DE102017129118A1

DE102017129118A1 - Verfahren, Vorrichtung und Computerprogramm zur Lagebestimmung eines optischen Prüflings und zur Messung der optischen Mittendicke

Info

Publication number: DE102017129118A1
Application number: DE102017129118.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Frank; Hannes Scheibe
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2019-06-13

Abstract

Es werden Verfahren, Computerprogramm und Vorrichtung zur Bestimmung einer Lage eines optischen Prüflings sowie zur Bestimmung der Mittendicke eines optischen Prüflings beschrieben. Hierfür werden Positionen einer Vielzahl erster Punkte auf der ersten Oberfläche des optischen Prüflings sowie Positionen einer Vielzahl zweiter Punkte auf der zweiten Oberfläche des optischen Prüflings bestimmt und zumindest ein erster Lageparameter durch Anpassen einer ersten Flächenform an die Positionen der Vielzahl erster Punkte und mindestens eines zweiten Lageparameters durch die Anpassung einer zweiten Flächenform an die Positionen der Vielzahl zweiter Punkte bestimmt, wobei der mindestens eine erste Lageparameter und der mindestens eine zweite Lageparameter die Lage des optischen Prüflings kennzeichnen.Die Mittendicke des optischen Prüflings kann Verfahrensgemäß aus den Lageparametern ermittelt werden. Die beschriebene Vorrichtung weist eine Trennung von Messkreis und Kraftkreis auf, erlaubt die präzise Messung auch bei Versatz von Messachsen und reduziert die Positionierungsfehler durch konstruktive Maßnahmen.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft Verfahren, Vorrichtungen und Computerprogramme zur präzisen Lagebestimmung von optischen Prüflingen (nachfolgend „Prüfling“) und zur Mittendickenmessung von Prüflingen.
Unter Prüflingen sind Objekte aus transparenten Materialien für Licht, beispielsweise sphärische, asphärische, torische, ebene und zylindrische Linsen, freigeformte Linsen bzw. Kittglieder daraus zu verstehen. Der Begriff Linse bezeichnet hierbei Bauelemente, die Licht durch Brechung an ihren Oberflächen ablenken. Unter Licht wird hierbei elektromagnetische Strahlung, insbesondere im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Bereich, verstanden.
Unter Mittendicke wird die geometrische Dicke des Prüflings entlang einer optischen Achse des Prüflings verstanden. Dies ist typischerweise der Scheitelabstand zwischen den beiden optischen Außenflächen des Prüflings entlang der optischen Achse. Es handelt sich bei der Mittendicke eines Prüflings um einen skalaren Wert.
Die gemessene Mittendicke dient zur Anpassung von Prozessparametern (z.B. Polierabtrag) im Herstellungsprozess, der Mittendickentoleranzprüfung am fertigen Bauteil (in Toleranz/außer Toleranz-Prüfung) und für Kombinationsrechnungen zur Gesamtsystemmontage.
Die Firma Trioptics bietet mit Ihrem Produkt OptiSurf LMT (http://www.trioptics.com/de/produkte/mittendickenmessgeraete/optisurf-Itm/, Stand 25.07.2017) ein Mittendickenmessgerät an, bei dem die Messung mittels Kurzkohärenzinterferometrie erfolgt. Bei dieser Messung wird die Position beider Prüflingsaußenflächen (in Messrichtung des Kurzkohärenzinterferometers) detektiert. Da diese Messung nur von einer Prüflingsseite aus erfolgt, wird die optische Weglänge als Messgröße erfasst und somit eine optische Mittendicke ermittelt. Im Gegensatz zur gesuchten geometrischen Mittendicke ist die optische Mittendicke eine Funktion der Brechzahl des Prüflings.
Brechzahl bezeichnet hierbei die optische Dichte des Materials, aus dem der Prüfling gefertigt ist oder der gemittelte Wert der optischen Dichte entlang eines optischen Pfades durch den Prüfling hindurch. Eine Definition der Brechzahl findet sich beispielsweise auf der Seite „Brechungsindex“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 6. Juli 2017, 08:15 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Brechungsindex&oldid=167025068 (Abgerufen: 27. Juli 2017, 05:50 UTC).
Um die Mittendicke als geometrische Größe rechnerisch zu ermitteln muss die Brechzahl des Prüflings exakt bekannt sein. Nachteilig an diesem Messverfahren ist, dass Brechzahltoleranzen zu signifikanten Fehlern bei der ermittelten Mittendicke führen.
Ferner sind dem Fachmann Mittendickenmessgeräte bekannt, die zwei optische oder taktile Abstandssensoren aufweisen, mit welchen die Mittendicke detektiert wird. Die beiden Abstandssensoren definieren eine Messachse. Ein Beispiel für ein solches System ist das „solution C1“-System der Firma microspace.
Im microspace solution C1 wird die notwendige Fluchtung zwischen Bezugsachse und Messachse durch präzise Prüflingsaufnahmen (hier: Dreibackenfutter mit Ringschneide) angestrebt. Aufgrund von Lagefehlern der Prüflingsaußenkontur (z.B. Linsenrandzylinder, Linsenfacette) zur Bezugsachse (optische Achse) verbleiben aber immer Fluchtungsfehler, da der Prüfling über die Prüflingsaußenkontur in der Prüflingsaufnahme fixiert wird. Weitere Fluchtungsfehler entstehen durch Ungenauigkeit der Prüflingsaufnahme, beispielsweise durch Zentrierfehler des Dreibackenfutters.
Dieses Gerät verfügt zusätzlich über einen X-Y-Scantisch, mit denen der Prüfling lateral zur Messachse positionierbar ist. Mittels der beiden Abstandssensoren werden die beiden Außenflächen abgescannt bzw. punktweise abgetastet und der Flächenscheitel (Minimal- oder Maximalwert abhängig von Flächenform (konkav/konvex) und Messrichtung) bestimmt. Die Mittendicke wird dann zwischen den beiden Flächenscheiteln ermittelt.
Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, dass die Mittendicke bei ungenauer Positionierung des Prüflings nicht exakt entlang der optischen Achse des Prüflings, ermittelt wird. Zudem erfordert das Bestimmen der beiden Flächenscheitel zusätzliche Messzeit.
Insbesondere bei Mittendickenmessgeräten mit optischen Abstandssensoren ist für beide Abstandsensoren stets eine zusätzliche Positionierachse vorhanden, mit denen der Abstandsensor in Richtung der Messachse positioniert werden kann. Diese Positionierung ist aufgrund des geringen Messbereichs der optischen Abstandssensoren und der variierenden Prüflingsmittendicken notwendig.
Die Positionierachsen sind bei den bekannten Mittendickenmessgeräten aus Bauraumgründen parallel versetzt zur Messachse angeordnet. Aufgrund dieses Versatzes führen Ablauffehler der Positionierachsen zu Positionierfehlern erster Ordnung in Messrichtung des optischen Abstandsensors. Dieser Fehler bewirkt einen betragsmäßig gleichen Mittendickenmessfehler.
Unter Positionierfehler erster Ordnung versteht man hierbei, dass ein linearer Zusammenhang zwischen der Betragsgröße des Positionierfehlers und dem daraus resultierenden Fehler der Abstandsbestimmung besteht.
Es ist ausgehend hiervon die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren, Vorrichtungen und Computerprogramme bereitzustellen um die Lage eines Prüflings exakt zu bestimmen und die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden. Mit Kenntnis der Lage kann dann z.B. die Mittendicke bestimmt werden, bzw. es können Fehler, die sich aus einer ungenauen Positionierung ergeben, vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Lagebestimmung eines optischen Prüflings nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 10, ein Computerprogramm nach Anspruch 19 sowie ein elektronisch lesbarer Datenträger nach Anspruch 20 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Lage eines optischen Prüflings mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche bereitgestellt, umfassend:

Bestimmung von Positionen einer Vielzahl erster Punkte auf der ersten Oberfläche,
Bestimmung von Positionen einer Vielzahl zweiter Punkte auf der zweiten Oberfläche,
Bestimmung mindestens eines ersten Lageparameters durch Anpassen einer ersten Flächenform an die Positionen der Vielzahl erster Punkte,

Bestimmung mindestens eines zweiten Lageparameters durch Anpassen einer zweiten Flächenform an die Positionen der Vielzahl zweiter Punkte, wobei der mindestens eine erste Lageparameter und der mindestens eine zweite Lageparameter die Lage des optischen Prüflings kennzeichnen.
