-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Messen von Winkeln zwischen optischen Planflächen von Prismen, Polygonspiegeln und anderen optischen Komponenten, die mehrere optische Planflächen haben.
-
2. Beschreibung des Standes der Technik
-
Zur Messung von Winkeln zwischen reflektiven oder refraktiven optischen Planflächen sind Messvorrichtungen bekannt, bei denen die zu vermessende optische Komponente auf einen Drehtisch aufgesetzt und durch einen Autokollimator hindurch beobachtet wird.
-
Bei einfachen Messvorrichtungen dieser Art erfolgt die Beobachtung visuell durch eine Bedienperson. Diese richtet die optische Komponente in einem ersten Schritt auf dem Drehtisch bei gleichzeitiger Drehjustierung desselben solange aus, bis eine der optischen Planflächen senkrecht zur optischen Achse des Autokollimators ausgerichtet ist. Das von der Bedienperson im Autokollimator beobachtete Bild eines Strichkreuzes ist dann im Bildfeld zentriert. In einem weiteren Schritt wird der Drehtisch mit der darauf aufgesetzten optischen Komponente so lange um seine Drehachse verdreht, bis die nächste Planfläche annähernd senkrecht zur optischen Achse des Autokollimators ausgerichtet ist. Der Winkel, um den der Drehtisch dabei gedreht wurde, kann an einer Skala abgelesen werden und entspricht dem Winkel zwischen den beiden Planflächen. Winkelfehler der optischen Planfläche bezüglich einer zur Drehachse des Drehtischs senkrechten Flächenachse (sog. Flächenneigungsfehler) sind an einer vertikalen Ablage des Bildes erkennbar.
-
Bei Messvorrichtungen modernerer Bauart wird dieser Messvorgang automatisch durchgeführt. Die Drehung des Drehtischs um seine Drehachse wird von einem Motor vorgenommen, und die visuelle Ablesung des vom Drehtisch überstrichenen Winkels wird durch eine Winkelmessung mit Hilfe eines Winkelgebers ersetzt. Das Bild des Strichkreuzes entsteht im Autokollimator auf einem ortsauflösenden Lichtsensor, der die Bilddaten an eine Steuer- und Auswerteeinrichtung weiterleitet.
-
Bei einer von der Anmelderin entwickelten Messvorrichtung dieser Art, die unter der Marke ”PrismMaster” vertrieben wird, kann der Drehtisch nur in diskreten Winkelschritten um seine Drehachse verdreht werden, jedoch sind diese Drehwinkel dafür mit einer äußerst hohen Präzision anfahrbar. Aus dem so ermittelten Drehwinkel einerseits und dem Ort des Bildes des Strichkreuzes auf dem ortsauflösenden Sensor andererseits kann eine Auswerteeinrichtung mit sehr hoher Genauigkeit die Winkel zwischen den Planflächen der optischen Komponente bestimmen.
-
Schwierigkeiten können sich allerdings bei manuellen wie bei automatischen Messvorrichtungen dieser Art dann ergeben, wenn die optische Komponente mehrere Planflächen hat, die gleichzeitig in den Strahlengang des Autokollimators gelangen können. In diesem Fall erzeugt jede dieser Planflächen einen Reflex und damit ein eigenes Bild des Strichkreuzes auf dem Lichtsensor.
-
So können beispielsweise zwei optische Planflächen unmittelbar benachbart und dem Autokollimator zugewandt sein. Wenn der Winkel zwischen den beiden optischen Planflächen hinreichend klein ist, liegen die Bilder, die von den jeweiligen Einfachreflexen erzeugt werden, noch innerhalb des Bildfeldes auf dem Lichtsensor. Wenn sich mehrere solche Bilder auf dem Lichtsensor überlagern, kann dies dazu führen, dass Mehrdeutigkeiten entstehen. Das durch die Überlagerung der Bilder entstehende Strichmuster kann in diesem Fall nicht mehr eindeutig in die einzelnen Bilder aufgelöst werden, so dass auch keine Zuordnung zu einzelnen Planflächen möglich ist.
