheitsgrade von Fehlausrichtungen berechnet werden.
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Die Genauigkeit solcher Messsysteme ist aber begrenzt durch systematische Abbildungsfehler, insbesondere den Öffnungsfehler und die daraus resultierenden Fehler wie sphärische Aberration, Astigmatismus und Koma, und durch nichtsystematische Abbildungsfehler, wie Reflexionen an optisch aktiven Flächen, Fertigungstoleranzen und Formfehler. Diese Abbildungsfehler haben einen besonders starken Effekt, wenn der Lichtstrahl nicht nahe an der optischen Achse des Systems verläuft, sondern weit von dieser entfernt, oder wenn der Lichtstrahl einen Winkel zur optischen Achse des Systems einschließt. Wird ein größerer Detektor verwendet, um auch größere Versätze messen zu können, steigt der Einfluss der Abbildungsfehler.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Genauigkeit der genannten Messsysteme zu erhöhen und den Einfluss der Abbildungsfehler zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein mathematisches Verfahren zur Berücksichtigung systematischer Abbildungsfehler in Form einer Rücktransformation der Lichtstrahlen von den Auftreffpunkten auf den jeweiligen Messebenen zurück zur Lichtquelle, wie es im Anspruch 1 dargestellt wird. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Herkömmliche Computerprogramme zur Berechnung der Strahlengänge optischer Systeme sind nicht zur Lösung dieser Aufgabe geeignet, da sie nur eine Bildebene berücksichtigen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der
1 und
2 beschrieben. In
1 zum Stand der Technik, wie er in der
DE 38 14 466 dargestellt ist, ist schematisch eine Lichtquelle
1 dargestellt, die einen Lichtstrahl
2 aussendet. Als Lichtquelle werden oft Laserdioden oder LEDs verwendet. Diese Lichtquelle befindet sich in einem nicht gezeigten Gehäuse, das an einem Objekt befestigt ist, dessen Ausrichtszustand bestimmt werden soll. An einem weiteren Objekt oder an einer anderen Stelle desselben Objekts ist ein weiteres nicht gezeigtes Gehäuse angebracht, in dem die beiden Detektoren
10 und
11 im Strahlengang hintereinander angebracht sind. Da kaum lichtdurchlässige Detektoren zur Verfügung stehen, befindet sich im Strahlengang vor diesen beiden Detektoren ein Strahlteilerspiegel
12, von dem aus der fortlaufende Strahl
4 zum Detektor
10 gelangt und der reflektierte Strahl
3 zum Detektor
11 gespiegelt wird.
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Das die Detektoren 10 und 11 enthaltende Gehäuse ist an einem zweiten Objekt oder anderen Teil desselben Objekts angebracht, das über eine Bezugsachse 31 verfügt. Durch den Strahlteilerspiegel 12 entsteht eine virtuelle Bezugsachse 32. Das nicht gezeigte Gehäuse, das die Detektoren enthält, kann in der Nähe der Eintrittsöffnung eine strahlformende Optik 13 enthalten, die aus einer oder mehreren Linsen besteht. Nach dem Strahlteilerspiegel 12 können weitere strahlformende Optiken 14 und 15 vorgesehen sein, die ebenfalls aus Linsen oder Linsensystemen bestehen. Je nach Auslegung der Optiken 13 und 15 können verschiedene virtuelle Positionen 21 oder 23 des Detektors 11 im Verlauf des Lichtstrahls erreicht werden. Diese durch die Abbildungssysteme erzeugten virtuellen Positionen werden als Messebenen bezeichnet. Für die Figuren wird nun angenommen, dass dem Detektor 10 die Messebene 22 und dem Detektor 11 die Messebene 23 durch die jeweiligen Abbildungsoptiken zugeordnet ist.
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Mit dem Paar von Detektoren 10 und 11 kann nun anhand der Auftreffpunkte der Lichtstrahlen 41 und 42 auf den Detektoren 10 und 11 der Parallelversatz und der Winkelversatz bezüglich einer Bezugsachse 31 ermittelt werden. Die Darstellung in 1 ist für einen idealen Strahlverlauf gewählt. In der Realität wird es natürlich selten dazu kommen, dass die Auftreffpunkte 41 und 42 genau im Zentrum der Detektoren 10 und 11 zu liegen kommen.