Lage bezeichnet hierbei eine Positionsangabe bezüglich eines Referenzkoordinatensystems. Wird das Verfahren beispielsweise mittels einer Vorrichtung durchgeführt kann es sich hierbei um ein Koordinatensystem handeln, welches in Relation zu einem Bezugspunkt an der Vorrichtung definiert ist.
Bei der ersten Oberfläche bzw. die zweiten Oberfläche handelt es sich um Außenflächen des Prüflings.
Die Bestimmung von Positionen einer Vielzahl erster Punkte auf der ersten Oberfläche bzw. die Bestimmung von Positionen einer Vielzahl zweiter Punkte auf der zweiten Oberfläche hat das Ziel, eine Basis für das Anpassen der Flächenform an die Topographie der jeweiligen Oberfläche bereitzustellen. Die Erfassung der Vielzahl erster und zweiter Punkte kann sequentiell oder parallel erfolgen.
Eine Flächenform bezeichnet ein mathematisches Modell, welches geeignet ist die jeweilige Oberflächenform des Prüflings zu beschreiben. Vorteilhaft wird eine Flächenform gewählt, die mittels einer endlichen Anzahl an Parametern eindeutig festgelegt wird.
Hierbei kann vorteilhaft genutzt werden, dass bei optischen Prüflingen üblicherweise ein Vorwissen über die zu erwartende Form der ersten und zweiten Oberfläche des Prüflings existiert. So ist beispielsweise im Falle einer Linse üblicherweise bekannt, um welche Form es sich handelt. In den gängigen Herstellungsprozessen ist die Form sehr genau bekannt, bezüglich der Mittendicke ist die Toleranz aber deutlich größer als bezüglich der Form.
Ein Lageparameter ist ein Parameter, der die angepasste Flächenform, insbesondere die Form und Lage im Raum, kennzeichnet. Insbesondere kann es sich um Parameter handeln, die eine Vielzahl vektorieller und skalarer Größen umfassen und zur analytischen Beschreibung einer Oberfläche genutzt werden.
Ferner kann die Oberfläche mittels anderer Möglichkeiten zur mathematischen Oberflächenrepräsentation beschrieben werden, beispielsweise mittels Spline-basierter Methoden, z.B. Non-uniform rational basis spline (NURBS), Polygon-Meshes oder Listen von Koordinaten. Die Lageparameter sind dann entsprechend zu wählen, beispielsweise als Knotenpunkte und Gewichte im Falle von splinebasierten Oberflächen beschreibungen.
Anpassen bezeichnet hier ein mathematische Optimierungsmethode, mit deren Hilfe für eine Reihe von Messdaten die unbekannten Parameter ihres geometrisch-physikalischen Modells oder die Parameter einer vorgegebenen Funktion bestimmt oder geschätzt werden sollen. Eine Beschreibung ist auf der Seite „Ausgleichungsrechnung“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 22. Juli 2017, 17:59 UTC. URL:
https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Ausgleichungsrechnung&oldid=167497132 (Abgerufen: 27. Juli 2017, 06:32 UTC) zu finden.
Basierend auf den Bestimmten Punkten erfolgt also eine Anpassung der Werte der Lageparameter, um eine gute Übereinstimmung zu der Vielzahl an Punkten herzustellen. Das Ergebnis dieser Anpassung sind Werte des mindestens einen Lageparameters, die eine Beschreibung der Vielzahl an Punkten mittels der vorgegebenen Flächenform ermöglicht.
Aus den so ermittelten Lageparametern ist die Ist-Lage des Prüflings dann bekannt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass mittels dieses Verfahrens Positionierfehlern bei der Lagerung des Prüflings bestimmt und somit rechnerisch ausgeglichen werden können, die sich im oben beschriebenen Stand der Technik bislang nachteilhaft auswirken.
Zumindest eine Flächenform der ersten oder zweiten Flächenform kann eine sphärische Form sein, und der zugehörige mindestens eine erster Lageparameter und/oder der mindestens eine zweite Lageparameter kann einen Flächenkrümmungsmittelpunkt der sphärischen Form umfassen.
Bei einer sphärischen Linse mit zumindest einer sphärischen Oberfläche ist es vorteilhaft die zugehörige Flächenform als eine sphärische Form zu wählen. Für eine sphärische Form kann der mindestens eine Lageparameter als ein Skalarwert eines Flächenkrümmungsradius, der optional vorgegeben werden kann, und die Unterscheidung konkav/konvex sowie durch einen Vektor, der die Position des Mittelpunkts der sphärischen Form bezüglich eines Koordinatensystems beschreibt, gewählt werden.
Die Bestimmung der Lageparameter kann dann mittels der Anpassung der Flächenform an die zugehörige Vielzahl erster oder zweiter Punkte erfolgen.
Auch Linsen mit asphärischen Außenflächen können näherungsweise wie sphärische Außenflächen behandelt werden. In diesem Fall muss in das Anpassen der Soll-Scheitelkrümmungsradius, also der lokale Krümmungsradius im Scheitel, der jeweiligen asphärischen Fläche einfließen.
Das Verfahren kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass die erste Flächenform und/oder die zweite Flächenform eine der folgenden Geometrien beschreibt: rotationssymmetrische asphärische Form, Zylinderform, torische Form, ebene Form, Nicht-rotationssymmetrische asphärische Form, Meniskusform, Freiform.
Alternativ zu der Anpassung einer Sphärenform können andere Formen vorgegeben werden, die dem optischen Prüfling im konkreten Anwendungsfall entsprechen. Beispielsweise bei Asphären, bei denen die Anpassung einer Vielzahl erster und/oder zweiter Punkte an eine sphärische Flächenform nicht eine geforderte Anpassungsgüte erreicht kann eine Anpassung zur Soll-Asphärenform erfolgen. Diese Asphärenform kann beispielsweise über Asphärenkoeffizienten spezifiziert werden. Bei Linsen mit zylindrischen Außenflächen kann eine Anpassung zu einer Soll-Zylinderflächenform erfolgen.
Auf der Seite „Asphärische Linse“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 7. Juni 2017, 16:34 UTC. URL:
https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Asph%C3%A4rische-Linse&oldid=166171512 (Abgerufen: 27. Juli 2017, 07:02 UTC) werden Beispiele für verschiedene asphärische Flächenformen gegeben. Entsprechend können nichtrotationssymmetrische asphärische Flächen außeraxiale Ausschnitte von Kegelschnitten, aber auch in allen Richtungen frei definierte optische Flächen (Freiform-Asphären) sein.
Parametrisierungen solcher Asphärenformen sind beispielsweise DIN ISO 10110 Optik und Photonik - Erstellung von Zeichnungen für optische Elemente und Systeme, Teil 12 Asphärische Oberflächen, beschrieben.
Darüber hinaus können aber auch Freiformen verwendet werden, bei denen die Flächenformen mittels mathematischer Beschreibungen oder als Datensätze aus der Fertigung, beispielsweise interpoliert, vorgegeben werden.
Vorteilhaft an dieser Ausführungsform der Erfindung ist, dass aufgrund der vorausgesetzten Flächenform für die beiden Flächenmessungen nur wenige Messpunkte auf den beiden Prüflingsaußenflächen erfasst werden müssen, wodurch sich die Messzeit reduziert. Das Verfahren kann hierbei die Messpunkte gezielt bestimmen, um die Messzeit zu reduzieren und verbleibende Freiheitsgrade bei der Anpassung einzuschränken bzw. Messpunkte gezielt anfahren um die Ungenauigkeiten bei der Anpassung zu reduzieren. Ein weiterer Vorteil besteht hierbei darin, dass es sich um keinen iterativen Prozess handeln muss, bei dem beispielsweise ein höchster Punkt einer Fläche aus einer Vielzahl an Messpunkten ermittelt werden muss, sondern sich die Lage des Prüflings bereits aus wenigen abgetasteten Oberflächenpunkten eindeutig ermitteln lässt.
Beispielsweise ist im Falle einer rotationssymmetrischen Flächenform eine konzentrische Vorgehensweise bei der Bestimmung der Vielzahl erster und/oder zweiter Punkte der ersten und/oder zweiten Oberfläche möglich, wobei die Anpassung für jeden aufgenommenen Wert erfolgen kann. Bei der konzentrischen Vorgehensweise werden Symmetrieeigenschaften der Oberfläche ausgenutzt, so dass nur ein kleiner Teil der Oberfläche vermessen werden muss. Dies kann beispielsweise vom (vermuteten) Mittelpunkt ausgehend erfolgen und für einen Satz fester radiale Abstände Messungen in poloidaler Richtung umfassen. Die Messung weiterer Punkte wird dann so lange durchgeführt bis eine zuvor festgesetzte Anpassungsgüte erreicht ist.
