DE19823844C1 - Linsen-Prüfgerät - Google Patents

Abstract

Linsen-Prüfgerät mit einer an einem Stativ (1) angebrachten Halterung (2) zur Aufnahme eines Linsen-Prüflings (4), einem rückseitig beleuchteten Testobjekt (5), einem abbildenden Objektiv (8) und einer Detektoreinrichtung (9) zur Auswertung des Bildes des Testobjekts (5), wobei das abbildende Objektiv (8) mit der Detektoreinrichtung (9) zu einer Einheit (12) zusammengefaßt ist und wobei der Linsen-Prüfling ein Objektiv-Prüfling (4) ist, das Testobjekt (5) in der Brennebene des Objektiv-Prüflings (4) innerhalb der Halterung (2) angeordnet ist, das abbildende Objektiv (8) ein Kollimator-Objektiv ist, die Detektoreinrichtung (9) in der Brennebene des Kollimator-Objektivs (8) angeordnet ist, entweder die Halterung (2) oder die Einheit (12) an dem Stativ (1) schwenkbar gelagert ist und die Halterung (2) und die Einheit (12) relativ zueinander schwenkbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Linsen-Prüfgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Prüfgerät ist aus Patents Abstracts of Japan JP-A- 09159575 bekannt.

Zur Beurteilung der optischen Abbildungsqualität von Foto-Objektiven und artverwandten optischen Systemen ist die Messung der Modulations- Transformations-Funktion (MTF) die am häufigsten verwendete quantitative Methode. Ein dazu geeignetes Objektiv-Prüfgerät ist z. B. aus Optical Shop Testing, edited by Daniel Malacara, Verlag John Wiley & Sons Inc., Second Edition, (1992), Seite 421, bekannt. Mit einem Kollimator-Objektiv wird ein rückseitig beleuchteter Spalt oder ein Loch (Punkt) nach unendlich projiziert. Der Objektiv-Prüfling bildet den Spalt oder das Loch in seine Brennebene ab. Die Kollimatorbrennweite ist in der Regel größer als die des Prüflings, so daß es sich um eine verkleinernde Abbildung handelt, die erst durch Nachvergrößerung mit Hilfe eines Mikroskop-Objektivs ausgewertet werden kann.

Nach dem gleichen Prinzip arbeiten Brennweitenmeßgeräte, bei denen der Spalt z. B. durch einen Doppelspalt ersetzt wird. Über die Messung der Vergrößerung des Doppelspalt-Bilds kann die Brennweite des Prüflings ermittelt werden.

Zur Messung der Abbildungseigenschaften (MTF) oder der Brennweite (Verzeichnung) im Bildfeld (Bildhöhen ≠ 0) muß der Prüfling entsprechend dem Bildwinkel geschwenkt werden und das nachvergrößernde Mikroskop- Objektiv zum Bildpunkt nachgeführt werden.

Eine dazu geeignete Objektivprüfvorrichtung ist in DE 38 42 144 A1 beschrieben. Ein rückseitig beleuchtetes Testmuster wird über die Austrittslinse einer Beleuchtungseinrichtung nach Unendlich abgebildet. Die Beleuchtungseinrichtung kann relativ zum Prüfling geschwenkt werden. Der Prüfling (Objektiv) ist um seine optische Achse drehbar gelagert. Die von dem Prüfling erzeugte Abbildung des Testmusters wird über ein Mikroskopobjektiv einer Bildaufnahmevorrichtung auf ein CCD-Flächenarray abgebildet und über eine Bildverarbeitungsanlage ausgewertet. Die Bildaufnahmevorrichtung ist senkrecht zur optischen Achse des Prüflings verschiebbar angeordnet.

Aus Patent Abstracts of Japan JP-A-09281002 ist eine Prüfvorrichtung für ein afokales optisches System bekannt. Die Beleuchtungseinrichtung und die Detektoreinrichtung sind relativ zum Prüfling schwenkbar.

