DE102021117104A1

DE102021117104A1 - Kalibriernormal zur Messung des Winkels zwischen einer optischen Achse eines Autokollimators und einer mechanischen Linearachse

Info

Publication number: DE102021117104A1
Application number: DE102021117104.0A
Authority: DE
Inventors: Josef Heinisch
Original assignee: Trioptics GmbH
Current assignee: Trioptics GmbH
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2021-07-02
Publication date: 2023-01-05
Also published as: EP4363795A1; WO2023274963A1

Abstract

Ein Kalibriernormal (70) zur Messung des Winkels zwischen einer optischen Achse (34) eines Autokollimators (22) und einer mechanischen Linearachse (46), entlang der ein Objekt (45; 92) verfahrbar angeordnet ist, hat eine zumindest teilweise reflektierende Planfläche (73) und eine brechende Fläche (S), die zumindest im Wesentlichen sphärisch gekrümmt ist und sich in der Planfläche (73) spiegelt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Kalibriernormal zur Messung des Winkels zwischen einer optischen Achse eines Autokollimators (oder einer dazu senkrecht ausgerichteten ebenen Fläche) und einer mechanischen Linearachse. Die Erfindung betrifft außerdem Verfahren zum Messen derartiger Winkel unter Verwendung eines solchen Kalibriernormals.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Bei der Fertigung von qualitativ hochwertigen mehrlinsigen optischen Systemen müssen die Linsen mit hoher Genauigkeit zueinander ausgerichtet werden. Um eine solche Ausrichtung durchführen zu können, ist es erforderlich, die Positionen der optischen Flächen messtechnisch zu bestimmen.
Eine wichtige geometrische Größe bei der Vermessung mehrlinsiger optischer Systeme sind die Positionen der Krümmungsmittelpunkte der optischen Flächen. Idealerweise liegen die Krümmungsmittelpunkte exakt auf einer gemeinsamen Referenzachse, die in der Regel mit den Symmetrieachsen der die Linsen aufnehmenden Linsenfassungen zusammenfallen sollte. In realen optischen Systemen liegen die Krümmungsmittelpunkte jedoch infolge von Fertigungs- und Montagetoleranzen statistisch um diese Referenzachse herum verteilt. Sind die Abstände der Krümmungsmittelpunkte von der Referenzachse zu groß, so verschlechtern sich die Abbildungseigenschaften des optischen Systems in untolerierbarer Weise.
Aus der DE 10 2004 029 735 A1 ist ein Verfahren zur Messung von Krümmungsmittelpunkten optischer Flächen eines mehrlinsigen optischen Systems bekannt, bei dem die Positionen der Krümmungsmittelpunkte der einzelnen optischen Flächen sukzessive mit Hilfe eines Autokollimators gemessen werden. Für jede optische Fläche wird die Messung dabei mehrfach in unterschiedlichen azimutalen Drehstellungen des optischen Systems durchgeführt. Die Drehachse, um die der Prüfling gedreht wird, stellt dabei die Referenzachse für die Zentrierfehlermessung dar.
Bei jedem Messschritt muss sich der Krümmungsmittelpunkt der zu vermessenden optischen Fläche in der Bildebene des Autokollimators befinden. Die brechende Wirkung von ggf. im Strahlengang vorgelagerten optischen Flächen des optischen Systems ist dabei zu berücksichtigen. Nur dann wird das Messobjekt des Autokollimators, bei dem es sich z.B. um ein Strichkreuz handeln kann, scharf auf einen ortsauflösenden Lichtsensor des Autokollimators abgebildet. Nach jeder Messung der Position eines Krümmungsmittelpunkts muss deswegen die Brennweite des Autokollimators neu eingestellt werden. Im Allgemeinen erfolgt dies durch axiales Verschieben einer aus einer oder mehreren Linsen bestehenden Vorsatzoptik.
Bei dem Zentrierfehlermessgerät OptiCentric® Linear der Anmelderin wird der Prüfling während der Messung nicht gedreht. Als Referenzachse dient stattdessen die mechanische Linearachse, entlang der die Vorsatzoptik bei der Fokussierung verfahren wird. Die Dezentrierung des Krümmungsmittelpunkts ergibt sich aus dem Abstand („Ablage“), den der Reflex auf dem Detektor von der optischen Achse des Autokollimators hat.
Wenn die mechanische Linearachse der Vorsatzoptik nicht exakt parallel zur optischen Achse des Autokollimators ausgerichtet ist, hat dies für die Messergebnisse in den meisten Fällen keine nachteiligen Auswirkungen. Bei nicht-paralleler Ausrichtung der beiden Achsen überlagert sich den gemessenen Zentrierfehlern nämlich nur ein konstanter Offset. Dieser stört in der Regel nicht, da es bei der Zentrierfehlermessung primär auf die Anordnung der Krümmungsmittelpunkte relativ zueinander ankommt. Die relative Anordnung der Krümmungsmittelpunkte wird durch einen konstanten Offset aber nicht beeinflusst.
Anders ist die Situation, wenn das zu vermessende optische System nicht nur gekrümmte, sondern auch plane brechende Flächen enthält. Dabei kann es sich z.B. um Schutzscheiben oder um die planen Flächen von Plankonvex- oder Plankonkavlinsen handeln. Bei der Vermessung von Planflächen wird bei den bekannten Zentrierfehlermessgeräten die Vorsatzoptik entfernt und die Ausrichtung der Planfläche im kollimierten Strahlengang des Autokollimators relativ zu dessen optischer Achse gemessen. Bei solchen optischen Systemen muss nicht nur die relative Anordnung der Krümmungsmittelpunkte, sondern auch deren Lage relativ zu den Flächennormalen der Planflächen bekannt sein. Ein Offset unbekannter Größe bei den Zentrierfehlermessungen ist dann nicht mehr tolerierbar.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, die Zentrierfehlermessung optischer Systeme dahingehend zu verbessern, dass man mit hoher Genauigkeit die Ausrichtung optischer Elemente auch solcher optischer Systeme messen kann, die sowohl gekrümmte also auch plane brechende Flächen enthalten.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Kalibriernormal zur Messung des Winkels zwischen einer optischen Achse eines Autokollimators und einer mechanischen Linearachse, entlang der ein Objekt verfahrbar angeordnet ist. Das Kalibriernormal ist gekennzeichnet durch eine zumindest teilweise reflektierende Planfläche und eine brechende Fläche, die zumindest im Wesentlichen sphärisch gekrümmt ist und sich in der Planfläche spiegelt.
Wenn ein Messsystem vor den Messungen mit einem solchen Kalibriernormal kalibriert wird, lässt sich der Winkel zwischen der optischen Achse des Autokollimators und der mechanischen Linearachse, entlang welcher die Vorsatzoptik verfahren wird, auf sehr einfache Weise und trotzdem mit sehr hoher Genauigkeit messen. Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass durch die Reflexion der gekrümmten Fläche an der reflektierenden Planfläche eine virtuelle gekrümmte Fläche (also ein Spiegelbild der realen gekrümmten Fläche) entsteht. Die virtuelle gekrümmte Fläche hat einen virtuellen Krümmungsmittelpunkt, der sich genauso mit Hilfe des Autokollimators vermessen lässt wie der reale Krümmungsmittelpunkt der realen gekrümmten Fläche. Das Kalibriernormal stellt auf diese Weise zwei Krümmungsmittelpunkte zur Verfügung, obwohl nur eine reale gekrümmte Fläche existiert. Aufgrund der Spiegelung an der Planfläche haben die beiden Krümmungsmittelpunkte die Eigenschaft, dass eine sie verbindende Gerade stets exakt senkrecht zur Planfläche angeordnet ist. Dies ist eine unmittelbare Folge der Spiegelung der gekrümmten Fläche an der zumindest teilweise reflektierenden Planfläche. Diese extrem genaue Ausrichtung der beiden Krümmungsmittelpunkte entlang einer Linie senkrecht zur Planfläche ist somit nicht das Ergebnis einer besonders hohen Fertigungsgenauigkeit, sondern des vorstehend beschriebenen Wirkungsprinzips des Kalibriernormals. Folglich werden an die Fertigungsgenauigkeit des Kalibriernormals keine besonders hohen Anforderungen gestellt.
Für die gekrümmte Fläche genügt es deswegen, wenn diese nur annähernd oder in Teilbereichen sphärisch ist. Auch an die Planarität der Planfläche werden keine besonders hohen Anforderungen gestellt. Folglich lässt sich das erfindungsgemäße Kalibriernormal sehr preisgünstig herstellen und erfordert auch bei der Aufbewahrung und Benutzung keine besondere Sorgfalt.