Die Anpassungsgüte kann hierbei nach gängigen Verfahren, wie beispielsweise im Wikipediaartikel Goodness of fit. (Fassung vom 23.03.2017). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Abgerufen 27.07.2017 08:48h UTC beschrieben, beschrieben werden.
Zusätzlich kann zur Messzeitoptimierung ermittelt werden, welche Bereiche der Oberfläche für eine genaue Anpassung der Flächenform an die Oberfläche entscheidend sind. Diese Bereiche können dann gezielt vermessen werden um schnell, also mit möglichst wenig Messpunkten, zu einer genauen Anpassung zu gelangen.
Bei einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Bestimmung der Positionen der Vielzahl erster Punkte mittels einer ersten Sensorvorrichtung, die eine erste Messachse aufweist und die Bestimmung der Positionen der Vielzahl zweiter Punkte mittels einer zweiten Sensorvorrichtung, die eine zweite Messachse aufweist, wobei das Bestimmen der Position der Vielzahl erster Punkte und/oder der Vielzahl zweiter Punkte ein Verändern der Position des optischen Prüflings relativ zu der ersten Sensorvorrichtung und/oder der zweiten Sensorvorrichtung in einer Bewegungsebene umfasst und die erste Messachse und die zweite Messachse nicht in der Bewegungsebene liegen.
Die Sensorvorrichtungen können hierbei Sensoren zur Durchführung von taktilen oder optischen Verfahren umfassen, wie sie beispielsweise in taktilen Profilometern oder optischen Profilometern zum Einsatz kommen.
Das Verändern der Position des optischen Prüflings relativ zu der ersten Sensorvorrichtung und/oder der zweiten Sensorvorrichtung in einer Bewegungsebene hat den Vorteil, dass die Sensorvorrichtung auf einen Punkt ausgerichtet gelassen werden kann und die Oberfläche des Prüflings dennoch vermessen werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Sensorvorrichtung für Punktmessungen geeignet ist und somit die Vermessung einer Fläche eine Relativbewegung von Sensor zu Prüfling erfordert.
In einer bevorzugten Variante liegen die erste Messachse und die zweite Messachse auf einer gemeinsamen Messachse.
Diese gemeinsame Messachse kann beispielsweise durch einmalige geeignete Justiermaßnahmen sichergestellt werden, oder auch mittels Justiermaßnamen in regelmäßigen Intervallen oder im Falle von Verstellungen der Achsen zueinander. Ziel der Justage ist es, dass die Messachsen beider optischer oder taktiler Abstandssensoren hinreichend genau zueinander fluchten und damit eine gemeinsame Messachse bilden.
Der Vorteil dieser Variante besteht darin, dass durch die gemeinsame Messachse die Transformation der gemessenen Vielzahl erster und zweiter Punkte in ein gemeinsames Koordinatensystem vereinfacht ist.
In einer alternativen bevorzugten Variante ist die erste Messachse von der zweiten Messachse verschieden und der mindestens eine erste Lageparameter und der mindestens eine zweite Lageparameter und/oder die erste angepasste Flächenform und die zweite angepasste Flächenform und/oder die Vielzahl erster Punkte und die Vielzahl zweiter Punkte werden bevorzugt auf Basis eines Lageunterschieds zwischen der ersten Messachse und der zweiten Messachse in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert.
Diese Alternativausführung der Erfindung bietet gegenüber der vorherigen Variante den Vorteil, dass der konstruktive Aufwand und der Aufwand bei der Justage verringert ist. Nach dieser Alternativausführung werden beiden Messachsen als verschieden angesehen werden und die Lageparameter unter Berücksichtigung dieser Unterschiede in ein gemeinsames Koordinatensystem transferiert. Hierzu müssen die Lagen der beiden Messachsen durch geeignete Maßnahmen im Rahmen der Gerätejustierung und -Kalibration ermittelt werden.
Vorteilhaft an dieser Vorgehensweise ist, dass bekannte Fluchtungsfehler der beiden einzelnen Messachsen ohne Einfluss auf die zu ermittelnde Lage des Prüflings und/oder Mittendicke sind. Zudem reduziert sich der konstruktive Aufwand für die Gestaltung der Justiervorrichtungen mit deren Hilfe beide optische/taktile Abstandssensoren fluchtend zueinander justiert werden.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Position der ersten Sensorvorrichtung veränderlich und das Bestimmen der Positionen der Vielzahl erster Punkte umfasst, dass die erste Sensorvorrichtung erste Distanzen zwischen der ersten Oberfläche des optischen Prüflings und der ersten Sensorvorrichtung entlang der ersten Messachse bestimmt und die mindestens eine Position der ersten Sensorvorrichtung als mindestens eine erste Sensorposition bestimmt wird und die Lage der Positionen der Vielzahl erster Punkte auf Basis der ersten Distanzen und der mindestens einen ersten Sensorposition bestimmt wird.
Zusätzlich oder alternativ kann die Position der zweiten Sensorvorrichtung veränderlich sein und das Bestimmen der Positionen der Vielzahl zweiter Punkte umfasst in diesem Fall, dass die zweite Sensorvorrichtung erste Distanzen zwischen der zweiten Oberfläche des optischen Prüflings und der zweiten Sensorvorrichtung entlang der zweiten Messachse bestimmt und die mindestens eine Position der zweiten Sensorvorrichtung als mindestens eine zweite Sensorposition bestimmt wird und die Lage der Positionen der Vielzahl zweiter Punkte auf Basis der zweiten Distanzen und der mindestens einen zweiten Sensorposition bestimmt wird.
Es kann vorteilhaft sein die Position der Sensorvorrichtungen veränderlich zu gestallten. Dies kann beispielsweise in dem Messbereich des verwendeten Sensors begründet sein; reicht dieser nicht aus, um die gesamte erste Oberfläche zu vermessen, oder unterscheiden sich die Prüflinge untereinander stark in ihren räumlichen Ausdehnungen, ist es erforderlich, eine solche Positionsänderung vorzunehmen. Da gemäß dieser Ausführungsform der mindestens eine erste Lageparameter, der die erste Oberfläche des Prüflings charakterisiert, mit dem mindestens einen zweiten Lageparameter, der die zweite Oberfläche charakterisiert, in Bezug gesetzt werden soll, ist es vorteilhaft die erste Sensorposition und/oder die zweite Sensorposition zu bestimmen. Zur Bestimmung dieser Position ist ein Messsystem oder mehrere Messsysteme vorteilhaft, das/die es gestattetet/gestatten, die Position zu bestimmen. Ein Messsystem kann durch ein Längenmesssystem, beispielsweise durch Maßstäbe oder durch interferometrische Längenmesssysteme bereitgestellt werden, insbesondere durch interferometrische Längenmesssysteme mit Tripelreflektor oder fokussierende interferometrische Längenmesssysteme oder durch andere Messsysteme, die der Positionserfassung dienen, beispielsweise Laufzeitmesssysteme (Time-of-Flight)..
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die erste Sensorposition entlang der ersten Messachse und/oder die zweite Sensorposition entlang der zweiten Messachse bestimmt.
Die oben beschriebene Maßverkörperung, die verwendet wird um die Sensorposition zu bestimmen, wird in diesem Ausführungsbeispiel fluchtend zur Messachse des zur Messachse zugehörigen Sensors angeordnet. Dadurch werden in Messrichtung Positionierfehler erster Ordnung und somit Messfehler erster Ordnung vermieden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren ferner die Bestimmung einer Mittendicke eines optischen Prüflings und umfasst das Bestimmen der Lage des optischen Prüflings nach einer der zuvor erläuterten Ausführungsform der Erfindung, ein Bestimmen einer Lage einer optischen Achse des optischen Prüflings auf Basis des mindestens einen ersten Lageparameters und des mindestens einen zweiten Lageparameters und ein Bestimmen der Mittendicke als Abstand eines ersten Schnittpunkts der optischen Achse mit der ersten angepassten Flächenform zu einem zweiten Schnittpunkt der optischen Achse mit der zweiten angepassten Flächenform.
Die Bestimmung der Ist-Lage der optischen Achse gemäß dieser Variante der Erfindung erfolgt beispielsweise bei sphärischen Linsen wie folgt: Die optische Achse wird durch zwei Raumpunkte festgelegt. Diese Raumpunkte sind identisch den Flächenkrümmungsmittelpunkten der beiden sphärischen Außenflächen und in Folge der erfolgten Anpassungen als ein Lageparametervektor bekannt.
