Zentrierfehler messen, Linsen ausrichten, kleben und kitten

Die präzise Zentrierung und Ausrichtung einer Linse ist ausschlaggebend für die Bildqualität des optischen Systems. Eine fehlerhafte Zentrierung liegt dabei vor, wenn die optische Achse der Linse mit der Bezugsachse in Lage und Richtung nicht übereinstimmt (ISO 10110). Zentrierfehler entstehen beim Kitten, Justieren und Befestigen von Linsen, daher können die hohen Anforderungen an optische Systeme dann am besten erfüllt werden, wenn alle fertigungstechnischen Schritte einheitlich konzipiert und in einem Mess- und Fertigungssystem integriert sind.

Im Folgenden werden daher die Grundlagen der Zentriermessung, des Ausrichtens, Kittens und Klebens von Linsen erklärt wie sie in der OptiCentric® Systemen angewendet werden.

Voraussetzung, um die Zentrierung einer Linse zu messen, ist, dass die Linse um eine präzise Referenzachse rotiert. Diese Achse entspricht in den meisten Fällen einem Rotationsachse eines Luftlagers und ist maßgebend für die präzise Messung der Zentrierung. Darüber hinaus kann die Zentrierung einer Linse auf zwei unterschiedliche Arten gemessen werden. Es wird zwischen der Messung in Reflexion und Transmission unterschieden.

Messung in Reflexion
Messung in Reflexion
Messung in Transmission
Messung in Transmission

Zentriermessung in Reflexion

Für die Messung in Reflexion wird ein OptiCentric® System verwendet. Es ist mit einem Autokollimationsmesskopf mit Strichplatte und entsprechender Vorsatzoptik ausgestattet. Für die Messung wird der Messkopf mit der Vorsatzoptik auf den Krümmungsmittelpunkt der zu untersuchenden Linsenfläche fokussiert.

Das erzeugte Reflexbild der Strichplatte wird mit Hilfe der in den Messkopf integrieren CCD-Kamera beobachtet und mit der Software ausgewertet.

Liegt ein Zentrierfehler vor, so beschreibt das betrachtete Bild einen Kreis, während der Prüfling um die Referenzachse rotiert. Der Mittelpunkt des beschriebenen Kreises liegt auf der Referenzachse. Der Radius des Kreises ist proportional zum Zentrierfehler und beschreibt den Abstand des Krümmungsmittelpunkts der Linsenoberfläche zur Referenzachse. Soll der Zentrierfehler als Winkel beschrieben werden, so spricht man bei der Messung in Reflexion vom Flächenkippfehler. (Siehe auch ISO 10110).


Zentriermessung in Transmission

Bei der Transmissionsmessung ist das OptiCentric® System ebenfalls mit dem Autokollimationsmesskopf mit Strichplatte und entsprechender Vorsatzoptik ausgestattet. Zusätzlich muss das System für die Transmissionsmessung mit einem Kollimator im Fuß des Messsystems versehen werden.

Bei der Transmissionsmessung erzeugt das parallele Licht des Kollimators ein Bild der Strichplatte in der Fokusebene des Prüflings, in die auch die Vorsatzoptik des Autokollimationskopfs fokussiert. Mit Hilfe der CCD-Kamera kann das Bild nun ausgewertet werden. Liegt ein Zentrierfehler vor, beschreibt das Bild wie bei der Messung in Reflexion einen Kreis.

Der Radius des Kreises entspricht dem Abstand zwischen der Referenzachse und dem Fokuspunkt. Als Winkel kann der Zentrierfehler bei der Messung in Transmission als Neigung des Hauptstrahls angegeben werden.

