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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fokussiereinrichtung gemäß Patentanspruch 1, ein Autokollimationsfernrohr (AKF) mit einer Fokussiereinrichtung gemäß Patentanspruch 8 und ein Verfahren zur Messung optischer Oberflächen eines Prüfobjektes mittels eines Autokollimationsfernrohrs gemäß Patentanspruch 11.
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Aus dem Stand der Technik sind Fokussiereinrichtungen und Autokollimationsfernrohre zum Ausmessen von Ort-, Winkel- und Winkeländerungen beziehungsweise von Zentrierfehlern von Linsen und Linsensystemen bekannt, bei dem mit Hilfe eines Strahlenteilers und einem als Kollimator und Fernrohr wirkenden Objektiv ein geeignetes projiziertes Bild nach Reflexion an der zu untersuchenden Fläche ausgewertet wird. Als Auswerteeinheit sind beispielsweise zweidimensionale Sensoreinheiten bekannt oder im klassischen Fall das menschliche Auge. Ist der Krümmungsmittelpunkt der untersuchten Fläche (Sphäre) nicht exakt auf der Bezugsachse, so weicht der Auftreffpunkt des reflektierten Strahls leicht von der erwartenden Position ab. Die Abweichung ist direkt proportional zum Zentrierfehler der untersuchten Fläche (Sphäre).
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Für die Beschreibung der Lage einer Linse oder eines Kittglieds oder eine Gruppe von Elementen müssen hierbei zwei Flächen angemessen werden. Will man den Bezug zu weiteren Flächen herstellen, müssen auch diese weiteren Flächen angemessen werden. Diese Aufgabe ist gleichbedeutend mit der Aufgabe, das Bild einer Marke auf jeden beliebigen Ort entlang einer optischen Achse abzubilden. Zur Lösung dieser Aufgabe ist aus dem Stand der Technik bekannt, austauschbare Vorsatzoptiken zu verwenden oder die Abbildungsentfernung des AKF über eine interne Fokussierung zu ändern (z. B. über längs der optischen Achse verschiebliche Linsen oder Linsengruppen) oder über eine Änderung des Abstandes (Linearführung) zwischen dem Autokollimationsfernrohr und der zu untersuchenden Fläche (Prüfling oder Prüfobjekt) zu erreichen, dass das Bild aus dem Reflex der zu untersuchenden Fläche einer Marke aus dem Autokollimationsfernrohr wieder in der Ebene der Marke erscheint, sodass ihn eine Detektionseinheit empfangen kann.
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Die
DE 10 2005 013 755 B4 offenbart beispielsweise einen Autokollimationskopf zur Zentrierfehlermessung mit einer zweidimensionalen Sensoreinheit. Der Autokollimationskopf weist neben der Sensoreinheit noch eine Strahlteilerplatte, eine beleuchtete Strichplatte, eine Objektivlinse und eine zusätzliche Linse zum Fokussieren auf. Die zweidimensionale Sensoreinheit ist präzise in der Bildebene des Autokollimatorobjektives positioniert. Der gesamte Aufbau ist an einem Gestell montiert. Der obere Messkopf einschließlich Linearführung ist über dem Tisch montiert und der untere Messkopf mit Linearführung befindet sich unter dem Tisch. Die beiden Messköpfe können hierbei über entsprechende Linearführungen entlang einer Achse geführt werden, die in etwa mit der Bezugsachse übereinstimmt. Der Prüfling kann um die Bezugsachse rotiert werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Fokussiereinrichtung und ein verbessertes Autokollimationsfernrohr zur Verfügung zu stellen, das insbesondere ohne Linearführungen und Wechseloptiken auskommt und zudem eine beschleunigte Vermessung einer Oberfläche eines Prüfobjektes, um beispielsweise daraus etwaige Zentrierfehler abzuleiten, bereitstellen kann. Diese Aufgabe wird durch eine Fokussiereinrichtung gemäß Anspruch 1, einem Autokollimationsfernrohr gemäß Anspruch 8 und einem Verfahren zur Messung optischer Oberflächen gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche näher definiert.