Bei Prüflingen mit mindestens einer asphärischen oder zylindrischen Außenfläche ist die optische Achse überbestimmt. In diesem Fall sind spezielle Anpassungsalgorithmen anzuwenden die dem Fachmann bekannt sind.
Beispielsweise können zusätzlich geometrische Randbedingungen hinzugezogen werden, um eine einzelne optische Achse aus der Mannigfaltigkeit der möglichen optischen Achsen auszuwählen. Im Falle einer zylindrischen Fläche kann beispielsweise die optische Achse gewählt werden, die sich in der Mitte der Zylinderfläche befindet. Eine gleiche Vorgehensweise ist im Falle einer planen Seite, möglich. Die optische Achse kann hierbei orthogonal auf der planen Fläche stehen. Im Falle einer Plan-Konvex-Linse kann es möglich sein aufgrund der Eigenschaften der konvexen Fläche eindeutig eine optische Achse zu bestimmen. Bei einer Plan-Zylinder-Linse-Linse kann beispielsweise eine Achse gewählt werden, die sich in der Mitte der zylindrischen Fläche befindet. Durch die Hinzunahme solcher Konventionen können derartige Probleme aufgelöst werden.
Zusätzlich sind bei der Durchführung für die Ermittlung der Mittendicke die Lagebeziehungen der Vielzahl erster Punkte und der Vielzahl zweiter Punkte zu berücksichtigen. Insbesondere in den zwei oben beschriebenen Fällen, a) erste Messachse und die zweite Messachse auf einer gemeinsamen Messachse, b) die erste Messachse von der zweiten Messachse verschieden, müssen die vorhandenen Informationen über die Lage der Sensoren und die Ausrichtungen der Messachsen entsprechend berücksichtigt werden um die ersten Lageparameter und die zweiten Lageparameter zueinander in Bezug zu setzen. Eine solche Bezugsetzung erfolgt durch das Verrechnen der Koordinaten der Vielzahl erster und zweiter Punkte in ein gemeinsames Koordinatensystem.
Eine so ermittelte Mittendicke entspricht der tatsächlichen Mittendicke als geometrischer Abstand entlang der optischen Achse. Diese Vorgehensweise erlaubt es gemäß dieser Variante, trotz ungenauer Lage des Prüflings die tatsächliche Mittendicke präzise zu bestimmen.
Dieses Erfassen der Ist-Lage der optischen Achse im Rahmen der Mittendickenmessung hat den Vorteil, dass die ermittelte Mittendicke invariant bezüglich Fehlern der Prüflingsaufnahme und Lagefehlern der Prüflingsaußenkontur (z.B. Linsenrandzylinder, Linsenfacette) zur optischen Achse ist.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Vorrichtungen erläutert. Diese weisen die gleichen Vorteile wie zuvor für das Verfahren beschrieben auf und werden um weitere, im Folgenden beschriebene, Vorteile erweitert.
Eine Ausführungsvariante der Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Lage eines optischen Prüflings dar. Der optische Prüfling weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf. Die Vorrichtung umfasst eine erste Sensorvorrichtung zum Bestimmen von Positionen einer Vielzahl erster Punkte auf der ersten Oberfläche, eine zweite Sensorvorrichtung zum Bestimmen von Positionen einer Vielzahl zweiter Punkte auf der zweiten Oberfläche, und eine Recheneinrichtung eingerichtet zur Bestimmung mindestens eines ersten Lageparameters durch Anpassen einer ersten Flächenform an die Positionen der Vielzahl erster Punkte, Bestimmung mindestens eines zweiten Lageparameters durch Anpassen einer zweiten Flächenform an die Positionen der Vielzahl zweiter Punkte, wobei der mindestens eine erste Lageparameter und der mindestens eine zweite Lageparameter die Lage des optischen Prüflings kennzeichnen.
Dabei ist zu beachten, dass die Recheneinrichtung auch mittels eines verteilten Systems implementiert sein kann, welches verschiedene separate Komponenten aufweist. Beispielsweise kann die Anpassung der Flächenform auf einem vergleichsweise leistungsstarken Rechner, beispielsweise einem externen Server (räumlich entfernter Rechner, in manchen Anwendungsfällen auch „Cloud“), welcher auch Coprozessoren wie Graphikprozessoren aufweisen kann, durchgeführt werden.
Ein Teil der Recheneinrichtung ist mit den Sensorvorrichtungen verbunden und hat somit die Möglichkeit die Strategie für die Messung der Messpunkte auf den Oberflächen zu steuern um die benötigte Messzeit zu verkürzen. Hierzu kann mit den bis zu einem bestimmten Zeitpunkt bereits gemessenen Punkten eine (Teil-)anpassung der Flächenform vorgenommen werden um zu ermitteln ob die bereits gemessenen Punkte eine hinreichend genaue Lagebestimmung ermöglichen oder ob weitere Messungen vorteilhaft sind. Auch kann basierend auf der angenommenen Flächenform die Erfassung der Punkte vorteilhaft gesteuert werden, beispielsweise eine konzentrische Erfassung von Messpunkten basierend auf den Annahmen über die Lage. Wird diese Annahme aufgrund von neuen Messpunkten und einer neu erfolgten Anpassung korrigiert kann iterativ ein neues Suchmuster für Messpunkte festgelegt werden bis die Position hinreichend genau erfasst ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung ein Mittel zum Verändern der Position des optischen Prüflings relativ zu den Sensorvorrichtungen in einer Bewegungsebene auf. Ferner weist die die erste Sensorvorrichtung eine erste Messachse auf, welche nicht in der Bewegungsebene liegt, und die zweite Sensorvorrichtung weist eine zweite Messachse auf, die ebenfalls nicht in der Bewegungsebene liegt. Das Mittel zum Verändern der Position des optischen Prüflings kann beispielsweise ein motorisierter Scantisch mit zwei beweglichen Achsen sein. Hiermit ist die Aufnahme von Punkten auf einer Oberfläche des Prüflings möglich ohne die Position und/oder Orientierung der Sensoren verändern zu müssen.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart eingerichtet ist, dass die erste Messachse und die zweite Messachse auf einer gemeinsamen Messachse liegen.
Die Vorrichtung kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die erste Messachse nicht der zweiten Messachse entspricht und dass die Recheneinheit ausgestaltet ist, den mindestens einen erste Lageparameter und den mindestens einen zweiten Lageparameter auf Basis eines Lageunterschieds zwischen der ersten Messachse und der zweiten Messachse in ein gemeinsames Koordinatensystem zu transformieren.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die erste Sensorvorrichtung mittels einer ersten Befestigung an einem ersten beweglichen Element zum Einstellen einer ersten Position der Sensorvorrichtung befestigt und die erste Sensorvorrichtung eingerichtet, eine erste Distanz zwischen der ersten Oberfläche des optischen Prüflings und der ersten Sensorvorrichtung entlang der ersten Messachse zu bestimmen und die Vorrichtung umfasst ein erstes Positionsmessungssystem, welches eingerichtet ist, die erste Position zu bestimmen. Zusätzlich oder alternativ ist die zweite Sensorvorrichtung mittels einer zweiten Befestigung an einem zweiten beweglichen Element befestigt und somit ist eine zweite Position der zweiten Sensorvorrichtung veränderlich und die zweite Sensorvorrichtung ist dafür geeignet eine zweite Distanz zwischen der zweiten Oberfläche des optischen Prüflings und der zweiten Sensorvorrichtung entlang der zweiten Messachse zu bestimmen und ein zweites Positionsmessungssystem ist vorhanden, welches die zweite Position bestimmen kann, wobei die Recheneinheit eingerichtet ist die Positionen der ersten Vielzahl an Punkten und/oder die Positionen der zweiten Vielzahl an Punkten auf Basis der ersten Position und/oder die zweiten Position zu bestimmen.
In einem Ausführungsbeispiel kann die erste Sensorvorrichtung einen ersten Arbeitspunkt aufweisen, der auf der ersten Messachse liegt und die erste Befestigung kann derart gestaltet sein, dass die Befestigung am ersten beweglichen Element in einer ersten Befestigungsebene erfolgt, wobei die erste Befestigungsebene parallel zur Bewegungsebene verläuft und der erste Arbeitspunkt in der ersten Befestigungsebene liegt. Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Sensorvorrichtung einen zweiten Arbeitspunkt aufweisen, der auf der zweiten Messachse liegt und die zweite Befestigung kann derart gestaltet sein, dass die Befestigung am zweiten beweglichen Element in einer zweiten Befestigungsebene erfolgt, wobei die zweite Befestigungsebene parallel zur Bewegungsebene verläuft und der zweiten Arbeitspunkt in der zweiten Befestigungsebene liegt.