Zentriermessung in Reflexion versus Zentriermessung in Transmission

Messung Reflexion Transmission
Linse auf Luftlager + Präzise Messung Eine Verkippung der Linse kann nicht erkannt werden! Ergebnisse könnten falsch sein
Linsenfertigung auf Luftlager + Präzise Messung Eine Verkippung der Linse kann nicht erkannt werden! Ergebnisse könnten falsch sein
Test Rundlauf - nicht nützlich Verschiebung kann genau überprüft werden
Messen von Einzellinsen auf motorisiert Dreh-und Kittvorrichtung + ca. zweifache Genauigkeit von Transmissionsmessung
+ unmittelbare Messung von Oberflächenverkippung
+ geringere Vibrationsempflindlichkeit
+ einfache Bildgebung (Intensität)
- Berechnung nötig um zutreffende Oberflächenverkippung zu ermitteln
Messen von Doubletts auf motorisiert Dreh-und Kittvorrichtung + Präzise Messung - Ergebnisse können irreführend sein, da zwei Fehlerquellen infrage kommen (verkittete Oberfläche und obere Oberfläche)
Messen von gefassten Linsen auf motorisiert Dreh-und Kittvorrichtung + Präzise Messung - Eine Verkippung der Linse kann nicht erkannt werden! Ergebnisse könnten falsch sein

Zentrierfehler von Linsen und Objektiven

Typische Zentrierfehler
Typische Zentrierfehler

Zentrierfehler haben einen entscheidenden Einfluss auf die Abbildungsleistung eines optischen Systems. Ein Zentrierfehler liegt vor, wenn die Symmetrieachse eines optischen Elements nicht mi einer gegebenen Referenzachse übereinstimmt. Die Referenzachse ist in den meisten Fällen als die Symmetrieachse des Gehäuses gegeben. Der Zentrierfehler wird durch einen Winkel zwischen der optischen Achse und der Referenzachse und dem Abstand eines Symmetriepunkts zur Referenzachse beschrieben.

Eine Übersicht möglicher Zentrierfehler kann der obenstehenden Zeichnung entnommen werden.

1 Verschiebung einer Linse

2 Kippung einer Linse

3 Flächenkippfehler einer sphärischen Oberfläche

4 Verschiebung und Kippung einer Linse

5 Neigung der Asphärenachse

6. Luftabstände und Mittendicken

 

Das OptiCentric® System ist in der Lage jeden dieser Fehler präzise und in Übereinstimmung mit der DIN / ISO Norm 10110-6 zu bestimmen.

Zentrierfehler von Linsen (oder 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. (siehe Abb.).
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.

Schematische Zeichnung des Zentrierfehlers einer Linse
Schematische Zeichnung des Zentrierfehlers einer Linse

Produkte für die Zentriermessung:

Zentrierfehler von asphärischen Linsen

Im Gegensatz zu sphärischen Oberflächen verfügen rotationssymmetrische asphärische Flächen über eine Symmetrieachse.

Ziel der Zentrierfehlermessung ist daher die Lagebestimmung dieser Symmetrieachse zur Bezugsachse.

Dafür müssen für eine asphärische Fläche folgende zwei Größen (jeweils mit x- und y-Komponente) ermittelt werden:

  • Die Ablage des paraxialen Krümmungsmittelpunktes zur Bezugsachse
  • Der Winkel der asphärischen Symmetrieachse zur Bezugsachse

Die Ablage entspricht dem klassischen Zentrierfehler von sphärischen Flächen und wird in gleicher Weise mit dem elektronischen Autokollimator gemessen.

Für die Winkelmessung der asphärischen Linse wird ein zusätzlicher Sensor – bei TRIOPTICS der AspheroCheck® Sensor – benötigt. Er misst den Schlag am äußeren Rand der asphärischen Fläche.