In einem ersten Messschritt wird die Ausrichtung der Planfläche des Kalibriernormals zur optischen Achse des Autokollimators gemessen. Hierzu wird die Vorsatzoptik entfernt, so dass sich ein nicht von der gekrümmten Fläche überdeckter Bereich der Planfläche im kollimierten Strahlengang des Autokollimators befindet.
In einem zweiten Messschritt wird der Winkel zwischen der mechanischen Linearachse und der Verbindungsgeraden zwischen dem realen und dem virtuellen Krümmungsmittelpunkt des Kalibriernormals ermittelt. Die Messung der Krümmungsmittelpunkte erfolgt in der an sich im Stand der Technik bekannten Art und Weise. Dazu wird zwischen den beiden Einzelmessungen die Vorsatzoptik entlang der mechanischen Linearachse verfahren, damit die Brennebene des Autokollimators sich auf der Höhe des jeweiligen Krümmungsmittelpunkts befindet.
Da die Planfläche des Kalibriernormals konstruktionsbedingt exakt senkrecht zur Verbindungsgeraden zwischen dem realen und dem virtuellen Krümmungsmittelpunkt verläuft, kann durch Verknüpfen der Messergebnisse der Winkel zwischen der optischen Achse des Autokollimators und der mechanischen Linearachse berechnet werden.
Unter der optischen Achse des Autokollimators wird die Richtung verstanden, entlang der sich das kollimierte Licht ausbreitet, bevor es auf die Vorsatzoptik trifft. Diese Richtung wird festgelegt von den optischen Elementen, die im Strahlengang des Autokollimators vor der Vorsatzoptik angeordnet sind.
Das Kalibriernormal muss nicht dauerhaft einen Bereich haben, der nicht von der brechenden Fläche bei senkrechter Projektion überdeckt wird. Es genügt, wenn ein solcher Bereich nur für den ersten Messschritt zur Verfügung steht, bei dem die Vorsatzoptik entfernt wird und somit kollimiertes Messlicht auf das Kalibriernormal fällt. Das Kalibriernormal kann beispielsweise in eine Konfiguration überführbar sein, in der die brechende Fläche die Planfläche bei senkrechter Projektion nur teilweise überdeckt. Am einfachsten gelingt dies, wenn das Kalibriernormal modular aus mehreren Komponenten aufgebaut ist und sich die brechende Fläche an einer Komponente (z.B. einer Plankonvexlinse) befindet, die zerstörungsfrei entfernt werden kann. Ferner kommt in Betracht, den Messschritt ohne Vorsatzoptik nur mit einem normalen Planspiegel auszuführen und diesen vor der Durchführung des anderen Messschritts gegen das erfindungsgemäße Kalibriernormal auszutauschen. Die reflektierenden Planflächen des Planspiegels und des Kalibriernormals müssen dann allerdings exakt parallel zur jeweiligen Auflagefläche ausgebildet sein.
Da es für die Messung nicht darauf ankommt, wo sich die gekrümmte Fläche relativ zur Planfläche befindet, muss die Planfläche nicht mit der gekrümmten Fläche mechanisch verbunden sein. Das Kalibriernormal kann zum Beispiel aus einem Planspiegel und einer plankonvexen Linse bestehen, die bei der Messung auf die Planfläche aufgelegt wird, so dass nur Adhäsionskräfte zwischen den beiden Elementen wirken. Die Plankonvexlinse kann auch auf kleinen Abstandhaltern aufliegen, die auf dem Planspiegel verteilt sind. Kompakter und einfacher handhabbar ist das Kalibriernormal jedoch, wenn die Planfläche und die gekrümmte Fläche mechanisch starr miteinander verbunden sind.
Wie bereits erwähnt, kann die gekrümmte Fläche Teil einer plankonvexen Linse sein. Die gekrümmte Fläche kann jedoch auch konkav und damit Teil einer plankonkaven Linse sein. Die plane Linsenfläche einer plankonvexen oder plankonkaven Linse ist dabei parallel zur Planfläche anzuordnen.
Im Prinzip kann das Kalibriernormal auch zwei gekrümmte Flächen enthalten. Für die Messung genügt es jedoch, nur den realen und den virtuellen Krümmungsmittelpunkt einer der beiden Flächen zu messen. Damit die andere Linsenfläche die Messung nicht verfälscht, müssen die Linsenflächen zueinander zentriert sein, oder eine vorhandene Dezentrierung wird bei der rechnerischen Auswertung berücksichtigt. Da mit der Verwendung mehrerer gekrümmter Flächen kein greifbarer Nutzen einhergeht, ist das Vorsehen einer einzigen gekrümmten Fläche bevorzugt.
Falls die gekrümmte Fläche Teil einer plankonvexen oder plankonkaven Linse ist, liegt die plane Linsenfläche vorzugsweise an der Planfläche an und ist mit dieser lösbar oder unlösbar verbunden. Auf diese Weise ist für die plankonvexe oder plankonkave Linse keine eigene Halterung erforderlich, weil die plane Linsenfläche durch Kitten oder Ansprengen an der Planfläche des Kalibriernormals befestigt werden kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel hat das Kalibriernormal eine weitere zumindest teilweise reflektierende Planfläche und eine weitere brechende Fläche, die zumindest im Wesentlichen sphärisch gekrümmt ist und die weitere Planfläche bei senkrechter Projektion nur teilweise überdeckt. Die beiden Planflächen sind dabei in einem vorgegebenen und vorzugsweise rechten Winkel zueinander angeordnet. Ein solches Kalibriernormal kann dazu verwendet werden, den Winkel zwischen zwei mechanischen Linearachsen mit sehr hoher Genauigkeit zu messen. Der Winkel zwischen den Planflächen ist dafür genau zu messen, z.B. mit Hilfe eines Goniometers.
Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Kalibriernormals zur Messung des Winkels zwischen einer optischen Achse eines Autokollimators und einer mechanischen Linearachse, entlang der ein Objekt verfahrbar angeordnet ist.
Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Messsystem zum Vermessen von optischen Systemen, die gekrümmte optische Flächen und Planflächen enthalten. Ein solches Messsystem umfasst einen Autokollimator, eine Vorsatzoptik, die entlang einer mechanischen Linearachse im Strahlengang des Autokollimators verfahrbar ist, und ein erfindungsgemäßes Kalibriernormal, das in den Strahlengang des Autokollimators einführbar ist.
Das Kalibriernormal kann auch zur Messung von Winkeln zwischen einer Fläche eines ersten Objekts und einer mechanischen Linearachse, entlang der ein zweites Objekt verfahrbar angeordnet ist, verwendet werden. Ein dafür geeignetes Messsystem weist einen Autokollimator auf, der an dem ersten Objekt befestigbar ist. Zum Messsystem gehört außerdem eine Vorsatzoptik, die im Strahlengang des Autokollimators angeordnet oder anordenbar ist, und ein erfindungsgemäßes Kalibriernormal. Die Vorsatzoptik oder das Kalibriernormal ist dabei an dem zweiten Objekt befestigbar. Ein solches Messsystem kann beispielsweise dazu verwendet werden, um die Linearachsen eines Koordinatenmessgeräts exakt zueinander auszurichten.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zum Messen eines Winkels zwischen einer optischen Achse eines Autokollimators und einer mechanischen Linearachse, entlang der eine im Strahlengang des Autokollimators angeordnete Vorsatzoptik verfahrbar ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Kalibriernormals;
b) Messen des Winkels zwischen der optischen Achse des Autokollimators und der Planfläche des Kalibriernormals mit Hilfe von Licht, das die Vorsatzoptik nicht durchtritt,
c) Verfahren der Vorsatzoptik entlang der Linearachse derart, dass der Fokus des Autokollimators in einem realen Krümmungsmittelpunkt der brechenden Fläche des Kalibriernormals liegt, und Erfassen eines ersten Reflexes auf einem Detektor des Autokollimators;
d) Verfahren der Vorsatzoptik entlang der Linearachse derart, dass der Fokus des Autokollimators in einem durch Spiegelung an der Planfläche entstehenden virtuellen Krümmungsmittelpunkt der brechenden Fläche liegt, und Erfassen eines zweiten Reflexes auf dem Detektor;
e) Berechnen des Winkels zwischen der optischen Achse des Autokollimators und der mechanischen Linearachse durch Auswerten der Orte der in den Schritten c) und d) erfassten Reflexe auf dem Detektor.

Die Anordnung zwischen der optischen Achse des Autokollimators und der Linearachse kann dabei verändert werden, bis der in Schritt e) gemessene Wert kleiner als ein vorgegebener Toleranzwinkel ist.