Vorteilhaft wird der Arbeitspunkt als die Mitte des Messbereichs für den jeweiligen Sensor definiert. Eine solche Befestigung an den beweglichen Elementen führt dazu, dass Führungsbedingte Kippfehler der Führungen der beweglichen Elemente nur zu geringen lateralen Verlagerungen bezüglich der zugehörigen Messachse des Sensors führen. Konkret ergeben sich durch diese Bedingung nur Verlagerungen höherer Ordnung in Messrichtung und lateral dazu. Somit entstehen in Messrichtung und lateral dazu nur Positionierfehler höherer Ordnung.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das erste und/oder das zweite Positionsmesssystem baulich von dem ersten beweglichen Element und/oder dem zweiten beweglichen Element und/oder einem Verstellelement zur Positionsänderung des optischen Prüflings getrennt oder mechanisch entkoppelt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der Messaufbau so gestaltet, dass die Positionsmesssysteme konstruktiv von den restlichen Komponenten, insbesondere dem sog. Kraftkreis, welcher Führungen und/oder Antriebe aufweist ist, getrennt ist. Durch diese Funktionstrennung werden jegliche Kräfte in den Messkreis und daraus folgende Deformationen und Messfehler wirksam vermieden.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung eine Halterung, die in der Bewegungsebene beweglich ist und eingerichtet ist mehrere optische Prüflinge aufzunehmen.
Gemäß dieser Variante wird das Mittel zum Bewegen des Prüflings bzw. die Halterung hinsichtlich Auflagefläche und möglichem Verfahrweg der Achsen so ausgelegt, dass mehrere Prüflinge aufgenommen werden können. Dies ermöglicht ist eine automatische sequentielle Messung von mehreren Prüflingen ohne Bedienereingriff. Das Aufnehmen kann beispielsweise durch mehrere Prüflingsaufnahmevorrichtungen und/oder eine oder mehrere Paletten und/oder ein oder mehrere Magazine an der Halterung erfolgen.
Dies ermöglicht eine Zeitersparnis und Verringerung des Aufwands bei der Durchführung der Messungen. Insbesondere kann zwischenzeitliches manuelles und/oder (teil-)automatisches Be- und Entladen fallen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Recheneinrichtung dazu eingerichtet, auf Basis des mindestens einen ersten Lageparameters und des mindestens einen zweiten Lageparameters eine Lage einer optischen Achse des optischen Prüflings zu bestimmen und eine Mittendicke als Abstand eines ersten Schnittpunkts der optischen Achse mit der ersten angepassten Flächenform zu einem zweiten Schnittpunkt der optischen Achse mit der zweiten angepassten Flächenform zu ermitteln.
Die Verfahren können als Computerprogramm bereitgestellt werden, umfassend einen Programmcode, der, wenn er auf einem Prozessor ausgeführt wird, bewirkt, dass eines der oben beschriebenen Verfahren ausgeführt wird.
Das Computerprogramm kann auf einem Speicher der Vorrichtung abgespeichert sein oder auch über eine Cloud oder ein Netzwerk bereit gestellt sein.
Ebenfalls kann ein elektronisch lesbarer Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen bereit gestellt werden, wobei die Steuerinformationen derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Recheneinrichtung bewirken, dass die Verfahren wie oben beschrieben durchgeführt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines optischen Prüflings gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 ein Flussdiagram eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3 eine Darstellung zur Veranschaulichung des Prozesses der Anpassung von Flächenformen an die Vielzahl erster und zweiter Punkte zur Ermittlung von Lageparametern eines optischen Prüflings,
4 eine Darstellung zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Bestimmung der Mittendicke in einem Fall, in dem die erste Messachse nicht der zweiten Messachse entspricht und ein lateraler Versatz der Krümmungsmittelpunkte der ersten und zweiten Prüflingsoberfläche vorhanden ist,
5 schematisch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
6 eine Alternativlösung zur Mittendickenbestimmung.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert. Es ist zu bemerken, dass diese Ausführungsbeispiele lediglich zur Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind. So ist beispielsweise eine Darstellung oder Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten wesentlich sind. Vielmehr können bei anderen Ausführungsbeispielen manche dieser Elemente oder Komponenten weggelassen sein oder durch alternative Elemente oder Komponenten ersetzt werden. Bei wieder anderen Ausführungsbeispielen können zusätzlich zu den dargestellten Komponenten oder Elementen weitere Elemente oder Komponenten, beispielsweise herkömmlicherweise in Poliervorrichtungen oder anderen Vorrichtungen zum Bearbeiten optischer Werkstücke eingesetzter Komponenten, bereitgestellt sein.
Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Beispielsweise können Modifikationen oder Abwandlungen, welche für eines der diskutierten Ausführungsbeispiele dargestellt werden, auch auf andere Ausführungsbeispiele angewendet werden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Flächenformen sind 2D-Projektionen einer sphärischen Flächenform. Wie jedoch oben beschrieben sind die Flächenformen nicht auf eine solche sphärische Flächenform beschränkt. Diese Wahl dient lediglich der leichteren Darstellung und zur Vereinfachung des Verständnisses und ist nicht beschränkend auszulegen.
1 zeigt eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines optischen Prüflings gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung umfasst eine erste Sensorvorrichtung 6, eine zweite Sensorvorrichtung 7 und eine Recheneinrichtung 8. Der optische Prüfling 3 weist eine erste Oberfläche 1 sowie eine zweite Oberfläche 2 auf. Mittels der ersten Sensorvorrichtung 6 wird eine Vielzahl erster Punkte 4 auf dem optischen Prüfling 3 bestimmt. Mittels der zweiten Sensorvorrichtung 7 wird eine Vielzahl zweiter Punkte 5 auf der zweiten Oberfläche 2 des optischen Prüflings 3 bestimmt. Hiermit kann nun mittels des oben beschriebenen Verfahrens die Lage des optischen Prüflings 3 ermittelt und die Mittendicke bestimmt werden.
2 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel. In Schritt 10 erfolgt die Bestimmung von Positionen einer Vielzahl erster Punkte auf einer ersten Oberfläche eines optischen Prüflings. In Schritt 11 erfolgt die Bestimmung von Positionen einer Vielzahl zweiter Punkte auf der zweiten Oberfläche. In Schritt 12 wird die Vielzahl erster Punkte verwendet, um eine erste Flächenform an die Positionen der Vielzahl erster Punkte anzupassen und somit mindestens einen ersten Lageparameter zu bestimmen. In Schritt 13 erfolgt Schritt 12 entsprechend abgewandelt für die zweite Oberfläche. Das Ergebnis von Schritt 13 ist entsprechend mindestens ein zweiter Lageparameter. Mittels der ermittelten Lageparameter erfolgt in Schritt 14 die Bestimmung der Lage des optischen Prüflings.
3 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung der Anpassung von Flächenformen an die Vielzahl erster und zweiter Punkte zur Ermittlung von Lageparametern eines optischen Prüflings.
In diesem Beispiel ist wieder der optische Prüfling 3 gezeigt, der eine erste Oberfläche 1 und eine zweite Oberfläche 2 aufweist. Verfahrensgemäß wurde eine Vielzahl erster Punkte 4 auf der ersten Oberfläche 1 sowie eine Vielzahl zweiter Punkte auf der zweiten Oberfläche 5 bestimmt. In dem hier gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem optischen Prüfling 3 um eine Bikonvexlinse, wobei die erste Oberfläche 1 einen kleineren Krümmungsradius als die zweite Oberfläche 2 aufweist. 3 zeigt das Ergebnis der Anpassung einer sphärischen Flächenform an die jeweilige Oberfläche. Im vorliegenden Beispiel wurde zu für die schematische zweidimensionale Darstellung ein Kreis statt einer Sphäre gewählt. Die Lageparameter, die diese Flächenform eindeutig beschreiben, sind die Position des Mittelpunkts 15a, 17a bezüglich eines Bezugskoordinatensystems 16, sowie der Radius 15c, 17c der Kreise. Der Radius kann hierbei als Skalarwert und die Lage des Mittelpunkts als Vektor 15b bzw. 17b aufgefasst werden. Im vorliegenden Fall sind durch diese Lageparameter die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche des Prüflings beschrieben. Zusätzlich können die Lageparameter um weitere Informationen zur Ausdehnung der Oberfläche ergänzt werden, indem weiterführende Angaben zu zulässigen Koordinatenbereichen gemacht werden. Im vorliegenden Beispiel könnte dies zum Beispiel durch Spezifizierung des von der Oberfläche eingenommenen Winkelbereiches in Polarkoordinaten geschehen.