-
Zu mehreren Bildern des Strichkreuzes auf dem Lichtsensor kann es auch dann kommen, wenn das vom Autokollimator erzeugte Messlicht in ein Prisma eintritt, dort durch innere Reflexion an einer oder mehreren weiteren optischen Planflächen reflektiert und schließlich wieder aus der gleichen oder einer anderen optischen Planfläche aus dem Prisma austritt (sog. Mehrfachreflex). Ein Beispiel hierfür ist ein Retroreflex, wie er von einem 90°-Prisma erzeugt wird. Das vom Retroreflex erzeugt Bild überlagert sich dann mit dem Bild, das vom Einfachreflex an der ersten optischen Planfläche erzeugt wird. Da das von einem Mehrfachreflex erzeugte Bild im Allgemeinen sehr viel heller als das von einem Einfachreflex erzeugte Bild ist, besteht die Gefahr, dass Letzteres überstrahlt wird. Der Ort dieses dunkleren Bildes ist dann unter Umständen nicht mehr mit der gewünschten Genauigkeit bestimmbar.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messvorrichtung zum Messen von Winkeln zwischen optischen Planflächen einer optischen Komponente anzugeben, mit der sich die Winkel auch dann zuverlässig und hochgenau bestimmen lassen, wenn bei einem Messschritt mehrere optische Planflächen gleichzeitig im Strahlengang des Autokollimators liegen.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Messvorrichtung, die einen Drehtisch aufweist, der um eine Drehachse drehbar gelagert und dazu eingerichtet ist, die zu vermessende optische Komponente zu tragen. Ferner umfasst die Messvorrichtung einen Winkelgeber, der dazu eingerichtet ist, Winkeländerungen des Drehtischs bei Drehungen um die Drehachse zu messen. Ein Autokollimator der Messvorrichtung enthält eine Abbildungsoptik, die eine Objektebene und eine Bildebene hat. Licht, das zur Abbildung der Objektebene auf die Bildebene beiträgt, trifft vorzugsweise kollimiert auf mindestens eine Planfläche der optischen Komponente auf und wird dort reflektiert. Der Autokollimator enthält ferner ein Objekt, das in der Objektebene angeordnet ist, und einen ortsauflösenden Lichtsensor, der in der Bildebene angeordnet ist. Eine Auswerteeinrichtung ist dazu eingerichtet, aus einem von dem Lichtsensor erfassten Bild des Objekts und einer von dem Winkelgeber gemessenen Winkeländerung einen Winkel zwischen zwei der optischen Planflächen der optischen Komponente zu bestimmen. Erfindungsgemäß ist das Objekt derart ausgebildet, dass Bilder des Objekts, die durch gleichzeitige Reflexion an mehreren Planflächen der optischen Komponente erzeugt werden, stets eindeutig voneinander unterscheidbar sind und/oder sich so überlagern, dass die Orte der Bilder auf dem ortsauflösenden Sensor stets bestimmbar sind.
-
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich die Probleme, die durch die Überlagerung von mehreren Bildern des Objekts auf dem Lichtsensor entstehen, vermeiden lassen, wenn der Autokollimator nicht ein normales Strichkreuz als abzubildendes Objekt enthält, sondern stattdessen ein Objekt verwendet wird, das zusätzliche Merkmale hat. Diese zusätzlichen Merkmale schließen Mehrdeutigkeiten aus und/oder stellen sicher, dass die Bilder sich nicht so überlagern, dass deren Orte nicht mehr zuverlässig mit der benötigten Genauigkeit bestimmbar sind. Dies beinhaltet in der Regel, dass breiter erscheinende Bilder von Strichen nicht vollständig schmaler erscheinende Bilder von Strichen überlagern.
-
Um beispielsweise Mehrdeutigkeiten zu vermeiden, die durch die Überlagerung mehrerer von Einfachreflexen erzeugter Bilder entstehen, kann das Objekt mehrere Striche, insbesondere ein Strichkreuz, sowie eine zusätzlich Markierung enthalten. Die zusätzliche Markierung stellt sicher, dass bei mehreren sich auf dem Lichtsensor überlagernden Strichen stets erkennbar bleibt, welche Striche einem Bild zuzuordnen sind.
-
Um Bilder auf dem Lichtsensor zu separieren, die von einem Einfachreflex und einem Retroreflex erzeugt werden, kann das Objekt so ausgebildet sein, dass das Bild des Objekts, das in einer Brennebene einer hypothetischen rotationssymmetrischen Sammellinse entstehen würde, die zentriert zu einer optischen Achse des Autokollimators anstelle der optischen Komponente auf dem Drehtisch angeordnet ist, nicht spiegelsymmetrisch bezüglich einer Ebene ist, die parallel zu einer Drehachse des Drehtischs und zu einer optischen Achse des Autokollimators verläuft. Hintergrund für diese etwas kompliziert erscheinende Bedingung ist, dass die Symmetrieeigenschaft des Objekts eigentlich im Verhältnis zu der Ausrichtung der Kanten der zu vermessenden optischen Komponente definiert werden müsste. Diese Kanten verlaufen zumindest im wesentlichen parallel zur Drehachse des Drehtischs. Da das Objekt prinzipiell unter Verwendung von Faltungsspiegeln in praktisch beliebiger Weise relativ zu dieser Drehachse angeordnet sein kann, muss die Symmetrie des Objekts über sein Bild im Bereich des Drehtischs definiert werden. Dort entsteht jedoch kein reales Bild, da der Drehtisch sich in der Nähe eines kollimierten Strahlengangs befindet. Das Bild entsteht somit erst im Unendlichen.
-
Ein reales Zwischenbild ließe sich jedoch erzeugen, wenn in den kollimierten Strahlengang die besagte Sammellinse eingeführt wird.
-
Bei einem Retroreflex wird das auf dem Lichtsensor entstehende Bild bezüglich einer Ebene gespiegelt, die parallel zur Drehachse des Drehtischs (oder streng genommen zu den hierzu parallelen Kanten des Prismas) und zur optischen Achse des Autokollimators verläuft. Somit führt ein Objekt, dessen Bild im Unendlichen nicht spiegelsymmetrisch bezüglich dieser Ebene ist, dazu, dass das vom Retroreflex erzeugte Bild des Objekts stets verschieden (nämlich spiegelsymmetrisch) ist von dem Bild, das durch den eigentlich interessierenden Einfachreflex erzeugt wird. Dadurch kann das vom Retroreflex erzeugte (meist hellere) Bild das vom Einfachreflex erzeugte (meist dunklere) Bild nicht so weitgehend überdecken, dass der Ort des vom Einfachreflex erzeugten Bildes nicht mehr mit der erforderlichen Genauigkeit bestimmbar ist.