Der Autokollimator kann an einem ersten Objekt festgelegt und die Vorsatzoptik an einem zweiten Objekt befestigt werden, das relativ zu dem ersten Objekt entlang der Linearachse verfahrbar angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich auch die Winkel zwischen einer Planfläche an einem ersten Objekt und einer Linearachse eines mechanischen Geräts messen. Unter „festlegen“ wird insoweit verstanden, dass der Autokollimator eine feste räumliche Beziehung zu dem ersten Objekt hat, ohne notwendigerweise mit dem ersten Objekt verbunden sein zu müssen.
Das erste Objekt kann eine ebene Fläche haben, deren Ausrichtung relativ zu der Linearachse gemessen werden soll. Vor dem Schritt c) kann dann in einem Justageschritt eine parallele Anordnung der Planfläche des Kalibriernormals mit der Fläche erzielt werden.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zum Messen eines Winkels zwischen einer ebenen Fläche, die an einem ersten Objekt ausgebildet ist, und einer mechanischen Linearachse, entlang der ein zweites Objekt relativ zu dem ersten Objekt verfahrbar angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

a) Bereitstellen eines Autokollimators;
b) Befestigen eines erfindungsgemäßen Kalibriernormals an dem zweiten Objekt derart, dass das Kalibriernormal entlang der Linearachse verfahrbar angeordnet ist;
c) Durchführen eines Justageschritts, in dem eine parallele Anordnung der Planfläche des Kalibriernormals mit der Referenzfläche erzielt wird;
d) Verfahren des Kalibriernormals entlang der Linearachse derart, dass der Fokus des Autokollimators in einem realen Krümmungsmittelpunkt der brechenden Fläche des Kalibriernormals liegt, und Erfassen eines ersten Reflexes auf einem Detektor des Autokollimators;
e) Verfahren des Kalibriernormals entlang der Linearachse derart, dass der Fokus des Autokollimators in einem durch Spiegelung an der Planfläche entstehenden virtuellen Krümmungsmittelpunkt der brechenden Fläche liegt, und Erfassen eines zweiten Reflexes auf dem Detektor;
f) Berechnen des Winkels zwischen der Referenzfläche und der mechanischen Linearachse durch Auswerten der Orte der in den Schritten d) und e) erfassten Reflexe auf dem Detektor

Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1 einen Meridionalschnitt durch ein mehrlinsigen optischen System;
2 eine in ihrer Fassung verkippte Linse;
3 die Anordnung der Krümmungsmittelpunkte eines mehrlinsigen optischen Systems bezüglich einer Referenzachse;
4 die Anordnung der Krümmungsmittelpunkte eines anderen mehrlinsigen optischen Systems, bei dem die Krümmungsmittelpunkte auf einer Geraden liegen, die nicht mit der Referenzachse fluchtet;
5 einen Meridionalschnitt durch ein Messsystem zur Messung des Zentrierzustands einer Kugel, die bezüglich der optischen Achse des Messsystems zentriert ist;
6 einen Meridionalschnitt durch ein Messsystem zur Messung des Zentrierzustands einer Kugel, die bezüglich der optischen Achse des Messsystems dezentriert ist;
7a und 7b einen Ausschnitt aus dem Messsystem gemäß den 5 und 6 in einer perspektivischen Darstellung in zwei unterschiedlichen Verfahrstellungen einer Vorsatzoptik;
8a und 8b die Anordnung der Bilder einer Kreuzschlitzblende auf einem Sensor des Messsystems für die beiden in den 7a bzw. 7b gezeigten Verfahrstellungen der Vorsatzoptik;
9 und 9b einen Meridionalschnitt durch ein Messsystem mit einem erfindungsgemäßen Kalibriernormal in zwei unterschiedlichen Ausrichtungen des Kalibriernormals während eines ersten Messschritts ohne Vorsatzoptik;
10a bis 10d einen Meridionalschnitt durch ein Messsystem mit einem erfindungsgemäßen Kalibriernormal in zwei unterschiedlichen Ausrichtungen während eines zweiten Messschritts mit einer in den Strahlengang eingeführten Vorsatzoptik;
11 eine Variante des in den 9 und 10 gezeigten Messsystems, bei dem die Vorsatzoptik beim ersten Messschritt nicht entfernt zu werden braucht;
12a und 12b ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kalibriernormals mit einer zentralen Ausnehmung in einem Querschnitt bzw. einer Draufsicht;
13a und 13b ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kalibriernormals mit zwei diametral einander gegenüber liegenden Ausnehmungen in einem Querschnitt bzw. einer Draufsicht;
14a und 14b ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kalibriernormals mit einer zentralen Ausnehmung in einem Querschnitt bzw. einer Draufsicht;
15 einen Meridionalschnitt durch ein Messsystem zur Messung eines Winkels zwischen zwei Linearachsen;
16 einen Meridionalschnitt durch ein Messsystem zur Messung eines Winkels zwischen einer Linearachse und einer Ebene;
17 eine Variante des in der 16 gezeigten Messsystems;
18a und 18b eine weitere Variante des in der 16 gezeigten Messsystems, bei der das Kalibriernormal während der Messung entlang der Linearachse verfahren wird, in zwei unterschiedlichen Verfahrstellungen;
19 ein Flussdiagramm zur Erläuterung wichtiger Verfahrensschritte.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1. Einführung
Die 1 zeigt in einem Meridionalschnitt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes mehrlinsiges optisches System mit sieben Linsen L1 bis L7. Die beiden Linsen L3 und L4 sind dabei spaltfrei aneinandergefügt und bilden eine als Achromat verwendete Dublette. Die Linsen L1 bis L7 haben einen zylindrisch geschliffenen Linsenrand 12, der jeweils in einer nicht dargestellten Linsenfassung aufgenommen ist.
Im Idealfall sind die Linsen L1 bis L7 so ausgerichtet, dass ihre optischen Achsen alle auf einer gemeinsamen Referenzachse 14 liegen, die gleichzeitig die Symmetrieachse der zylindrischen Linsenränder ist. Die Referenzachse 14 wird dann im Allgemeinen als die optische Achse des optischen Systems 10 bezeichnet.
Bei realen optischen Systemen kommt es jedoch aufgrund von Fertigungs- und Montagetoleranzen zu Abweichungen von einer solchen idealen Ausrichtung. Die 2 zeigt beispielhaft für die Linse L5, wie sich eine geringfügige (in der 2 jedoch übertrieben dargestellte) Verkippung der Linse L5 in der Linsenfassung auf den Zentrierzustand auswirkt. Es sei hier angenommen, dass die beiden Linsenflächen S51 und S52 der Linse L5 sphärisch sind und Krümmungsmittelpunkte haben, die in der 2 mit K51 bzw. K52 bezeichnet sind. Die Krümmungsmittelpunkte K51 und K52 legen die optische Achse der Linse L5 fest, die in der 2 mit einer gestrichelten Linie 16 angedeutet ist. Infolge dieser Festlegung verläuft die optische Achse 16 stets senkrecht zu den sphärischen optischen Flächen S51, S52 der Linse L5.
Bei asphärischen Linsen ist die optische Achse durch die Krümmungsmittelpunkte des sphärischen Anteils der asphärischen Linsenflächen definiert.
Die Verkippung der Linse L5 kann beispielsweise dadurch hervorgerufen sein, dass die Linse L5 nicht korrekt in ihre Linsenfassung eingesetzt wurde. Als Ursache hierfür kommt beispielsweise in Betracht, dass der Linsenrand 12 nicht so geschliffen wurde, dass seine Symmetrieachse mit der optischen Achse 16 der Linse L5 fluchtet.
Um die Linse L5 korrekt auf der Referenzachse 14 des optischen Systems 10 auszurichten, müsste die Linse L5 so verkippt und ggf. zusätzlich senkrecht zur Referenzachse 14 verschoben werden, dass die optische Achse 16 mit der Referenzachse 14 fluchtet, wie dies in der 1 angenommen wurde.
Bei einem mehrlinsigen optischen System, wie es in der 1 gezeigt ist, liegen die optischen Achsen der einzelnen Linsen im Allgemeinen je nach Qualität des Zentrierzustands mehr oder weniger unregelmäßig zur Referenzachse 14 verteilt. Dies ist beispielhaft in der 3 für ein optisches System mit vier Linsen mit Krümmungsmittelpunkten K11, K12, K21, K22, K31, K32 und K41, K42 angedeutet; die optischen Achsen der vier Linsen sind mit 161, 162, 163, 164 bezeichnet. Um bei einem solchen optischen System die Zentrierung der Linsen zu verbessern, müssen mehrere Linsen verkippt und/oder translatorisch verlagert werden, damit alle optischen Achsen 161, 162, 163, 164 mit der Referenzachse 14 fluchten.
