EP3976314A1 - Verfahren zum anpassen der fassung eines in einer fassung gefassten optischen elementes, optisches bauteil und optische baugruppe - Google Patents

Verfahren zum anpassen der fassung eines in einer fassung gefassten optischen elementes, optisches bauteil und optische baugruppe

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Publication number
EP3976314A1
EP3976314A1 EP20729645.0A EP20729645A EP3976314A1 EP 3976314 A1 EP3976314 A1 EP 3976314A1 EP 20729645 A EP20729645 A EP 20729645A EP 3976314 A1 EP3976314 A1 EP 3976314A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
mount
optical surface
orientation
pose
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20729645.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Frank
Michael Schulz
Manfred Kresser
Martin Weiss
Tobias BEIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik AG
Original Assignee
Carl Zeiss Jena GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102019115544.4A external-priority patent/DE102019115544A1/de
Application filed by Carl Zeiss Jena GmbH filed Critical Carl Zeiss Jena GmbH
Publication of EP3976314A1 publication Critical patent/EP3976314A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/003—Alignment of optical elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D11/00—Producing optical elements, e.g. lenses or prisms
    • B29D11/00932—Combined cutting and grinding thereof
    • B29D11/00942—Combined cutting and grinding thereof where the lens material is mounted in a support for mounting onto a cutting device, e.g. a lathe, and where the support is of machinable material, e.g. plastics
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/62—Optical apparatus specially adapted for adjusting optical elements during the assembly of optical systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B13/00—Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor
    • B24B13/005—Blocking means, chucks or the like; Alignment devices
    • B24B13/0055—Positioning of lenses; Marking of lenses

Definitions

  • the present invention relates to a method for adapting the mount of an optical element mounted in a mount, with at least one first optical surface which has no rotational symmetry with respect to an imaging axis of the optical element.
  • the invention relates to an optical component with a mount and an optical element mounted in the mount with at least one first optical surface which has no rotational symmetry with respect to an imaging axis of the optical element, and to an optical assembly with at least one such optical component.
  • Optical elements such as lenses, mirrors, diffraction gratings or the like are generally held in a mount in order to build them into an optical device with the mount.
  • Optical elements can also be made up of two or more individual elements, with the connection being able to be established by form fit, force fit or material fit (gluing, cementing, etc.).
  • careful adjustment of the imaging axis (s) of the optical element or that of the optical elements in relation to an imaging axis of the optical device is important in order to be able to achieve the required optical performance of the optical device with the optical elements.
  • the outer surfaces are processed as reference surfaces of the mount in such a way that, when installed in a holding element of the optical device, they define the position and / or orientation of the mount in the mount such that the position and / or orientation of the imaging axis in the mount captured optical element coincides with the position and / or the orientation of the imaging axis of the optical device.
  • the object of the present invention is to provide a method for adapting the mount of an optical element mounted in a mount, which provides greater flexibility in compensating for deviations in the position and / or orientation of the optical surface of the mount optical element of a target position and / or a target orientation. It is a further object of the present invention to provide an advantageous optical element and an advantageous optical assembly.
  • the first object is achieved by a method for adapting the mount of an optical element mounted in a mount according to claim 1, the other objects by an optical component according to claim 15 or an optical assembly according to claim 19.
  • the dependent claims contain advantageous embodiments of the invention .
  • a method for adapting the mount of an optical element mounted in a mount with at least one first optical surface, which has no rotational symmetry with respect to an imaging axis of the optical element, to a deviation of an actual pose of the first optical surface from a target Pose the first optical surface provided in the frame is understood to mean the combination of position and orientation of an object, here an optical surface.
  • pose is understood to mean the combination of position and orientation of an object, here an optical surface.
  • the target pose of the optical surface in the frame thus indicates the target position and the target orientation of the optical surface in the frame.
  • the actual pose accordingly indicates the actual position and the actual orientation of the surface in the frame, which can deviate from the target position and the target orientation.
  • the at least one optical surface can be a refractive optical surface, a reflective optical surface, a diffractive optical surface, or a combination thereof.
  • the non-rotationally symmetrical first optical surface can have a so-called form-rotational symmetry, ie the optical surface can definitely have rotational symmetry about an axis running at an angle to the imaging axis, but no rotational symmetry about the imaging axis.
  • Examples of surfaces with a shape rotational symmetry are toric surfaces or cylindrical surfaces which have a rotational symmetry about an axis perpendicular to the imaging axis.
  • the non-rotationally symmetrical first optical surface can, however, also be a surface without any rotational symmetry, in particular a free-form surface.
  • a free-form surface is understood to be a complex surface that can be represented by means of regionally defined functions.
  • the regionally defined functions can - but need not - be continuously or continuously differentiable and in particular twice continuously differentiable.
  • Examples of regionally defined functions are polynomial functions, including, in particular, polynomial splines, such as, for example, cubic splines, higher degree splines of the 4th degree or higher, or polynomial non-uniform rational B-splines (nurbs).
  • polynomial splines such as, for example, cubic splines, higher degree splines of the 4th degree or higher
  • polynomial non-uniform rational B-splines nurbs
  • a freeform surface does not need to have any axial symmetry or point symmetry.
  • Free-form surfaces can be produced numerically controlled on the basis of a mathematical description of the surface using CNC processes.
  • the optical element and the mount do not necessarily have to be elements produced separately, ie the optical element does not need to be a part produced separately from the mount and fitted into the mount after manufacture.
  • a plastic component can be produced by injection molding which comprises both a section representing the optical element with the first optical surface and a section representing the mount. Inaccuracies in injection molding can lead to Deviation of the actual pose of the first optical surface from the target pose of the first optical surface lead.
  • the first optical surface for example in the case of a reflective surface, can be produced by machining the surface of a section of a metal blank, for example by means of milling, the machined section forming the optical element and the non-machined section forming the mount. Inaccuracies when processing the surface can lead to a deviation of the actual pose of the first optical surface from the target pose of the first optical surface.
  • the method according to the invention for adapting the frame comprises the steps:
  • the at least one reference element defines at least one specific azimuthal alignment of the mount in the predefined coordinate system.
  • An azimuthal alignment of the mount is to be understood as a defined alignment of the mount in a plane perpendicular to the imaging axis of the optical element.
  • the azimuthal alignment can be determined by an angle between a defined line of the mount and a defined direction of the coordinate system within the plane perpendicular to the imaging axis of the optical surface will.
  • the determined azimuthal alignment of the mount in the specified coordinate system can in particular be defined in that the reference element is not formed rotationally symmetrical about the imaging axis of the first optical surface.
  • positional and / or orientation deviations of the superordinate assembly in which the version having the reference element is to be installed can also be taken into account.
  • Such positional and / or orientation deviations of the higher-level assembly which can result, for example, from positional and / or orientation deviations of interfaces of the higher-level assembly, can be determined by measurement and taken into account when calculating the target pose for the first optical surface.
  • the target pose does not necessarily have to reflect the ideal position and orientation according to the drawing. Instead, it can also take into account position and / or orientation that compensates for position and / or orientation errors of the higher-level assembly in such a way that they are compensated for by the target pose.
  • the orientation of the frame can be set in a plane perpendicular to the imaging axis compared to the rotated frames described above. Since the rotated mounts are processed with the aim of bringing the axis of symmetry of the mount to coincide with the imaging axis of the optical element, the resulting outer lateral surface of the mount is rotationally symmetrical about the imaging axis. A specific azimuthal alignment of the optical element cannot thus be established.
  • the at least one reference element can in particular be designed in such a way that it not only defines a specific azimuthal direction of the mount in the specified coordinate system, but also a specific orientation of the mount in all three rotational degrees of freedom.
  • the at least one reference element then enables a precise orientation of the optical surface of the mounted optical element in a folding element of an optical assembly.
  • the at least one reference element can be designed in such a way that, in addition to the azimuthal alignment of the mount and, if necessary, the alignment of the mount in all three rotational degrees of freedom, a position of the mount in at least two translational degrees of freedom and in particular in all three translational degrees of freedom defined.
  • the at least two translational degrees of freedom are preferably the translational degrees of freedom in a plane perpendicular to the imaging axis of the optical element.
  • the quality of the effect achieved with the optical surface generally depends heavily on the position of the optical surface in a plane perpendicular to the imaging axis. Even slight incorrect positioning of the position within a surface perpendicular to the imaging axis can therefore severely impair the optical effect of the optical element mounted in an optical device.
  • the change in the position and / or orientation of the frame in the specified coordinate system can be determined and defined with the at least one reference element in such a way that a translational deviation of the actual position of the optical surface from the target Position is compensated within a plane perpendicular to the imaging axis.
  • the method according to the invention can in particular also be configured in this way be that by changing the position and / or orientation of the frame, the deviation of an actual pose from a target pose of the optical surface can be compensated for in all six degrees of freedom.
  • the change in the position and / or the orientation of the mount can be determined by adapting the actual pose of the first optical surface to the desired pose of the first optical surface.
  • the change in the actual pose of the first optical surface which results from the adaptation of the actual pose to the target pose of the first optical surface, then represents the change in the position and / or the orientation of the frame.
  • the nominal pose of the first optical surface can be given by the position of a number of nominal surface points in the specified coordinate system. For a number of surface measuring points of the first optical surface, the respective position in the predefined coordinate system is then recorded by measuring technology. The determined positions of the surface measuring points then represent the actual pose of the first optical surface.
  • the adaptation of the actual pose of the first optical surface to the desired pose of the first optical surface then takes place by adapting the position of the surface measurement points to the position of the desired surface points.
  • the relative position of the surface measuring points to one another is not changed.
  • the metrological detection of the position of the at least three surface measuring points in the specified coordinate system can be done by point-by-point measurement, by line-by-line measurement or by surface measurement.
  • wavefront sensors, photogrammetry or reflectometry can be used for flat measurements.
  • the described embodiment of the method enables the change in the position and / or the orientation of the frame to be determined using common algorithms for adapting the actual pose to the target pose of the optical surface, whereby the necessary computational effort - but usually also the precision of the Adaptation - increases with the number of measuring points.
  • a suitable number of surface measuring points and target surface points can be selected.
  • reaching a minimum of the objective function, falling below a predetermined limit value of the objective function or reaching a certain number of iterations can serve as termination criterion.
  • a check is carried out for each surface measuring point to determine whether it fulfills a predetermined quality criterion.
  • a possible quality criterion would be the maximum distance between a surface measuring point and the target surface. Metrological outliers can thereby be eliminated.
  • In order to adapt the position of the surface measuring points to the position of the target surface points only those surface measuring points are taken into account that meet the quality criterion. This can ensure that sufficiently good measurement data are available for performing the optimization.
  • checking the signal intensity of the light reflected from the first optical surface can be used as an additional or alternative quality criterion.
  • a lower threshold value can be defined for the signal intensity, which must be reached or exceeded in order to qualify the reflected light as a valid signal.
  • the threshold value can, taking into account the maximum expected inclination of surface areas of the first optical surface and the maximum expected distance from surface areas of the first optical surface can be determined by the sensor used.
  • the number of the surface measuring points can be masked so that only those surface measuring points are taken into account for the adaptation of the actual pose to the target pose, which are in a region of the surface relevant to the desired optical effect of the surface. This means that form errors in the surface outside the relevant optical area (e.g. polishing overflow) cannot falsify the actual pose and / or the computational effort is reduced.
  • the determination of the change in the position and / or the orientation of the frame can in particular take place iteratively within the scope of the method according to the invention. This offers the possibility of repeating the method until a sufficiently good compensation of the deviation of the actual pose from the target pose of the first optical surface or a sufficiently precise adaptation of the actual pose to the target pose of the first optical surface is achieved.
  • the fulfillment of the quality criterion for the surface measuring points taken into account can optionally be checked again at least once. From the next iteration step onwards, only those surface measuring points are taken into account that again meet the quality criterion. In this way, it can be avoided that measuring points that are too imprecise prevent the achievement of a better compensation of the deviation of the actual position from the target position of the first optical surface or the achievement of a better adaptation of the actual pose to the target pose.
  • the at least one reference element can be formed on the frame by removing machining and / or applying machining of the frame.
  • the ablative machining can in particular be a cutting or beam-based machining.
  • Coating processes or additive manufacturing that is to say a process in which a workpiece is made in layers from shapeless or Shape-neutral material using physical and / or chemical effects is used.
  • the removal and / or application processing of the mount can be performed CNC-controlled by means of a processing device having at least three positioning axes.
  • the three positioning axes can in particular include at least one rotary positioning axis and two translatory positioning axes.
  • a removing and / or applying machining can be implemented in such a way that a defined position can be achieved in two translational degrees of freedom in addition to the defined azimuthal position.
  • the fact that not only removing machining but also adding machining is used means that the freedom in creating the reference elements is considerably greater than in the case of centering turning described above.
  • the mount can be adapted to both the deviation of the actual pose of the first optical surface from the target Pose of the first optical surface in the mount as well as a deviation of the actual pose of the second optical surface from the target pose of the second optical surface in the mount. Since the deviation of the actual pose of the first optical surface from the target pose of the first optical surface generally does not correspond to the deviation of the actual pose of the second optical surface from the target pose of the second optical surface, the change in position is and / or the orientation of the frame in the predefined coordinate system to compensate for the deviations is mostly overdetermined.
  • a clearly determined change in the position and / or the orientation can be determined by a compensation calculation.
  • an optimal compromise for the simultaneous compensation of a deviation of the actual pose from the desired pose of the first optical surface and a deviation of the actual pose from the desired pose of the second optical surface can be achieved. If the second optical surface is rotationally symmetrical about its imaging axis, there is no overdetermination in the azimuthal alignment, so that no compensation calculation is then required with respect to the azimuthal alignment.
  • An optical component according to the invention comprises a mount and an optical element mounted in the mount with at least one first optical surface, which can be a refractive optical surface, a reflective optical surface, a diffractive optical surface or a combination thereof.
  • the first optical surface does not have any rotational symmetry with respect to an imaging axis of the optical element, it being possible in particular as a freeform surface, but also as a surface with shape-rotational symmetry.