-
In diesem Falle kann das Objekt ein Strichkreuz enthalten, das derart um die optische Achse des Autokollimators verdreht angeordnet ist, dass das Bild des Strichkreuzes, das in der Brennebene der hypothetischen rotationssymmetrischen Sammellinse entstehen würde, nicht spiegelsymmetrisch bezüglich der besagten Ebene ist. Während eine solche Verdrehung eines Strichkreuzes bei einer visuellen Auswertung eher unpraktisch wäre, stört sie bei einer elektronischen Bestimmung der Lage des Strichkreuzes in der Bildebene mit Hilfe des Lichtsensors nicht.
-
Bei optischen Komponenten, die nicht nur in einer, sondern in zwei zueinander orthogonalen Raumrichtungen als Retroreflektor wirken, ist das davon erzeugte Bild des Objektes im Allgemeinen punktsymmetrisch. Um die vom Retroreflex und vom Einfachreflex erzeugten Bilder auf dem Lichtsensor voneinander zu separieren, darf das Bild des Objekts im Unendlichen in diesem Fall nicht punktsymmetrisch. Denn bei einem punktsymmetrischen Bild im Unendlichen können sich die beiden Bilder auf dem Lichtsensor ganz oder teilweise überdecken, so dass der Ort des vom Einfachreflex erzeugten Bildes nicht mit der erforderlichen Genauigkeit bestimmbar wäre. Vorzugsweise ist das Objekt dabei so ausgebildet, dass sich die Bilder, die von dem Einfachreflex und dem Retroreflex erzeugt werden, höchstens in einem Punkt überlappen.
-
Welche der vorstehend genannten Merkmale das Objekt hat, hängt vor allem davon ab, welche Arten von optischen Komponenten vermessen werden sollen. Ist beispielsweise nur die Vermessung von Polygonspiegeln gewünscht, so ist zu berücksichtigen, dass eine einzelne plane Spiegelfläche nicht gleichzeitig zu einem Einfachreflexe und zu einem Mehrfachreflex beitragen kann. Die Verwendung von Objekten mit nicht spiegel- oder punktsymmetrischen Mustern ist dann nicht erforderlich. Werden hingegen keine optischen Komponenten mit mehreren ähnlich orientierten Planflächen gemessen, dann kann auf das Vorsehen einer Markierung im Objekt verzichtet werden, das zur Vermeidung von Mehrdeutigkeiten dient.
-
Bei sehr vielseitig einsetzbaren Messgeräten kann es deswegen erforderlich sein, entweder das Objekt speziell an die zu vermessende optische Komponente anzupassen und zu diesem Zweck einen geeigneten Austauschhalter vorzusehen, oder ein Objekt zu verwenden, das mehrere der vorstehend beschriebenen Merkmale aufweist.
-
Bei dem Winkelgeber der Messvorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Encoder handeln, der die Winkellage des Drehtischs erfasst. Als Winkelgeber im breiteren Sinne werden hier alle Vorrichtungen verstanden, die dazu geeignet sind, die Winkellage des Drehtischs oder Winkeländerungen auszugeben oder einen vorbestimmten Winkel oder eine vorbestimmte Winkeländerung einzustellen, wie dies etwa bei Servomotoren der Fall ist.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
-
1 in einer perspektivischen schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Messvorrichtung;
-
2 einen Meridionalschnitt durch einen Teil der in der 1 gezeigten Messvorrichtung, wobei sich ein Drehtisch in einer ersten Drehstellung befindet;
-
3 einen der 2 entsprechenden Meridionalschnitt, wobei sich der Drehtisch in einer zweiten Drehstellung befindet;
-
4 eine als abzubildendes Objekt verwendete Strichplatte gemäß dem Stand der Technik in Draufsicht;
-
5 eine Draufsicht auf einen Lichtsensor, auf den die in der 4 dargestellte Strichplatte abgebildet wird;
-
6 eine perspektivische Darstellung eines Prismas mit mehreren optischen Planflächen, die gemeinsam im Strahlengang eines Autokollimators liegen, der Teil der in den 1 bis 3 gezeigten Messvorrichtung ist;
-
7 eine Draufsicht auf einen Lichtsensor, auf dem mehrere Bilder des in der 4 gezeigten Strichkreuzes bei Vermessung des in der 6 gezeigten Prismas entstehen;
-
8 eine Strichplatte gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Draufsicht;
-
9 eine der 7 entsprechende Draufsicht bei Verwendung der in der 8 gezeigten Strichplatte;
-
10 eine Strichplatte gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Draufsicht;
-
11 eine der 9 entsprechende Draufsicht bei Verwendung der in der 10 gezeigten Strichplatte;
-
12a einen Strahlengang in einem 90°-Prisma in einer ersten Drehstellung des Prismas;
-
12b einen Strahlengang in einem 90°-Prisma in einer zweiten Drehstellung des Prismas;
-
13 eine als abzubildendes Objekt verwendete Strichplatte gemäß dem Stand der Technik in Draufsicht;
-
14 eine Draufsicht auf den Lichtsensor, auf dem mehrere Bilder des in der 13 gezeigten Strichkreuzes bei Vermessung des in den 12a und 12b gezeigten Prismas entstehen;
-
15 eine Strichplatte gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Draufsicht;
-
16 eine der 14 entsprechende Draufsicht bei Verwendung der in der 15 gezeigten Strichplatte;
-
17 die in der 15 gezeigte Strichplatte;
-
18 eine der 16 entsprechende Draufsicht, wie sie sich bei einer anderen Drehstellung des Prismas ergibt;
-
19 eine Strichplatte gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Draufsicht;
-
20 eine der 14 entsprechende Draufsicht bei Verwendung der in der 19 gezeigten Strichplatte;
-
21 eine Strichplatte gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung in Draufsicht;
-
22 eine der 14 entsprechende Draufsicht bei Verwendung der in der 21 gezeigten Strichplatte.