Gelegentlich kann es auch, wie die 4 zeigt, vorkommen, dass zwar die optischen Achsen der Linsen (zumindest annähernd) auf einer gemeinsamen optischen Achse 16' angeordnet sind, diese jedoch nicht mit der Referenzachse 14 fluchtet. In einem solchen Fall kann es günstiger sein, die einzelnen Linsen nicht neu zu justieren, sondern das gesamte optische System so in eine übergeordnete Einheit einzubauen, dass es nicht bezüglich seiner Referenzachse 14, die z.B. durch Linsenfassungen oder ein Objektivgehäuse vorgegeben sein kann, sondern bezüglich seiner optischen Achse 16' in der übergeordneten Einheit justiert wird.
Zur Qualitätssicherung oder um einzelne Linsen eines optischen Systems oder das optische System insgesamt nachjustieren zu können, werden Messsysteme eingesetzt, mit denen sich die Positionen der Krümmungsmittelpunkte der optischen Flächen mit hoher Genauigkeit messen lassen. Aus den Positionen der Krümmungsmittelpunkte lassen sich die Lagen der optischen Achsen der Einzellinsen und deren Abweichung von der Referenzachse 14 bestimmen. Ferner ist es möglich, daraus abgeleitete Größen zu bestimmen, etwa die Krümmungsradien der optischen Flächen. Der Aufbau eines solchen an sich bekannten Messsystems wird im folgenden Abschnitt 2 erläutert.
Wenn solche Messsysteme auch die Ausrichtung von planen optischen Flächen messen sollen, muss das Messsystem kalibriert werden. Ein für die Kalibrierung geeignetes Kalibriernormal wird im Abschnitt 3 erläutert; ein Kalibrierverfahren unter Verwendung des Kalibriernormals ist Gegenstand der Abschnitte 4 und 5.
2. Aufbau des Messsystems
Das in der 5 in einem Meridionalschnitt gezeigte und insgesamt mit 18 bezeichnete Messsystem umfasst einen Autokollimator 22, der eine Lichtquelle 38 enthält, die eine in einer Objektebene 39 angeordnete Kreuzschlitzblende 40 mit Messlicht 41 ausleuchtet. Das aus der Kreuzschlitzblende 40 austretende Messlicht 41 wird über einen Strahlteiler 42 auf eine Kollimatorlinse 44 gerichtet und verlässt diese als kollimiertes Strahlenbündel. Eine Vorsatzoptik 45, die entlang einer linearen Linearachse 46 verfahrbar ist, bündelt das kollimierte Messlicht 41 in einer Brennebene. Da dort ein reelles Bild der Kreuzschlitzblende 40 entsteht, wird diese Brennebene im Folgenden als Bildebene 47 bezeichnet.
Auf der rückwärtigen Seite des Strahlteilers 42 ist ein Bildsensor 50 angeordnet, worunter hier ein lichtempfindlicher ortsauflösender Sensor verstanden wird. Geeignet als Bildsensor sind beispielsweise an sich bekannte CCD- oder CMOS-Sensoren.
Im Folgenden wird die Funktion des Autokollimators 22 mit Bezug auf die 5 und 6 erläutert. Das aus dem Autokollimator 22 austretende Messlicht 41 ist auf einen Prüfling gerichtet, bei dem es sich hier der Einfachheit halber um eine Kugel 52 handelt. Liegt der Mittelpunkt 54 der Kugel 52 und damit der Krümmungsmittelpunkt ihrer Oberfläche 56 exakt in der Bildebene 47 des Autokollimators 22, fällt das von dem Autokollimator 22 ausgehende Messlicht senkrecht auf die Oberfläche 56 der Kugel 52. Folglich wird das Messlicht 41 an der Oberfläche 56 der Kugel in sich zurückreflektiert, durchtritt die Vorsatzoptik 45, die Kollimatorlinse 44 und zu einem Teil auch den Strahlteiler 42 und erzeugt auf dem Bildsensor 50 ein weiteres Bild der Kreuzschlitzblende 40. Wenn sich der Mittelpunkt 54 der Kugel 52 auf der optischen Achse 34 des Autokollimators befindet, ist das Bild 60 der Kreuzschlitzblende 40 auf dem Bildsensor 50 ebenfalls zur optischen Achse 34 zentriert, wie dies auf dem Bildschirm eines Computers 58 des Messsystems 18 angedeutet ist.
Die 6 zeigt den Strahlengang für den Fall, dass die Kugel 52 senkrecht zur optischen Achse 34 des Autokollimators 22 verlagert wurde. Infolge dieser Verlagerung treffen die Lichtstrahlen nicht mehr senkrecht auf die Oberfläche 56 der Kugel 52 auf und werden deswegen auch nicht in sich zurückreflektiert. Das reflektierte, in der 6 gestrichelt angedeutete Messlicht 41 erzeugt deswegen auf dem Bildsensor 50 ein Bild 60 der Kreuzschlitzblende 24, das zur optischen Achse 34 dezentriert ist.
Da die Dezentrierung der Kugel 52 einer Verkippung des dem Autokollimator 22 zugewandten Teils ihrer Oberfläche 56 entspricht, misst der Autokollimator 22 letztlich den Winkel, den die Oberfläche 56 der Kugel 52 zur optischen Achse 34 einschließt. Der Autokollimator stellt deswegen im weiteren Sinne eine Winkelmesseinrichtung dar. Dementsprechend können für die nachfolgend erläuterte Messvorrichtung auch andere berührungslos arbeitende Winkelmesseinrichtungen anstelle des Autokollimators 22 eingesetzt werden.
Bei Linsen mit sphärischen Flächen funktioniert dieser Messvorgang in gleicher Weise, nur dass die Messung nicht wie bei einer Kugel die Position eines Kugelmittelpunkts, sondern die Position des Krümmungsmittelpunktes der betreffenden sphärischen Fläche ergibt. Auch der Krümmungsmittelpunkt des sphärischen Anteils asphärischer optischer Flächen lässt sich auf diese Weise vermessen.
Die 7a und 7b zeigen die entlang der Linearachse 46 linear verfahrbare Vorsatzoptik 45 des Autokollimators 22 in einer realistischeren perspektivischen Darstellung in zwei unterschiedlichen Verfahrstellungen. Die Vorsatzoptik 45 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einer einzigen Linse, die in einem Gehäuseabschnitt 62 des Autokollimators 22 aufgenommen ist. Der Gehäuseabschnitt 62 ist mit einem nicht dargestellten feststehenden Gehäuseabschnitt des Autokollimators 22 teleskopierbar verbunden und wird von einer Halterung 64 gehalten, die linear verschiebbar an einer Schiene 66 festgelegt ist. Auf diese Weise kann die Halterung 64 mit dem Gehäuseabschnitt 62 und der darin aufgenommenen Vorsatzoptik 45 entlang der Linearachse 46 linear verfahren werden, wie dies in den 7a und 7b durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Das kollimiert in den Gehäuseabschnitt 62 eintretende Messlicht 41 lässt sich auf diese Weise an unterschiedlichen Orten entlang einer Achse fokussieren.
Bei der in der 7a gezeigten Verfahrstellung wird das Messlicht 41 in den Krümmungsmittelpunkt K12 der unteren, d.h. vom Autokollimator 22 abgewandten Linsenfläche S12 fokussiert. Bei der in der 7b gezeigten Verfahrstellung befindet sich der Brennpunkt des Messlichts 41 im Krümmungsmittel K11 der oberen Fläche S11 der Linse L.
In den 7a und 7b ist unterstellt, dass die Linearachse 46 parallel zur optischen Achse des Autokollimators 22 verläuft und beide Krümmungsmittelpunkte K11 und K12 auf der gemeinsamen Achse angeordnet sind. Das Messlicht 41 wird auf diese Weise in sich an den Oberflächen S11 bzw. S12 zurückreflektiert. Das Bild 60 der Kreuzschlitzblende 40 liegt dann ebenfalls auf der gemeinsamen Achse, wie dies die 5 illustriert.