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In einem Grundgedanken der Erfindung weist eine Fokussiereinrichtung für ein optisches System, insbesondere ein Autokollimationsfernrohr, ein erstes optisches Element mit einer ersten einstellbaren Brechkraft und zumindest ein weiteres zweites optisches Element mit einer zweiten einstellbaren Brechkraft auf. Das erste und zweite optische Element sind entlang einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet und bilden ein Objekt als reelles oder virtuelles Bild ab. Durch die einstellbare Brechkraft des ersten und zweiten optischen Elementes wird erreicht, dass in Abhängigkeit der ersten und zweiten Brechkraft des optischen Elementes das Bild an einer beliebigen Stelle entlang der optischen Achse reell oder virtuell abbildbar ist. Somit kann auf zusätzliche Optiken oder Linearführungen verzichtet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Brechkraft des ersten optischen Elements M1 zwischen einem Wert 0 und einem Maximalwert M1MAX, dem eine Brennweite F1 zugeordnet ist, veränderbar und die Brechkraft des zweiten optischen Elements M2 zwischen einem Wert 0 und einem Maximalwert M2MAX, dem eine Brennweite F2 zugeordnet ist, veränderbar, wobei der Abstand zwischen dem ersten und zweiten optischen Element F1 + F2 oder nicht wesentlich kürzer als F1 + F2 ist. Unter dem technischen Merkmal „nicht wesentlich kürzer” wird erfindungsgemäß verstanden, dass der Abstand zwischen dem ersten und zweiten optischen Element bevorzugt 95%, 90%, 85%, 80%, 75% oder 70% von F1 + F2 beträgt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen das erste und zweite optische Element eine von 0 verschiedene minimale Brechkraft M1 MIN und M2MIN auf. In dieser Ausgestaltung ist dem ersten und zweiten optischen Element ein Streuelement nachgeordnet, um bei endlicher minimaler Brechkraft einen Fokusbereich „Unendlich” zu erreichen. Alternativ kann auch ein sammelndes optisches Element nachgeordnet sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Änderung der Brechkraft des ersten und zweiten optischen Elements mechanisch und/oder elektrisch. Alternativ kann das erste und/oder zweite optische Element als Flüssigkeitslinse, als elastische Linse oder als elastischer Spiegel ausgebildet sein.
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Je nach Anwendungsfall ist es bei Bedarf notwendig, dass die Fokussiereinrichtung mit einem Objekt in einem endlichen Abstand oder mit einem nach unendlich abgebildeten Objekt arbeitet.
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Ferner beansprucht die Erfindung ein Autokollimationsfernrohr zumindest aufweisend eine Strahlquelle, einen Strahlteiler, eine Detektoreinheit, ein Objektiv und einer erfindungsgemäßen Fokussiereinrichtung. Durch eine derartige Fokussiereinrichtung ist es nun möglich, wie eingangs bereits erwähnt, auf zusätzliche Wechselobjektive, Linearführungen und dergleichen zu verzichten. In einer bevorzugten Ausführungsform sind das Autokollimationsfernrohr und die Fokussiereinrichtung zu einer Baueinheit kombiniert. Somit kommt das gesamte System insgesamt mit weniger Bauraum aus. Ferner kann das Autokollimationsfernrohr eine Steuerungs- und/oder Rechnereinheit umfassen, so dass Messwerte entsprechend ausgewertet werden können.
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Ferner beansprucht die Erfindung auch ein Verfahren mit einem erfindungsgemäßen Autokollimationsfernrohr zur Messung optischer Oberflächen eines Prüfobjektes mit folgenden Merkmalen: Bereitstellen des Prüfobjektes, Fokussieren des ersten und/oder zweiten optischen Elements auf eine erste Prüffläche (x1, y1) und Generierung eines ersten Messwertes, Fokussieren des ersten und/oder zweiten optischen Elements auf eine zweite Prüffläche (x2, y2) und Generierung eines zweiten Messwertes, Auswerten des ersten und zweiten Messwertes mittels einer Rechnereinheit.
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Erfindungsgemäß wird unter einem Prüfobjekt ein einziges Prüfobjekt oder ein aus mehreren Teilprüfobjekten zusammengesetztes Gesamtprüfobjekt verstanden. Beispielsweise kann es sich bei dem zweiten Fall um einen Achromaten handeln, der aus zwei, drei oder einer Vielzahl von Linsenelementen besteht, die flächig miteinander verkittet oder über Fassungen miteinander sind.
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Erfindungsgemäß wird unter dem technischen Merkmal „Prüffläche” insbesondere der Krümmungsmittelpunkt der zu prüfenden Fläche verstanden. Auf diesen Punkt wird das Strahlenbündel fokussiert.
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Bevorzugt umfassen die Schritte der Generierung eines ersten und zweiten Messwertes folgende Merkmale: Aufnehmen eines ersten Bildes mittels der Detektoreinheit, wobei das Bild einem Reflex der Messstruktur an der ersten Prüffläche entspricht; Aufnehmen eines zweiten Bildes mittels der Detektoreinheit, wobei das Bild einem Reflex der Messstruktur an der zweiten Prüffläche entspricht.