-
BESCHREIBUNG EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
-
1. Grundaufbau der Messvorrichtung
-
Die 1 zeigt in einer perspektivischen schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Messvorrichtung, die insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Die Messvorrichtung 10 umfasst eine schwere und formstabile Basis 11, auf der ein elektronischer Autokollimator 12 befestigt ist. Die Basis 11 trägt außerdem einen Drehtisch 14, der um eine Drehachse 16 drehbar gelagert ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur Lagerung ein Präzisionsluftlager verwendet, das Lagetoleranzen in Radial- und Axialrichtung von weniger als 50 nm ermöglicht. Zur Drehung des Drehtischs 14 um die Drehachse 16 ist ein in der 1 nicht erkennbarer Motor vorgesehen, jedoch ist auch eine manuelle Drehung des Drehtischs 14 möglich.
-
Winkeländerungen des Drehtischs 14 werden von einem inkrementalen Winkelgeber 18 erfasst. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Winkelgeber 18 als Encoder ausgebildet, der mit einem Strichgitter 20 zusammenwirkt, das umfangsseitig am Drehtisch 14 angeordnet ist. Der Encoder zählt bei einer Drehung des Drehtischs 14 die Striche des Strichgitters 20 und bestimmt auf diese Weise Winkeländerungen. Es können auch Winkelgeber 18 eingesetzt werden, die Winkel nicht nur inkremental, sondern auch absolut bestimmen können. Mit Präzisionswinkelgebern lassen sich dann z. B. Winkeländerungen mit einer Genauigkeit von weniger als 0.4 Bogensekunden und Absolutwinkel mit einer Genauigkeit von 0.5 Bogensekunden messen.
-
Der Autokollimator 12 und der Winkelgeber 18 sind mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 22 verbunden, die den Messvorgang steuert und aus Messdaten, die von dem Autokollimator 12 und dem Winkelgeber 18 geliefert werden, die Winkel zwischen den Planflächen einer zu vermessenden optischen Komponente bestimmt. Bei dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der optischen Komponente um ein 90°-Prisma 24, das drei optische Planflächen 26a, 26b und 26c hat.
-
2. Autokollimator
-
Der Aufbau des elektronischen Autokollimators 12 und das von der Messvorrichtung 10 verwendete Messprinzip werden im Folgenden näher mit Bezug auf die 2 und 3 erläutert. Diese Figuren zeigen jeweils einen Meridionalschnitt durch den Autokollimator 12, der senkrecht zur Drehachse 16 des Drehtischs 14 verläuft, wobei der Drehtisch 14 mit dem davon getragenen Prisma 24 in zwei unterschiedlichen Drehstellungen gezeigt ist.
-
Der Autokollimator 12 enthält eine Lichtquelle 32, die mit Hilfe einer Kondensorlinse 34 ein als Strichplatte 36 ausgebildetes Objekt ausleuchtet. Die genaue Anordnung der lichtdurchlässigen Striche auf der Strichplatte 36 wird weiter unten näher erläutert. Die Strichplatte 36 erstreckt sich in einer Objektebene 44 des Autokollimators 12, der die Strichplatte 36 ins Unendliche abbildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthält der Autokollimator 12 zu diesem Zweck lediglich eine einzige Kollimatorlinse 46, deren Brennebene mit der Objektebene 44 zusammenfällt. Zwischen der Strichplatte 36 und der Kollimatorlinse 46 ist eine Strahlteilerplatte 48 unter einem Winkel von 45° zur optischen Achse OA des Autokollimators 12 angeordnet, wodurch die von der Strichplatte 36 ausgehenden Lichtbündel um 90° abgelenkt werden.
-
Infolge der Abbildung der Strichplatte 36 ins Unendliche treten Lichtbündel, die von einzelnen Feldpunkten der Objektebene 44 ausgehen, als kollimierte Strahlenbündel aus einem Austrittsfenster 50 des Autokollimators 12 aus. Von einem axialen Feldpunkt ausgehende Lichtstrahlen AL und von einem außeraxialen Feldpunkt ausgehende Lichtstrahlen OAL sind in den 2 und 3 mit durchgezogenen bzw. gestrichelten Linien angedeutet. Je weiter ein Feldpunkt von der optischen Achse OA des Autokollimators 12 entfernt ist, desto größer ist der Winkel, den im kollimierten Strahlengang die von diesem Feldpunkt ausgehenden Lichtstrahlen AOL zur optischen Achse OA einschließen. Winkeln im kollimierten Strahlengang sind somit umkehrbar eindeutig Orten in der Objektebene 44 und jeder hierzu optisch konjugierten Feldebene zugeordnet.
-
Licht, das auf die dem Autokollimator 12 zugewandte optische Planfläche 26a des Prismas 24 fällt, wird dort teilweise reflektiert und gelangt über das Austrittsfenster 50 und die Kollimatorlinse 46 zurück in den Autokollimator 12. Ein Teil des reflektierten Lichts durchtritt die Strahlteilerplatte 48 und trifft auf einen ortsauflösenden Lichtsensor 54. Dieser ist in einer Bildebene 56 angeordnet, die zu der Objektebene 44 über die Kondensorlinse 46 und die Reflexion an der Planfläche 26a optisch konjugiert ist. Bei dem Lichtsensor 54 kann es sich beispielsweise um einen CCD-Sensor, einen CMOS-Sensor oder um eine positionsempfindliche Diode (PSD, position sensitive diode) handeln.