Verläuft die Linearachse 46 hingegen nicht parallel zur optischen Achse 34 des Autokollimators, so befindet sich das Bild 60 der Kreuzschlitzblende 40 nicht mehr auf der optischen Achse des Autokollimators, sondern ist versetzt dazu angeordnet. Gleiches gilt für den Fall, dass zwar die Linearachse 46 und die optische Achse 34 parallel verlaufen, eine die Krümmungsmittelpunkte K11 und K12 verbindende Gerade jedoch dezentriert ist. Dies illustrieren die 8a und 8b beispielshaft für die beiden in den 7a und 7b gezeigten Verfahrstellungen. Ein Maß für die Dezentrierung kann aus der Position der Bilder 60 auf dem Bildsensor 50 in an sich bekannter Weise bestimmt werden.
Die Krümmungsmittelpunkte K11, K12 liegen auf einer Verbindungsgeraden, deren Lage relativ zur Linearachse 46 der Vorsatzoptik 45 bestimmt wird. Wenn die Ausrichtung einer Planfläche mit Hilfe des Messsystems 18 gemessen werden soll, so wird die Vorsatzoptik 45 entfernt und die Ausrichtung der Planfläche im kollimierten Lichtstrahl des Autokollimators 22 gemessen. Als Referenz dient bei diesem Messschritt die optische Achse 34 des Autokollimators 22.
Die Messung des Zentrierzustands der gekrümmten Flächen des Prüflings einerseits und seiner planen Flächen andererseits erfolgen somit in zwei voneinander unabhängigen Messschritten, die sich auf unterschiedliche Referenzachsen, nämlich die Linearachse 46 der Vorsatzoptik 45 bzw. die optische Achse 34 des Autokollimators 22, beziehen. Falls die Linearachse 46 und die optische Achse 34 exakt parallel zueinander verlaufen, können die Messergebnisse aus den beiden Messschritten direkt miteinander verknüpft werden. Im Allgemeinen jedoch verläuft die Linearachse 46 nicht exakt parallel zur optischen Achse 34 des Autokollimators 22. Es muss daher ein Weg gefunden werden, wie man die Messergebnisse der beiden Messschritte zueinander in Beziehung setzen kann.
3. Kalibriernormal
Die 9a zeigt den Autokollimator 22 ohne Vorsatzoptik 45. In den Strahlengang des Messlichts 41 ist ein erfindungsgemäßes Kalibriernormal 70 eingebracht, das gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. Das Kalibriernormal 70 weist eine Planplatte 72 auf, die zum Beispiel aus Glas oder einem Metall bestehen kann. Die Planplatte 72 ist auf ihrer zum Autokollimator 22 weisenden Planfläche 73 mit einer reflektierenden Beschichtung 74 versehen, wodurch die Planplatte 72 wie ein Planspiegel wirkt. Die Planplatte 72 trägt auf der reflektierend beschichteten Seite in der Mitte eine plankonvexe Linse 76, deren plane Fläche 77 zur Planplatte 72 weist. Die Linse 76 kann z.B. mit einem optischen Kitt auf der Beschichtung 74 der Planplatte 72 befestigt sein.
Die konvexe Fläche S der Linse 76 ist sphärisch und teilreflektierend, d.h. weder vollständig reflektierend noch mit einer Antireflexbeschichtung versehen. Die plane Fläche 75 der Linse 76 kann entspiegelt sein, da die Planplatte 72 reflektierend beschichtet ist. Im Prinzip kann die plane Fläche 75 ebenfalls reflektierend beschichtet sein; in diesem Fall kann die reflektierende Beschichtung 74 der Planplatte 72 in dem Bereich entfallen, an dem die plane Fläche 75 der Linse 76 die Planplatte 72 überdeckt. Für die Funktion des Kalibriernormals kommt es lediglich darauf an, dass die der gekrümmten Fläche S gegenüberliegende Seite zumindest teilweise reflektierend ist, damit ein Spiegelbild der Fläche S entsteht.
Die Verwendung des Kalibriernormals 70 wird in den folgenden beiden Abschnitten näher erläutert.
4. Erster Messschritt
In einem ersten Messschritt wird die Vorsatzoptik 45 des Autokollimators 22 entfernt, wie dies die 9a zeigt. Das Messlicht 41 trifft daher kollimiert auf das Kalibriernormal 70 auf. Messlicht 41, das auf die gekrümmte Fläche S der Linse 76 fällt, wird in unterschiedliche Richtungen gebrochen, an der reflektierenden Beschichtung 74 reflektiert und beim zweiten Durchtritt durch die gekrümmte Fläche S erneut in unterschiedliche Richtungen gebrochen. Dieser Anteil des Messlichts trägt nicht zur Abbildung der Kreuzschlitzblende 40 auf den Bildsensor 50 bei.
Der Anteil des Messlichts 41 hingegen, der nicht auf die Linse 76, sondern auf die umgebenden Bereiche der Planplatte 72 auftrifft, wird spekular reflektiert und trägt zur Erzeugung eines Bild der Kreuzschlitzblende 40 auf dem Bildsensor 50 bei.
In der 9a ist angenommen, dass die Planplatte 72 des Kalibriernormals 70 nicht exakt senkrecht zur optischen Achse 34 des Autokollimators 22 ausgerichtet ist. Auf die Planplatte 72 auftreffendes Messlicht 41 wird daher nicht in sich zurückreflektiert, sondern trifft als verkipptes kollimiertes Strahlenbündel auf die Kollimatorlinse 44. Das Bild 60 der Kreuzschlitzblende 40 auf dem Bildsensor 50 ist dadurch zur optischen Achse 34 des Autokollimators 22 versetzt. Der Versatz („Ablage“) des Bildes 60 ist ein Maß für die Verkippung des Kalibriernormals 70 bezüglich der optischen Achse 34. Im ersten Messschritt wird somit der Winkel zwischen der optischen Achse 34 des Autokollimators 22 und der Planfläche 73 des Kalibriernormals 70 gemessen.
Wenn eine solche Verkippung vom Bildsensor 50 erfasst wird, kann bei Bedarf die Ausrichtung zwischen dem Kalibriernormal 70 und dem Autokollimator 22 so justiert werden, bis die Flächennormale des Kalibriernormals 70 mit der optischen Achse 34 des Autokollimators 22 fluchtet, wie dies die 9b illustriert. Das Bild 60 der Kreuzschlitzblende 40 auf dem Bildsensor 50 ist dann auf der optischen Achse 34 zentriert.
5. Zweiter Messschritt
In einem zweiten Messschritt, der im Folgenden mit Bezug auf die 10a, 10b sowie 11a und 11b erläutert wird, wird der Winkel zwischen der Linearachse 46 und der Verbindungsgeraden zwischen den Krümmungsmittelpunkten des Kalibriernormals 70 gemessen.
Hierzu wird die Halterung 64 mit der Vorsatzoptik 45 an der Schiene 66 montiert. Die Vorsatzoptik 45 wird so entlang der Linearachse 46 verfahren, dass der Brennpunkt des Messlichts sich im Krümmungsmittelpunkt K der sphärischen Fläche S des Kalibriernormals 70 befindet. Falls der Krümmungsmittelpunkt K exakt auf der optischen Achse 34 des Autokollimators 22 liegt, wird das auf der Fläche S des Kalibriernormals 70 auftreffende Messlicht 41 an der Fläche S in sich zurückreflektiert, sodass das Bild 60 der Kreuzschlitzblende 40 auf dem Bildsensor 50 auf der optischen Achse 34 zentriert ist.
Ist diese Bedingung nicht erfüllt, ist das Bild 60 bezüglich der optischen Achse 34 dezentriert, wie dies die 10a illustriert. In der 10a ist angenommen, dass die Linearachse 46 nicht exakt parallel zur optischen Achse 34 des Autokollimators 22 verläuft. Die Vorsatzoptik 45 steht dadurch leicht verkippt im Strahlengang des Autokollimators 22, so dass das Bild 60 der Kreuzschlitzblende 40 bezüglich der optischen Achse 34 dezentriert ist. Die Ablage des Bildes 60 auf dem Bildsensor 50 ist ein Maß für die Dezentrierung des Krümmunsmittelpunkts K1 und damit auch für seinen Ort.
Die Vorsatzoptik 45 wird nun entlang der Linearachse 46 in die in der 10b gezeigte Verfahrstellung gebracht, in welcher sich der Brennpunkt des Autokollimators 22 im Krümmungsmittelpunkt K' einer virtuellen Fläche S' befindet, die durch Spiegelung der Fläche S an der reflektierenden Beschichtung 74 entsteht. Infolge der Spiegelung liegen der Krümmungsmittelpunkt K' der virtuellen Fläche S' und der Krümmungsmittelpunkt K der reellen Fläche S auf einer Geraden, die exakt senkrecht zur Planfläche 73 des Kalibriernormals 70 verläuft. Messlicht 41, das an der Fläche S gebrochen, an der reflektierenden Beschichtung 74 reflektiert und beim zweiten Durchtritt durch die Fläche S erneut gebrochen wird, wird infolge des hier unterstellten Winkels zwischen der Linearachse 46 und der Planfläche 73 auf dem Bildsensor 50 in einem Punkt fokussiert, der bezüglich der optischen Achse 34 dezentriert ist. Ähnlich wie beim realen Krümmungsmittelpunkt K1, ist die Ablage des Bildes 60 auf dem Bildsensor 50 ein Maß für die Dezentrierung des virtuellen Krümmunsmittelpunkts K1' und damit auch für seinen Ort.