Aus o. g. Patent Abstracts of Japan JP-A-09159575 ist ein Linsenprüfgerät bekannt, bei dem der Prüfling direkt das rückseitig beleuchtete Testobjekt in eine Zwischenbildebene abbildet, aus der heraus es über ein abbildendes Objektiv auf eine Detektoreinrichtung abgebildet wird. Der Prüfling ist um seine optische Achse drehbar gelagert. Das abbildende Objektiv und die Detektoreinrichtung sind zu einer Einheit zusammengefaßt und an einem Stativ befestigt. Die Beleuchtungseinrichtung mit dem Testobjekt und die Halterung für den Prüfling sind jeweils zu weiteren Einheiten zusammengefaßt, die ebenfalls an dem Stativ in fester Ausrichtung zueinander befestigt sind.

Aus Leitz-Mitteilungen für Wissenschaft und Technik, (1970), Bd. V, Heft 1, S. 3-12, Fig. 5, ist ein Objektiv-Prüfgerät bekannt.

Aus der US 5,221,834 ist eine Regelvorrichtung für ein abbildendes System, z. B. eine Linse, bekannt, bei der die lokale optische Transferfunktion ermittelt wird.

Die bei den bekannten Geräten vorliegende zweistufige Abbildung bedingt einen hohen technischen Aufwand, der sich bei MTF-Anwendungen besonders im räumlichen Platzbedarf widerspiegelt. Die Meßgenauigkeit hängt sehr stark von der Abbildungsqualität des Mikroskop-Objektivs ab. Für Messungen im Bildfeld sind die Anforderungen an diese Relayoptik besonders hoch, da aufgrund des Meßprinzips die Apertur nur partiell genutzt wird.

Ausgehend von einem Linsenprüfgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, dieses Linsenprüfgerät derart weiterzubilden, daß es universell und für unterschiedliche Tests an Foto- und Video-Objektiven verwendbar ist, einen kompakten Aufbau besitzt und eine verbesserte Meßgenauigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem Linsen-Prüfgerät der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Linsen-Prüfling ein Objektiv- Prüfling ist, daß das Testobjekt in der Brennebene des Objektiv-Prüflings innerhalb der Halterung angeordnet ist, daß das abbildende Objektiv ein Kollimator-Objektiv ist, wobei die Detektoreinrichtung in der Brennebene des Kollimator-Objektivs angeordnet ist, daß entweder die Halterung oder die Einheit an dem Stativ schwenkbar gelagert ist und daß die Halterung und die Einheit relativ zueinander schwenkbar sind. Es ergibt sich dadurch eine einstufige, vergrößernde Abbildung des Testobjekts. Das Bild kann über eine Beobachtungseinrichtung ausgewertet werden. Für Messungen im Bildfeld kann entweder die Halterung mit dem Prüfling oder die Einheit mit der Beobachtungseinrichtung geschwenkt werden. Es ist es vorteilhaft, wenn das Testobjekt innerhalb der Halterung relativ zur Ebene der Aufnahme des Objektiv-Prüflings verstellbar angeordnet ist.

Für weitere Messungen im Bildfeld ist die Aufnahme des Objektiv-Prüflings in der Halterung drehbar gelagert. Als Beobachtungseinrichtung kann eine CCD- Kamera vorgesehen sein, deren aufgenommenes Bild einem Monitor zur visuellen Beurteilung zugeführt werden kann. Für eine automatische Meßauswertung ist es möglich, eine elektronische Bildauswerteeinrichtung nachzuschalten, die die Meßauswertung mit bildanalytischen Methoden durchführt.

In der Zeichnung ist der erfindungsgemäße Aufbau des Linsen-Prüfgeräts schematisch dargestellt.

Dabei zeigt

Fig. 1 die Anordnung zur Messung auf der Achse des Prüflings,

Fig. 2 die Anordnung zur Messung im Bildfeld des Prüflings mit geschwenkter Halterung und

Fig. 3 die Anordnung zur Messung im Bildfeld des Prüflings mit geschwenkter Beobachtungseinheit.