-
Verläuft die optische Planfläche 26a wie in der 2 gezeigt senkrecht zur optischen Achse OA des Autokollimators 12, so treffen die von dem axialen Feldpunkt ausgehenden Lichtstrahlen AL senkrecht auf die optische Planfläche 26a und werden folglich in sich zurückreflektiert, was durch Doppelpfeile in den Lichtstrahlen AL angedeutet ist. Diese Lichtstrahlen AL vereinigen sich nach Fokussierung durch die Kollimatorlinse 46 und Durchtritt durch die Strahlteilerplatte 48 deswegen wieder in einem axialen Feldpunkt in der Bildebene 56 des Autokollimators 12.
-
Die von einem außeraxialen Feldpunkt in der Objektebene 44 ausgehenden Lichtstrahlen OAL treten zwar ebenfalls parallel aus der Kollimatorlinse 46 aus, jedoch unter einem Winkel zur optischen Achse OA, der umso größer ist, je weiter der betreffende Feldpunkt in der Objektebene 44 von der optischen Achse OA entfernt ist. Nach Reflexion an der optischen Planfläche 26a treffen die mit OALR bezeichneten reflektierten Lichtstrahlen ebenfalls schräg auf die Kollimatorlinse 46 auf und vereinigen sich deswegen in der Bildebene 56 in einem außeraxialen Bildpunkt 57. Die Strichplatte 36 wird somit über eine Reflexion an der optischen Planfläche 26a auf den Lichtsensor 54 abgebildet.
-
Die 3 zeigt den Strahlengang, nachdem das Prisma 24 auf dem Drehtisch 14 um einen kleinen Winkel um die Drehachse 16 verdreht wurde. Die optischen Achse OA des Autokollimators 12 verläuft nun nicht mehr senkrecht zu der optischen Planfläche 26a des Prismas 25, so dass auch die vom axialen Feldpunkt ausgehenden Lichtstrahlen AL nicht mehr in sich reflektiert werden. Vielmehr treten diese Lichtstrahlen AL nach Reflexion an der optischen Planfläche 26a unter einem Winkel zur optischen Achse OA in die Kollimatorlinse 46 ein. Diese mit ALR bezeichneten Lichtstrahlen vereinigen sich deswegen in einem außeraxialen Feldpunkt in der Bildebene 56. Das Bild der Strichplatte 36 verschiebt sich somit in der Bildebene 56 entlang der X-Richtung, wenn der Drehtisch 14 mit dem davon getragenen Prisma 24 um seine Drehachse 16 gedreht wird.
-
Die Lage des Bildes der Strichplatte 36 auf dem Lichtsensor 54 ist somit ein Maß für den Winkel zwischen der optischen Planfläche 26 und der optischen Achse OA des Autokollimators 12. Dies gilt nicht nur für Winkel in der XZ-Ebene, sondern auch für Winkel in der YZ-Ebene. Verläuft die optische Planfläche 26a bei der in der 2 gezeigten Konstellation beispielsweise nicht parallel zur XY-Ebene, sondern ist um die X-Achse verkippt angeordnet, so verlagert sich das Bild der Strichplatte 36 entlang der Y-Richtung.
-
3. Messvorgang
-
Bei der Messung der Winkel zwischen den Planflächen 26a, 26b, 26c des Prismas 24 kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden:
In einem ersten Schritt wird das Prisma 24 auf den Drehtisch 14 aufgesetzt. Dabei muss das Prisma 24 nicht exakt in der XZ-Ebene ausgerichtet werden.
-
In einem zweiten Schritt wird der Drehtisch 14 manuell oder motorisch so verdreht, dass eine seiner optischen Planflächen, z. B. die Planfläche 26a, ungefähr senkrecht zur optischen Achse OA des Autokollimators verläuft. Die Lage des Bildes der Strichplatte 36 in der Bildebene 56 des Autokollimators 12 wird mit Hilfe des Lichtsensors 54 erfasst und gespeichert. Aus dieser Lage errechnet die Steuer- und Auswerteeinrichtung 22 die Orientierung der vermessenen optischen Planfläche 26a relativ zur optischen Achse des Autokollimators 12. Daraus ergeben sich auch eventuelle Flächenneigungsfehler, d. h. Verkippungen der jeweils vermessenen optischen Planfläche um die X-Achse.
-
In einem dritten Schritt wird der Drehtisch 14 manuell oder motorisch so weit gedreht, bis eine benachbarte optische Planfläche, z. B. die Planfläche 26b, dem Autokollimator 12 zugewandt ist und annähernd senkrecht zu dessen optischer Achse OA verläuft. Der Winkelgeber 18 erfasst dabei die vorgenommene Drehung des Drehtischs 14 mit hoher Genauigkeit. Die Lage des Bildes der Strichplatte 36 der Bildebene 56 wird nun erneut mit Hilfe des Lichtsensors 54 erfasst und von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 22 ausgewertet. Aus dieser Lagebestimmung wird wie vorstehend beschrieben die Orientierung der zweiten optischen Planfläche 26b im Raum bestimmt.