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Andere Strahlverläufe, die sich bei nicht perfekter Ausrichtung ergeben, verlaufen in einem Abstand zur optischen Achse und unter einem Winkel zu dieser Achse. Der Verlauf eines solchen Strahls ist in 2 dargestellt. Hier verläuft nun der Lichtstrahl 2 entfernt von der optischen Achse. In der Optik an der Eintrittsöffnung wird dieser Strahl an mehreren Flächen gebrochen. Deshalb ist in 2 der Verlauf des Lichtstrahls 2 im Innern des Linsensystems 13 mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Im Strahlteiler 12 zweigt der nur symbolisch dargestellte Strahl 3 ab. Der Strahl 4 läuft weiter zum Detektor 10 und erreicht ihn bzw. seine Messebene 22 im Auftreffpunkt 41. Wenn der Strahlteilerspiegel 12 nur aus einer Glasplatte und nicht aus einem Strahlteilerwürfel besteht, entsteht ein Versatz des Lichtstrahls 4 gegenüber dem Lichtstrahl 2, wie in 2 dargestellt. Der am Strahlteilerspiegel 12 beginnende Strahl 3 erreicht den Detektor 11 bzw. seine Messebene 23 im Auftreffpunkt 42.
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Weiter ist in 2 ein Strahl 5 dargestellt, der durch das optische Zentrum des Linsensystems 13 verläuft. Am Strahlteilerspiegel 12 wird der Strahl 5 reflektiert und erreicht den Detektor 11 bzw. seine Messebene 23 im Auftreffpunkt 44. Der Strahl 6 verläuft, wenn als Strahlteiler eine Glasplatte verwendet wird, ebenfalls mit einem Versatz weiter zum Detektor 10 bzw. seiner Messebene 22 und erreicht ihn im Auftreffpunkt 43.
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Die Erfindung besteht nun darin, dass ausgehend von den Detektoren 10 und 11 und den darauf ermittelten Auftreffpunkten 41 und 42 der Lichtstrahlen 2 und 3 eine Berechnung des Strahlverlaufs rückwärts zur Lichtquelle 1 vorgenommen wird, wobei natürlich das Brechungsgesetz gilt. Vom Detektor 11 aus wird der Strahl 3 berechnet, der durch eine eventuell vorhandene Linse 15, die ja nur den Strahl 3 beeinflusst, zum Strahlteilerspiegel 12 zurückgelangt. Durch diesen Strahlteilerspiegel 12 werden zusammen mit einer gegebenenfalls vorhandenen Optik 15 auch ungleiche optische Verhältnisse der Lichtstrahlen zu den Detektoren 10 und 11 bewirkt. Außerdem wird erfindungsgemäß vom Detektor 10 aus der Strahlverlauf 4 durch die Linse 14 bis zum Strahlteilerspiegel 12 berechnet.
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Ausgehend vom Strahlteilerspiegel 12 wird nun für die beiden Lichtstrahlen 3 und 4 der Verlauf des Lichtstrahls 2 rückwärts zur Lichtquelle 1 berechnet. Bei dieser weiteren Rücktransformation der Auftreffpunkte ist der Verlauf des Lichtstrahls ausgehend vom Strahlteilerspiegel 12 durch die Eintrittslinse 13 rückwärts zur Lichtquelle 1 für beide Auftreffpunkte 41 und 42 ja identisch. Mit dieser Rücktransformation der Strahlen 2, 3 und 4 zur Lichtquelle 1 können nun neue Auftreffpunkte auf den Detektoren 10 und 11 berechnet werden, die sich von den gemessenen Auftreffpunkten unterscheiden, wenn bei der Rücktransformation Abbildungsfehler berücksichtigt werden.
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Eine solche Rücktransformation geht nicht notwendigerweise von der oft verwendeten Näherung dünner Linsen aus. Oben wurde beschrieben, dass für den Strahl 3 andere Verhältnisse gelten als für den Verlauf des Strahls 2 durch den Strahlteilerspiegel zum Detektor 10. Diese ungleichen optischen Verhältnisse für den Verlauf des Strahls 3 gegenüber dem weiteren Verlauf des Strahls 2 nach dem Strahlteilerspiegel 12 müssen bei der Rücktransformation berücksichtigt werden, indem aus dem weiteren Verlauf des Strahls 2 und im Verlauf des Strahls 3 ein gemeinsamer Strahl berechnet wird, der genau die beiden Auftreffpunkte 41 und 42 liefert, wobei natürlich die Abbildungsfehler der Linsensysteme 13, 14 und 15 berücksichtigt werden.
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Abschließend wird also aus beiden Strahlverläufen ein gemeinsamer Strahlverlauf errechnet, der andere Auftreffpunkte als die tatsächlich gemessenen liefern würde. Diese Änderung in der Lage der Auftreffpunkte ist auf Abbildungsfehler zurückzuführen. Nun können die gemessenen Auftreffpunkte korrigiert werden, und zwar um den Betrag, der durch Abbildungsfehler entsteht. So wird die Genauigkeit der Messung erhöht. Zusammen mit dem Abstand zwischen Lichtquelle und Detektor wird anschließend die Ausrichtung zwischen Lichtquelle und Detektor bzw. die Ausrichtung der Gegenstände, an denen Lichtquelle und Detektor angebracht sind, ermittelt. Durch die erfindungsgemäße Rücktransformation zweier Strahlen wird die Genauigkeit der Bestimmung dieses Ausrichtungzustands wesentlich erhöht.