  • the frame has at least one reference element that defines a position and / or orientation of the frame in a predetermined coordinate system, which indicates a deviation of an actual pose of the first optical surface from a target pose of the first optical surface in the frame in at least one degree of freedom compensates.
  • the at least one reference element defines at least one specific azimuthal position of the mount.
  • the at least one reference element of the mount makes it possible to use the optical component according to the invention in a holding element of an optical assembly in such a way that at least the deviation of the azimuthal actual orientation of the optical surface from its azimuthal target orientation is compensated for by the installation position of the mount in the holding element , so that the mounted optical element has at least one defined azimuthal alignment in the optical assembly after being installed in the optical assembly.
  • the at least one reference element defines a certain orientation of the frame in all three rotational degrees of freedom, such an orientation of the frame in the holding element can be achieved that a deviation of the actual orientation from the target orientation of the optical surface is compensated for in all three rotational degrees of freedom .
  • the at least one reference element in addition to the at least azimuthal position or in addition to the specific orientation of the mount, has one in all three rotational degrees of freedom certain position of the version in at least two translational
  • Degrees of freedom are preferably in a plane perpendicular to
  • Image axis of the optical element In particular in the case of free-form surfaces, translational deviations of the actual position from the desired position within a plane perpendicular to the imaging axis can be compensated for by corresponding positioning of the mount in the holding element. Since freeform surfaces are often very sensitive to a
  • the at least one reference element can also be designed in such a way that it allows the mount to be displaced along a defined direction. This makes it possible to provide captured reference elements in which the visual effect can be specifically influenced by moving free-form surfaces relative to one another.
  • the defined direction is preferably within a plane perpendicular to the imaging axis of the optical element.
  • Such optical elements known as Alvarez elements are described, for example, in WO 2007/037691 A2, in US 2017/0227747 A1 and in US 2013/027891 1 A1. With the help of Alvarez elements, for example, imaging errors can be specifically corrected for different focal planes, as is described in DE 10 2013 101 71 1 A1.
  • optical elements with free-form surfaces that can be displaced perpendicular to the optical axis also offer the possibility of deliberately introducing aberrations into an optical system, for example to bring about a soft focus effect in a photo lens, as is described, for example, in DE 10 2014 1 18 383 A1.
  • a similar use of optical elements with free-form surfaces that can be displaced perpendicular to the optical axis is also described in DE 10 2015 1 16 895 B3.
  • the defined direction can also be in the direction of the Mapping axis lie. This enables zoom functions in particular.
  • An optical assembly according to the invention comprises at least one optical component according to the invention and a folding element holding and adjusting the at least one optical component, the at least one reference element of the mount of the optical component interacting with the folding element for adjustment in such a way that a defined position and / or orientation of the first optical surface is created relative to the holding element.
  • FIG. 1 illustrates, in the form of a flow chart, an exemplary embodiment for adapting the mount of an optical element mounted in a mount to a deviation of an actual pose of its optical surface from a target pose.
  • FIG. 2 shows a detail from FIG. 1 in the form of a flow chart.
  • Figure 3 shows a first exemplary embodiment for a
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment for an optical component with a mounted optical element.
  • FIG. 5 shows a third exemplary embodiment for an optical component with a mounted optical element.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment for an optical assembly with an optical component which comprises a mounted optical element.
  • FIG 2 describes the method used in the present exemplary embodiment for determining a change in position and / or the change in orientation of the frame to compensate for the deviation of the actual pose from the target pose.
  • the optical surface is an optical surface that has no rotational symmetry about the imaging axis.
  • the imaging axis of the optical surface is given by the main beam direction, given by the imaging function aimed at with the optical surface, of a beam passing through the optical surface.
  • the optical surface can in particular be a surface with shape-rotational symmetry, the symmetry axis of which has an angle to the imaging axis, typically a right angle to the imaging axis. Examples of such surfaces are toric surfaces or cylinder surfaces.
  • the optical surface can be designed as a free-form surface, which typically has neither point nor axis symmetries.
  • Parts of the method according to the invention are preferably carried out on a computer or a refraction unit specially designed to carry out the method.
  • the computer or the calculation unit can in particular be part of a CNC-controlled processing machine, with which the frame is processed in order to adapt the frame to the deviation of the actual pose from the target pose.
  • the target pose of an optical surface of the mounted optical element is specified in a predefined coordinate system in which the position and orientation of the mount are also specified.
  • Specifying the target pose can be done through Specifying the spatial positions of a number of desired surface points representing the optical surface take place in the predetermined coordinate system.
  • the positions of at least three target surface points are required in order to be able to clearly specify both the translational position and the orientation of the optical surface in the specified coordinate system. From the positions of the target surface points in relation to the origin of the specified coordinate system, the target pose, that is to say the target position and the target orientation, of the optical surface can easily be determined if the positions of the target surface points are also in relation are known on the optical surface.
  • the optical surface can be described in a coordinate system coupled to the optical element.
  • the desired surface points could be any points in the coordinate system coupled to the optical element, the position and orientation of which are known in relation to the predefined coordinate system.
  • the coordinates of points on the optical surface that are given in the coordinate system coupled to the optical element can then be transformed into coordinates of the predefined coordinate system by means of a coordinate transformation.
  • a different approach is chosen.
  • the respective spatial position is specified for a large number of target surface points lying on the optical surface, so that the target surface points represent a point cloud model of the optical surface in the target pose.
  • the spatial positions of a number of surface measuring points in the specified coordinate system are determined in step S2.
  • the actual position and the actual orientation of the optical surface in the specified coordinate system can already be determined from the recorded positions of three surface measuring points in the specified coordinate system, provided that the The position of the surface measuring points on the optical surface is known. In the present exemplary embodiment, however, a different approach is chosen.
  • the spatial positions of a large number of surface measurement points are recorded using measurement technology, so that the positions of the surface measurement points form a point cloud model of the optical surface in the specified coordinate system, provided they are recorded close enough.
  • the acquisition of the surface measuring points can take place by point-by-point acquisition of surface measuring points, by line-by-line acquisition of surface measuring points or by two-dimensional acquisition of surface measuring points.
  • the point-by-point acquisition of surface measurement points can be done for example by means of multi-wavelength interferometers, by means of chromatic sensors, by means of triangulation sensors, by means of tactile buttons, by means of confocal sensors, etc., the line-by-line acquisition of surface points for example by means of a linear scanner or the like.
  • Interferometric methods or wavefront sensors can be used to record surface measurement points over a large area.
  • Patterns of parallel light and dark stripes of different widths are projected sequentially onto the optical surface and recorded by at least two observation cameras.
  • the positions of the surface measuring points can then be calculated from the images recorded of the projected patterns.
  • Another example of the two-dimensional detection of surface measurement points is the projecting of a stripe pattern with sinusoidal intensity distributions onto a ground glass and the reflection of the pattern through the optical surface.
  • the pattern mirrored by the optical surface is recorded by at least one camera, it being possible to calculate the positions of surface measurement points from the distortion of the pattern in the recorded image.
  • Acquisition methods are used. For example, different methods can be carried out from opposite sides of the mounted optical element.
  • the selected method for detecting the positions of the surface measuring points can in particular be carried out by a processing machine, with the aid of which the at least one reference element is later formed on the mount.
  • the predefined coordinate system can be the coordinate system of the machine, so that the recording of the surface measuring points and the subsequent processing of the mount take place in the same coordinate system. If, on the other hand, the surface measuring points are recorded with a device separate from the processing machine, coordinate transformation is necessary before processing the mount. If, within the scope of the present invention, a predefined coordinate system is mentioned, this does not necessarily have to mean that all steps of the method are carried out in the same coordinate system. However, it is imperative that the coordinates of the coordinate systems used can be converted into one another by means of a known coordinate transformation. In this sense, a predetermined coordinate system is also to be understood as a group of coordinate systems which can be clearly converted into one another by means of coordinate transformations.
  • step S1 After the target pose of the optical surface has been specified in step S1 by specifying the spatial positions of a number of target surface points, a point cloud model is available that represents the optical surface in its target pose, and the positions in step S2 have been recorded close enough by surface measuring points so that the actual pose of the optical surface in the specified coordinate system point cloud model representing the optical surface is present, a change in the position and / or the orientation of the mount is determined in step S3 such that a deviation of the actual pose of the optical surface from the target pose of the optical surface due to the change in position and / or orientation of the frame in the predetermined coordinate system is compensated for at least in one degree of freedom.
  • Such a change in the position and / or orientation of the frame is preferably determined in the specified coordinate system that the complete actual orientation of the optical surface is adapted to the desired orientation by changing the position and / or orientation of the frame.
  • the change in the position and / or orientation of the mount also takes place in such a way that the actual translational position of the optical surface is also adapted to the desired translational position of the optical surface in at least two translational degrees of freedom. In particular, an adaptation in all three translational degrees of freedom is also possible.
  • optical elements with free-form surfaces it can be advantageous if the adaptation takes place only in two translational degrees of freedom, with, for example, the translational position not being fixed in a direction perpendicular to the imaging axis. This makes it possible to move mounted optical elements with free-form surfaces perpendicular to the imaging axis relative to one another in order to achieve different optical effects of the optical elements.
  • a first step of determining the change in the position and / or the orientation of the frame it is checked which of the recorded surface measurement points of the point cloud model representing the optical surface in the actual pose meet a specified quality criterion (step S31). Only those surface measuring points that meet the specified quality criterion are used in the further course of the process.
  • the formed by the surface measuring points used In the present exemplary embodiment, the point cloud model representing the optical surface in the actual pose is iteratively approximated by means of rigid transformations to the point cloud model formed by the target surface points and representing the optical surface in the target pose until an optimized rigid transformation is found after its execution the value of an objective function fulfills a predefined termination criterion (step S32).
  • a rigid transformation is a transformation that only changes the pose of the point cloud model, ie only the translational position and the orientation of the point cloud model, without changing the distances between the points of the point cloud model.
  • Such a procedure is known as point set registration or also as point mapping.
  • the target function represents a measure of the global deviation of the positions of the surface measurement points forming the point cloud model of the optical surface in the actual pose from the positions of the target surface points forming the point cloud model of the optical surface in the target pose.
  • the termination criterion of the target function can be, for example, achievement be a minimum of the objective function.
  • step S33 After each rigid transformation carried out in step S32, a check is made in step S33 to determine whether the value of the objective function meets the termination criterion. If the value of the objective function does not meet the termination criterion, the method returns to step S32 and carries out another transformation. Instead of to step S32, the method can also return to step S31, as indicated in FIG. 2 by the dashed arrow. In this case, the surface measuring points used are checked again to determine whether they meet the quality criterion. Only those surface measuring points that continue to meet the quality criterion can be used in the renewed transformation and when the value of the objective function is recalculated considered.
  • the method can in particular be designed in such a way that the quality criterion is only checked again after a certain number of iteration steps. If it turns out that the termination criterion of the objective function has not yet been reached even after a certain number of iterations, it is possible to use a stricter version of the quality criterion in order to increase the requirements for the surface measuring points used during the iteration.
  • step S34 in which at least one numerical model is constructed for at least one reference element to be formed on the frame, which model is the optimized rigid transformation obtained in the iterative method defined, ie which in connection with a reference surface in a holding element of an optical assembly leads to the fact that the mount of the optimized rigid transformation is positioned and / or oriented accordingly in the optical assembly.
  • a reference element is constructed which does not have any rotational symmetry with respect to the imaging axis.
  • the reference element is designed in such a way that it establishes a defined azimuthal orientation of the mount in the predefined coordinate system, so that with the aid of the reference element, a predefined azimuthal orientation of the mount and thus the optical surface of the mount optical element when installed in the optical assembly can be realized.
  • the surface can be masked on the surface area relevant for the desired optical effect of the surface.
  • this takes place in that the amount of surface measuring points is limited to that subset of surface measuring points which only contains surface measuring points that are in the surface area relevant for the desired optical effect of the surface.
  • To adapt the actual pose to the target pose only the surface measuring points from the subset are then used in the subsequent iterations Surface measuring points taken into account.
  • form defects in the surface outside the relevant optical area eg polishing overflow
  • Step S3 from FIG. 1 ends with step S34.
  • the method shown in FIG. 1 then proceeds to step S4, in which the at least one reference element constructed in step S34 is formed on the mount of the optical element by means of removing and / or applying machining of the mount.
  • the at least one reference element is formed by machining, i.e. exclusively by removing the version. It can be advantageous if the frame is oversized before machining, so that a removal on one side can be compensated for by a failure to remove on the other side.
  • milling is used as machining. Milling takes place in a CNC-controlled manner, using a processing machine which has at least two translatory and one rotary positioning axes with which a mounted optical element can be positioned in the machine in numerical control.
  • the method can also be used for compensation the actual poses of the target poses of several optical surfaces, in particular also a front surface and a rear surface of the optical element, are used. Since the deviations of the actual poses from the target poses for the various optical surfaces can be different, it can happen that the optimized rigid transformation is overdetermined, ie that different optimized rigid transformations are present for the optical surfaces. In order to be clear A clearing calculation can be used to obtain the result.
  • This can be designed, for example, in such a way that an averaged, optimized rigid transformation is obtained from the optimized rigid transformations, with weighted averaging also being able to take place.
  • the weights can be linked, for example, to the respective importance of the contributions of the individual optical surfaces for the image quality.
  • there is also the possibility of integrating the compensation into the objective function for example by including the deviations of the positions of the surface measurement points from the positions of the target surface points with a multiplication factor in the objective function for at least one of the optical surfaces. As a result, it can be achieved, for example, that in the iteration described with reference to FIG. 2 for finding the optimized rigid transformation for an optical surface, greater deviations of the positions of the surface measurement points from the positions of the target surface points are permitted than for another optical surface.
  • FIG. 3 shows a first exemplary embodiment for an optical component 1 according to the invention with a holder 3 which is rectangular in the present exemplary embodiment and an optical element 5 which is held in the holder 3 and which is likewise rectangular in the present exemplary embodiment.
  • the optical element 5 has an optical surface 7 Free-form surface that has neither point nor axial symmetry.
  • the optical component shown in FIG. 3 has a number of reference elements 9a to 9C, 13, 17A and 17B, which in the present exemplary embodiment have end faces designed as contact surfaces 1 1 A to 1 1 C, 15, 19A and 19B.