-
Zusammen mit dem vom Winkelgeber 18 erfassten Drehwinkel lässt sich daraus mit hoher Genauigkeit der Winkel zwischen den beiden optischen Planflächen 26a, 26b ableiten. Überdies liefert die Messung hochgenaue Werte zu Flächenneigungsfehlern der beiden Planflächen 26a, 26b.
-
Bei der dritten optischen Planfläche 26c und, sofern vorhanden, allen weiteren optischen Planflächen wird der Drehtisch 14 erneut gedreht, die Winkeländerung vom Winkelgeber 18 erfasst und die Lage des Bildes der Strichplatte 36 in der Bildebene 56 mit Hilfe des Lichtsensors 54 bestimmt.
-
4. Strichplatte
-
Die 4 zeigt ein Beispiel für eine Strichplatte 36 nach dem Stand der Technik. Die Strichplatte enthält zwei sich rechtwinklig kreuzende Striche 60', 61', die lichtdurchlässig sind.
-
Die 5 zeigt in Draufsicht den Lichtsensor 54 mit durch eine Rasterung angedeuteten Sensorpixeln (nicht maßstäblich), einem Koordinatenkreuz 62 und Bildern B60', B61' der Striche 60', 61' der Strichplatte 36', wie sie entstehen, wenn die optische Planfläche 26a nicht senkrecht zur optischen Achse OA verläuft, sondern um die X-Achse und Y-Achse verkippt ist. Bei einer exakt senkrechten Ausrichtung zur optischen Achse OA würden die Bilder B60', B61' das Koordinatenkreuz 62 überdecken.
-
a) Mehrere Einfachreflexe
-
Die 6 zeigt beispielhaft ein Prisma 64 mit Planflächen 66a bis 66d, die zwischen sich relativ kleine Winkel einschließen. Trifft das vom Autokollimator 12 auf das Prisma 64 gerichtete Licht gleichzeitig auf alle optischen Planflächen 66a bis 66d, so erzeugt jede optische Planfläche 66a bis 66d ein eigenes Bild der Strichplatte 36' in der Bildebene 56.
-
Diese Bilder der Strichplatte 36 überlagern sich auf dem Lichtsensor 54, wie dies in der 7 gezeigt ist. Man erkennt, dass sich die vier den Planflächen 66a bis 66d zugeordneten Bilder nicht voneinander unterscheiden lassen, so dass auch keine Zuordnung zu den Planflächen 66a bis 66d möglich ist. Dies gilt zumindest dann, wenn das auf das Prisma 64 gerichtete Licht annähernd zu gleichen Teilen auf die vier optischen Planflächen 66a bis 66d fällt, so dass die Intensität der Bilder auf dem Lichtsensor 54 annähernd gleich ist und die Striche in der Bildebene 56 nicht über ihre Intensität einander zugeordnet werden können.
-
Bei der in den 1 bis 3 gezeigten erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 wird deswegen als Objekt die in der 8 gezeigte Strichplatte 36 verwendet, bei der Striche 60, 61 zwar ebenfalls senkrecht zueinander angeordnet sind, sich aber nicht kreuzen. Der lichtundurchlässige Bereich, der sich dort befindet, wo sich die Striche 60, 61 bei Verlängerung kreuzen würden, stellt eine Markierung 63 dar, mit der sich in der Überlagerung mehrerer Bilder der Strichplatte 36 die einzelnen Bilder voneinander unterscheiden lassen. Dies ist in der 9 in einer an die 7 angelehnten Darstellung gezeigt. Am Beispiel der optischen Planfläche 66a bedeutet dies etwa, dass durch das Bild B63a der Markierung 63 deutlich wird, dass die Bilder B60a, B61a der Striche 60, 61 zum gleichen Bild der Strichplatte 36 gehören und einer der optischen Planflächen 66a bis 66d zugeordnet werden können.
-
Es versteht sich, dass auch anders ausgebildete Objekte geeignet sind, um die von mehreren optischen Planflächen erzeugten Bilder voneinander unterscheiden zu können. Die 10 zeigt beispielhaft eine Strichplatte 136 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem Striche 60, 61 ein Strichkreuz bilden. Eine zusätzliche Markierung 163 wird hier durch einen Punkt in der Nähe des Kreuzungspunktes der Striche 60, 61 gebildet. Wie die 11 zeigt, lassen sich mit Hilfe der Bilder der Markierung 163 die Bilder B60a, B61a der Striche 60, 61 auf dem Lichtsensor 54 problemlos einem Bild der Strichplatte 136 zuordnen, so dass die einzelnen Bilder voneinander unterschieden werden können.
-
b) Einfach- und Mehrfachreflexe
-
Bei dem in der 6 gezeigten Prisma 64 erzeugen mehrere Einfachreflexe an den nebeneinander im Strahlengang angeordneten Planflächen 66a bis 66d eine entsprechende Anzahl von Bildern der Strichplatte 34. Mehrere Bilder der Strichplatte auf dem Lichtsensor 54 können aber auch entstehen, wenn optische Planflächen so hintereinander im Strahlengang angeordnet sind, das Mehrfachreflexe entstehen.