Aus den Ablagen der Bilder 60 kann berechnet werden, welchen Winkel die Gerade, auf der die Krümmungsmittelpunkte K, K' liegen, bezüglich der Linearachse 46 einschließt. Da diese Gerade, wie vorstehend erläutert, exakt senkrecht zur Planplatte 72 des Kalibriernormals 70 verläuft und die Lage der Planplatte 72 relativ zu optischen Achse 34 des Autokollimators 22 im ersten Messschritt gemessen wurde, kann durch Verknüpfen der in den beiden Messschritten gewonnenen Messergebnisse die Lage der Linearachse 46 relativ zur Lage der optischen Achse 34 des Autokollimators 22 mit sehr hoher Genauigkeit ermittelt werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird auch im zweiten Schritt eine zusätzliche Justierung vorgenommen. Hierbei wird die relative Anordnung der optischen Achse 34 und der Linearachse 46 der Vorsatzoptik 45 so justiert, bis die Bilder 60 der Krümmungsmittelpunkte K, K' auf der optischen Achse 34 zentriert sind. Die Linearachse 46 ist dann parallel zur optischen Achse 34 des Autokollimators 22 ausgerichtet. Diese Justierungen kann mit an sich bekannten Stellelementen bewirkt werden, wie sie beispielhaft in den 9 und 10 durch ein Stellrad 78 repräsentiert sind.
Wie die 10c und 10d zeigen, liegen nun beim Anfahren des realen Krümmungsmittelpunkts K und des virtuellen Krümmungsmittelpunkts K' die Bilder 60 der Kreuzschlitzblende 40 zentriert auf der optischen Achse 34.
Wird mit Hilfe des so justierten Autokollimators 22 ein optisches System vermessen, das sowohl gekrümmte Flächen als auch Planflächen enthält, so lassen sich sowohl die Flächennormalen der Planflächen als auch die Krümmungsmittelpunkte der gekrümmten Flächen mithilfe des Autokollimators 22 mit hoher Genauigkeit in einem gemeinsamen Koordinatensystem vermessen. Die Orientierung der Flächennormale einer Planfläche lässt sich dabei aus der Ablage des Bildes 60 auf dem Bildsensor 50 ableiten, wie dies oben anhand der 9a erläutert wurde. Die Lage der Krümmungsmittelpunkte einer gekrümmten optischen Fläche lässt sich aus der Ablage des Bildes 60 auf dem Bildsensor 50 ableiten, wenn der Brennpunkt der Vorsatzoptik 45 in dem Krümmungsmittelpunkt der Fläche verlagert wird.
Die beiden vorstehend beschriebenen Messschritte im Rahmen der Kalibrierung können auch gemeinsam durchgeführt werden, ohne dass die Vorsatzoptik 45 entfernt bzw. eingebaut werden muss. Voraussetzung hierfür ist lediglich, dass beim zweiten Messschritt gleichzeitig oder sukzessive (aber ohne Umbauarbeiten) zusätzlich kollimiertes Messlicht 41 auf die Planfläche 73 des Kalibriernormals 70 auftreffen kann, ohne die Linse 76 zu durchtreten.
Erreicht werden kann dies beispielsweise dadurch, dass die Vorsatzoptik 45 in eine transparente Glashalterung 81 eingesetzt wird, wie dies die 11 illustriert. Die Glashalterung 81 hat hier die Form einer ringförmigen Platte und ist vorzugsweise eingefärbt. Messlicht 41, das die Glashalterung 81 durchtritt, ist in der 11 mit der Bezugsziffer 41' bezeichnet. Dieser Teil 41' des Messlichts wird nicht durch die Vorsatzoptik 45 fokussiert, sondern gelangt als kollimiertes Strahlenbündel auf die Planfläche 73 des Kalibriernormals 70, und zwar außerhalb der Linse 76. Der übrige Teil 41 des Messlichts durchtritt die Vorsatzoptik 45 und wird in einem der beiden Krümmungsmittelpunkte (in der 14 in den realen Krümmungsmittelpunkt K) fokussiert. Auf dem Bildsensor 50 entstehen dadurch zwei Bilder 60, 60', die von den unterschiedlichen Anteilen 41 bzw. 41' des Messlichts erzeugt werden. Aufgrund der Einfärbung der Glashalterung 81 ist das Bild, das vom Anteil 41' des Messlichts erzeugt wird, farbig und kann somit auf dem Bildsensor 50 von dem Bild 60 des übrigen Messlichtanteils 41 unterschieden werden.
Die vorstehend beschriebene Reihenfolge der beiden Messschritte bei der Kalibrierung kann auch vertauscht werden, da die Messergebnisse der beiden Messschritte rechnerisch zusammengesetzt werden. Insbesondere erfordert die Messung der Orte der Krümmungsmittelpunkte K, K' keine zuvor durchgeführte Ausrichtung des Kalibriernormals 70 zur optischen Achse 34 des Autokollimators 22.
6. Weitere Ausführungsbeispiele für Kalibriernormal
Die 12a, 12b bis 14, 14b zeigen weitere Ausführungsbeispiele für ein erfindungsgemäßes Kalibriernormal 70 jeweils in einem Querschnitt bzw. in einer Draufsicht.
Bei dem in den 12a und 12b gezeigten Ausführungsbeispiel überdeckt die sphärische Fläche S nicht das Zentrum des Kalibriernormals 70, sondern nur einen ringförmigen Bereich, der das Zentrum umgibt. Die Linse 76 hat somit eine zentrale Aussparung 82, die nicht von der Linse 76 überdeckt wird.
Bei dem in den 13a und 13b gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser der Linse 76 genauso groß wie der Durchmesser der Planplatte 72. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Linse 76 zwei diagonal einander gegenüberliegende Aussparungen 82a, 82b aus, welche jeweils die Form eines Quadranten der Linse 76 haben. Wie die Draufsicht der 12b zeigt, besteht die Linse 76 dadurch nur noch aus den zwei verbleibenden Quadranten, die sich diagonal einander gegenüberliegen.
Bei den vorstehend anhand der 12 und 13 erläuterten Ausführungsbeispielen überdeckt die Linse 76 die Planfläche 73 nur teilweise. Dadurch kann im ersten Messschritt, bei dem die Vorsatzoptik 45 entfernt wurde, kollimiertes Licht direkt, d.h. ohne die Linse 76 zu durchtreten, auf die Planfläche 73 fallen.
Bei dem in den 14a und 14b gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser der Linse 76 ebenfalls genauso groß wie der Durchmesser der Planplatte 72. An die plane Fläche 75 der Linse ist ein zentraler zylindrischer Vorsprung 84 angeformt, mit dem die Linse 76 in eine komplementär geformte Aussparung 86 in der Planplatte 72 eingesetzt werden kann. Der Boden der Aussparung 86 kann, aber muss nicht mit einer reflektierenden Beschichtung 74 versehen sein.
Dieses modular aufgebaute Kalibriernormal 70 wird für die unterschiedlichen Messschritte in unterschiedlichen Konfigurationen eingesetzt. Für den anhand der 9a und 9b erläuterten ersten Messschritt wird das Kalibriernormal ohne die Linse 76, d.h. nur mit der Planplatte 72, in den Strahlengang des Autokollimators 22 eingeführt.
Nach dem ersten Messschritt wird die Linse 76 so auf der Planplatte 72 platziert, dass der Vorsprung 84 in die Aussparung 86 der Planplatte eingreift. Nun kann der zweite Messschritt durchgeführt werden, der anhand der 10a bis 10d beschrieben wurde.
7. Weitere Anwendungen des Kalibriernormals
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde das Kalibriernormal 70 dazu verwendet, in dem Messsystem 18 die optische Achse 34 des Autokollimators 22 zu der Linearachse 46 der Vorsatzoptik 45 exakt parallel auszurichten oder Abweichungen von der Parallelität zu messen.
a) Winkel zwischen zwei Linearachsen
Das Kalibriernormal 70 kann jedoch auch dazu verwendet werden, den Winkel zwischen der optischen Achse 34 des Autokollimators 22 und einer beliebigen Linearachse zu messen, entlang der ein Gegenstand verfahren werden kann, sofern sich die Vorsatzoptik 45 oder das Kalibriernormal 70 an dem Gegenstand befestigen lässt. Derartige Anwendungen werden im Folgenden ausführlicher erläutert.