  • the reference elements come with the contact surfaces 1A to 1 1 C, 15, 19A and 19B 9a to 9C, 13, 17A and 17B when installed in a holding element 21 of an optical assembly 20 on reference surfaces 23, 25 of the holding element for contact (see FIG. 6), whereby the position and orientation of the mount 3 in the holding element 21 and thus in the optical assembly 20 set.
  • the distance of the reference elements 9A to 9C from the surface 4 of the mount 3 defines the position of the mount 3 along the imaging axis A
  • the inclination of the contact surfaces 1 1A to 1 1 C relative to the surface 4 defines the orientation of the mount 3 in two rotational degrees of freedom.
  • the inclinations of the contact surfaces 11A to 11C in the present exemplary embodiment are identical so that they can interact with the same flat reference surface. In the case of non-flat reference surfaces or if the contact surfaces 1 1A to 1 1 C are to interact with different reference surfaces, the contact surfaces 1 1A to 1 1 C can also have different inclinations relative to the surface 4, depending on the orientation of the reference surface with which a contact surface interacts exhibit. In the present exemplary embodiment, only the azimuthal orientation of the mount 3 in relation to the imaging axis A is determined by the contact surfaces 11A to 11C.
  • Another reference element 13 is located on one of the short circumferential surfaces 8 of the mount 3. As with the other reference elements, its contact surface 15A comes to rest on a reference surface 23, 25 of the holding element 21 of the optical assembly 20. The distance between the contact surface 15A and the short peripheral surface 8 defines the position of the mount 3 in the holding element in a first direction perpendicular to the imaging axis A.
  • Two further reference elements 17A, 17B with contact surfaces 19A, 19B are located on one of the long circumferential surfaces 10 of the mount 3. With the help of the distance between their contact surfaces 19A, 19B and the long circumferential surface 10, they define the position of the mount 3 in the holding element in a second Direction perpendicular to the imaging axis A.
  • the azimuthal orientation of the mount 3 about the imaging axis A is determined.
  • the inclinations of the surfaces 15, 17A and 17B that are necessary to establish the azimuthal orientation depend in each case on the orientations of the reference surfaces on which they come to rest.
  • FIG. 1 A second exemplary embodiment for an optical component 101 according to the invention is shown in FIG. 1
  • the optical component from FIG. 4 like the optical component from FIG. 3, has a rectangular mount 103 and a rectangular optical element 105 with a free-form surface 107 mounted in the mount.
  • it has three reference elements 109A, 109B and 109C with contact surfaces 1 1 1 A, 1 1 1 B and 1 1 1 C on the upper side 104 of the mount 103, which in their function and configuration correspond to the reference elements 9A, 9B and 9C from FIG 3 accordingly.
  • the optical element 105 also corresponds to the optical element 5 from FIG. 3.
  • the optical component 101 shown in FIG. 4 differs from the optical component 1 shown in FIG. 1 in that there are no cylindrical reference elements on the long circumferential surface. Instead, in the present exemplary embodiment, a reference element in the form of a groove 113 with a V-shaped cross section is formed in at least one of the long circumferential surfaces.
  • the wall surfaces 1 15A, 1 15B of the groove 1 13 define contact surfaces which interact with the surfaces of a projection with a roof-shaped cross section formed in the holding element of an optical assembly.
  • the surfaces with the roof-shaped cross-section represent reference surfaces of the holding element
  • the interaction of the wall surfaces 1 15A, 1 15B of the groove 1 13 with these reference surfaces defines the position of the socket 103 along the imaging axis A and along a direction perpendicular to the imaging axis A and the direction of the longitudinal extension of the groove Version 103 fixed.
  • the groove can extend deeper into the material of the mount 103 at one end than at its other end. The groove extends linearly between the two ends, so that the longitudinal direction of the groove defines an azimuth angle of the mount.
  • the wall surfaces 115A, 115B of the groove 115 serve in the present exemplary embodiment as sliding surfaces that can slide relative to the engaging roof-shaped projection of the holding element. This makes it possible to move and position the holder 103 in a targeted manner by means of a suitable drive along the expansion direction of the groove, as is indicated in FIG. 4 by a double arrow.
  • the production of the optical component 101 can take place, as in the production of the optical component 1 shown in FIG. 3, by removing machining of the mount 103
  • FIG. 1 A third exemplary embodiment for an optical component according to the invention is shown in FIG.
  • the optical component 201 of the third exemplary embodiment comprises, like the previous exemplary embodiments, a rectangular mount 203 with a rectangular optical element 205 held therein, which has a free-form surface 207 as an optical surface.
  • There are five contact surfaces 21 1A to 21 1 E in the mount which are formed in recesses 209A, 209B of mount 203.
  • Adjustment projections of a holding element of an optical assembly which extend adjustment surfaces, engage in the recesses 209A, 209B in such a way that the contact surfaces 21 1A to 21 1 E rest on the adjustment surfaces.
  • the position of the mount 203 along a first direction perpendicular to the imaging axis A is determined by the distance between the contact surface 21 1 D and the short circumferential surface 106B.
  • the second direction perpendicular to the imaging axis A is determined by the position of the recesses 209A, 209B between the two long circumferential surfaces 210A, 210B of the mount 203.
  • the recesses 209A, 209B are largely centrally between the two long circumferential surfaces 21 OA, 21 OB, but they could also be closer to one of the long circumferential surfaces than to the other long circumferential surface, which means a different position of the socket along a would define parallel direction to the longitudinal extent of the short circumferential surfaces.
  • the positions of the recesses 209A, 209B between the two long circumferential surfaces 210A, 210B in the present exemplary embodiment also define the azimuthal orientation of the mount 203 about the imaging axis A.
  • the recess 209A could be moved to one of the two long circumferential surfaces, whereas the recess 209B is moved to the other of the two long circumferential surfaces, the inclination of the contact surfaces 21 1 A to 21 1 E being changed in such a way that the adjusting projections continue to be in the recesses 209A, 209B can engage.
  • the contact surfaces 21 1 A to 21 1 E in conjunction with the adjustment surfaces of the adjustment projections of the holding element would result in a different azimuthal orientation of the mount 203.
  • the recesses 209A, 209B enable the optical component to be displaced along the adjustment projections guided in the recesses.
  • the mount 203, and thus the optical element 205 can then be shifted and positioned in a targeted manner along the imaging axis A by means of a suitable drive, as is indicated in FIG. 5 by a double arrow.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment for an optical assembly according to the invention is described below with reference to FIG.
  • the figure shows an optical assembly 20 with a holding element 21 and an optical component 1 held by the holding element 21.
  • the optical component 1 contains an optical element 5 which is held in the mount 3 and has a Free-form surface 7 as an optical surface.
  • the rear surface 8 of the optical element 5 is designed as a flat surface in the present exemplary embodiment. Due to tolerances, the optical element 5 is slightly tilted with respect to its mount 3, so that the actual pose of the free-form surface 7 and the actual pose of the plane surface 8 in the mount 3 deviate from their target poses in the mount 3.
  • the mount 3 is therefore provided with reference elements which define a specific position and orientation of the mount 3 in the holding element 21.
  • the holding element 21 has adjustment surfaces 23, 25, with which the contact surfaces 11 of the reference elements 9 interact to determine the position and orientation of the mount 3 in the holding element 21.
  • the holding element 21 comprises a fixing part 27 with which the holder 3 is fixed in the holding element, and which also has an adjustment surface 29 which interacts with contact surfaces 11 of the reference elements 9.
  • the present invention has been described in detail on the basis of exemplary embodiments for explanatory purposes. However, a person skilled in the art recognizes that it is possible to deviate from the exemplary embodiments within the scope of the present invention.
  • the non-rotationally symmetrical optical surface does not need to be a free-form surface, but can be another surface that has no rotational symmetry about the imaging axis A.
  • the reference elements do not need to have the form shown in the exemplary embodiments. It is only important that they are suitable for clearly defining at least the azimuthal orientation of the optical surface in relation to the imaging axis.
  • the version differing from the illustrated embodiments have a shape other than rectangular.
  • the mount could also have a round shape, the reference elements then being able to be implemented, for example, in the form of recesses in the manner of the recesses shown in FIG.
  • Other geometric shapes of the mounts and the optical elements are also fundamentally possible, with no restrictions whatsoever with regard to the shape.
  • the profile of the groove shown in FIG. 4 can deviate from the profile shown, or there can be several grooves in the same area or in areas facing away from one another.

Abstract

Es wird ein optisches Bauteil (1) mit einer Fassung (3) und einem in der Fassung (3) gefassten optischen Element (5) zur Verfügung gestellt. Das optische Element (5) weist eine erste optische Fläche (7) auf, die in Bezug auf eine Abbildungsachse (A) des optischen Elementes (5) keine Rotationssymmetrie aufweist. Die Fassung (3) weist wenigstens ein Referenzelement (9) auf, das eine Lage und/oder Orientierung der Fassung (3) in einem vorgegebenen Koordinatensystem definiert, die eine Abweichung einer Ist-Pose der ersten optischen Fläche (7) von einer Soll-Pose der ersten optischen Fläche (7) in der Fassung (3) zumindest in einem Freiheitsgrad ausgleicht. Das wenigstens eine Referenzelement (9) definiert wenigstens eine bestimmte azimutale Lage der Fassung (3). Daneben wird ein Verfahren zum Anpassen der Fassung (3) eines in einer Fassung (3) gefassten optischen Elementes (5) mit wenigstens einer ersten optischen Fläche (7), die in Bezug auf eine Abbildungsachse (A) des optischen Elementes (5) keine Rotationssymmetrie aufweist, an eine Abweichung einer Ist-Pose der ersten optischen Fläche (7) von einer Soll-Pose der ersten optischen Fläche (7) in der Fassung (3) zur Verfügung gestellt.

Description

Verfahren zum Anpassen der Fassung eines in einer Fassung gefassten optischen Elementes, optisches Bauteil und optische Baugruppe
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen der Fassung eines in einer Fassung gefassten optischen Elementes mit wenigstens einer ersten optischen Fläche, die in Bezug auf eine Abbildungsachse des optischen Elements keine Rotationssymmetrie aufweist. Daneben betrifft die Erfindung ein optisches Bauteil mit einer Fassung und einem in der Fassung gefassten optischen Element mit wenigstens einer ersten optischen Fläche, die in Bezug auf eine Abbildungsachse des optischen Elements keine Rotationssymmetrie aufweist sowie auf eine optische Baugruppe mit wenigstens einem derartigen optischen Bauteil.
Optische Elemente wie Linsen, Spiegel, Beugungsgitter oder dergleichen werden in der Regel in eine Fassung gefasst, um sie mit der Fassung in ein optisches Gerät einzubauen. Dabei können optische Elemente auch aus zwei oder mehr Einzelelementen aufgebaut sein, wobei die Verbindung durch Formschluss, Kraftschluss oder Stoffschluss (kleben, kitten, etc.) hergestellt sein kann. In allen Fällen ist eine sorgfältige Justage der Abbildungsachse(n) des optischen Elements bzw. der der optischen Elemente in Bezug auf eine Abbildungsachse des optischen Geräts wichtig, um mit den optischen Elementen die geforderte optische Leistung des optischen Gerätes bestmöglich erzielen zu können.
Beim Fassen des optischen Elementes in die Fassung kann es aufgrund von Toleranzen bei der Herstellung der Fassung und/oder von Toleranzen bei der Herstellung des optischen Elementes zu geringfügigen Abweichungen in der Lage und/oder Orientierung der optischen Elemente in der Fassung kommen. Beim Einbau in ein Haltelement des optischen Geräts führt dies zu einer mangelnden Übereinstimmung der Abbildungsachse des optischen Elements mit der des optischen Geräts, was die Abbildungsqualität des optischen Geräts verringert. Die toleranzbedingten Abweichungen der Lage und/oder Orientierung des optischen Elementes in der Fassung können durch Justierbearbeitung der Fassung nach dem Einsetzen der optischen Elemente ausgeglichen werden. Bei einer Justierbearbeitung werden die Außenflächen als Referenzflächen der Fassung derart bearbeitet, dass sie beim Einbau in ein Haltelement des optischen Geräts die Lage und/oder Orientierung der Fassung im Haltelement derart festlegen, dass die Lage und/oder der Orientierung der Abbildungsachse des in der Fassung gefassten optischen Elementes mit der Lage und/oder der Orientierung der Abbildungsachse des optisches Geräts übereinstimmt. Auf diese Weise wird es möglich, gefasste optische Elemente trotz herstellungsbedingter Toleranzen bei der Herstellung der Fassung und/oder bei der Herstellung der optischen Elemente in einem optischen Gerät sehr präzise zur Abbildungsachse des Geräts auszurichten.
Beispiele für Verfahren zur Justierbearbeitung der Fassungen gefasster optischen Elemente sind in DE 103 22 587 A1 und DE 10 2016 014 834 B3 beschrieben. Beide Dokumente beschreiben Zentrierdrehverfahren, mit denen die Außenseite einer Fassung als Referenzfläche derart bearbeitet werden kann, dass ihre Symmetrieachse mit der optischen Achse des gefassten optischen Elements in Übereinstimmung gebracht wird. Diese Zentrierdrehverfahren führen jedoch nur zu Fassungen mit Referenzflächen in Form eines Zylinders oder eines Schiefzylinders bei denen die Außenfläche des Zylindermantels oder die Stirnflächen des Zylinders als Referenzflächen zum genauen Bestimmen der Lage der Fassungen in einem Haltelement eines optischen Geräts dienen können.