Fig. 1 zeigt an einem Stativ 1 eine Halterung 2 mit einer Aufnahme 3 für einen Objektiv-Prüfling 4. Innerhalb der Halterung 2 ist ein Testobjekt 5 auf einem nicht dargestellten Schlitten angeordnet. Das Testobjekt besteht z. B. aus einer planparallelen Glasplatte, auf der unterschiedliche Teststrukturen, wie Linien- oder Lochraster, aufgebracht sind. Diese Strukturen werden über eine Lichtquelle 6 im Durchlicht beleuchtet und durch den Prüfling 4 nach unendlich projiziert. Das Testobjekt ist längs der optischen Achse 7 des Prüflings 4 verstellbar, um es auf die Brennebene des Prüflings 4 einstellen zu können. Diese Einstellung kann über einen Motorantrieb automatisch in Abhängigkeit von Autofokussignalen geschehen.

Das Testobjekt ist vorzugsweise auswechselbar auf dem Schlitten angeordnet. Auf dem Testobjekt können aber auch mehrere Testfelder mit unterschiedlichen Strukturen aufgebracht sein. In dem Fall ist das Testobjekt mit dem Schlitten zusätzlich auch senkrecht zur optischen Achse 7 verschiebbar gelagert. Die Verstellrichtungen sind durch Pfeile angedeutet. Die mechanische Konstruktion solcher Schlitten wird als bekannt vorausgesetzt und ist nicht Gegenstand der Erfindung. Die Verstellungen des Schlittens können manuell oder motorisch nach einem vorgegebenen Testprogramm erfolgen.

Durch ein Kollimator-Objektiv 8, dessen Brennweite größer als die des Prüflings 4 sein sollte, wird das vom Prüfling 4 aufgenommene Bild des Testobjekts 5 auf eine CCD-Kamera 9 abgebildet. Das Kollimator-Objektiv 8 und die CCD-Kamera 9 sind zweckmäßigerweise in einem Gehäuse 12 als Einheit angeordnet, um störendes Umgebungslicht von der Kamera fernzuhalten. Da es sich um eine vergrößernde Abbildung handelt, können die abgebildeten Strukturen ohne zusätzliche Nachvergrößerung ausgewertet werden. Eine erste Auswertung kann darin bestehen, in Abhängigkeit von der Verstellung des Testobjekts längs der optischen Achse für eine gegebene Ortsfrequenz die Ebene mit maximalem Bildkontrast zu ermitteln. Aus dem gemessenen Kontrastverlauf können Autofokussignale für eine motorische Einstellung des Testobjekts in der Brennebene des Prüflings 4 abgeleitet werden. Das Format der CCD-Kamera 9 ist in der Regel kleiner oder gleich dem Aufnahmeformat des Prüflings 4, so daß in Abhängigkeit von der Vergrößerung immer nur ein Ausschnitt des vollen Bildformats des Prüflings 4 erfaßt wird.

Um den Prüfling 4 im Bildfeld beurteilen zu können, wird er zusammen mit dem Testobjekt 5 und der Lichtquelle 6 mit der Halterung um seine Eintrittspupille entsprechend dem zu beurteilenden Bildwinkel geschwenkt. Der Kippwinkel kann gemessen und angezeigt werden. Der geschwenkte Zustand ist in Fig. 2 dargestellt. Alternativ kann auch das Gehäuse 12 mit dem Kollimator-Objektiv 8 und der CCD-Kamera 9 geschwenkt werden, wie in Fig. 3 dargestellt. Zur Beurteilung des gesamten Bildkreises muß der Prüfling 4 dann nur noch um seine optische Achse 7 gedreht werden. Dazu ist die Aufnahme 3 als Drehtisch auf der Halterung 2 ausgebildet. Der Prüfling bleibt bei der Messung in seiner Aufnahme 3 fixiert.

Die von der CCD-Kamera 9 aufgenommenen Strukturen werden in Bildsignale umgewandelt und können entweder auf einem Monitor 10 zur visuellen Auswertung dargestellt werden. Sie können aber auch einer elektronischen Bildauswerteeinrichtung 11 zur bildanalytischen Auswertung zugeführt werden. Eine dazu geeignete Software wird z. B. von der Firma OEG GmbH, Frankfurt (Oder), unter der Bezeichnung COMEF-MTF angeboten.