Sind die Ablage und der Winkel der asphärischen Fläche  bestimmt, können aus diesen Daten die folgenden Parameter errechnet werden:

  • Abstand und Neigung der Asphäre bezogen auf die primäre Bezugsachse des Messsystems (entspricht der Drehachse)
  • Abstand und Neigung der Asphäre bezogen auf die „optische Achse“ einer Einzellinse. Als „optische Achse“ wird die Gerade durch die Krümmungsmittelpunkte der sphärischen Anteile betrachtet.
  • Abstand und Neigung der Asphäre bezogen auf eine Bezugsachse nach DIN ISO 10110-6, wenn ein zusätzlicher Distanzsensor verwendet wird.
  • Wenn eine Linse aus zwei asphärischen Flächen besteht: Winkel und der Abstand der beiden Asphärenachsen
DDie wichtigsten Parameter einer asphärischen Linse
Die wichtigsten Parameter einer asphärischen Linse

Empfohlenes Produkt für die Messung der Asphärenachse:

Zentrierfehler von Zylinderlinsen und anamorphotischen Linsen

Parameter einer Zylinderlinse
Parameter einer Zylinderlinse

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.

Im Folgenden sind die für die Messtechnik relevanten Formen aufgeschlüsselt.

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 mess- technisch 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


Messtechnische Herausforderungen beim Messen von Zylinderlinsen

Die Asymmetrie der zylindrischen Fläche macht die Qualitätsprüfung von Zylinderlinsen erheblich aufwändiger als die von sphärischen Optiken. Der Krümmungsmittelpunkt einer sphärischen Oberfläche ist eindeutig durch seine Lage definiert, die präzise bestimmt werden kann.

Eine zylindrische Linsenfläche weist dagegen nur in einer Richtung einen Krümmungsradius auf. Der für sphärische Flächen typische Krümmungsmittelpunkt wird daher bei Zylinderflächen zu einer Linie, hier bezeichnet als Zylinderachse. Dies ist ein Grund, warum die Messung von Zylinderflächen aufwändiger ist als die Messung von sphärischen Optiken. Zur Auswertung dieser Zylinderachse muss nämlich neben ihrer Lage auch ihre Ausrichtung gemessen werden.

In Richtung der nicht gekrümmten Linsenoberfläche verhält sich eine Zylinderfläche wie eine Planfläche. Aus diesem Grund treten bei der vollständigen Charakterisierung aller Linseneigenschaften von Zylinderlinsen neben den von der sphärischen Optik bekannten Fehlern die typischen Fehler von Planoptiken auf.

Um die typischen Eigenschaften von Zylinderlinsen besser zu veranschaulichen, wird im Allgemeinen nicht von der Lage der Zylinderachse gesprochen, sondern von der Scheitellinie und der genauen Azimuthlage der Scheitellinien. Diese Linie entspricht der Zylinderachse, die entlang der optischen Achse auf die Linsenfläche projiziert wird.

Produkte für die Zentriermessung an Zylinderlinsen:

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 typischer Weise 20 Flächen von einer Seite vermessen werden.

 

Ein zweiter Messkopf wird bei den OptiCentric® Dual Systemen erwendet, um den Zentrierfehler auch von der unteren Seite zu bestimmen. So können bis zu 40 oder mehr optische Flächen erfasst werden.

Die sogenannte Multilens-Messung liefert die exakten x,y,z-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 einer Einzellinse
  • Ermittlung der optischen Achse einzelner Untersysteme oder der gesamten Optik Hierzu wird eine Regressionsgerade durch die beteiligten optischen Flächen gelegt
  • Berechnung der Abstände und Winkel zwischen optischen Achsen und Regressionsgeraden
    Berechnung der Lage von Einzellinsen oder Gruppen zu einer mechanischen Achse. Hierfür ist zusätzlich ein Messtaster benötigt
Vergleich von lichtdurchlässigen Bereichen von typischen Infrarotlinsenmaterialien und den erhältlichen OptiCentric® Messköpfen.*Abhängig von der Stärke der Dotierung und vom Dotanden
Vergleich von lichtdurchlässigen Bereichen von typischen Infrarotlinsenmaterialien und den erhältlichen OptiCentric® Messköpfen.*Abhängig von der Stärke der Dotierung und vom Dotanden

Besonderheiten bei der Zentriermessung von Infrarotlinsen

Zum Prüfen von Einzellinsen und vollständigen Baugruppen, die nur im Infrarotbereich lichtdurchlässig sind, bietet TRIOPTICS speziell für die Wellenlängen der Infrarotbereiche entwickelte Messköpfe an. Diese sind zur einfacheren Bedienung mit Focal-Plane-Array-Bildsensoren ausgestattet. Typische Anwendungen sind z. B. das Prüfen von Linsen und Baugruppen zur Wärmebilderkennung, für militärische Anwendungen oder zur Steuerung von Prozessen in der Industrie bei Linsenmaterialien wie Ge, Si, ZnSe, ZnS oder CaF2.