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Anpassung der Fassung eines in einer Fassung gefassten optischen Elements zur Verfügung zu stellen, das eine größere Flexibilität beim Ausgleichen von Abweichungen der Lage und/oder der Orientierung der optischen Fläche des gefassten optischen Elements von einer Soll-Lage und/oder einer Soll-Orientierung ermöglicht. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes optisches Element sowie eine vorteilhafte optische Baugruppe zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Anpassen der Fassung eines in einer Fassung gefassten optischen Elements nach Anspruch 1 gelöst, die übrigen Aufgaben durch ein optisches Bauelement nach Anspruch 15 bzw. eine optische Baugruppe nach Anspruch 19. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Anpassen der Fassung eines in einer Fassung gefassten optischen Elementes mit wenigstens einer ersten optischen Fläche, die in Bezug auf eine Abbildungsachse des optischen Elementes keine Rotationssymmetrie aufweist, an eine Abweichung einer Ist- Pose der ersten optischen Fläche von einer Soll-Pose der ersten optischen Fläche in der Fassung zur Verfügung gestellt. Unter dem Begriff„Pose“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Kombination von Position und Orientierung eines Objekts, hier einer optischen Fläche, zu verstehen. Mit einer bestimmten Pose der optischen Fläche ist somit sowohl die translatorische Lage der optischen Fläche als auch ihre rotatorische Orientierung in einem bestimmten Koordinatensystem eindeutig festgelegt. Die Soll-Pose der optischen Fläche in der Fassung gibt somit die Soll-Lage und die Soll-Orientierung der optischen Fläche in der Fassung an. Die Ist-Pose gibt entsprechend die tatsächliche Lage und die tatsächliche Orientierung der Fläche in der Fassung an, die von der Soll-Lage und der Soll-Orientierung abweichen können.
Die wenigstens eine optische Fläche kann eine refraktive optische Fläche, eine reflektive optische Fläche eine diffraktive optische Fläche oder eine Kombination davon sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die nicht rotationssymmetrische erste optische Fläche eine sogenannte Form- Rotationssymmetrie aufweisen, d.h. die optische Fläche kann um eine unter einem Winkel zur Abbildungsachse verlaufenden Achse durchaus eine Rotationssymmetrie aufweisen, jedoch keine Rotationssymmetrie um die Abbildungsachse. Beispiele für Flächen mit einer Form-Rotationssymmetrie sind torische Flächen oder zylindrische Flächen, die eine Rotationssymmetrie um eine zur Abbildungsachse senkrechte Achse eine Rotationssymmetrie aufweisen. Die nicht rotationssymmetrische erste optische Fläche kann aber auch eine Fläche ohne jegliche Rotationssymmetrie sein, insbesondere eine Freiformfläche. Unter einer Freiformfläche versteht man im weiteren Sinne eine komplexe Fläche, die sich mittels gebietsweise definierter Funktionen darstellen lässt. Die gebietsweise definierten Funktionen können - müssen aber nicht - stetig oder stetig differenzierbar und insbesondere zweimal stetig differenzierbarer sein. Beispiele für gebietsweise definierte Funktionen sind polynominale Funktionen, darunter insbesondere polynominale Splines, wie zum Beispiel kubische Splines, höhergradige Splines 4. Grades oder höher oder polynominale Non-Uniform Rational B-Splines (Nurbs). Fliervon zu unterscheiden sind Flächen mit Regelgeometrie wie z.B. sphärische Flächen, asphärische Flächen, zylindrische Flächen und torische Flächen, die sich zumindest längs eines Hauptmeridians entlang einer Kreiskurve erstrecken. Eine Freiformfläche braucht insbesondere keine Achsensymmetrie und keine Punktsymmetrie aufzuweisen. Freiformflächen können im Rahmen von CNC- Verfahren numerische gesteuert auf der Basis einer mathematischen Beschreibung der Fläche hergestellt werden. Es ist jedoch auch möglich, Freiformflächen mittels Blankpressens herzustellen, wozu eine negative Pressform mit entsprechenden Zugaben für Temperaturabhängigen Schrumpf mittels CNC-Verfahren erstellt wird.
Das optische Element und die Fassung müssen nicht zwingend separat hergestellte Elemente sein, d.h. das optische Element braucht kein separat von der Fassung hergestelltes Teil zu sein, das nach der Herstellung in die Fassung eingepasst wird. Der vorstehend und nachfolgend verwendete Wortlaut, wonach das „optische Element in einer Fassung gefasst“ ist, beinhaltet vielmehr auch die Möglichkeit, dass das optische Element und die Fassung als einstückig hergestelltes Bauteil ausgeführt sind. Beispielsweise kann mittels Spritzguss ein Kunststoffbauteil hergestellt werden, welches sowohl einen das optische Element mit der ersten optischen Fläche repräsentierenden Abschnitt als auch einen die Fassung repräsentierenden Abschnitt umfasst. Ungenauigkeiten im Spritzguss können dabei zu einer Abweichung der Ist-Pose der ersten optischen Fläche von der Soll-Pose der ersten optischen Fläche führen. Ebenso kann die erste optische Fläche bspw. im Falle einer reflektierenden Fläche durch Bearbeiten der Oberfläche eines Abschnitts eines Metall-Rohlings bspw. mittels Fräsens hergestellt werden, wobei der bearbeitete Abschnitt das optische Element bildet und der nicht bearbeitete Abschnitt die Fassung bildet. Ungenauigkeiten beim Bearbeiten der Oberfläche können dabei zu einer Abweichung der Ist-Pose der ersten optischen Fläche von der Soll-Pose der ersten optischen Fläche führen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Anpassen der Fassung umfasst die Schritte:
Angeben einer Soll-Pose für die erste optische Fläche in einem vorgegebenen Koordinatensystem;
Ermitteln der Ist-Pose der ersten optischen Fläche in dem vorgegebenen Koordinatensystem; und
Ermitteln einer Änderung der Lage und/oder der Orientierung der Fassung in dem vorgegebenen Koordinatensystem derart, dass eine Abweichung der Ist-Pose der ersten optischen Fläche von der Soll- Pose der ersten optischen Fläche durch die Änderung der Lage und/oder der Orientierung der Fassung in dem vorgegebenen Koordinatensystem ausgeglichen wird; und
Ausbilden wenigstens eines Referenzelementes an der Fassung, das eine Lage und/oder Orientierung der Fassung definiert, welche die ermittelte Änderung realisiert.
Erfindungsgemäß definiert das wenigstens eine Referenzelement wenigstens eine bestimmte azimutale Ausrichtung der Fassung in dem vorgegebenen Koordinatensystem. Unter einer azimutalen Ausrichtung der Fassung ist dabei eine definierte Ausrichtung der Fassung in einer Ebene senkrecht zur Abbildungsachse des optischen Elementes zu verstehen. Die azimutale Ausrichtung kann durch ein Winkel zwischen einer definierten Linie der Fassung und einer definierten Richtung des Koordinatensystems innerhalb der zur Abbildungsachse der optischen Fläche senkrechten Ebene festgelegt werden. Die bestimmte azimutale Ausrichtung der Fassung in dem vorgegebenen Koordinatensystem kann insbesondere dadurch definiert werden, dass das Referenzelement nicht rotationssymmetrisch um die Abbildungsachse der ersten optischen Fläche ausgebildet wird.
In der angegebenen Soll-Pose können auch Lage- und/oder Orientierungsabweichungen der übergeordneten Baugruppe, in welche die das Referenzelement aufweisende Fassung eingebaut werden soll, berücksichtigt werden. Derartige Lage- und/oder Orientierungsabweichungen der übergeordneten Baugruppe, die bspw. aus Lage- und/oder Orientierungsabweichungen von Schnittstellen der übergeordneten Baugruppe resultieren können, können messtechnisch ermittelt und bei der Berechnung der Soll-Pose für die erste optische Fläche berücksichtigt werden. Mit anderen Worten, die Soll-Pose muss nicht zwingend die Ideallage und - Orientierung gemäß Zeichnung wiedergeben. Stattdessen kann sie auch Lage- und/oder Orientierungsfehler der übergeordneten Baugruppe kompensierende Lage- und/oder Orientierung derart berücksichtigen dass sie durch die Soll-Pose ausgeglichen werden.
Dadurch, dass das wenigstens eine Referenzelement wenigstens eine bestimmte azimutale Richtung der Fassung in dem vorgegebenen Koordinatensystem definiert, kann in die Orientierung der Fassung im Vergleich zu den eingangs beschriebenen gedrehten Fassungen in einer zur Abbildungsachse senkrechten Ebene festgelegt werden. Da die gedrehten Fassungen mit dem Ziel bearbeitet werden, die Symmetrieachse der Fassung mit der Abbildungsachse des optischen Elements zur Deckung zu bringen, ist die resultierende äußere Mantelfläche der Fassung rotationssymmetrisch um die Abbildungsachse. Damit kann eine bestimmte azimutale Ausrichtung des optischen Elements nicht festgelegt werden. Bei gefassten optischen Elementen, bei denen es auf die azimutale Orientierung im Strahlengang ankommt, wie dies beispielsweise bei torischen Flächen, bei zylindrischen Flächen und insbesondere bei Freiformflächen der Fall ist, können mit den eingangs beschriebenen Verfahren daher keinen eindeutigen Justierbearbeitungen der Fassungen erfolgen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es dagegen möglich, eine definierte azimutale Orientierung der Fassung zu gewährleisten, wodurch auch das Ausgleichen einer etwaigen Abweichung zwischen der azimutalen Soll-Orientierung und der azimutalen Ist-Orientierung der optischen Fläche eines gefassten optischen Elements möglich wird.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann das wenigstens eine Referenzelement insbesondere derart ausgebildet werden, dass es nicht nur eine bestimmte azimutale Richtung der Fassung in dem vorgegebenen Koordinatensystem definiert, sondern eine bestimmte Ausrichtung der Fassung in allen drei rotatorischen Freiheitsgraden. Das wenigstens eine Referenzelement ermöglicht dann eine präzise Orientierung der optischen Fläche des gefassten optischen Elementes in einem Flalteelement einer optischen Baugruppe. Darüber kann das wenigstens ein Referenzelement in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens derart ausgebildet werden, dass es zusätzlich zur azimutalen Ausrichtung der Fassung und ggf. zur Ausrichtung der Fassung in allen drei rotatorischen Freiheitsgraden eine Lage der Fassung in wenigstens zwei translatorischen Freiheitsgraden und insbesondere in allen drei translatorischen Freiheitsgraden definiert. Die wenigstens zwei translatorischen Freiheitsgrade sind dabei vorzugsweise die translatorischen Freiheitsgrade in einer Ebene senkrecht zur Abbildungsachse des optischen Elementes. Insbesondere bei Freiformflächen hängt die Qualität der mit der optischen Fläche erzielten Wirkung in der Regel stark von der Lage der optischen Fläche in einer Ebene senkrecht zur Abbildungsachse ab. Schon geringe Fehlpositionierungen der Lage innerhalb einer zur Abbildungsachse senkrechten Fläche können daher die optische Wirkung des gefassten optischen Elementes in einem optischen Gerät stark beeinträchtigen. Mit Hilfe der beschriebenen weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Änderung der Lage und/oder Orientierung der Fassung in dem vorgegebenen Koordinatensystem derart ermittelt und mit dem wenigstens einen Referenzelement definiert werden, dass eine translatorische Abweichung der Ist-Lage der optischen Fläche von der Soll-Lage innerhalb einer Ebene senkrecht zur Abbildungsachse ausgeglichen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in der beschriebenen weiteren Ausgestaltung insbesondere auch so ausgestaltet sein, dass mittels einer Änderung der Lage und/oder Orientierung der Fassung die Abweichung einer Ist-Pose von einer Soll-Pose der optischen Fläche in allen sechs Freiheitsgraden ausgeglichen werden kann.
Das Ermitteln der Änderung der Lage und/oder der Orientierung der Fassung kann durch Anpassen der Ist-Pose der ersten optischen Fläche an die Soll- Pose der ersten optischen Fläche erfolgen. Die Änderung der Ist-Pose der ersten optischen Fläche, die sich aus der Anpassung der Ist-Pose an die Soll- Pose der ersten optischen Fläche ergibt, repräsentiert dann die Änderung der Lage und/oder der Orientierung der Fassung. Die Soll-Pose der ersten optischen Fläche kann dabei durch die Lage einer Anzahl von Soll- Oberflächenpunkten in dem vorgegebenen Koordinatensystem gegeben sein. Für eine Anzahl von Oberflächenmesspunkten der ersten optischen Fläche wird dann die jeweilige Lage in dem vorgegebenen Koordinatensystem messtechnisch erfasst. Die ermittelten Lagen der Oberflächenmesspunkte repräsentieren dann die Ist-Pose der ersten optischen Fläche. Das Anpassen der Ist-Pose der ersten optischen Fläche an die Soll-Pose der ersten optischen Fläche erfolgt dann durch Anpassen der Lage der Oberflächenmesspunkte an die Lage der Soll-Oberflächenpunkte. Beim Anpassen der Lage der Oberflächenmesspunkt an die Lage der Soll-Oberflächenpunkte wird die relative Lage der Oberflächenmesspunkte zueinander nicht verändert. Das messtechnische Erfassen der Lage der wenigstens drei Oberflächenmesspunkte in dem vorgegebenen Koordinatensystem kann durch punktweises Messen, durch linienweises Messen oder durch flächiges Messen erfolgen. Zum flächigen Messen können beispielsweise Wellenfrontsensoren, Fotogrammmetrie oder Reflektometrie Verwendung finden. Die beschriebene Ausgestaltung des Verfahrens ermöglicht das Ermitteln der Änderung der Lage und/oder der Orientierung der Fassung mit gängigen Algorithmen zum Anpassen der Ist-Pose an die Soll-Pose der optischen Fläche, wobei der nötige Rechenaufwand - aber in der Regel auch die Präzision der Anpassung - mit der Anzahl der Messpunkte zunimmt. Je nach zu Verfügung stehender Rechenleistung und benötigter Präzision kann eine geeignete Anzahl an Oberflächenmesspunkten und Soll- Oberflächenpunkten gewählt werden. Zum Anpassen der Lage der Oberflächenmesspunkte an die Lage der Soll- Oberflächenpunkte können insbesondere die folgenden Schritte ausgeführt werden:
- Vorgeben einer Zielfunktion, die ein Maß für die globale Abweichung der Lage der Oberflächenmesspunkte von der Lage der Soll- Oberflächenpunkte darstellt; und
- Verändern der Lage der Oberflächenmesspunkte unter Beibehaltung ihrer Lage relativ zueinander mit Hilfe von rigiden Transformationen solange, bis die Zielfunktion ein Abbruchkriterium erfüllt.