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Bei nicht perfekten Strahlverläufen, wie sie für die einfallenden Strahlen 2 und 5 in 2 dargestellt sind, sind bei der Rücktransformation systematische Abbildungsfehler zu berücksichtigen, die durch den Abstand der Strahlen von der optischen Achse und den Winkel verursacht werden, den dieser Strahl mit der optischen Achse einschließt. Einige dieser systematischen Fehler werden als Öffnungsfehler bezeichnet.
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Bei der Rücktransformation werden also die Effekte verschiedener systematischer Abbildungsfehler berücksichtigt. Einer dieser Öffnungsfehler ist die bei sphärischen Linsen auftretende sphärische Aberration. Für schräg zur optischen Achse des Detektorgehäuses auftreffende Lichtstrahlen ist auch das Koma einzubeziehen. Ebenfalls bei schräg auftreffenden Strahlen kann zusätzlich der Astigmatismus berücksichtigt werden. Darüber hinaus können auch Bildfeldwölbung und Verzeichnung berücksichtigt werden. Bei weitgehend monochromatischen Halbleiterlasern oder Leuchtdioden spielen Farbfehler dagegen nur eine geringe Rolle.
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Entscheidend für die vorliegende Erfindung ist dabei, dass hier so viele Strahlen verwendet werden wie Detektoren und Messebenen vorhanden sind; ausgehend von den Auftreffpunkten der einzelnen Lichtstrahlen auf den Detektoren wird für jeden Strahl einzeln eine Rücktransformation des Strahlverlaufs zur Lichtquelle vorgenommen. Mit dieser Rücktransformation wird es möglich, eine Änderung für die gemessenen Auftreffpunkte zu berechnen, die Abbildungsfehler berücksichtigt.
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Für viele Anwendungen ist eine Detektorgröße von etwa 20 auf 20 mm2 nicht mehr ausreichend. Deshalb werden größere Detektoren verwendet. Dabei ist es auch erforderlich, größere Linsensysteme 13, 14, 15 zu verwenden. So steigt auch der Abstand des Lichtstrahls von der optischen Achse des Systems an. Durch diese Maßnahmen werden die Auswirkungen der oben beschriebenen systematischen Abbildungsfehler auf die Bestimmung der Auftreffpunkte auf den Detektoren 10 und 11 ebenfalls größer. Um nun die Genauigkeit der Bestimmung der Auftreffpunkte auf den Detektoren auch bei größeren Detektoren zu erhalten, ist es notwendig, unter Berücksichtigung der systematischen Abbildungsfehler eine Korrektur der gemessenen Auftreffpunkte über eine Rücktransformation des Lichtstrahls zu errechnen. Dabei wird laufend derjenige Eingangsstrahl in die Optik berechnet, der auf den beiden Detektoren die dort gemessenen x-y-Werte liefern würde.
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Wird als Detektor kein Array aus CCD- oder CMOS-Elementen verwendet, sondern eine fotosensitive Diode (PSD), so sind die an dieser Diode abgegriffenen Spannungen nicht notwendigerweise linear in Bezug auf den Abstand des Auftreffpunkts eines Lichtstrahls von einem Bezugspunkt auf der Fläche dieser Diode, zum Beispiel dem Mittelpunkt. Deshalb ist es sinnvoll, nach der Bestimmung des Auftreffpunkts auf der Diodenfläche eine Linearisierung der gemessenen Spannung, die ja einem Ort des Auftreffpunkts des Lichtstrahls entspricht, vorzunehmen. Eine solche Linearisierung kann durch Hinterlegung einer Tabelle von Werten oder durch ein Rechenverfahren erreicht werden.
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Es zeigt sich, dass es besonders bei großen Detektoren sinnvoll ist, in diese Linearisierung auch die systematischen Abbildungsfehler einzubeziehen. Selbstverständlich kann auf diesem Weg auch bei kleineren Detektoren die Genauigkeit gesteigert werden.
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Alternativ kann man auch bei einer solchen Linearisierung nur zentrumsnahe Strahlen berücksichtigen, wie sie in 2 mit den Bezugszeichen 4 und 5 dargestellt sind, wenn eine Rücktransformation durchgeführt wird.
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Für vom Zentrum weiter entfernte Strahlen kann dann eine zusätzliche Korrektur, wie sie auch bei der Linearisierung durchgeführt wird, bei der oben beschriebenen Rücktransformation erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3814466 A1 [0002]
- DE 3814466 [0007]