Infrarotbereiche

Die Infrarot-Wellenlängen sind für bildgebende Anwendungen in drei verschiedene Bereiche unterteilt. Innerhalb dieser Bereiche ist die Übertragung von Licht durch Luft sehr hoch. Dazwischen befinden sich stark absorbierende Bereiche im Spektrum.

Die drei in der Bildgebung zum Einsatz kommenden Infrarotbereiche sind: kurzwelliges Infrarot (SWIR) mit Wellenlängen von 0,9 bis 1,7 μm, mittelwelliges Infrarot (MWIR) mit Wellenlängen von 3 bis 5 μm und schließlich langwelliges Infrarot (LWIR) mit Wellenlängen von 8 bis 12 μm. Aufgrund von Grenzen in der Sensortechnologie kann bisher kein Bildsensor alle drei Wellenlängenbereiche abdecken. Allerdings können mit LWIR-Systemen die meisten MWIR-Linsen geprüft werden und umgekehrt.

Eine Übersicht über kompatible Materialien und die von den erhältlichen Messköpfen abgedeckten Bereiche bietet die nebenstehende Abbildung. Ein Sonderfall ist Silizium, da der lichtdurchlässige Bereich von der Stärke der Dotierung und vom Dotanden abhängt. Aus diesem Grund kann je nach Anwendung ein LWIR-Kopf geeignet sein.

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.

Produkte für das Zentriermessen und Aufbauen von Infrarotoptiken:

SmartAlign für effizientes Ausrichten, Kitten und Kleben von Linsen

Clever ausrichten und kitten mit dem SmartAlign Algorithmus

Der SmartAlign Algorithmus ist Teil der OptiCentric® Software und sorgt dafür, dass die Linsen zu einer frei wählbaren optischen oder mechanischen Referenzachse ausgerichtet werden können. Je nach Fertigungsprozess wird die Referenzachse beispielsweise als optische Achse der unteren Linse eines Achromats, als die Rotationsachse oder Achse eines Dorns definiert. Aufgrund dieser Flexibilität ist es möglich die OptiCentric® Cementing und Bonding Stationen auf unterschiedliche Fertigungsprozesse unserer Kunden anzupassen.

Anwendungsbeispiele für das Ausrichten und Kleben von Linsen in eine Fassung

Produkte für Zentriermessung, Ausrichtung und Kleben von Linsen in Fassungen

OptiCentric for Alignment

OptiCentric Bonding 5D läßt eine Ausrichtung in fünf Freiheitgsgraden zu.

  • 2 laterale Translationen
  • 2 Verkippungswinkel (θx, θy)
  • 1 axiale Translation (z)
  1. Linse
  2. Fassung

Verfahrensschritte bei OptiCentric Bonding 5D

Verfahrensschritte bei OptiCentric Bonding 5D
Verfahrensschritte bei OptiCentric Bonding 5D
  1. Der Klebstoff wird aufgebracht und die Positionen der Achse n von Linse und Fassung werden gemessen

  2. Die Linse wird in der Fassung in vier Freiheitsgraden ausgerichtet: x, y, θx, θy

  3. Der axiale Abstand zwischen dem Scheitelpunkt der Linse und einer Referenzfläche wird gemessen und die Linse axial ausgerichtet

  4. Der Klebstoff wird ausgehärtet

 

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 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 Zentriergenauigkeit 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“.