Als Abbruchkriterium kann beispielsweise das Erreichen eines Minimums der Zielfunktion, das Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes der Zielfunktion oder das Erreichen einer bestimmten Anzahl von Iterationen dienen.
In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für jeden Oberflächenmesspunkt überprüft, ob er ein vorgegebenes Gütekriterium erfüllt. Ein mögliches Gütekriterium wäre der Maximalabstand eines Oberflächenmesspunktes zur Soll-Oberfläche. Messtechnische Ausreiser können dadurch eliminiert werden. Zum Anpassen der Lage der Oberflächenmesspunkte an die Lage der Soll-Oberflächenpunkte werden dann ausschließlich diejenigen Oberflächenmesspunkte berücksichtigt, die das Gütekriterium erfüllen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass hinreichend gute Messdaten für das Durchführen der Optimierung vorhanden sind. Im Falle einer optischen Erfassung der Oberflächenmesspunkte durch Abtastung der ersten optischen Fläche mittels eines Lichtstrahls kann als zusätzliches oder alternatives Gütekriterium eine Überprüfung der Signalintensität des von der ersten optischen Fläche reflektierten Lichtes herangezogen werden. Für die Signalintensität kann dafür ein unterer Schwellenwert festgelegt werden, welcher erreicht oder überschritten werden muss, um das reflektierte Licht als gültiges Signal zu qualifizieren. Der Schwellenwert kann unter Berücksichtigung der maximal erwarteten Neigung von Flächenbereichen der ersten optischen Fläche und des maximal erwarteten Abstandes von Flächenbereichen der ersten optischen Fläche vom verwendeten Sensor bestimmt werden.
Darüber hinaus kann die Menge der die Oberflächenmesspunkte maskiert werden, so dass für die Anpassung der Ist-Pose an die Soll-Pose nur noch diejenigen Oberflächenmesspunkte berücksichtigt werden, die in einem für die angestrebte optische Wirkung der Oberfläche relevanten Bereich der Oberfläche liegen. Dadurch können Formfehler der Oberfläche außerhalb des relevanten optischen Bereichs (z.B. Polierüberlauf) nicht die Ist-Pose verfälschen und/ oder der Rechenaufwand verringert sich.
Das Ermitteln der Änderung der Lage und/oder der Orientierung der Fassung kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere iterativ erfolgen. Dies bietet die Möglichkeit, das Verfahren solange zu wiederholen, bis ein hinreichend guter Ausgleich der Abweichung der Ist-Pose von der Soll- Pose der ersten optischen Fläche bzw. eine hinreichend genaue Anpassung der Ist-Pose an die Soll-Pose der ersten optischen Fläche erzielt ist. Im Rahmen dieses iterativen Ermittelns der Änderungen der Lage und/oder Orientierung der Fassung bzw. des Anpassens der Ist-Pose an die Soll-Pose kann ggf. das Erfüllen des Gütekriteriums für die berücksichtigten Oberflächenmesspunkte wenigstens einmal erneut überprüft werden. Ab dem darauffolgenden Iterationsschritt werden dann nur noch diejenigen Oberflächenmesspunkte berücksichtigt, die das Gütekriterium erneut erfüllen. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass zu ungenaue Messpunkte das Erreichen eines besseren Ausgleiches der Abweichung der Ist-Lage von der Soll-Lage der ersten optischen Fläche bzw. das Erreichen einer besseren Anpassung der Ist-Pose an die Soll-Pose verhindern.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahren kann das Ausbilden des wenigstens einen Referenzelementes an der Fassung durch abtragendes Bearbeiten und/oder auftragendes Bearbeiten der Fassung erfolgen. Das abtragende Bearbeiten kann dabei insbesondere ein spanendes oder strahlbasiertes Bearbeiten sein. Zum auftragenden Bearbeiten können insbesondere Beschichtungsverfahren oder additive Fertigung, d.h. ein Verfahren, in dem ein Werkstück schichtweise aus formlosem oder formneutralem Material unter Nutzung physikalischer und/oder chemischer Effekte aufgebaut wird, zur Anwendung kommen. Das abtragende und/oder auftragende Bearbeiten der Fassung kann CNC-gesteuert mittels einer wenigstens drei Positionierachsen aufweisenden Bearbeitungsvorrichtung erfolgen. Die drei Positionierachsen können dabei insbesondere wenigstens eine rotatorische Positionierachse und zwei translatorische Positionierachsen umfassen. Dadurch lässt sich beispielsweise ein abtragendes und/oder auftragendes Bearbeiten derart, dass eine definierte Lage in zwei translatorischen Freiheitsgraden zusätzlich zur definierten azimutalen Lage erreicht werden kann, realisieren. Dadurch, dass nicht nur abtragendes Bearbeiten, sondern auch auftragendes Bearbeiten zur Anwendung kommt, ist die Freiheit in der Schaffung der Referenzelemente erheblich größer als beim eingangs beschriebenen Zentrierdrehen.
Wenn das optische Element wenigstens eine zweite optische Fläche, die rotationssymmetrisch oder nicht rotationssymmetrisch sein kann, mit einer Soll-Pose in dem vorgegebenen Koordinatensystem aufweist, kann eine Anpassung der Fassung sowohl an die Abweichung der Ist-Pose der ersten optischen Fläche von der Soll-Pose der ersten optischen Fläche in der Fassung als auch an eine Abweichung der Ist-Pose der zweiten optischen Fläche von der Soll-Pose der zweiten optischen Fläche in der Fassung erfolgen. Da die Abweichung der Ist-Pose der ersten optischen Fläche von der Soll-Pose der ersten optischen Fläche in der Regel nicht der Abweichung der Ist-Pose der zweiten optischen Fläche von der Soll-Pose der zweiten optischen Fläche entspricht, ist die Änderung der Lage und/oder der Orientierung der Fassung in dem vorgegebene Koordinatensystem zum Ausgleich der Abweichungen zumeist überbestimmt. Im Falle einer überbestimmten Änderung der Lage und/oder der Orientierung der Fassung in dem vorgegebenen Koordinatensystem kann eine eindeutig bestimmte Änderung der Lage und/oder der Orientierung durch eine Ausgleichsrechnung ermittelt werden. Auf diese Weise kann ein optimaler Kompromiss zum gleichzeitigen Ausgleich einer Abweichung der Ist-Pose von der Soll-Pose der ersten optischen Fläche und einer Abweichung der Ist-Pose von der Soll-Pose der zweiten optischen Fläche erzielt werden. Falls die zweite optische Fläche rotationssymmetrisch um ihre Abbildungsachse ist, besteht keine Überbestimmung in der azimutalen Ausrichtung, so dass dann bezüglich der azimutalen Ausrichtung keine Ausgleichsrechnung erforderlich ist.
Ein erfindungsgemäßes optisches Bauteil umfasst eine Fassung und ein in der Fassung gefasstes optisches Element mit wenigstens einer ersten optischen Fläche, die eine refraktive optische Fläche, eine reflektive optische Fläche, eine diffraktive optische Fläche oder eine Kombination davon sein kann. Die erste optische Fläche weist in Bezug auf eine Abbildungsachse des optischen Elementes keine Rotationssymmetrie auf, wobei sie insbesondere als Freiformfläche, aber auch als Fläche mit Form-Rotationssymmetrie ausgebildet sein kann. Die Fassung weist wenigstens ein Referenzelement auf, das eine Lage und/oder Orientierung der Fassung in einem vorgegebenen Koordinatensystem definiert, die eine Abweichung einer Ist-Pose der ersten optischen Fläche von einer Soll-Pose der ersten optischen Fläche in der Fassung in zumindest einem Freiheitsgrad ausgleicht. Dabei definiert das wenigstens eine Referenzelement zumindest eine bestimmte azimutale Lage der Fassung. Das wenigstens eine Referenzelement der Fassung ermöglicht es dadurch, das erfindungsgemäße optische Bauteil in ein Halteelement einer optischen Baugruppe derart einzusetzen, dass zumindest die Abweichung der azimutalen Ist-Orientierung der optischen Fläche von ihrer azimutalen Soll- Orientierung durch die Einbaulage der Fassung in Haltelement ausgeglichen wird, so dass das gefasste optische Element nach dem Einbau in die optische Baugruppe wenigstens eine definierte azimutale Ausrichtung in der optischen Baugruppe aufweist.
Wenn das wenigstens eine Referenzelement eine bestimmte Ausrichtung der Fassung in allen drei rotatorischen Freiheitsgraden definiert, kann eine derartige Orientierung der Fassung im Halteelement erreicht werden, dass eine Abweichung der Ist-Orientierung von der Soll-Orientierung der optischen Fläche in allen drei rotatorischen Freiheitsgraden ausgeglichen wird.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass das wenigstens eine Referenzelement zusätzlich zu der wenigstens azimutalen Lage oder zusätzlich der bestimmten Ausrichtung der Fassung in allen drei rotatorischen Freiheitsgraden eine bestimmte Lage der Fassung in wenigstens zwei translatorischen
Freiheitsgraden definiert. Zwei der wenigstens zwei translatorischen
Freiheitsgrade liegen vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur
Abbildungsachse des optischen Elements. Insbesondere bei Freiformflächen können dadurch translatorische Abweichungen der Ist-Lage von der Soll-Lage innerhalb einer zur Abbildungsachse senkrechten Ebene durch eine entsprechende Positionierung der Fassung im Halteelement ausgeglichen werden. Da Freiformflächen häufig sehr sensitiv gegen eine
Fehlpositionierung innerhalb einer Ebene senkrecht zur optischen Achse reagieren, kann dadurch eine hohe optische Qualität des gefassten optischen Elementes mit einer Freiformfläche beim Einbau in eine optische Baugruppe realisiert werden.
Das wenigstens ein Referenzelement kann zudem derart ausgebildet sein, dass es eine Verschiebung der Fassung entlang einer definierten Richtung gestattet. Dadurch besteht die Möglichkeit, gefasst Referenzelemente zur Verfügung zu stellen, bei denen die optische Wirkung durch Verschieben von Freiformflächen relativ zueinander gezielt beeinflusst werden kann. Die definierte Richtung liegt dabei vorzugsweise innerhalb einer zur Abbildungsachse des optischen Elements senkrechten Ebene. Derartige als Alvarez-Elemente bekannte optische Elemente sind beispielsweise in WO 2007/037691 A2, in US 2017/0227747 A1 und in US 2013/027891 1 A1 beschrieben. Mit Hilfe von Alvarez-Elementen können beispielsweise Abbildungsfehler für verschiedene Fokusebenen gezielt korrigiert werden, wie dies in DE 10 2013 101 71 1 A1 beschrieben ist. Daneben bieten senkrecht zur optischen Achse verschiebbare optische Elemente mit Freiformflächen auch die Möglichkeit, gezielt Abbildungsfehler in ein optisches System einzubringen, beispielsweise um in einem Fotoobjektiv einen Weichzeichnereffekt herbeizuführen, wie dies zum Beispiel in DE 10 2014 1 18 383 A1 beschrieben ist. Eine ähnliche Verwendung von senkrecht zur optischen Achse verschiebbaren optischen Elementen mit Freiformflächen beschreibt auch die DE 10 2015 1 16 895 B3. Alternativ zu den Alvarez-Elementen kann die definierte Richtung auch in Richtung der Abbildungsachse liegen. Damit sind insbesondere Zoom-Funktionalitäten möglich.
Eine erfindungsgemäße optische Baugruppe umfasst wenigstens ein erfindungsgemäßes optisches Bauteil und ein das wenigstens eine optische Bauteil haltendes und justierendes Flalteelement, wobei das wenigstens eine Referenzelement der Fassung des optischen Bauteils mit dem Flalteelement derart zur Justierung zusammenwirkt, dass eine definierte Lage und/oder Orientierung der ersten optischen Fläche relativ zum Halteelement geschaffen wird. Dadurch wird es möglich, das vom Halteelement gehaltene optische Element gezielt derart auszurichten, dass seine optische Fläche innerhalb der optischen Baugruppe eine definierte Pose einnimmt, die nicht von der Soll- Pose abweicht.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme der beiliegenden Figuren.
Figur 1 veranschaulicht in Form eines Ablaufdiagramms ein exemplarisches Ausführungsbeispiel für das Anpassen der Fassung eines in einer Fassung gefassten optischen Elementes an einer Abweichung einer Ist-Pose seiner optischen Fläche von einer Soll-Pose.
Figur 2 zeigt in Form eines Ablaufdiagramms ein Detail aus Figur 1 .
Figur 3 zeigt ein erstes exemplarisches Ausführungsbeispiel für ein
Bauteil mit einem gefassten optischen Element.
Figur 4 zeigt ein zweites exemplarisches Ausführungsbeispiel für ein optisches Bauteil mit einem gefassten optischen Element.
Figur 5 zeigt ein drittes exemplarisches Ausführungsbeispiel für ein optisches Bauteil mit einem gefassten optischen Element. Figur 6 zeigt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel für eine optische Baugruppe mit einem optischen Bauteil, welches ein gefasstes optisches Element umfasst.
Ein exemplarisches Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zum Anpassen der Fassung eines gefassten optischen Elementes an einer Abweichung einer Ist-Pose einer optischen Fläche des optischen Elementes von einer Soll-Pose der optischen Fläche wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 beschrieben, wobei Figur 2 die im vorliegenden Ausführungsbeispiel zur Anwendung kommende Methode zum Ermitteln einer Lageänderung und/oder der Orientierungsänderung der Fassung zur Kompensation der Abweichung der Ist-Pose von der Soll-Pose beschreibt.
Die optische Fläche ist eine optische Fläche, die keine Rotationssymmetrie um die Abbildungsachse aufweist. Die Abbildungsachse der optischen Fläche ist die durch die mit der optischen Fläche angestrebte Abbildungsfunktion gegebene Hauptstrahlrichtung eines durch die optische Fläche hindurchtretenden Strahlenbündels gegeben. Die optische Fläche kann insbesondere eine Fläche mit Form-Rotationssymmetrie sein, deren Symmetrieachse einen Winkel zur Abbildungsachse, typischerweise einen rechten Winkel zur Abbildungsachse, aufweist. Beispiele für derartige Flächen sind torische Flächen oder Zylinderflächen. Alternativ hierzu kann die optische Fläche als Freiformfläche ausgebildet sein, die typischerweise weder Punkt, noch Achsensymmetrien aufweist.