Das Kollimator-Objektiv 8 ist für den zu untersuchenden Spektralbereich und für die Abbildung unendlich entfernter Objekte optimal korrigiert. Die in der Bildebene der CCD-Kamera entstehenden Bildfehler sind daher direkt dem Prüfling 4 zuzuordnen. Dabei sind unterschiedlichste Tests an dem Prüfling 4 möglich.

Der Sterntest erlaubt eine qualitative Bewertung. Dazu wird ein Lochraster mit kreisrunden Löchern von 2-5 µm Durchmesser als Testobjekt 5 durch den Prüfling 4 abgebildet. Die qualitativen Aussagen betreffen den Zentrierzustand des Prüflings. Dieses Testverfahren ist im Bereich der Mikroskopie üblich. Ebenso können einzelne Bildfehler durch die Punktabbildung analysiert werden.

MTF-Messungen benutzen die Abbildung einer Kante. Aus dem analysierten Kantenbild kann die MTF des Prüflings bis zu einer vergrößerungsabhängigen maximalen Ortsfrequenz berechnet werden.

Mit Hilfe der MTF-Messung kann die "Beste Einstellebene" des Prüflings ermittelt werden, bei der eine bestimmte Ortsfrequenz mit maximalem Kontrast abgebildet wird. Hierfür wird der Kontrastverlauf in Abhängigkeit von einzelnen Fokuspositionen des Prüflings 4 gemessen.

Die Brennweite des Prüflings läßt sich bestimmen, indem die Vergrößerung eines auf dem Testobjekt bekannten Rasterabstandes gemessen wird. Das Verhältnis aus bekannter Kollimator-Brennweite und Vergrößerung ergibt die Brennweite des Prüflings.

Ebenso kann die Vergrößerung im Bildfeld bestimmt werden. Aus dem Verhältnis der in der Bildmitte zu der im Bildfeld gemessenen Vergrößerung ergibt sich unter Berücksichtigung des Kippwinkels die Verzeichnung.

Die angegebenen Tests sind an sich bekannt.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Stativ 1 senkrecht aufgestellt. Der gesamte Aufbau läßt sich jedoch auch horizontal anordnen.

Claims (6)

1. Linsen-Prüfgerät mit einer an einem Stativ (1) angebrachten Halterung (2) zur Aufnahme eines Linsen-Prüflings (4), einem rückseitig beleuchteten Testobjekt (5), einem abbildenden Objektiv (8) und einer Detektoreinrichtung (9) zur Auswertung des Bildes des Testobjekts (5), wobei das abbildende Objektiv (8) mit der Detektoreinrichtung (9) zu einer Einheit (12) zusammengefaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. der Linsen-Prüfling ein Objektiv-Prüfling (4) ist, daß
• 2. das Testobjekt (5) in der Brennebene des Objektiv-Prüflings (4) innerhalb der Halterung (2) angeordnet ist, daß
• 3. das abbildende Objektiv (8) ein Kollimator-Objektiv ist, wobei die Detektoreinrichtung in der Brennebene des Kollimator-Objektivs angeordnet ist, daß
• 4. entweder die Halterung (2) oder die Einheit (12) an dem Stativ (1) schwenkbar gelagert ist und daß
• 5. die Halterung (2) und die Einheit (12) relativ zueinander schwenkbar sind.

2. Linsen-Prüfgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Testobjekt (5) innerhalb der Halterung (2) relativ zur Ebene der Aufnahme des Objektiv-Prüflings (4) verstellbar angeordnet ist.

3. Linsen-Prüfgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme (3) des Objektiv-Prüflings (4) auf der Halterung (2) drehbar gelagert ist.

4. Linsen-Prüfgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Beobachtungseinrichtung (9) eine CCD-Kamera vorgesehen ist.

5. Linsen-Prüfgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der CCD-Kamera eine elektronische Bildauswerteeinrichtung (11) nachgeschaltet ist.

6. Linsen-Prüfgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite des Kollimator-Objektivs (8) größer als die des Objektiv- Prüflings (4) gewählt ist.