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Bevorzugt umfasst ferner der Schritt des Auswertens folgende Merkmale: Ableiten einer Lage des Prüfobjektes (xL, yL) mittels der Rechnereinheit anhand der durch die Detektoreinheit ermittelten Abstände (d1, d2).
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Ein derartiges Ableiten der Lage des Prüfobjektes aus den ermittelten Abständen (d1, d2) bzw. Abweichungen ist dem Fachmann hierbei bekannt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und insbesondere bei einem Prüfobjekt, das aus mehreren hintereinander angeordneten Teilprüfobjekten besteht, kommt folgendes ergänzende Verfahren zur Anwendung. In einem ersten Verfahrensschritt wird der Zentrierfehler der ersten Prüffläche (x1, y1) ermittelt. In einem darauffolgenden zweiten Verfahrensschritt wird der Zentrierfehler einer dahinterliegenden zweiten Prüffläche unter Berücksichtigung des Zentrierfehlers der ersten Prüffläche ermittelt. In die Berechnung geht insbesondere zusätzlich ein, dass, falls auf eine innen liegende zweite Prüffläche fokussiert werden muss, die Brechung an den Vorgängerflächen berücksichtigt werden muss.
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Zur Verbesserung der Genauigkeit kann bevorzugt eine Rotation zwischen dem Autokollimationsfernrohr und dem Prüfobjekt um die optische Achse genutzt werden. Damit wird die Lagemessung des Prüfobjektes referenziert.
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Zusätzliche weitere Ausführungsbeispiele sind Gegenstände der jeweiligen Unteransprüche. Es versteht sich, dass die eben beschriebenen Ausführungsformen in Alleinstellung oder in Kombination untereinander dargestellt werden können.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen Fokussiereinrichtung, wobei das Objekt im Unendlichen liegt;
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2 schematischer Aufbau einer Kombination einer Linse mit fester negativer Brennweite zu der steuerbaren Linse mit dem Ziel der Anpassung des Stellbereiches der steuerbaren Linse;
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3 schematischer Aufbau einer Kombination einer Linse mit fester positiver Brennweite zu der steuerbaren Linse mit dem Ziel der Anpassung des Stellbereiches der steuerbaren Linse;
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4a und 4b schematischer Aufbau und Funktionsvergleich zweier Fokussiereinrichtungen mit den Objektlagen „unendlich” (4a) und „endlich” (4b);
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5a schematischer Aufbau eines Autokollimationsfernrohrs mit einer erfindungsgemäßen Fokussiereinrichtung;
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5b schematischer Aufbau eines weiteren erfindungsgemäßen Autokollimationsfernrohrs mit einer erfindungsgemäßen Fokussiereinrichtung;
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1 zeigt in Verbindung mit Tab. 1 schematisch den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Fokussiereinrichtung
100. Eine derartige Fokussiereinrichtung weist ein erstes optisches Element
110 und ein zweites optisches Element
120 auf, die entlang einer gemeinsamen optischen Achse Z angeordnet sind. Die beiden optischen Elemente sind als elektrisch steuerbare Linsen ausgeführt, wobei Ihre Brechkraft zwischen dem Wert 0 und einem Maximalwert M1MAX beziehungsweise M2MAX steuerbar ist. Gemäß Tab. 1 entspricht hierbei die Stellung „off” dem Wert 0, während die Stellung „on” dem jeweiligen Maximalwert der Brechkraft entspricht. Zwischen diesen beiden Extremwerten kann die elektrische Linse verschiedene andere Werte annehmen, beispielsweise „1/2” oder „1/3”. Auch wären andere Werte denkbar. Insbesondere ist der Tab. 1 auch zu entnehmen, dass verschiedene Linsenansteuerungen gleiche Bildlagen bewirken können. Der hierfür zuständige Fachmann wird für verschiedene Anwendungsszenarien (kleine Schärfentiefe, Minimierung der Abbildungsfehler) das entsprechende Ansteuerregime auswählen.
| Einstellung | Einstellung der Brechkraft | Bildlage |
| Nummer | Linse 1 | Linse 2 |
| 1 | Off | off | + |
| 2a | Off | an | +f |
| 2b | 1/3 | off | +f |
| 3 | ½ | beliebige Einstellung | 0 |
| 4 | On | off | –f |
| 5 | On | 1/2 | –2f |
| 6 | On | an | – |
Tab. 1
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Für ein Objekt im Unendlichen sind nun für verschiedene Einstellungen der Brechkraft der ersten und zweiten Linse die Bildlagen des Bildes (B) aufgelistet. Gemäß Tab. 1 ist erkennbar, dass für ein Objekt im Unendlichen durch die verschiedenen Einstellungen der Brechkraft der ersten und zweiten Linse, die Position des Bildes an beliebigen Stellen entlang der optischen Achse Z abbildbar ist.