Teile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorzugsweise auf einem Computer oder einer speziell zur Ausführung des Verfahrens ausgelegten Brechungseinheit durchgeführt. Der Computer bzw. die Berechnungseinheit können insbesondere teil eine CNC-gesteuerten Bearbeitungsmaschine sein, mit der die Fassung bearbeitet wird, um die Fassung an die Abweichung der Ist-Pose von der Soll-Pose vorzunehmen.
In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens wird die Soll-Pose einer optischen Fläche des gefassten optischen Elementes in einem vorgegebenen Koordinatensystem angegeben, in dem auch die Lage und die Orientierung der Fassung angegebenen sind. Das Angeben der Soll-Pose kann dabei durch Angeben der räumlichen Lagen einer Anzahl von die optische Fläche repräsentierenden Soll-Oberflächenpunkten in dem vorgegebenen Koordinatensystem erfolgen. Dabei sind die Lagen mindestens dreier Soll- Oberflächenpunkte nötig, um sowohl die translatorische Lage als auch die Orientierung der optischen Fläche im vorgegebenen Koordinatensystem eindeutig angeben zu können. Aus den Lagen der Soll-Oberflächenpunkte in Bezug auf den Ursprung des vorgegebenen Koordinatensystems lässt sich ohne weiteres die Soll-Pose, also die Soll-Lage und die Soll-Orientierung, der optischen Fläche ermitteln, wenn die Lagen der Soll-Oberflächenpunkte auch in Bezug auf die optische Fläche bekannt sind. Dabei ist es nicht notwendig, dass die Soll-Oberflächenpunkte wirklich Punkte auf der der optischen Fläche selbst sind, sondern lediglich, dass bei Kenntnis der Lage der Soll- Oberflächenpunkte die Lagen tatsächlicher auf der optischen Fläche liegender Punkte ermittelt werden können. Beispielsweise kann die optische Fläche in einem an das optische Element gekoppelten Koordinatensystem beschrieben sein. Die Soll-Oberflächenpunkte könnten in diesem Fall beliebige Punkte in dem an das an das optische Element gekoppelten Koordinatensystem sein, deren Lage und Orientierung in Bezug auf das vorgegebene Koordinatensystem bekannt sind. Die Koordinaten von Punkten der optischen Fläche, die in dem an das optische Element gekoppelten Koordinatensystem gegeben sind, können dann mittels einer Koordinatentransformation in Koordinaten des vorgegebenen Koordinatensystems transformiert werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jedoch ein anderer Weg gewählt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird für eine hohe Zahl von auf der optischen Fläche liegenden Soll-Oberflächenpunkten die jeweilige räumliche Lage angegeben, so dass die Soll-Oberflächenpunkte ein Punktwolkenmodell der optischen Fläche in der Soll-Pose darstellen.
Um die Ist-Pose der optischen Fläche zu ermitteln, werden in Schritt S2 die räumlichen Lagen einer Anzahl von Oberflächenmesspunkten im vorgegebenen Koordinatensystem ermittelt. Bereits aus den erfassten Lagen von drei Oberflächenmesspunkten im vorgegebenen Koordinatensystem lassen sich die tatsächliche Lage und die tatsächliche Orientierung der optischen Fläche im vorgegebenen Koordinatensystem ermitteln, sofern die Lage der Oberflächenmesspunkte auf der optischen Fläche bekannt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jedoch ein anderer Weg gewählt. Zum Ermitteln der Ist-Pose der optischen Fläche werden die räumlichen Lagen einer großen Anzahl an Oberflächenmesspunkten messtechnisch erfasst, so dass die Lagen der Oberflächenmesspunkte ein Punktwolkenmodell der optischen Fläche im vorgegebenen Koordinatensystem bilden, sofern sie dicht genug erfasst werden.
Das Erfassen der Oberflächenmesspunkte kann durch punktweises Erfassen von Oberflächenmesspunkten, durch linienweises Erfassen von Oberflächenmesspunkten oder durch flächiges Erfassen von Oberflächenmesspunkten erfolgen. Das punktweise Erfassen von Oberflächenmesspunkten kann beispielsweise mittels Mehrwellenlängen Interferometer, mittels chromatischer Sensoren, mittels Triangulationssensoren, mittels taktiler Taster, mittels konfokaler Sensoren, etc. erfolgen, das linienweise Erfassen von Oberflächenpunkten beispielsweise mittels eines Linearscanners oder dergleichen. Zum flächigen Erfassen von Oberflächenmesspunkten können interferometrische Verfahren oder Wellenfrontsensoren Verwendung finden. Alternativ besteht die Möglichkeit, ein flächiges Erfassen von Oberflächenmesspunkten mittels eines Streifenprojektionsverfahrens vorzunehmen. Dabei werden zeitlich sequenziell Muster von parallelen Hellen und Dunklen Streifen unterschiedlicher Breite auf die optische Fläche projiziert und von mindestens zwei Beobachtungskameras aufgenommen. Aus den von den projizierten Mustern aufgenommenen Bildern können dann die Lagen der Oberflächenmesspunkte berechnet werden. Ein weiteres Beispiel für das flächige Erfassen von Oberflächenmesspunkten ist das Projizieren eines Streifenmusters mit sinusförmigen Intensitätsverteilungen auf eine Mattscheibe und das Spiegeln des Musters durch die optische Fläche. Das von der optischen Fläche gespiegelte Muster wird von wenigstens einer Kamera aufgenommen, wobei aus der Verzerrung des Musters im aufgenommenen Bild die Lagen von Oberflächenmesspunkten berechnet werden können. Zum Erfassen der Lagen von Oberflächenmesspunkten können insbesondere auch zwei oder mehr der beschriebenen Erfassungsmethoden zur Anwendung kommen. Beispielsweise können unterschiedliche Verfahren von entgegengesetzten Seiten des gefassten optischen Elements aus durchgeführt werden.
Das gewählte Verfahren zum Erfassen der Lagen der Oberflächenmesspunkte kann insbesondere von einer Bearbeitungsmaschine ausgeführt werden, mit deren Hilfe später das wenigstens eine Referenzelement an der Fassung ausgebildet wird. In diesem Fall kann das vorgegebene Koordinatensystem das Koordinatensystem der Maschine sein, so dass das Erfassen der Oberflächenmesspunkte und das spätere Bearbeiten der Fassung im selben Koordinatensystem erfolgen. Wenn dagegen das Erfassen der Oberflächenmesspunkte mit eine von der Bearbeitungsmaschine getrennter Vorrichtung erfolgt, ist vor der Bearbeitung der Fassung noch Koordinatentransformation notwendig. Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung von einem vorgegebenen Koordinatensystem die Rede ist, muss dies daher nicht zwingend bedeuten, dass alle Schritte des Verfahrens im selben Koordinatensystem ausgeführt werden. Es ist jedoch zwingend notwendig, dass die Koordinaten der verwendeten Koordinatensysteme durch eine bekannte Koordinatentransformation ineinander überführbar sind. In diesem Sinne ist unter einem vorgegebenen Koordinatensystem auch eine Gruppe von Koordinatensystemen zu verstehen, die durch Koordinatentransformationen eindeutig ineinander überführt werden können.
Im Rahmen des Erfassens der Oberflächenmesspunkte ist es grundsätzlich ausreichend, die Lage von Oberflächenmesspunkten lediglich für einen Teilbereich der optischen Fläche zu erfassen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Lage von Oberflächenmesspunkten für die gesamte optische Fläche oder für mehrere Teilbereiche der optischen Fläche zu ermitteln.
Nachdem in Schritt S1 die Soll-Pose der optischen Fläche dadurch angegeben worden ist, dass durch die Angabe der räumlichen Lagen einer Anzahl von Soll-Oberflächenpunkten ein Punktwolkenmodell vorliegt, das die optische Fläche in ihrer Soll-Pose repräsentiert, und in Schritt S2 die Lagen von Oberflächenmesspunkten dicht genug erfasst worden sind, so dass ein die Ist- Pose der optischen Fläche im vorgegebenen Koordinatensystem repräsentierendes Punktwolkenmodell der optische Fläche vorliegt, wird in Schritt S3 eine Änderung der Lage und/oder der Orientierung der Fassung derart ermittelt, dass eine Abweichung der Ist-Pose der optischen Fläche von der Soll-Pose der optischen Fläche durch die Änderung der Lage und/oder Orientierung der Fassung in dem vorgegebenen Koordinatensystem zumindest in einem Freiheitsgrad ausgeglichen wird. Vorzugsweise wird eine derartige Änderung der Lage und/oder Orientierung der Fassung in dem vorgegebenen Koordinatensystem ermittelt, dass durch die Änderung der Lage und/oder Orientierung der Fassung die komplette Ist-Orientierung der optischen Fläche an die Soll-Orientierung angepasst wird. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Änderung der Lage und/oder Orientierung der Fassung auch derart erfolgt, dass außerdem die translatorische Ist-Lage der optischen Fläche in wenigstens zwei translatorischen Freiheitsgraden an die translatorische Soll-Lage der optischen Fläche angepasst wird. Insbesondere ist auch eine Anpassung in allen drei translatorischen Freiheitsgraden möglich. Im Falle optischer Elemente mit Freiformflächen kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn die Anpassung lediglich in zwei translatorischen Freiheitsgraden erfolgt, wobei beispielsweise die translatorische Lage in einer zur Abbildungsachse senkrechten Richtung nicht festgelegt ist. Dies ermöglicht es, gefasste optische Elemente mit Freiformflächen senkrecht zur Abbildungsachse gegeneinander zu verschieben, um damit unterschiedliche optische Wirkungen der optischen Elemente zu realisieren.
Das Ermitteln der zum Ausgleichen einer Abweichung der Ist-Pose der optischen Fläche von der Soll-Pose der optischen Fläche notwendigen Änderung der Lage und Orientierung der Fassung wird nachfolgend mit Bezug auf Figur 2 beschrieben.
In einem ersten Schritt des Ermittelns der Änderung der Lage und/oder der Orientierung der Fassung wird geprüft, welche der erfassten Oberflächenmesspunkte des die optische Fläche in Ist-Pose repräsentierenden Punktwolkenmodells ein vorgegebenes Gütekriterium erfüllen (Schritt S31 ). Nur solche Oberflächenmessunkte, die das vorgegebene Gütekriterium erfüllen, finden im weiteren Lauf des Verfahrens Verwendung. Das von den verwendeten Oberflächenmesspunkten gebildete, die optischen Fläche in Ist-Pose repräsentierende Punktwolkenmodell wird im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel mittels rigider Transformationen iterativ solange an das von den Soll-Oberflächenpunkten gebildete, die optische Fläche in Soll-Pose repräsentierende Punktwolkenmodell angenähert, bis eine optimierte rigide Transformation gefunden ist, nach deren Ausführung der Wert einer Zielfunktion ein vorgegebenes Abbruchkriterium erfüllt (Schritt S32). Eine rigide Transformation ist dabei eine Transformation, die lediglich die Pose des Punktwolkenmodells, d.h. lediglich die translatorische Lage und die Orientierung des Punktwolkenmodells, ändert, ohne die Abstände zwischen den Punkten des Punktwolkenmodells zu verändern. Ein derartiges Vorgehen ist als Point Set Registration oder auch als Point Mapping bekannt. Die Zielfunktion stellt ein Maß für die globale Abweichung der Lagen der das Punktwolkenmodell der optischen Fläche in Ist-Pose bildenden Oberflächenmesspunkte von den Lagen der das Punktwolkenmodell der optischen Fläche in Soll-Pose bildenden Soll-Oberflächenpunkten dar. Das Abbruchkriterium der Zielfunktion kann beispielsweise das Erreichen eines Minimums der Zielfunktion sein. Alternativ besteht die Möglichkeit, einen maximal zulässigen Wert für die Zielfunktion vorzugeben und die Optimierung beim Erreichen oder Unterschreiten dieses maximal zulässigen Wertes abzubrechen oder eine maximale Anzahl an Iterationen vorzugeben und die Optimierung abzubrechen, wenn die maximale Anzahl an Iterationen stattgefunden hat.
Nach jeder in Schritt S32 durchgeführten rigiden Transformation wird in Schritt S33 geprüft, ob der Wert der Zielfunktion das Abbruchkriterium erfüllt. Erfüllt der Wert der Zielfunktion das Abbruchkriterium nicht, kehrt das Verfahren zu Schritt S32 zurück und führt eine erneute Transformation aus. Statt zu Schritt S32 kann das Verfahren auch zu Schritt S31 zurückkehren, wie in Figur 2 durch den gestrichelten Pfeil angedeutet ist. In diesem Fall erfolgt ein erneutes Prüfen der verwendeten Oberflächenmesspunkte dahingehend, ob sie das Gütekriterium erfüllen. Nur solche Oberflächenmesspunkte, die das Gütekriterium auch weiterhin erfüllen, werden kann bei der erneuten Transformation und beim erneuten Berechnen des Wertes der Zielfunktion berücksichtigt. Das Verfahren kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass das Gütekriterium erst nach einer bestimmten Anzahl von Iterationsschritten erneut überprüft wird. Sollte sich heraussteilen, dass das Abbruchkriterium der Zielfunktion auch nach einer bestimmten Anzahl an Iterationen noch nicht erreicht ist, besteht die Möglichkeit, eine strengere Version des Gütekriteriums zu verwenden, um die Anforderungen an die während der Iteration verwendeten Oberflächenmesspunkte zu erhöhen.