4 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Bestimmung der Mittendicke in einem Fall, in dem die erste Messachse nicht der zweiten Messachse entspricht und ein lateraler Versatz der Krümmungsmittelpunkte der ersten und zweiten Prüflingsoberfläche vorhanden ist. Das in 3 gezeigte Beispiel wird in 4 erweitert: 4 zeigt eine modifizierte konvexe-sphärischen Linse als einen zweiten optischen Prüfling 3', welcher abermals über eine erste Oberfläche 1 sowie eine zweite Oberfläche 2 verfügt. In 4 ist ein Versatz zwischen dem Krümmungsmittelpunkt der ersten Oberfläche 1 und der zweiten Oberfläche 2 schematisch und nicht maßstäblich dargestellt. Die in der Praxis auftretenden Versatze sind üblicherweise deutlich kleiner. Mittels des Verfahrens dieser Variante der Erfindung ist es nun möglich, die tatsächliche Mittendicke 28 trotz dieses Versatzes zu bestimmen. Im Beispiel von 4 erfolgt die Ermittlung der Vielzahl erster Punkte 4 mittels eines ersten Sensors 6 und die Vielzahl zweiter Punkte mittels eines zweiten Sensors 7. Die Messung des ersten Sensors 6 erfolgt entlang einer ersten Messachse 18 die Messung des zweiten Sensors 7 erfolgt entlang einer zweiten Messachse 19. Im vorliegenden Beispiel sind die Position des ersten Sensors 6 und die Position des zweiten Sensors 7 veränderlich.
Die Positionen des Sensors wird Verfahrensgemäß mittels des ersten Positionsmesssystems 21 sowie des zweiten Positionsmesssystem 22 auf Grundlage der ersten Distanzmessung 25 und der Bestimmung der Position des ersten Sensors 23 sowie der zweiten Distanzmessung 26 und der Bestimmung der zweiten Position des 2. Sensors 24 ermittelt. Somit ist es möglich die Vielzahl der gemessenen Punkte in ein gemeinsames Koordinatensystem zu bestimmen. Insbesondere ist es möglich, die Lageparameter, die wie oben beschrieben durch Anpassung ermittelt werden, zu verwenden, die optische Achse 27 zu bestimmen. Im hier gezeigten Beispiel wird die optische Achse durch die Verbindungslinie vom ersten Kreismittelpunkt 15a und dem zweiten Kreismittelpunkt 17a festgelegt. Die optische Mittendicke 28 wird nun als Abstand eines ersten Schnittpunkts der optischen Achse 27 mit der ersten angepassten Flächenform 15 zu einem zweiten Schnittpunkt der optischen Achse 27 mit der zweiten angepassten Flächenform 17 bestimmt.
5 zeigt schematisch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. In dem gezeigten Beispiel ist ein optischer Prüfling 3 mittels einer Halterung 41 an einem Schlittensystem 28 in einer ersten Befestigungsebene 34 befestigt.
In 5 sind Mittel zum Verändern von Positionen des Prüflings und der Sensorvorrichtungen als Schlittensystem (28, 31, 42, 41, 32) dargestellt. Dies ist nur als Beispiel zu verstehen. Andere Mittel zum Verändern der Position als ein solches Schlittensystem, beispielsweise Piezovorrichtungen, pneumatische Vorrichtungen, elektromagnetische Vorrichtungen etc. können ebenfalls zur Anwendung kommen.
Der optische Prüfling 3 weist eine erste Oberfläche 1 und eine zweite Oberfläche 2 auf. Die Vermessung der ersten Oberfläche erfolgt mittels einer ersten Sensorvorrichtung 6 welche einen ersten Arbeitspunkt 33 aufweist, der auf der ersten Messachse 18 liegt. Die erste Sensorvorrichtung 6 ist mittels einer ersten Befestigung 29 an einem ersten beweglichen Element 31 in einer ersten Befestigungsebene 34 befestigt, wobei die erste Befestigungsebene 34 parallel zur Bewegungsebene 29 verläuft und der erste Arbeitspunkt 33 in der ersten Befestigungseben 34 liegt.
Entsprechend weist die zweite Sensorvorrichtung 7 einen zweiten Arbeitspunkt 35 auf welcher auf der zweiten Messachse 19 liegt. Die zweite Sensorvorrichtung 7 ist mittels einer zweiten Befestigung 30 an einem zweiten beweglichen Element 32 in einer zweiten Befestigungsebene 36 befestigt, wobei die zweite Befestigungsebene 36 parallel zur ersten Bewegungsebene 39 liegt und der zweite Arbeitspunkt 35 sich in der zweiten Befestigungsebene 36 befindet. Die Positionsbestimmung der ersten Sensorvorrichtung 6 erfolgt mittels eines ersten Positionsmessungssystems 21. Entsprechend erfolgt die Positionsbestimmung der zweiten Sensorvorrichtung 7 mittels eines zweiten Positionsmessungssystems 22. Ersten Positionsmessungssystems 21 und zweites Positionsmessungssystem 22 werden mittels einer Halterung 43 fixiert. Diese Halterung ist baulich von dem ersten beweglichen Element zur Positionsänderung des optischen Prüflings getrennt oder mechanisch entkoppelt. In 5 ist diese Trennung/Entkoppelung schematisch durch Dämpfer 40 symbolisiert.
6 zeigt schematisch eine alternative Möglichkeit zur Mittendickenbestimmung.
Im in 6 gezeigten Aufbau erfolgt eine Messung mittels eines optischen Sensors 6, vorzugsweise eines Kurzkohärenzinterferometers. Teile der Messung können in Transmission durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass mittels des optischen Sensors Messinformationen von Objekten erfasst werden können, die sich aus Sicht des Sensors hinter mindestens einem anderen Objekt befinden. Dieses andere Objekt kann beispielsweise der optische Prüfling oder eine transparente Planplatte sein.
Der Prüfling 3 befindet sich in einer Prüflingsaufnahmevorrichtung 63 innerhalb einer Kavität 60. Die Prüflingsaufnahmevorrichtung 63 kann ein Bewegungselement verbunden mit der Prüflingsaufnahmevorrichtung, beispielsweise einen verfahrbaren Tisch, umfassen. Die Kavität 60 wird durch eine erste transparente Planplatte 61 und eine zweite transparente Planplatte 62 gebildet und kann mittels eines metrologischen Rahmens 64 befestigt sein. Der metrologische Rahmen 64 kann mechanisch vom restlichen Aufbau entkoppelt sein. Der Abstand von erster Planplatte 61 und zweiter Planplatte 62 ist hinreichend genau bekannt oder wird im Rahmen des Verfahrens hinreichend genau ermittelt. Hinreichend genau bezeichnet hierbei eine Abstandsmessung, deren Ungenauigkeit niedrig genug ist, um eine Mittendickenbestimmung mit der gewünschten Genauigkeit durchführen zu können. Soll die Mittendickenmessung beispielsweise auf 500 nm genau erfolgen, so kann der Abstand z.B. mit einer Genauigkeit von 50 nm ermittelt werden. Vorzugsweise wird der Abstand in einer ersten Kalibrationsmessung mittels dem optischen Sensor 6 ermittelt. Bei dieser Kalibrationsmessung befindet sich kein Prüfling 3 in der Prüflingsaufnahmevorrichtung 63.
In einem Messschritt werden mittels des optischen Sensors 6 die jeweiligen Abstände der ersten Prüflingsaußenfläche 3a zu der ersten Planplatte 61b und der zweiten Prüflingsaußenfläche 3b zur zweiten Planplatte 62a der Kavität 60 bestimmt. Aus diesen beiden Messgrößen und dem bekannten Abstand von erster Planplatte 61 und zweiter Planplatte 62 und optional unter Einsatz des Bewegungselements der Prüflingsaufnahmevorrichtung 63 kann eine Vielzahl erster Punkte und eine Vielzahl zweiter Punkte auf der ersten Prüflingsoberfläche 3a und der zweiten Prüflingsoberfläche 3b bestimmt werden. Aus diesen wird dann die geometrische Mittendicke des Prüflings ermittelt. Die Ermittlung der Mittendicke kann dann wie in dieser Beschreibung zuvor beschrieben, jedoch zusätzlich unter Berücksichtigung der Kavitätsabmessung zur Ermittlung der Lagebeziehungen der Vielzahl erster Punkte und der Vielzahl zweiter Punkte zueinander, erfolgen.
