Zentriermessung

Zentriermessung in Reflexion versus Zentriermessung in Transmission

Die Reflexions- und Transmissionswerte sind unterschiedlich und können nur eingeschränkt verglichen werden. Eine einfache Beziehung zwischen den beiden Messungen für den Zentrierfehler einer Einzellinse (ohne Fassung) ist gegeben durch:

T = (n – 1) × R

T: Winkelabweichung in Transmission
n: Brechungsindex von Glas
R: Oberflächenneigungsfehler der Oberseite (Ergebnis der Messung im Reflexionsmodus)

Bei der Transmissionsmethode ist es grundsätzlich nicht möglich zu unterscheiden, welche der Linsenoberflächen mit einem Zentrierfehler behaftet ist. In bestimmten Fällen kann es vorkommen, dass eine in Transmission gemessene Linse keine Zentrierfehler aufweist, obwohl die Linse schräg in der Fassung montiert ist. Die Zentrierfehlermessung in Reflexion liefert klare, geometrisch interpretierbare, Ergebnisse für eine einzelne optische Oberfläche.

Beide Methoden sollten in Betracht gezogen werden, um eine effiziente optische Produktion zu erreichen.

Zentrierfehler von Einzellinsen

Die optische Achse einer Einzellinse ist die Gerade durch die Krümmungsmittelpunkte der beiden Sphären. Der Zentrierfehler ist nun durch einen Winkel „χ” und durch einen Abstand „a“ zu einer gegebenen Bezugsachse definiert.
Der Zentrierfehler einer Einzellinse kann ebenfalls in Bezug auf die Randbearbeitung dargestellt werden. In diesem Fall wird er als Flächenkippfehler oder Keilfehler der Linse bezeichnet. Als Referenzachse wird eine Gerade durch einen der Krümmungsmittelpunkte und den Mittelpunkt des Linsendurchmessers festgelegt. Ausgegeben wird der Flächenkippfehler der oberen Fläche bezogen auf diese Bezugsachse.

Zentrierfehler von Zylinderlinsen und anamorphotischen Linsen

Die Herausforderung beim Messen von Zylinderlinsen liegt in den unterschiedlichen Formen, in denen diese Linsen hergestellt werden. Sie unterscheiden sich sowohl in der Oberflächen- und Grundflächenform als auch in der Art der Fassung.

Typische Formen von Zylinderlinsen

Ähnlich wie sphärische Optiken werden Zylinderlinsen gemäß ihrer beiden optischen Flächen zunächst grob in Klassen eingeordnet. Man unterscheidet Linsen der Typen:

• Zylindrisch – Plan
• Zylindrisch – Sphärisch
• Zylindrisch – Zylindrisch

Am häufigsten werden Zylinderoptiken verwendet, die auf einer Seite plan bearbeitet sind, auch weil sich zylindrisch-plane Linsen messtechnisch besonders einfach charakterisieren lassen.

Mit den OptiCentric^®-Systemen können aber auch alle anderen Zylinderlinsenformen und Objektive gemessen werden.

Da Zylinderlinsen keine Rotationssymmetrie um eine Achse aufweisen, ist auch die Außenkontur der Linsen häufig nicht rotationssymmetrisch. Dementsprechend wird darüber hinaus unterschieden in:

• Linsen mit rechteckigem Umfang
• Linsen mit rundem Umfang

Bei jeder Messung spielt der spezifische Linsentyp eine entscheidende Rolle. Je nach Ausführung der Zylinderlinse und Aufgabenstellung müssen unterschiedliche Sensoren und Auswertungsprogramme eingesetzt werden, um die Fertigungsgenauigkeit der Linsen zu überprüfen.

Zur Beschreibung des Zentrierfehlers von zylindrischen Linsen muss eine Bezugsachse gewählt werden. Dies kann beispielsweise eine Referenzkante am Glas sein, oder eine Fase an einer mechanische Fassung, in welche die Linse eingesetzt ist. Das nächste Unterscheidungsmerkmal zur Klassifizierung von Zylinderlinsen ist daher die Fassung

• Ungefasste Linse
• Gefasste Linse

Zentrierfehler bei optischen Flächen im Inneren eines montierten Objektivs

Um Zentrierfehler einzelner optischer Flächen zu messen, wird der exakte Kippfehler bzw. die exakte Ablage des Krümmungsmittelpunkts von einer gegebenen Bezugsachse bestimmt. Einflüsse von optischen Flächen und Elementen, die vor der zu untersuchenden Fläche liegen, müssen durch optische Rechnung berücksichtigt werden. Dies gilt auch für die Zentrierfehler dieser Flächen, d. h. beginnend mit der ersten Fläche müssen die Zentrierfehler aller weiteren Flächen iterativ bestimmt werden. Mit den OptiCentric^®-Systemen können typischerweise bis zu 20 Flächen von einer Seite vermessen werden.

Ein zweiter Messkopf wird bei den OptiCentric^® Dual-Systemen verwendet, um den Zentrierfehler auch von der unteren Seite zu bestimmen. Somit können auch mehr als 20 optische Flächen erfasst werden.