Wenn in Schritt S33 festgestellt wird, dass der Wert der Zielfunktion das Abbruchkriterium erfüllt, schreitet das Verfahren zu Schritt S34 fort, in dem wenigstens ein numerisches Modell für wenigstens ein an der Fassung auszubildendes Referenzelement konstruiert wird, welches die im iterativen Verfahren gewonnene optimierten rigiden Transformation definiert, d.h. welches in Verbindung mit einer Referenzfläche in einem Haltelement einer optischen Baugruppe dazu führt, dass die Fassung der optimierten rigiden Transformation entsprechend in der optischen Baugruppe positioniert und/oder orientiert wird. Als das wenigstens eine Referenzelement wird ein Referenzelement konstruiert, das keine Rotationssymmetrie in Bezug auf die Abbildungsachse aufweist. Insbesondere wird das Referenzelement so ausgebildet, dass durch es eine definierte azimutale Orientierung der Fassung in dem vorgegebenen Koordinatensystem festgelegt wird, so dass mit Hilfe des Referenzelementes eine vorgegebenen azimutale Orientierung der Fassung und damit der optischen Fläche des gefassten optischen Elementes bei Einbau in die optische Baugruppe realisiert werden kann.
Im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel kann von Beginn an oder nach einer bestimmten Anzahl von Iterationen eine Maskierung der Oberfläche auf den für die angestrebte optische Wirkung der Oberfläche relevanten Oberflächenbereich erfolgen. Praktisch erfolgt dies, indem die Menge an Oberflächenmesspunkten auf diejenige Untermenge an Oberflächenmesspunkten beschränkt wird, die nur noch Oberflächenmesspunkte enthält, die in dem für die angestrebte optische Wirkung der Oberfläche relevanten Oberflächenbereich liegen. Für die Anpassung der Ist-Pose an die Soll-Pose werden dann in den nachfolgenden Iterationen nur noch die Oberflächenmesspunkte aus der Untermenge an Oberflächenmesspunkten berücksichtigt. Dadurch können Formfehler der Oberfläche außerhalb des relevanten optischen Bereichs (z.B. Polierüberlauf) nicht die Ist-Pose verfälschen und/ oder der Rechenaufwand verringert sich.
Mit Schritt S34 ist Schritt S3 aus Figur 1 beendet. Das in Figur 1 gezeigte Verfahren schreitet sodann zu Schritt S4 fort, in dem das wenigstens eine in Schritt S34 konstruierte Referenzelement an der Fassung des optischen Elements mittels abtragender und/oder auftragender Bearbeitung der Fassung ausgebildet wird.
Das Ausbilden des wenigstens einen Referenzelementes erfolgt im exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durch spanendes Bearbeiten, d.h. ausschließlich durch abtragendes Bearbeiten der Fassung. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Fassung vor der Bearbeitung ein Übermaß aufweist, so dass ein Abtrag auf einer Seite durch einen unterlassenen Abtrag auf der anderen Seite ausgeglichen werden kann. Als spanendes Bearbeiten kommt im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel Fräsen zur Anwendung. Das Fräsen erfolgt CNC- gesteuert, wobei eine Bearbeitungsmaschine Verwendung findet, die wenigstens zwei translatorische und eine rotatorische Positionierachse aufweist, mit denen ein gefasstes optisches Element in der Maschine nummerisch gesteuert positioniert werden kann.
Obwohl im beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich eine einzige optische Fläche vorhanden ist, für die eine Abweichung der Ist-Pose von der Soll-Pose durch eine Änderung der Lage und/oder Orientierung der Fassung ausgeglichen werden soll, kann das Verfahren auch zum Ausgleichen der Ist-Posen von den Soll-Posen mehrerer optischer Flächen, insbesondere auch einer Vorderfläche und einer Rückfläche des optischen Elementes, herangezogen werden. Da die Abweichungen der Ist-Posen von den Soll-Posen für die verschiedenen optischen Flächen unterschiedlich sein können, kann es Vorkommen, dass das die optimierte rigide Transformation überbestimmt ist, d.h. dass für die optischen Flächen unterschiedliche optimierte rigide Transformationen vorhanden sind. Um dennoch zu einem eindeutigen Ergebnis zu gelangen, kann eine Ausgleichsrechnung Verwendung finden. Diese kann beispielsweise so ausgestaltet werden, dass aus den optimierten rigiden Transformationen eine gemittelte optimierte rigide Transformation gewonnen wird, wobei auch eine gewichtete Mittelung erfolgen kann. Die Gewichte können dabei beispielsweise an die jeweilige Bedeutung der Beiträge der einzelnen optischen Flächen für die Abbildungsqualität gekoppelt sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Ausgleich in die Zielfunktion zu integrieren, bspw. indem für wenigstens eine der optischen Flächen die Abweichungen der Lagen der Oberflächenmesspunkte von den Lagen der Soll-Oberflächenpunkte mit einem Multiplikationsfaktor in die Zielfunktion eingehen. Dadurch kann bspw. erreicht werden, dass in der mit Bezug auf Figur 2 beschriebenen Iteration zum Finden der optimierten rigiden Transformation bei einer optischen Fläche größere Abweichungen der Lagen der Oberflächenmesspunkte von den Lagen der Soll-Oberflächenpunkte erlaubt sind als bei einer anderen optischen Fläche.
Eine nicht abschließende Darstellung von exemplarischen Ausführungsbeispielen für gefasste optische Elemente, bei denen die Fassung wenigstens ein Referenzelement aufweist, mit dem die Fassung derart in einem Halteelement einer optischen Baugruppe orientiert werden kann, dass zumindest eine azimutale Abweichung der Ist-Pose der optischen Fläche des gefassten optischen Elementes von seiner Soll-Pose ausgeglichen wird, wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 3 bis 5 beschrieben.
Figur 3 zeigt ein erstes exemplarisches Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes optisches Bauteil 1 mit einer im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel rechteckigen Fassung 3 und einem in der Fassung 3 gefassten, im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel ebenfalls rechteckigen optischen Elementes 5. Das optische Element 5 weist als optische Fläche 7 eine Freiformfläche auf, die weder Punkt- noch Achssymmetrie besitzt. Das in Figur 3 dargestellte optische Bauteil weist eine Anzahl Referenzelemente 9a bis 9C, 13, 17A und 17B auf, die im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel als Anlagenflächen 1 1 A bis 1 1 C, 15, 19A und 19B ausgebildete Stirnflächen aufweisen. Mit den Anlageflächenl 1A bis 1 1 C, 15, 19A und 19B kommen die Referenzelemente 9a bis 9C, 13, 17A und 17B beim Einbau in ein Haltelement 21 einer optischen Baugruppe 20 an Referenzflächen 23, 25 des Halteelementes zur Anlage (vgl. Figur 6) wodurch sie die Lage und Orientierung der Fassung 3 in dem Haltelement 21 und damit in der optischen Baugruppe 20 festlegen.
Der Abstand der Referenzelemente 9A bis 9C von der Oberfläche 4 der Fassung 3 legt im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel die Lage der Fassung 3 entlang der Abbildungsachse A fest, die Neigung der Anlagenflächen 1 1A bis 1 1 C relativ zur Oberfläche 4 die Orientierung der Fassung 3 in zwei rotatorischen Freiheitsgraden. Dabei sind die Neigungen der der Anlagenflächen 1 1A bis 1 1 C im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel identisch, damit sie mit derselben ebenen Referenzfläche Zusammenwirken können. Bei nicht ebenen Referenzflächen oder, wenn die Anlagenflächen 1 1A bis 1 1 C mit unterschiedlichen Referenzflächen Zusammenwirken sollen, können die Anlagenflächen 1 1A bis 1 1 C je nach Orientierung der Referenzfläche, mit der eine Anlagefläche zusammenwirkt, auch voneinander verschiedene Neigungen relativ zur Oberfläche 4 aufweisen. Im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel wird lediglich die azimutale Orientierung der Fassung 3 in Bezug auf die Abbildungsachse A wird durch die Anlagenflächen 1 1 A bis 1 1 C festgelegt.
Ein weiteres Referenzelement 13 befindet sich an einer der kurzen Umfangsflächen 8 der Fassung 3. Wie bei den übrigen Referenzelementen kommt seine Anlagefläche 15A an einer Referenzfläche 23, 25 des Haltelements 21 der optischen Baugruppe 20 zur Anlage. Der Abstand der Anlagefläche 15A von der kurzen Umfangsfläche 8 definiert dabei die Position der Fassung 3 in dem Halteelement in einer ersten zur Abbildungsachse A senkrechte Richtung. Zwei weitere Referenzelemente 17A, 17B mit Anlageflächen 19A, 19B befinden sich an einer der langen Umfangsflächen 10 der Fassung 3. Diese definieren mit Hilfe des Abstandes ihrer Anlageflächen 19A, 19B von der langen Umfangsfläche 10 die Position der Fassung 3 in dem Halteelement in einer zweiten zur Abbildungsachse A senkrechte Richtung. Zudem wird durch eine Neigung der Anlagenflächen 15, 19A, 19B des Referenzelementes 13 und der Referenzelemente 17A und 17B die azimutale Orientierung der Fassung 3 um die Abbildungsachse A festgelegt. Dabei hängen die zum Festlegen der azimutalen Orientierung nötigen Neigungen der Flächen 15, 17A und 17B jeweils von den Orientierungen der Referenzflächen, an denen sie zur Anlage kommen, ab.
Zur Fierstellung eines optischen Bauteils 1 , wie es in Figur 3 gezeigt ist, erfolgt, indem bei einer Rohversion der Fassung 3 des gefassten optischen Elementes 7 mit größeren Abmessungen, als sie für den Einbau in das Flaltelement 21 der optischen Baugruppe 20 nötig sind, numerisch gesteuert Material derart abgetragen wird, dass die Fassung 3 mit den Referenzelementen 9a bis 9C, 13, 17A und 17B übrig bleibt. Die Form der Referenzelemente ergibt sich dabei aus der optimierten rigiden Transformation in Verbindung mit der Lage und Orientierung der Referenzflächen 23, 25 in dem Halteelement 21 .
Ein zweites exemplarisches Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes optisches Bauteil 101 ist in Figur 4 dargestellt.
Das optische Bauteil aus Figur 4 weist wie das optische Bauteil aus Figur 3 eine rechteckige Fassung 103 und ein in der Fassung gefasstes rechteckiges optisches Element 105 mit einer Freiformfläche 107 auf. Zudem weist es auf der Oberseite 104 der Fassung 103 drei Referenzelemente 109A, 109B und 109C mit Anlageflächen 1 1 1 A, 1 1 1 B und 1 1 1 C auf, die in ihrer Funktion und Ausgestaltung den Referenzelementen 9A, 9B und 9C aus Figur 3 entsprechend. Auch das optische Element 105 entspricht dem optischen Element 5 aus Figur 3.
Das in Figur 4 dargestellt optische Bauteil 101 unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten optischen Bauteil 1 durch das Fehlen der zylinderförmigen Referenzelemente an der langen Umfangsfläche. Stattdessen ist im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel in wenigstens einer der langen Umfangsflächen ein Referenzelement in Form einer Nut 1 13 mit einem V-förmigen Querschnitt ausgebildet. Die Wandflächen 1 15A, 1 15B der Nut 1 13 definieren dabei Anlageflächen, die mit den Flächen eines im Haltelement einer optischen Baugruppe ausgebildeten Vorsprungs mit dachförmigem Querschnitt Zusammenwirken. Die Flächen mit dem dachförmigen Querschnitt stellen in diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel Referenzflächen des Haltelementes dar. Durch das Zusammenwirken der Wandflächen 1 15A, 1 15B der Nut 1 13 mit diesen Referenzflächen wird die Lage der Fassung 103 entlang der Abbildungsachse A und entlang einer zur Abbildungsachse A und zur Längsausdehnungsrichtung der Nut senkrechten Richtung festgelegt, Außerdem legt die Ausgestaltung der Nut auch die Orientierung der Fassung 103 fest. Zum Festlegen der azimutalen Orientierung kann die Nut an ihrem einen Ende tiefer in das Material der Fassung 103 hineinreichen als an ihrem anderen Ende. Zwischen den beiden Enden erstreckt sich die Nut linear, so dass die Längsrichtung der Nut einen Azimutwinkel der Fassung festlegt.
Die Wandflächen 1 15A, 1 15B der Nut 1 13 dienen im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel als Gleitflächen, die relativ zu dem eingreifenden dachförmigen Vorsprung des Halteelements gleiten können. Dadurch wird es möglich, die Fassung 103 mittels eines geeigneten Antriebs entlang der Ausdehnungsrichtung der Nut gezielt zu verschieben und zu positionieren, wie dies in Figur 4 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist.
Das Herstellen des optischen Bauteils 101 kann wie beim Herstellen des in Figur 3 gezeigten optischen Bauteils 1 durch abtragendes Bearbeiten der Fassung 103 erfolgen
Ein drittes exemplarisches Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes optisches Bauteil ist in Figur 5 dargestellt. Das optische Bauteil 201 des dritten exemplarischen Ausführungsbeispiels umfasst wie die vorherigen exemplarischen Ausführungsbeispiele eine rechteckige Fassung 203 mit einem darin gefassten rechteckigen optischen Element 205, das eine Freiformfläche 207 als optische Fläche aufweist. In der Fassung sind fünf Anlageflächen 21 1A bis 21 1 E vorhanden, die in Ausnehmungen 209A, 209B der Fassung 203 ausgebildet sind. In die Ausnehmungen 209A, 209B greifen Justierflächen breitstellende Justiervorsprünge eines Halteelementes einer optischen Baugruppe derart ein, dass die Anlageflächen 21 1A bis 21 1 E an den Justierflächen anliegen. Die Lage der Fassung 203 entlang einer zur Abbildungsachse A senkrechten ersten Richtung wird dabei durch die Entfernung der Anlagefläche 21 1 D von der kurzen Umfangsfläche 106B festgelegt. Die Lage der Fassung 203 entlang einer zur ersten Richtung sowie zur Abbildungsachse A senkrechten zweiten Richtung wird durch die Position der Ausnehmungen 209A, 209B zwischen den beiden langen Umfangsflächen 210A, 21 OB der Fassung 203 festgelegt. Im vorliegendem exemplarischen Ausführungsbeispiel befinden sich die Ausnehmungen 209A, 209B weitgehend mittig zwischen den beiden langen Umfangsflächen 21 OA, 21 OB, sie könnte jedoch auch näher an einer der langen Umfangsflächen als an der anderen langen Umfangsfläche liegen, was eine anderen Position der Fassung entlang einer zur Längsausdehnung der kurzen Umfangsflächen parallelen Richtung definieren würde. Zudem legen die Positionen der Ausnehmungen 209A 209B zwischen den beiden langen Umfangsflächen 210A, 21 OB im vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel auch die azimutale Orientierung der Fassung 203 um die Abbildungsachse A fest. Beispielsweise könnte die Ausnehmung 209A zu einer der beiden langen Umfangsflächen hin verschoben werden, wohingegen die Ausnehmung 209B zur anderen der beiden langen Umfangsflächen hin verschoben wird, wobei die Neigung der Anlageflächen 21 1 A bis 21 1 E derart verändert wird, dass die Justiervorsprünge weiterhin in die Ausnehmungen 209A, 209B eingreifen können. Dadurch würden die Anlageflächen 21 1 A bis 21 1 E in Verbindung mit den Justierflächen der Justiervorsprünge des Haltelementes eine andere azimutale Orientierung der Fassung 203 ergeben.