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Für verschiedene Anwendungen erweist es sich als zweckmäßig, eine oder beide Linsen mit einer steuerbaren Brechkraft zu verwenden, wobei der Minimalwert der Brechkraft von Null verschieden ist. Mit einer derartigen Linse ist jedoch ein Fokusbereich mit einer Grenze nach unendlich nicht erreichbar. Erfindungsgemäß ist nun in einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 vorgesehen, der ersten und zweiten Linse 110, 120 ein Streuelement 130 nachzuordnen. Somit kann auch bei endlicher minimaler Brechkraft ein Fokusbereich „Unendlich” erreicht werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist es auch möglich, der ersten und/oder zweiten Linse 110, 120, die gemäß dem Ausführungsbeispiel streuende Eigenschaften aufweist, eine Sammellinse 135 nachzuordnen.
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Die Ausführungsbeispiele gemäß den 4a und 4b zeigen einen Vergleich zwischen einer Fokussiereinrichtung 100 mit einer unendlichen Objektweite (4a), die im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 entspricht und einer Fokussiereinrichtung bei der die Objektweite einen endlichen Wert aufweist (4b). Zusätzlich weisen die beiden optischen Elemente gemäß dem Ausführungsbeispiel 4b eine von dem Wert „0” verschiedene Brechkraft auf.
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Die 5a und 5b zeigen abschließend ein Autokollimationsfernrohr 200 mit einer erfindungsgemäßen Fokussiereinrichtung 100. Ein derartiges Autokollimationsfernrohr umfasst zumindest eine Strahlquelle 210, einen Strahlteiler 220, eine Detektoreinheit 230 und ein Objektiv 240.
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Das Objektiv 240 wirkt hierbei als Kollimatorobjektiv, als auch als Fernrohrobjektiv. Innerhalb der Brennweite des Objektives 240 ist ein Strahlteiler angeordnet. Dieser teilt den Strahlengang in einen Kollimatorstrahlengang und einen Fernrohrstrahlengang, mit einer Kollimatorbrennebene und einer hierzu konjugierten Fernrohrbrennebene. In der Kollimatorbrennebene ist eine Platte mit einer Messstruktur 260 angeordnet, die durch den Beleuchtungsstrahl einer Lichtquelle 210, über einen Kondensor 250, homogen beleuchtet wird. Die Messstruktur wird über ein Objektiv ins Unendliche projiziert, an einer dem Autokollimationsfernrohr vorgeordneten Prüffläche eines Prüfobjektes 400 reflektiert und zurück durch das Objektiv 240 in die Fernrohrebene abgebildet. Sofern die Prüffläche gegenüber der optischen Achse des Autokollimationsfernrohres nicht verkippt ist, d. h. ihre Flächennormale in Achsrichtung verläuft, wird die Messstruktur 260 quasi in sich selbst auf eine Detektoreinheit 230 abgebildet. In Abhängigkeit vom Verkippungswinkel wandert die Abbildung der Messstruktur 260 auf der Detektoreinheit 230 aus.
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Vor dem Autokollimationsfernrohr ist nun eine erfindungsgemäße Fokussiereinrichtung 100 angeordnet. Die Fokussiereinrichtung 100 weist eine erste Linse 110 und eine zweite Linse 120 auf. Beide Linsen sind als elektrisch gesteuerte Linsen mit einer veränderbaren Brechkraft ausgebildet.
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Durch diese beiden Linsen ist es nun möglich, die Strahlenbündel auf eine erste Prüffläche 401 mit den Koordinaten (x1, y1) und zeitlich nachfolgend auf eine zweite Prüffläche 402 mit den Koordinaten (x2, y2) eines Prüfobjektes 400 zu fokussieren. Mittels einer Steuereinheit 300 kann ein schnelles Umschalten zwischen den beiden Prüfflächen erfolgen. Beispielsweise kann dieses Umschalten mit einer Frequenz von 25 Hz erfolgen. Eine Rechnereinheit 300 wertet die Messwerte der ersten und zweiten Prüffläche aus, und leitet daraus eine Position des Prüfobjektes 400 ab.
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Die 5a und 5b unterscheiden sich hierbei durch die Ausbildung der Fokussiereinrichtung 100. Während in der Fokussiereinrichtung gemäß 4a die Linsen 110 und 120 eine minimale Brechkraft mit dem Wert „0” aufweisen, ist die Brechkraft der Linsen 110 und 120 gemäß 5b von „0” verschieden, so dass diesen Linsen jeweils, wie oben bereits beschrieben, ein Streuelement 130 nachgeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005013755 B4 [0004]