Alternativ kann die Prüflingsaufnahmevorrichtung 63 so gestaltet sein, dass der Prüfling so gelagert wird, dass der Sensor 6 eine Mittendickenmessung durchführen kann, ohne dass der Prüfling bewegt werden muss. Eine solche Prüflingsaufnahmevorrichtung 63 kann mittels selbstzentrierender Elemente, beispielsweise entsprechend geformten Aufnahmevorrichtungen oder mittels eines selbstzentrierenden Spannfutters realisiert werden. In diesem Fall kann auf ein Bewegungselement verzichtet werden. In diesem Fall genügt die Bestimmung mindestens eines ersten Punkts auf der ersten Prüflingsoberfläche 3a und mindestens eines zweiten Punktes auf der zweiten Prüflingsoberfläche 3b um die Ermittlung der Mittendicke dann wie in der Beschreibung zuvor beschrieben durchzuführen, wobei die Lage des Prüflings in diesem Fall als durch die Halterung bereits bestimmt angesehen wird.
Ein Vorteil des anhand von 6 erörterten Verfahrens ist, dass die Mittendickenmessung damit unabhängig von der Brechzahl des Prüflings ist. Insbesondere führen somit Brechzahltoleranzen nicht zu Fehlern bei der Bestimmung der Mittendicke. Mit Brechzahltoleranzen sind hierbei Unsicherheiten bezüglich der Brechzahl des Prüflings gemeint, die sich beispielsweise durch die Messung der Brechzahl des Prüflings und den damit verbundenen Messfehlern in einem anderen Verfahren ergeben können.
Somit wird bei dieser Alternative eine Vorrichtung zur Bestimmung der Mittendicke eines Prüflings mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche bereitgestellt, umfassend:

eine erste transparente Planplatte und eine zweite transparente Planplatte,
eine Prüflingsaufnahmevorrichtung zwischen der ersten Planplatte und der zweiten Planplatte zur Aufnahme des Prüflings
eine optische Sensorvorrichtung zum Bestimmen eines ersten Abstands eines ersten Punkts auf der ersten Oberfläche von der ersten Planplatte und zum Bestimmen eines zweiten Abstands eines zweiten Punkts auf der zweiten Oberfläche von der zweiten Planplatte, sowie zum Erfassen einer Kavitätslänge zwischen der ersten Planplatte und der zweiten Planplatte,
eine Recheneinrichtung, eingerichtet zur Bestimmung der geometrischen Mittendicke, basierend auf dem ersten Abstand, dem zweiten Abstand und dem Abstand zwischen der ersten Planplatte und der zweiten Planplatte (im Folgenden als Kavitätslänge bezeichnet).

Im Folgenden sind zusätzliche Ausführungsmöglichkeiten aufgeführt, die einzeln oder in Kombination eingesetzt werden können:
Die Vorrichtung kann ein Mittel zum Verändern der Position des optischen Prüflings relativ zu der Sensorvorrichtungen in einer Bewegungsebene umfassen, wobei eine Messachse der Sensorvorrichtung nicht in der Bewegungsebene liegt. In diesem Fall kann die Vorrichtung nicht nur zur Bestimmung der geometrischen Mittendicke verwendet werden, sondern auch zur Bestimmung der Lage eines Prüflings. Die Ermittlung der Lage eines Prüflings gestattet, wie zuvor bereits ausgeführt, die Bestimmung der Mittendicke entlang der optischen Achse in weiteren optionalen Schritten.
Verfügt die Vorrichtung über ein Mittel zum Verändern der Position des optischen Prüflings kann hierzu mittels des Sensors eine Vielzahl erster Punkte auf der ersten Oberfläche des Prüflings und eine Vielzahl zweiter Punkte auf der zweiten Oberfläche des Prüflings bestimmt werden. Die Vorrichtung kann dann eine Recheneinrichtung umfassen, die eingerichtet ist, mindestens einen ersten Lageparameter durch Anpassen einer ersten Flächenform an die Positionen der Vielzahl erster Punkte zu bestimmen,
mindestens einen zweiten Lageparameter durch Anpassen einer zweiten Flächenform an die Positionen der Vielzahl zweiter Punkte zu bestimmen, wobei der mindestens eine erste Lageparameter und der mindestens eine zweite Lageparameter die Lage des optischen Prüflings kennzeichnen und die Beziehung der Lageparameter unter Berücksichtigung der Kavitätslänge erfolgt.
Die Vorrichtung kann einen meterologischer Rahmen zur Befestigung der ersten transparenten Planplatte und der zweiten transparenten Planplatte umfassen. Diese kann, wie oben bei anderen Varianten offenbart, entkoppelt von dem restlichen Aufbau der Vorrichtung sein.
Diese Vorrichtungsvarianten können jeweils mit Merkmalen der zuvor beschriebenen Vorrichtungen kombiniert werden. Beispielsweise kann die ermittelte Lage verwendet werden, um eine Mittendicke des optischen Prüflings wie obenstehend zu ermitteln, aber auch die anderen beschriebenen Verfahrensschritte können vollständig oder teilweise mittels dieser Vorrichtung realisiert werden.
Zudem wird bei dieser Alternative ein Verfahren zur Bestimmung der Mittendicke eines Prüflings mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, der sich zumindest teilweise zwischen einer ersten transparenten Planplatte und einer zweiten transparenten Planplatte befindet, bereitgestellt, umfassend:

Bestimmung einer Kavitätslänge zwischen der ersten Planplatte und der zweiten Planplatte mittels eines optischen Sensors,
Bestimmen eines ersten Abstands eines ersten Punkts auf der ersten Oberfläche von der ersten Planplatte, insbesondere mit einer optischen Sensorvorrichtung,
Bestimmen eines zweiten Abstands eines zweiten Punkts auf der zweiten Oberfläche von der zweiten Planplatte, insbesondere mit der optischen Sensorvorrichtung, Bestimmung der geometrischen Mittendicke, basierend auf dem ersten Abstand, dem zweiten Abstand und der Kavitätslänge.

Im Folgenden sind zusätzliche Ausführungsmöglichkeiten aufgeführt, die einzeln oder in Kombination eingesetzt werden können:
Das Verfahren kann das Verändern der Position des Prüflings relativ zu der Sensorvorrichtung in einer Bewegungsebene umfassen. In diesem Fall können anstelle eines ersten Punktes Positionen einer Vielzahl erster Punkte gemessen werden. Ebenfalls können anstelle eines zweiten Punktes Positionen einer Vielzahl an zweiten Punkten gemessen werden. Diese Positionen der Vielzahl an ersten und zweiten Punkten kann anhand der Kavitätslänge in Bezug gesetzt werden, um die Lage der Vielzahl erster und zweiter Punkte bezüglich eines gemeinsamen Koordinatensystems zu bestimmen. In diesem Koordinatensystem kann dann eine Bestimmung mindestens eines ersten Lageparameters durch Anpassen einer ersten Flächenform an die Positionen der Vielzahl erster Punkte,
eine Bestimmung mindestens eines zweiten Lageparameters durch Anpassen einer zweiten Flächenform an die Positionen der Vielzahl zweiter Punkte erfolgen, wobei der mindestens eine erste Lageparameter und der mindestens eine zweite Lageparameter die Lage des optischen Prüflings kennzeichnen.