Wenn die Justiervorsprünge des Haltelementes der optischen Baugruppe entlang der Ausdehnungsrichtung der Abbildungsachse eine größere Ausdehnung als die Fassung aufweisen, ermöglichen die Ausnehmungen 209A, 209B ein Verschieben des optischen Bauteils entlang der in den Ausnehmungen geführten Justiervorsprünge. Die Fassung 203, und damit das optische Element 205, kann dann mittels eines geeigneten Antriebs entlang der Abbildungsachse A gezielt verschoben und positioniert werden, wie dies in Figur 5 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist..
Ein exemplarisches Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße optische Baugruppe wird nachfolgend mit Bezug auf Figur 6 beschrieben. Die Figur zeigt eine optische Baugruppe 20 mit einem Halteelement 21 und einem von dem Halteelement 21 gehaltenen optischen Bauteil 1 . Das optische Bauteil 1 beinhaltet ein in der Fassung 3 gefasstes optisches Element 5 mit einer Freiformfläche 7 als optische Fläche. Die Rückfläche 8 des optischen Elements 5 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Planfläche ausgebildet. Aufgrund von Toleranzen ist das optische Element 5 leicht gegenüber seiner Fassung 3 verkippt, so dass die Ist-Pose der Freiformfläche 7 sowie die Ist-Pose der Planfläche 8 in der Fassung 3 von ihren Soll-Posen in der Fassung 3 abweichen. Die Fassung 3 ist daher mit Referenzelementen versehen, die eine bestimmte Lage und Orientierung der Fassung 3 im Halteelement 21 definieren. Hierzu weist das Halteelement 21 Justierflächen 23, 25 auf, mit denen die Anlageflächen 1 1 der Referenzelemente 9 zum Festlegen der Lage und der Orientierung der Fassung 3 im Halteelement 21 Zusammenwirken. Darüber hinaus umfasst das Halteelement 21 ein Fixierteil 27, mit dem die Fassung 3 im Halteelement fixiert wird, und das ebenfalls eine Justierfläche 29 aufweist, die mit Anlageflächen 1 1 der Referenzelemente 9 zusammenwirkt. Mit Hilfe der Zusammenwirkung der Referenzelemente 9 mit den Justierflächen 23, 25, 29 des Halteelements 21 und des Fixierteils 27 kann die Abweichung der Ist-Posen der Freiformfläche 7 und der Planfläche 8 von ihren jeweiligen Soll-Posen ausgeglichen werden. Falls die Abweichungen der Ist-Posen von den Soll-Posen bei der Freiformfläche 7 und der Planfläche 8 aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht identisch sind, erfolgt ein Ausgleich derart, dass das beste optische Ergebnis erzielt werden kann. Ein derartiger Ausgleich kann durch die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebene Ausgleichsrechnung erfolgen.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von exemplarischen Ausführungsbeispielen zur Erläuterungszwecken im Detail beschrieben. Ein Fachmann erkennt jedoch, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung von den exemplarischen Ausführungsbeispielen abgewichen werden kann. So braucht die nicht rotationssymmetrische optische Fläche keine Freiformfläche zu sein, sondern sie kann eine andere Fläche sein, die keine Rotationssymmetrie um die Abbildungsachse A besitzt. Zudem brauchen die Referenzelemente nicht die in den exemplarischen Ausführungsbeispielen gezeigte Form zu besitzen. Wichtig ist lediglich, dass sie geeignet sind, zumindest die azimutale Orientierung der optischen Fläche in Bezug auf die Abbildungsachse eindeutig festzulegen. Weiterhin kann die Fassung abweichend von den dargestellten Ausführungsbeispielen eine andere als eine rechteckige Form aufweisen. Insbesondere könnte die Fassung auch eine runde Form aufweisen, wobei die Referenzelemente dann beispielsweise in Form von Ausnehmungen in Art der in Figur 5 dargestellten Ausnehmungen realisiert sein könnten. Auch andere geometrischen Formen der Fassungen und der optischen Elemente kommen grundsätzlich in Betracht, wobei es keinerlei Einschränkungen hinsichtlich der Form gibt. Ebenso kann das Profil der in Figur 4 gezeigten Nut von dem gezeigten Profil abweichen, oder es können mehrere Nuten in derselben Fläche oder in einander abgewandten Flächen vorhanden sein. Ein Fachmann erkennt, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung zahlreiche weitere Abwandlungen der dargestellten exemplarischen Ausführungsbeispiele möglich. Die Erfindung soll daher lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Anpassen der Fassung (3, 103, 203) eines in einer Fassung (3, 103, 203) gefassten optischen Elementes (5, 105, 205) mit wenigstens einer ersten optischen Fläche (7, 17, 207), die in Bezug auf eine Abbildungsachse (A) des optischen Elementes (5, 105, 205) keine Rotationssymmetrie aufweist, an eine Abweichung einer Ist-Pose der ersten optischen Fläche (7, 17, 207) von einer Soll-Pose der ersten optischen Fläche (7, 17, 207) in der Fassung (3, 103, 203) mit den Schritten:
Angeben einer Soll-Pose für die erste optische Fläche (7, 17, 207) in einem vorgegebenen Koordinatensystem in dem auch die Lage und/oder die Orientierung der Fassung (3, 103, 203) angegebenen ist;
- Ermitteln der Ist-Pose der ersten optischen Fläche (7, 17, 207) in dem vorgegebenen Koordinatensystem;
Ermitteln einer Änderung der Lage und/oder Orientierung der Fassung (3, 103, 203) in dem vorgegebenen Koordinatensystem derart, dass eine Abweichung der Ist-Pose der ersten optischen Fläche (7, 17, 207) von ihrer Soll-Pose durch die Änderung der
Lage und/oder Orientierung der Fassung (3, 103, 203) in dem vorgegebenen Koordinatensystem zumindest in einem Freiheitsgrad ausgeglichen wird;
Ausbilden wenigstens eines Referenzelements (9, 109, 209) an der Fassung (3, 103, 203), das die Lage und/oder Orientierung der Fassung (3, 103, 203) definiert, welche die ermittelte Änderung realisiert;
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens das eine Referenzelement (9, 109, 209) wenigstens eine bestimmte azimutale Ausrichtung der Fassung (3, 103, 203) in dem vorgegebenen Koordinatensystem definiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der angegebene Soll-Pose Lage- und/oder Orientierungsabweichungen der übergeordneten Baugruppe, in welche die das Referenzelement (9, 109, 209) aufweisende Fassung (3, 103, 203) eingebaut werden soll, berücksichtigt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzelement (9, 109, 209) nicht rotationssymmetrisch um die Abbildungsachse (A) der ersten optischen Fläche (7, 107, 207) ausgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Referenzelement (9, 109, 209) derart ausgebildet wird, dass es eine bestimmte Ausrichtung der Fassung (3, 103, 203) in allen drei rotatorischen Freiheitsgraden definiert.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Referenzelement (9, 109, 209) derart ausgebildet wird, dass es zusätzlich eine bestimmte Lage der Fassung (3, 103, 203) in wenigstens zwei translatorischen Freiheitsgraden definiert.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Änderung der Lange und/oder Orientierung der Fassung (3, 103, 203) durch Anpassen der Ist-Pose der ersten optischen Fläche (7, 107, 207) an die Soll-Pose der ersten optischen
Fläche (7, 107, 207) erfolgt, wobei die sich aus der Anpassung der Ist- Pose an die Soll-Pose der ersten optischen Fläche (7, 107, 207) ergebende Änderung der Ist-Pose die Änderung der Lange und/oder Orientierung der Fassung (3, 103, 203) repräsentiert.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Soll-Pose der ersten optischen Fläche (7, 107, 207) durch die Lage einer Anzahl von Soll-Oberflächenpunkten in dem vorgegebenen Koordinatensystem gegeben ist; für eine Anzahl von Oberflächenmesspunkten der ersten optischen Fläche (7, 107, 207) die jeweilige Lage in dem vorgegebenen Koordinatensystem messtechnisch erfasst wird, und
das Anpassen der Ist-Pose der ersten optischen Fläche (7, 107, 207) an die Soll-Pose der ersten optischen Fläche (7, 107, 207) durch
Anpassen der Lage der Oberflächenmesspunkte an die Lage der Soll- Oberflächenpunkte erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, in dem das Anpassen der Lage der Oberflächenmesspunkte an die Lage der Soll-Oberflächenpunkte die
Schritte umfasst:
vorgeben einer Zielfunktion, die ein Maß für eine globale Abweichung der Lage der Oberflächenmesspunkte von der Lage der Soll-Oberflächenpunkte-darstellt,
- Verändern der Lage der Oberflächenmesspunkte unter
Beibehaltung ihrer Lage relativ zueinander mit Hilfe von rigiden Transformationen so lange, bis die Zielfunktion ein Abbruchkriterium erfüllt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Oberflächenmesspunkt überprüft wird, ob er ein vorgegebenes Gütekriterium erfüllt und zum Anpassen der Lage der Oberflächenmesspunkte an die Lage der Soll-Oberflächenpunkte ausschließlich diejenigen Oberflächenmesspunkte berücksichtigt werden, die das Gütekriterium erfüllen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Änderung der Lage und/oder Orientierung der Fassung (3, 103, 203) iterativ erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 9 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des iterativen Ermittelns der Änderung der Lage und/oder Orientierung der Fassung (3, 103, 203) das Erfüllen des Gütekriteriums für die berücksichtigten Oberflächenmesspunkte wenigsten einmal erneut überprüft wird und ab dem darauffolgenden Iterationsschritt nur noch die Oberflächenmesspunkte berücksichtigt werden, die das Gütekriterium erneut erfüllen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden des wenigstens einen Referenzelements (9, 109, 209) an der Fassung durch abtragendes Bearbeiten und/oder durch auftragendes Bearbeiten der Fassung erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass das abtragende und/oder auftragende Bearbeiten der Fassung (3, 103, 203) numerisch gesteuert mittels einer wenigstens drei Positionierachsen aufweisenden Bearbeitungsvorrichtung erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens drei Positionierachsen wenigstens eine rotatorische Positionierachse und zwei translatorische Positionierachsen umfassen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (5) wenigstens eine zweite optischen Fläche (8) mit einer Soll-Pose in dem vorgegebenen Koordinatensystem aufweist und eine Anpassung der Fassung (3) sowohl an die Abweichung der Ist-Pose der ersten optischen Fläche (7) von der Soll-Pose der ersten optischen Fläche (7) in der Fassung (3) als auch an eine Abweichung der Ist-Pose der zweiten optischen Fläche (8) von der Soll-Pose der zweiten optischen Fläche (8) in der Fassung (3) erfolgt, wobei im Falle einer durch die beiden optischen Flächen (7, 8) überbestimmten Änderung der Lage und/oder Orientierung der Fassung (3) in dem vorgegebenen Koordinatensystem eine eindeutig bestimmte Änderung durch eine Ausgleichsrechnung ermittelt wird.
16. Optisches Bauteil (1 , 101 , 201 ) mit einer Fassung (3, 103, 203) und einem in der Fassung (3, 103, 203) gefassten optischen Element (5, 105, 205) mit wenigstens einer ersten optischen Fläche (7, 107, 207), die in Bezug auf eine Abbildungsachse (A) des optischen Elementes (5, 105, 205) keine Rotationssymmetrie aufweist, in dem die Fassung (3, 103, 203) wenigstens ein Referenzelement (9, 109, 209) aufweist, das eine Lage und/oder Orientierung der Fassung (3, 103, 203) in einem vorgegebenen Koordinatensystem definiert, die eine Abweichung einer Ist-Pose der ersten optischen Fläche (7, 107, 207) von einer Soll-Pose der ersten optischen Fläche (7, 107, 207) in der Fassung (3, 103, 203) zumindest in einem Freiheitsgrad ausgleicht, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Referenzelement (9, 109,
209) wenigstens eine bestimmte azimutale Lage der Fassung (3, 103, 203) definiert.
17. Optisches Bauteil (1 , 101 , 201 ) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Referenzelement (9, 109,
209) eine bestimmte Ausrichtung der Fassung (3, 103, 203) in allen drei rotatorischen Freiheitsgraden definiert.
18. Optisches Bauteil (1 , 101 , 201 ) Anspruch 16 oder Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Referenzelement (9, 109,
209) zusätzlich eine bestimmte Lage der Fassung (3, 103, 203) in wenigstens zwei translatorischen Freiheitsgraden definiert.
19. Optisches Bauteil (101 , 201 ) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Referenzelement
(109, 209) eine Verschiebung der Fassung (103, 203) entlang einer definierten Richtung gestattet.
20. Optische Baugruppe (20) mit wenigstens einem optischen Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 15 bis 19 und einem das wenigstens eine optische Bauteil (1 ) haltenden und in Verbindung mit dem wenigstens einen Referenzelement (9) justierenden Haltelement (21 ), wobei das wenigstens eine Referenzelement (9) der Fassung (3) des optischen Bauteils (1 ) mit dem Haltelement (21 ) derart zur Justierung zusammenwirkt, dass eine definierte Lage und/oder Orientierung der ersten optischen Fläche (7) relativ zum Haltelement (21 ) geschaffen wird.
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