-
Die 12a zeigt das Prisma 24 in einer Ausrichtung zum Autokollimator 12, bei der die Hypotenusenfläche 26c des Prismas 24 senkrecht zur optischen Achse OA des Autokollimators 12 ausgerichtet ist. In der XZ-Ebene wirkt das Prisma 24 als Retroreflektor, so dass auftreffendes Licht stets parallel zurückreflektiert wird, und zwar unabhängig davon, unter welchem Winkel das Licht auf die Hypotenusenfläche 26c fällt. Achsparalleles Licht wird somit beispielsweise zu einem kleineren Teil als Einfachreflex ER in sich und zum größeren Teil als Retroreflex RR parallel versetzt zurückreflektiert. Schräg einfallendes Licht, das außeraxialen Feldpunkten zugeordnet ist, wird zu einem kleineren Teil durch den Einfachreflex ER an der Hypotenusenfläche gespiegelt und zu einem größeren Teil als Retroreflex RR parallel versetzt zurückgeworfen.
-
Entsprechendes gilt, wenn die Hypotenusenfläche 26c nicht exakt senkrecht zur optischen Achse OA des Autokollimators 12 ausgerichtet ist, wie dies die 12b zeigt. Da die Richtung des Retroreflexes RR sich bei einer Drehung des Prismas 24 um die Drehachse 16 nicht ändert, ist das vom Retroreflex RR erzeugte Bild ortsfest, d. h. unabhängig vom Drehwinkel des Drehtischs 14. Da beim Retroreflex keine Richtungsspiegelung auftritt, ist das davon auf dem Lichtsensor 54 erzeugte Bild spiegelsymmetrisch bezüglich des vom Einfachreflex ER erzeugten Bildes.
-
Falls die Hypotenusenfläche 26c um die X-Achse verkippt ist, so verschiebt sich auch das vom Retroreflex RR auf dem Lichtsensor 54 erzeugte Bild entlang der Y-Achse, da entlang dieser Richtung das Prisma 24 nicht als Retroreflektor wirkt. Dieser Fall einer Verschiebung entlang der Y-Richtung ist in der 14 gezeigt, wobei außerdem angenommen ist, dass als Objekt die im Stand der Technik übliche und in der 13 gezeigte Strichplatte 36' mit zwei sich rechtwinklig kreuzenden Strichen 60', 61' verwendet wird. Die Verschiebung des Strichkreuzes, das aus den Bildern B60', B61' der Striche 60', 61' gebildet wird, ist ein Maß für die Verkippung der Hypotenusenfläche 26c um die X-Achse. Da das vom Retroreflex RR erzeugte Bild BRR der Strichplatte 36' in der Regel wesentlich intensiver ist das vom Einfachreflex ER erzeugte Bild BER, erscheint das vom Retroreflex erzeugte Bild BRR sehr hell und durch Überstrahleffekte verbreitert auf dem vom Lichtsensor 54 an die Steuer- und Auswerteeinrichtung 22 übergebenen Gesamtbild.
-
Wie in der 14 gezeigt ist, verschiebt sich das vom Einfachreflex ER an der Hypotenusenfläche 26c auf dem Lichtsensor 54 erzeugte Bild BER entlang der X-Richtung gegenüber dem vom Retroreflex RR erzeugten Bild BRR, wenn das Prisma mit dem Drehtisch 14 um die Drehachse 16 gedreht wird. Falls die Hypotenusenfläche 26c einen kleineren Flächenneigungsfehler hat, d. h. um die X-Achse verkippt ist, so lässt sich dies jedoch nicht genau quantifizieren. Ein solcher Flächenneigungsfehler würde sich durch einen geringfügigen Versatz des Bildes BER entlang der Y-Richtung bemerkbar machen. Ein solcher Versatz lässt sich jedoch auf dem vom Lichtsensor 24 aufgenommenen Bild nicht erkennen, da die Striche des vom Retroreflex RR erzeugten Bildes BRR so breit sind, dass die genaue Y-Position des davon überlagerten Bildes BER nicht bestimmbar ist. Auch aus dem vom Retroreflex RR erzeugten Bild BRR lässt sich der Flächenneigungsfehler der Hypotenusenfläche 26c nicht ableiten, weil zu diesem Bild BRR auch die beiden anderen Planflächen 26a, 26b des Prismas 24 beitragen.
-
Ähnlich ist die Situation, wenn der Drehwinkel so klein ist, dass die Hypotenusenfläche 26c nur geringfügig um die Y-Achse verdreht ist. Das vom Einfachreflex ER erzeugte Bild BER ist dann nur um einen sehr kleinen Betrag in der X-Richtung verschoben. Dieser Betrag ist aber nicht messbar, weil der vertikale Strich des Bildes BER von dem breiteren vertikalen Strich des Bildes BRR überdeckt ist.
-
Um die Orte der vom Einfachreflex ER erzeugten Bilder bei optischen Komponenten, die Retroreflexe erzeugen, stets mit hoher Genauigkeit bestimmen zu können, wird erfindungsgemäß als Objekt im Autokollimator 12 eine Strichplatte 236 verwendet, wie sie in der 15 gezeigt ist. Die Strichplatte 236 enthält ebenfalls ein Strichkreuz mit Strichen 260, 261, jedoch ist dieses Strichkreuz um einen bestimmten Winkel verdreht. Infolge dieser Verdrehung ist die Strichplatte 236, wenn man sie sich mit Hilfe einer im Bereich des Drehtischs angeordneten und auf der optischen Achse OA zentrierten rotationssymmetrischen Sammellinse in die XY-Ebene abgebildet vorstellt, nicht spiegelsymmetrisch bezüglich einer YZ-Ebene, die parallel zur Drehachse 16 des Drehtischs 14 und zur optischen Achse OA des Autokollimators 12 verläuft. Durch eine solche nicht spiegelsymmetrische Strichplatte 236 wird erreicht, dass das vom Retroreflex RR auf dem Lichtsensor 54 erzeugte gespiegelte Bild BRR der Strichplatte 236 anders aussieht als das vom Einfachreflex ER erzeugte ungespiegelte Bild BER. Folglich überlagern sich die Bilder BER und BRR so, dass die Orte der beiden Bilder stets mit hoher Genauigkeit bestimmbar sind.