Bei der in der 15 gezeigten Anwendung werden zwei Kalibriernormale 70, 70' dazu verwendet, die Winkelbeziehung zwischen zwei Linearachsen 46, 46' eines Geräts zu vermessen. Bei dem Gerät kann es sich zum Beispiel um ein Koordinatenmessgerät handeln, dessen Linearachsen exakt senkrecht zueinander ausgerichtet sein müssen.
Um eine solche senkrechte Ausrichtung der beiden Linearachsen 46, 46' zu messen, werden zunächst zwei Kalibriernormale 70, 70' exakt rechtwinklig zueinander ausgerichtet und an einem Trägerkörper 90 befestigt. Zur Ausrichtung kann ein Goniometer verwendet werden, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist.
Dann wird ein erster Autokollimator 22 bereitgestellt und das anhand der 9 und 10 erläuterte Kalibrierverfahren durchgeführt. Dazu wird im ersten Messschritt die Anordnung zwischen der optischen Achse 34 des Autokollimators 22 und dem Kalibriernormal 70 so justiert, dass die optische Achse 34 senkrecht zur Planfläche 73 des Kalibriernormals 70 angeordnet ist. Anschließend wird die Vorsatzoptik 45 an einem Maschinenteil 92 befestigt, um die Orte der Krümmungsmittelpunkte K, K' der Linse 76 zu messen. Aus der Ablage des auf dem Bildsensor 50 entstehenden Bildes 60 kann die Ausrichtung der Linearachse 46 relativ zur optischen Achse 34 des Autokollimators 22 abgeleitet werden.
Dann wird der Autokollimator 22 um 90° gedreht, oder es wird ein zweiter Autokollimator 22' verwendet, um die Ausrichtung der zweiten Linearachse 46' zu messen. Diese Messung erfolgt mit den gleichen Schritten, wie dies vorstehend für die erste Linearachse 46 beschrieben wurde. Da die Kalibriernormale 70, 70' exakt senkrecht zueinander ausgerichtet sind, stehen auch die optischen Achsen der Autokollimatoren 22, 22' nach dem ersten Messschritt exakt senkrecht aufeinander. Nach dem zweiten Messschritt können aus den Winkelabweichungen der Linearachsen 46, 46' bezüglich der optischen Achsen 34 bzw. 34' die Orientierung der Linearachsen 46, 46' zueinander ermittelt werden. Bei Bedarf können die Linearachsen 46, 46' so justiert werden, dass diese exakt senkrecht zueinander verlaufen.
Wie weiter oben erläutert, kann auf die Justierung der Autokollimatoren 22, 22' verzichtet werden. Bei der Messung der Orientierung der Linearachsen 46, 46' zueinander muss dann rechnerisch berücksichtig werden, dass die optischen Achsen 34, 34' ggf. nicht senkrecht zu den Planflächen 73, 73' der Kalibriernormalen ausgerichtet sind.
Soll der Winkel zwischen Linearachsen gemessen werden, die nicht rechtwinklig zueinander angeordnet sind, so sind die Kalibriernormale 70, 70' in einem entsprechenden anderen Winkel zueinander anzuordnen.
Auf die gleiche Weise kann auch die Ausrichtung von mehr als zwei Linearachsen gemessen werden. An dem Trägerkörper 90 sind dann entsprechend weitere Kalibriernormale in der gewünschten Winkelorientierung zu befestigen.
b) Winkel zwischen einer Linearachse und einer Ebene
Mit dem erfindungsgemäßen Kalibriernormal lässt sich auch der Winkel zwischen einer Linearachse und einer Ebene mit hoher Genauigkeit messen. Die 16 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem an einer Maschine 96 eine plane Oberfläche 98 vorgesehen ist. Ein Maschinenteil 92 ist entlang einer Linearachse 46 verfahrbar, die senkrecht zur Oberfläche 98 verläuft.
Um die Maßhaltigkeit der Ausrichtung der Linearachse 46 relativ zur Oberfläche 98 zu messen, wird das Kalibriernormal 70 entweder auf die Oberfläche 98 gelegt oder - wie in der 16 angedeutet - mithilfe von Stützelementen 100 auf die Oberfläche 98 aufgesetzt. Zu diesem Zweck können beispielsweise drei Stützelemente 100 an den Ecken eines imaginären gleichseitigen Dreiecks befestigt werden, damit die Planfläche 73 möglichst exakt parallel zur Oberfläche 98 der Maschine 96 verläuft.
Zur Überprüfung der Maßhaltigkeit der Anordnung werden die vorstehend mit Bezug auf die 9 und 10 beschriebenen Messschritte durchgeführt. Wenn die Linearachse 46 nicht exakt senkrecht zur Oberfläche 98 und damit zur Planfläche 73 des Kalibriernormals 70 angeordnet ist, liegen der reale und der virtuelle Krümmungsmittelpunkt der Linse 76 des Kalibriernormals 70 nicht auf einer zur optischen Achse 34 parallelen Geraden. Aus der Ablage der Bilder 60, 60' kann auch hier auf die Winkelabweichung der Linearachse 46 relativ zur Normalen der Oberfläche 98 geschlossen werden.
Die 17 zeigt eine Variante des in den 16 gezeigten Messsystems. Die Oberfläche 98 der Maschine 96 ragt hier in den Strahlengang des Autokollimators 22 hinein. Der vom Messlicht 41 beaufschlagte Teil der Oberfläche 98 sollte möglichst gut reflektierend sein; falls die Oberfläche nur diffus streut, ist auf die Oberfläche 98 eine reflektierende Beschichtung 102 aufzubringen, wie dies in der 17 angedeutet ist. Im einfachsten Fall wird auf die Oberfläche 98 ein Planspiegel aufgelegt. An dem linear verfahrbaren Maschinenteil 92 ist auch bei dieser Variante die Vorsatzoptik 45 zu befestigen.
In einem ersten Messschritt, der ohne Vorsatzoptik 45 durchgeführt wird, wird die relative Anordnung aus Autokollimator 22, Kalibriernormal 70 und Maschine 96 so justiert, dass die optische Achse 34 des Autokollimators 22 exakt senkrecht zur Oberfläche 98 verläuft. Hierzu wird das Bild der Kreuzschlitzblende 40 verwendet, das unter Mitwirkung der reflektierenden Beschichtung 102 auf dem Bildsensor 50 entsteht. Wenn die Oberfläche 98 exakt parallel zur Planfläche 73 des Kalibriernormals und senkrecht zur optischen Achse 34 des Autokollimators 22 verläuft, ist dieses Bild auf der optischen Achse 34 zentriert.
In einem zweiten Messschritt wird die Vorsatzoptik 45 in den Strahlengang eingeführt. Durch Verlagern der Vorsatzoptik 45 entlang der Linearachse 46 werden die Krümmungsmittelpunkte K, K' der Linse 76 des Kalibriernormals 70 bestimmt. Verläuft die Linearachse 46 nicht exakt parallel zur optischen Achse 34 und damit senkrecht zur Oberfläche 98 der Maschine 96, so liegen die Krümmungsmittelpunkte K, K' nicht auf einer zur optischen Achse 34 parallelen Geraden. Aus der Ablage der Bilder auf dem Bildsensor 50 kann auch hier auf die Winkelabweichung der Linearachse 46 zur Normalen der Oberfläche 98 geschlossen werden.
Die 18a und 18b zeigen eine Variante der anhand der 17 erläuterten Anwendung. Bei dieser Variante wird nicht die Vorsatzoptik 45 entlang der Linearachse 46 verfahren, sondern das Kalibriernormal 70, das zu diesem Zweck an dem Maschinenteil 92 befestigt oder davon getragen wird. Wie in der 18a gezeigt, wird auch hier in einem ersten Messschritt die Anordnung aus Autokollimator 22, Kalibriernormal 70 und Maschine 96 so justiert, dass die optische Achse 34 des Autokollimators 32 exakt senkrecht zur Oberfläche 98 der Maschine 96 und zur Planfläche 73 des Kalibriernormals 70 verläuft.