Mit den beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Computerprogramm kann somit eine genaue Lagebestimmung eines optischen Prüflings vorgenommen werden, welche dann gemäß einer Variante der Erfindung auch verwendet werden kann um eine exakte Bestimmung der optischen Mittendicke eines Prüflings vorzunehmen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Lage eines optischen Prüflings mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, umfassend: Bestimmung von Positionen einer Vielzahl erster Punkte auf der ersten Oberfläche, Bestimmung von Positionen einer Vielzahl zweiter Punkte auf der zweiten Oberfläche, Bestimmung mindestens eines ersten Lageparameters durch Anpassen einer ersten Flächenform an die Positionen der Vielzahl erster Punkte, Bestimmung mindestens eines zweiten Lageparameters durch Anpassen einer zweiten Flächenform an die Positionen der Vielzahl zweiter Punkte, wobei der mindestens eine erste Lageparameter und der mindestens eine zweite Lageparameter die Lage des optischen Prüflings kennzeichnen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Flächenform der ersten oder zweiten Flächenform eine sphärische Form ist und der zugehörige mindestens eine erster Lageparameter und/oder der mindestens eine zweite Lageparameter einen Flächenkrümmungsmittelpunkt der sphärischen Form umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Flächenform und/oder die zweite Flächenform eine der folgenden Geometrien beschreibt: rotationssymmetrische asphärische Form, Zylinderform, Nicht-rotationssymmetrische asphärische Form, torische Form, ebene Form, Meniskusform, Freiform.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Positionen der Vielzahl erster Punkte mittels einer ersten Sensorvorrichtung, die eine erste Messachse aufweist und die Bestimmung der Positionen der Vielzahl zweiter Punkte mittels einer zweiten Sensorvorrichtung, die eine zweite Messachse aufweist, erfolgt, wobei das Bestimmen der Position der Vielzahl erster Punkte und/oder der Vielzahl zweiter Punkte ein Verändern der Position des optischen Prüflings relativ zu der ersten Sensorvorrichtung und/oder der zweiten Sensorvorrichtung in einer Bewegungsebene umfasst und die erste Messachse und die zweite Messachse nicht in der Bewegungsebene liegen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messachse und die zweite Messachse auf einer gemeinsamen Messachse liegen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messachse von der zweiten Messachse verschieden ist und dass der mindestens eine erste Lageparameter und der mindestens eine zweite Lageparameter und/oder die erste angepasste Flächenform und die zweite angepasste Flächenform und/oder die Vielzahl erster Punkte und die Vielzahl zweiter Punkte auf Basis eines Lageunterschieds zwischen der ersten Messachse und der zweiten Messachse in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert wird/werden.
Verfahren nach Anspruch 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der ersten Sensorvorrichtung veränderlich ist und dass das Bestimmen der Positionen der Vielzahl erster Punkte umfasst, dass die erste Sensorvorrichtung erste Distanzen zwischen der ersten Oberfläche des optischen Prüflings und der ersten Sensorvorrichtung entlang der ersten Messachse bestimmt und die mindestens eine Position der ersten Sensorvorrichtung als mindestens eine erste Sensorposition bestimmt wird und die Lage der Positionen der Vielzahl erster Punkte auf Basis der ersten Distanzen und der mindestens einen ersten Sensorposition bestimmt wird und/oder die Position der zweiten Sensorvorrichtung veränderlich ist und dass das Bestimmen der Positionen der Vielzahl zweiter Punkte umfasst, dass die zweite Sensorvorrichtung erste Distanzen zwischen der zweiten Oberfläche des optischen Prüflings und der zweiten Sensorvorrichtung entlang der zweiten Messachse bestimmt und die mindestens eine Position der zweiten Sensorvorrichtung als mindestens eine zweite Sensorposition bestimmt wird und die Lage der Positionen der Vielzahl zweiter Punkte auf Basis der zweiten Distanzen und der mindestens einen zweiten Sensorposition bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorposition entlang der ersten Messachse bestimmt wird und/oder die zweite Sensorposition entlang der zweiten Messachse bestimmt wird.
Verfahren zur Bestimmung einer Mittendicke eines optischen Prüflings, umfassend: Bestimmen der Lage des optischen Prüflings nach einem der Ansprüche 1-8, Bestimmen einer Lage einer optischen Achse des optischen Prüflings auf Basis des mindestens einen ersten Lageparameters und des mindestens einen zweiten Lageparameters und Bestimmen der optischen Mittendicke als Abstand eines ersten Schnittpunkts der optischen Achse mit der ersten angepassten Flächenform zu einem zweiten Schnittpunkt der optischen Achse mit der zweiten angepassten Flächenform.
Vorrichtung zur Bestimmung einer Lage eines optischen Prüflings mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, umfassend: Eine erste Sensorvorrichtung zum Bestimmen von Positionen einer Vielzahl erster Punkte auf der ersten Oberfläche, eine zweite Sensorvorrichtung zum Bestimmen von Positionen einer Vielzahl zweiter Punkte auf der zweiten Oberfläche, eine Recheneinrichtung eingerichtet zur Bestimmung mindestens eines ersten Lageparameters durch Anpassen einer ersten Flächenform an die Positionen der Vielzahl erster Punkte, Bestimmung mindestens eines zweiten Lageparameters durch Anpassen einer zweiten Flächenform an die Positionen der Vielzahl zweiter Punkte, wobei der mindestens eine erste Lageparameter und der mindestens eine zweite Lageparameter die Lage des optischen Prüflings kennzeichnen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zum Verändern der Position des optischen Prüflings relativ zu den Sensorvorrichtungen in einer Bewegungsebene aufweist, die erste Sensorvorrichtung eine erste Messachse aufweist, die nicht in der Bewegungsebene liegt, die zweite Sensorvorrichtung eine zweite Messachse aufweist, die nicht in der Bewegungsebene liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart eingerichtet ist, dass die erste Messachse und die zweite Messachse auf einer gemeinsamen Messachse liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messachse nicht der zweiten Messachse entspricht und dass die Recheneinheit ausgestaltet ist, den mindestens einen erste Lageparameter und den mindestens einen zweiten Lageparameter auf Basis eines Lageunterschieds zwischen der ersten Messachse und der zweiten Messachse in ein gemeinsames Koordinatensystem zu transformieren.
Vorrichtung nach Anspruch 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorvorrichtung mittels einer ersten Befestigung an einem ersten beweglichen Element zum Einstellen einer ersten Position der Sensorvorrichtung befestigt ist und die erste Sensorvorrichtung eingerichtet ist eine erste Distanz zwischen der ersten Oberfläche des optischen Prüflings und der ersten Sensorvorrichtung entlang der ersten Messachse zu bestimmen und die Vorrichtung ein erstes Positionsmessungssystem umfasst, welches eingerichtet ist, die erste Position zu bestimmen und/oder die zweite Sensorvorrichtung mittels einer zweiten Befestigung an einem zweiten beweglichen Element befestigt ist und somit eine zweite Position der zweiten Sensorvorrichtung veränderlich ist und die zweite Sensorvorrichtung dafür geeignet ist eine zweite Distanz zwischen der zweiten Oberfläche des optischen Prüflings und der zweiten Sensorvorrichtung entlang der zweiten Messachse zu bestimmen und ein zweites Positionsmessungssystem vorhanden ist welches die zweite Position bestimmen kann wobei die Recheneinheit eingerichtet ist die Positionen der ersten Vielzahl an Punkten und/oder die Positionen der zweiten Vielzahl an Punkten auf Basis der ersten Position und/oder die zweiten Position zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorvorrichtung einen ersten Arbeitspunkt aufweist, der auf der ersten Messachse liegt und die erste Befestigung derart gestaltet ist, dass die Befestigung am ersten beweglichen Element in einer ersten Befestigungsebene erfolgt, wobei die erste Befestigungsebene parallel zur Bewegungsebene verläuft und der erste Arbeitspunkt in der ersten Befestigungsebene liegt und/oder die zweite Sensorvorrichtung einen zweiten Arbeitspunkt aufweist, der auf der zweiten Messachse liegt und die zweite Befestigung derart gestaltet ist, dass die Befestigung am zweiten beweglichen Element in einer zweiten Befestigungsebene erfolgt, wobei die zweite Befestigungsebene parallel zur Bewegungsebene verläuft und der zweiten Arbeitspunkt in der zweiten Befestigungsebene liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14-15, dadurch gekennzeichnet, dass das ersten und/oder zweite Positionsmesssystem baulich von dem ersten beweglichen Element und/oder dem zweiten beweglichen Element und/oder einem Verstellelement zur Positionsänderung des optischen Prüflings getrennt oder mechanisch entkoppelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Halterung umfasst, die in der Bewegungsebene beweglich ist und eingerichtet ist mehrere optische Prüflinge aufzunehmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-17, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, auf Basis des mindestens einen ersten Lageparameters und des mindestens einen zweiten Lageparameters, eine Lage einer optischen Achse des optischen Prüflings zu bestimmen und eine Mittendicke als Abstand eines ersten Schnittpunkts der optischen Achse mit der ersten angepassten Flächenform zu einem zweiten Schnittpunkt der optischen Achse mit der zweiten angepassten Flächenform zu ermitteln.
Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der, wenn er auf einem Prozessor ausgeführt wird, bewirkt, dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9 ausgeführt wird.
Elektronisch lesbarer Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen, welche derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Recheneinrichtung bewirken, dass die Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9 durchgeführt werden.