-
Die 16 zeigt in einer an die 14 angelehnten Darstellung das vom Retroreflex erzeugte Bild BRR und das vom Einfachreflex ER erzeugte Bild BPR für den Fall, dass die Hypotenusenfläche 26c exakt senkrecht zur optischen Achse 12 ausgerichtet ist. Während bei der Verwendung der in der 13 gezeigten konventionellen Strichplatte 36' das hellere Bild BRR das dunklere Bild BER vollständig überdecken würde, sind bei der Verwendung der in der 15 gezeigten erfindungsgemäßen Strichplatte 236 die Bilder BRR und BER voneinander separiert. Somit wird das für die Bestimmung der Orientierung der Hypotenusenfläche 26c wichtige Bild BER, das vom Einfachreflex auf dem Lichtsensor 54 erzeugt wird, nicht von dem helleren Bild BRR überstrahlt, das vom Retroreflex RR erzeugt wird. Dadurch können der Ort des Bildes BER und damit die Ausrichtung der Hypotenusenfläche 26c exakt bestimmt werden.
-
Die 17 und 18 entsprechen den 15 und 16, jedoch wurde hier angenommen, dass die Hypotenusenfläche 26c um die X- und Y-Achse verkippt ist. Folglich ist das vom Einfachreflex ER erzeugte Bild BER entlang der X- und der Y-Richtung auf dem Lichtsensor 54 verschoben. Das vom Retroreflex RR erzeugte Bild BRR ist hingegen nur entlang der Y-Richtung verschoben, da das Prisma 24 in der XY-Ebene als Retroreflektor wirkt und sich somit eine Verkippung der Hypotenusenfläche 26c um die Y-Achse nicht auf die Bildlage auswirkt. Obwohl der zentrale Teil des vom Einfachreflex ER erzeugten Bildes BER vom helleren Bild BRR teilweise überdeckt ist, lässt sich der Ort des dunkleren Bildes BER ohne weiteres mit der erforderlichen Genauigkeit bestimmen. Hierzu kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung 22 beispielsweise zwischen den nicht überdeckten Abschnitten der Striche interpolieren und daraus der Ort des Kreuzungspunktes der Striche ableiten. Dieser Ort wird dann als Ort des Bildes BER betrachtet, aus dem die Steuer- und Auswerteeinrichtung 22 die Ausrichtung der Hypotenusenfläche 26c bestimmt.
-
Bei Prismen, die einen Retroreflex nicht nur in der XY-Ebene, sondern bezüglich zweier orthogonaler Richtungen erzeugen und im Falle eines Tripelprismas drei jeweils zueinander orthogonale Planflächen aufweisen, ist das vom Retroreflex RR erzeugte Bild BRR punktsymmetrisch. Folglich darf das vom Autokollimator 12 abgebildete Objekt dann keine Punktsymmetrie haben, damit die vom Retroreflex RR und vom Einfachreflex ER erzeugten Bilder BRR, BER stets so weitgehend voneinander getrennt sind, dass der genaue Ort des dunkleren Bildes BER bestimmbar bleibt.
-
Die 19 zeigt ein Beispiel für eine Strichplatte 336, deren Striche 360 bis 363 nicht punktsymmetrisch bezüglich der optischen Achse OA angeordnet sind. Wie die 20 zeigt, lässt sich auch für solche Prismen das vom Retroreflex RR erzeugte Bild BRR und das vom Einfachreflex ER erzeugte Bild BER auf dem Bildsensor 54 so unterscheiden, dass eine genaue Ortsbestimmung des dunkleren Bildes BER ohne weiteres möglich ist. Da die Strichplatte 336 auch nicht spiegelsymmetrisch bezüglich der YZ-Ebene ist, kann sie auch bei der Vermessung eines 90°-Prismas 24 verwendet werden.
-
Selbstverständlich können auch Objekte vom Autokollimator 12 abgebildet werden, die sowohl eine Markierung tragen, wie dies in den 8 und 10 gezeigt ist, als auch die besonderen Symmetrieeigenschaften haben, wie sie in den 15, 17 und 19 gezeigt sind. Die 21 zeigt beispielhaft eine Strichplatte 436, die als Kombination der in den 8 und 15 gezeigten Strichplatten angesehen werden kann, nur dass anstelle des lichtundurchlässigen Zentralbereichs eine quadratische Markierung gewählt wurde.
-
In der 22 ist beispielhaft die Überlagerung von vier Bildern der Strichplatte 436 dargestellt, von denen das Bild BRR durch einen Retroreflex RR und die Bilder BERa, BERb, BERc durch Einfachreflexe erzeugt werden. Das vom Retroreflex RR erzeugte Bild BRR ist infolge der Spiegelung im Prisma anders orientiert als die Bilder BERa, BERb, BERc, die durch Einfachreflexe ER an mehreren nebeneinander angeordneten Planflächen erzeugt werden. Diese Bilder BERa, BERb, BERc lassen sich eindeutig voneinander unterscheiden, da auch die quadratische Markierung 463 in der Strichplatte 436 abgebildet wird.