In einem zweiten Messschritt, der in der 18b gezeigt ist, wird die Vorsatzoptik 45 am Autokollimator 22 befestigt. Der Brennpunkt des Messlichts wird nun nicht wie bei den anderen Ausführungsbeispielen in die Krümmungsmittelpunkte K, K' des feststehenden Kalibriernormals 70 gebracht, sondern umgekehrt das Kalibriernormal 70 durch Verfahren entlang der Linearachse 46 so zugestellt, dass der feste Brennpunkt des Messlichts nacheinander in den Krümmungsmittelpunkten K und K' zu liegen kommt.
Ansonsten erfolgt die Messung der Winkelabweichung in der gleichen Weise, wie dies oben mit Bezug auf die 18 erläutert wurde.
8. Wichtige Verfahrensschritte
Wichtige Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden mit Bezug auf die 19 erläutert.
In einem Schritt S1 wird ein Kalibriernormal 70 bereitgestellt. Das Kalibriernormal 70 hat eine zumindest teilweise reflektierende Planfläche 73 und eine brechende Fläche S, die zumindest im Wesentlichen sphärisch gekrümmt ist und sich in der Planfläche 73 spiegelt.
In einem Schritt S2 wird der Winkel zwischen der optischen Achse 34 eines Autokollimators 22 und der Planfläche 73 des Kalibriernormals 70 mithilfe von Licht 43 gemessen, das die Vorsatzoptik 45 nicht durchtritt.
In einem Schritt S3 wird die Vorsatzoptik entlang der Linearachse derart verfahren, dass der Fokus des Autokollimators 22 in dem realen Krümmungsmittelpunkt K der brechenden Fläche S des Kalibriernormals 70 liegt. Außerdem wird ein erster Reflex 60 auf einem Detektor 50 des Autokollimators 22 erfasst.
In einem Schritt S4 wird die Vorsatzoptik 45 entlang der Linearachse 46 derart verfahren, dass der Fokus des Autokollimators 22 in einem durch Spiegelung an der Planfläche 73 entstehenden virtuellen Krümmungsmittelpunkt K' der brechenden Fläche S liegt. Außerdem wird ein zweiter Reflex auf dem Detektor 50 erfasst.
In einem Schritt S5 wird der Winkel zwischen der optischen Achse 34 des Autokollimators 22 und der mechanischen Linearachse 46 durch Auswerten der Orte der in den Schritten S3 und S4 erfassten Reflexe auf dem Detektor 50 berechnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004029735 A1 [0004]

Claims

Kalibriernormal (70) zur Messung des Winkels zwischen einer optischen Achse (34) eines Autokollimators (22) und einer mechanischen Linearachse (46), entlang der ein Objekt (45; 92) verfahrbar angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine zumindest teilweise reflektierende Planfläche (73) und eine brechende Fläche (S), die zumindest im Wesentlichen sphärisch gekrümmt ist und sich in der Planfläche (73) spiegelt.
Kalibriernormal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die brechende Fläche (S) die Planfläche (73) bei senkrechter Projektion nur teilweise überdeckt.
Kalibriernormal nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Planfläche (73) und die gekrümmte Fläche (S) mechanisch starr miteinander verbunden sind.
Kalibriernormal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Fläche (S) Teil einer plankonvexen oder plankonkaven Linse (76) ist, die eine plane Linsenfläche (75) hat, die parallel zur Planfläche (73) angeordnet ist.
Kalibriernormal nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die plane Linsenfläche (75) an der Planfläche (73) anliegt.
Kalibriernormal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine weitere zumindest teilweise reflektierende Planfläche (73') und eine weitere brechende Fläche (S'), die zumindest im Wesentlichen sphärisch gekrümmt ist und die weitere Planfläche (73), wobei die beiden Planflächen (73, 73') in einem Winkel zueinander angeordnet sind.
Verwenden eines Kalibriernormals (70) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Messung des Winkels zwischen einer optischen Achse (34) eines Autokollimators (22) und einer mechanischen Linearachse (46), entlang der ein Objekt (45; 92) verfahrbar angeordnet ist.
Messsystem zum Vermessen von optischen Systemen, die gekrümmte optische Flächen und Planflächen enthalten, umfassend einen Autokollimator (22), eine Vorsatzoptik (45), die entlang einer mechanischen Linearachse (46) im Strahlengang des Autokollimators (22) verfahrbar ist, und ein Kalibriernormal (70) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das in den Strahlengang des Autokollimators (22) einführbar ist.
Messsystem zur Messung des Winkels zwischen einer Fläche (98) eines ersten Objekts (96) und einer mechanischen Linearachse (46), entlang der ein zweites Objekt (92) verfahrbar angeordnet ist, gekennzeichnet durch einen Autokollimator (22), eine Vorsatzoptik (45), die im Strahlengang des Autokollimators angeordnet oder anordenbar ist, und ein Kalibriernormal nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei entweder die Vorsatzoptik (45) oder das Kalibriernormal (70) an dem zweiten Objekt (92) befestigbar ist.
Verfahren zum Messen eines Winkels zwischen einer optischen Achse (34) eines Autokollimators (22) und einer mechanischen Linearachse (46), entlang der eine im Strahlengang des Autokollimators (22) angeordnete Vorsatzoptik (45) verfahrbar ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Kalibriernormals nach einem der Ansprüche 1 bis 6; b) Messen des Winkels zwischen der optischen Achse (34) des Autokollimators (22) und der Planfläche (73) des Kalibriernormals (70) mit Hilfe von Licht, das die Vorsatzoptik (45) nicht durchtritt, c) Verfahren der Vorsatzoptik (45) entlang der Linearachse (46) derart, dass der Fokus des Autokollimators (22) in einem realen Krümmungsmittelpunkt (K) der brechenden Fläche (S) des Kalibriernormals (70) liegt, und Erfassen eines ersten Reflexes auf einem Detektor (50) des Autokollimators (22); d) Verfahren der Vorsatzoptik (45) entlang der Linearachse (46) derart, dass der Fokus des Autokollimators (22) in einem durch Spiegelung an der Planfläche (73) entstehenden virtuellen Krümmungsmittelpunkt (K') der brechenden Fläche (S) liegt, und Erfassen eines zweiten Reflexes auf dem Detektor (50); e) Berechnen des Winkels zwischen der optischen Achse (34) des Autokollimators (22) und der mechanischen Linearachse (46) durch Auswerten der Orte der in den Schritten c) und d) erfassten Reflexe auf dem Detektor (50).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zwischen der optischen Achse (34) des Autokollimators (22) und der Linearachse (46) verändert wird, bis der in Schritt e) gemessene Winkel kleiner als ein vorgegebener Toleranzwinkel ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Autokollimator (22) an einem ersten Objekt (96) festgelegt und die Vorsatzoptik (45) an einem zweiten Objekt (92) befestigt werden, das relativ zu dem ersten Objekt (96) entlang der Linearachse (46) verfahrbar angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Objekt (96) eine ebene Fläche (98) hat, deren Ausrichtung relativ zu der Linearachse (46) gemessen werden soll, und dass vor dem Schritt c) in einem Justageschritt eine parallele Anordnung der Planfläche (73) des Kalibriernormals mit der Fläche (98) erzielt wird.
Verfahren zum Messen eines Winkels zwischen einer ebenen Fläche (98), die an einem ersten Objekt (96) ausgebildet ist, und einer mechanischen Linearachse (46), entlang der ein zweites Objekt (92) relativ zu dem ersten Objekt (96) verfahrbar angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Autokollimators; b) Befestigen eines Kalibriernormals nach einem der Ansprüche 1 bis 6 an dem zweiten Objekt (92) derart, dass das Kalibriernormal (70) entlang der Linearachse (46) verfahrbar angeordnet ist; c) Durchführen eines Justageschritts, in dem eine parallele Anordnung der Planfläche (73) des Kalibriernormals (70) mit der Fläche (98) erzielt wird; d) Verfahren des Kalibriernormals (70) entlang der Linearachse (46) derart, dass der Fokus des Autokollimators (22) in einem realen Krümmungsmittelpunkt (K) der brechenden Fläche (S) des Kalibriernormals (70) liegt, und Erfassen eines ersten Reflexes auf einem Detektor (50) des Autokollimators (22); e) Verfahren des Kalibriernormals (70) entlang der Linearachse (46) derart, dass der Fokus des Autokollimators (22) in einem durch Spiegelung an der Planfläche (73) entstehenden virtuellen Krümmungsmittelpunkt (K') der brechenden Fläche (S) liegt, und Erfassen eines zweiten Reflexes auf dem Detektor (50); f) Berechnen des Winkels zwischen der Fläche (98) und der mechanischen Linearachse (46) durch Auswerten der Orte der in den Schritten d) und e) erfassten Reflexe auf dem Detektor (50).