Die sogenannte MultiLens-Messung liefert die exakten XYZ-Koordinaten aller Krümmungsmittelpunkte im Raum. Die gemessenen Daten werden bei der Analyse der Linse oder des Objektives verwendet und liefern zusätzlich folgende Ergebnisse:

• Berechnung der optischen Achse der Einzellinse(n)
• Ermittlung der optischen Achse einzelner Untersysteme oder der optischen Achse des Gesamtsystems
• Berechnung der Abstände und Winkel zwischen optischer Achse und Regressionsgeraden
• Berechnung der Lage von Einzellinsen oder Gruppen zu einer mechanischen Achse – hierfür ist zusätzlich ein Messtaster benötigt

Zentrierfehlerprüfung von Infrarotobjektiven

Zum Prüfen von Einzellinsen und vollständigen Baugruppen, die nur im Infrarotbereich lichtdurchlässig sind, bietet TRIOPTICS speziell für die Wellenlängen der Infrarotbereiche entwickelte Messköpfe an. Typische Anwendungen sind z. B. das Prüfen von Linsen und Baugruppen für zivile und militärische Anwendungen. Insbesondere für den Einsatz in Wärmebild- und Restlichtsystemen werden Linsenmaterialien wie Ge, Si, ZnSe, ZnS oder CaF2 verwendet.

Unterschiede zu VIS aus Sicht des Bedieners

Im Gegensatz zu VIS-Systemen ist das vom fokussierten Autokollimator ausgestrahlte Licht für das bloße Auge unsichtbar. Dies stellt jedoch beim Zentrieren des Prüflings kein Problem dar. Abgesehen davon unterscheiden sich die Geräte im Betrieb nicht von den VIS-Systemen, sodass Benutzer schnell für neue Wellenlängenbereiche geschult werden können.

Unterschiede zu VIS aus technischer Sicht

Abgesehen von der Verwendung geeigneter Optiken und Lichtquellen in den Messköpfen besteht der bedeutendste Unterschied zwischen dem sichtbaren Bereich und dem Infrarotbereich vom technischen Standpunkt gesehen darin, dass im Infrarotbereich jedes Objekt, einschließlich des Prüflings, Licht in diesem Wellenlängenbereich ausstrahlt, sodass das Gerät den thermischen Hintergrund kompensieren muss, bevor eine Messung durchgeführt wird. Dies erfolgt automatisch durch die Software und erfordert keinen Eingriff durch den Benutzer. Außerdem ist der Kontrast zwischen Hintergrund und beleuchteten Bereichen geringer als im sichtbaren Bereich. Um die erforderliche hohe Auflösung zu erzielen, werden deswegen spezielle Bildbearbeitungsalgorithmen verwendet.

Im Standard-Reflexionsmodus nutzt OptiCentric^® die Rückspiegelung von der Linsenoberfläche. Daher hängt die Lichtintensität des reflektierten Bildes auf der Strichplatte stark von der verwendeten Beschichtung ab. Normalerweise sind alle Infrarot-Bildgebungslinsen AR-beschichtet. Allerdings variiert die Effizienz stark, was die Geräte, sofern möglich, durch Anpassung der Beleuchtungsstärke und der Verschlusszeiten kompensieren.

Im Allgemeinen ist die typische Genauigkeit der Zentrierfehlermessung ungefähr 1 µm, also etwas höher als bei VIS-Geräten. Dies ergibt sich durch die längeren Wellenlängenbereiche und die höhere Pixelgröße der in den Autokollimatoren eingesetzten Kameras.

Die Linse wird in der Fassung freischwebend positioniert und nach dem Klebstoffauftrag ausgerichtet. Dabei wird die Linse innerhalb der Fassung automatisiert so positioniert, dass die optische Achse der Linsen und die Symmetrieachse der Fassung in Verkippung und Verschiebung übereinstimmen. Zusätzlich bestimmt die OptiCentric^® Bonding 5D den axialen Abstand in z-Richtung zwischen einer Bezugsfläche (Flansch) und dem Linsenvertex und verschiebt die Linse anschließend auch axial auf die Zielposition. Mittels SmartAlign Technologie können die Linsen zu einer frei wählbaren optischen oder mechanischen Referenzachse ausgerichtet werden. Je nach Fertigungsprozess wird die Referenzachse als optische Achse einer Linse oder als Rotationsachse einer Fassung definiert. Die SmartAlign Technologie bietet damit eine große Zeitersparnis im Ausrichtprozess und maximale Flexibilität im Fertigungsprozess. Eine Vorausrichtung der Linse ist nicht erforderlich.

Im Anschluss erfolgt das Aushärten des Klebstoffes, in der Regel mit UV-Licht. Hierbei sind natürlich die besonderen Klebstoffeigenschaften zu berücksichtigen, da sie Einfluss auf die finale Positionierung haben.

Mit OptiCentric^® Bonding 5D ist der gesamte Prozess des Ausrichtens und Klebens automatisiert möglich. Hochpräzise Ergebnisse von < 1 µm in x, y, z Achse und < 2 arcsec in θx, θy sind bedienerunabhängig zu erreichen, mit vorhandenem Know-How sogar inklusive Klebstoffschrumpf. Das Verfahren eignet sich für alle Fassungsmaterialien und ist unabhängig von der Fassungsgeometrie. Hochflexibel lässt sich die OptiCentric^® Bonding 5D schnell auf andere Prüflingsarten umrüsten. Diese Technologie ist auch besonders für Reinraumanwendungen geeignet.

Der neue Prozess erfordert ein Umdenken sowohl im Fertigungsprozess als auch im Design der Prüflinge. Auch wenn kein Rezess in der Fassung mehr benötigt wird, so kann er dennoch zur Aufnahme des Prüflings sinnvoll sein. Allerdings muss sichergestellt werden, dass die Linse nicht auf dem Rezess aufliegt, sondern um wenige Mikrometer darüber „schwebt“.