DE2803194A1

DE2803194A1 - Vorrichtung zum messen axial-symmetrischer asphaerischer flaechen

Info

Publication number: DE2803194A1
Application number: DE19782803194
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hashimoto
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1977-01-27
Filing date: 1978-01-25
Publication date: 1978-08-03
Also published as: US4151654A; FR2379049A1; FR2379049B1; JPS5393048A; GB1588603A; JPS5857700B2

Description

BLUMBACH · WESER . BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 28 03194

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Pateniconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Pa'.entconsult

NIPPON KOGAKU K.K. · Case 363

Tokyo, Japan

Vorrichtung zum Messen axial-symmetrischer asphärischer Flächen

Die Erfindung befaßt sich mit einer Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei bekannten Vorrichtungen zur Messung axial-symmetrischer asphärischer Flächen,wie asphärischer Linsen oder dgl.fwird eine Haltevorrichtung zum Halten einer zu prüfenden Linse um einen vorbestimmten Winkel um eine Drehachse geschwenkt, die senkrecht zur optischen Achse der Linse verläuft, um den Drehwinkel festzustellen. Es ist ein Wagen oder Schlitten vorgesehen, der eine Gleitbewegung längs der optischen Achse durchführen kann und einen mit der zu prüfenden Linse in Eingriff stehenden Fühler

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München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H.P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. - G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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hält. Der Wagen oder Schlitten wird verschoben, und zwar durch die Punktberührung zwischen der zu prüfenden Linse und dem Fühler, der während der Schwenkbewegung der zu prüfenden Linse längs der optischen Achse verschoben wird. Dadurch erhält man die Oberflächeneigenschaften der asphärischen Linse aus dem Verschiebungsbetrag und dem erwähnten Drehwinkel. Bei diesen bekannten Vorrichtungen ist es jedoch erforderlich, daß die Oberfläche der zu prüfenden Linse immer in Berührung mit dem Fühler steht. Wenn die Vorspannkraft zur Aufrechterhaltung einer solchen Berührung schwach ist, kann ein Meßfehler verursacht werden; und wenn die Vorspannkraft zu stark ist, kann der Fühler die Linsenoberfläche beschädigen.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen axial-symmetrisch asphärischer Flächen verfügbar zu machen, bei der keine Beschädigung der asphärischen Fläche auftritt und bei der Meßfehler minimal gemacht sind.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Vorrichtung zum Messen einer axial-symmetrisch asphärischen Fläche, bei der die asphärische Fläche innerhalb eines vorbestimm-

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ten Winkels um eine Drehachse geschwenkt wird, die senkrecht zur Symmetrieachse der asphärischen Fläche und durch den Krümmungsmittelpunkt einer zur asphärischen Fläche angenäherttangentialen sphärischen Fläche verläuft und bei der jegliche Abweichung im Abstand der asphärischen Fläche in einem vorbestimmten Punkt festgestellt wird, wodurch die Form der asphärischen Fläche gemessen wird, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch eine den Schwenkwinkel der asphärischen Fläche kontinuierlich ermittelnde Detektoreinrichtung, ein senkrecht zur Drehachse verschiebbares Gleitteil, eine zwischen der asphärischen Fläche und dem Gleitteil angeordnete FeinverSchiebungsdetektoreinrichtung, die einen in Punktberührung mit der asphärischen Fläche stehenden. Detektorkopf aufweist und der Feststellung einer hb~ weichung im Abstand zwischen dem Berührungspunkt und dem Gleitorgan dient, eine Antriebseinrichtung %ur Verschiebung des Gleitteils um einen Betrag, der sich in Abhängigkeit von einem der Antriebseinrichtung zugeführten Eingangssignal bestimmt, eine mit der Schwenkwinkeldetektoreinrichtung verbundene Steuereinrichtung zur Vorspeicherung des in jedem Punkt vorhandenen Abstandes zwischen asphärischer Fläche und angenähert tangentialer sphärischer Fläche und zur Erzeugung eines solchen Signals für die Antriebsein-

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richtung, daß das Gleitteil um einen Betrag verschoben wird, der dem gespeicherten Betrag des Abstandes im Berührungspunkt mit dem Detektorkopf entsprechend dem ermittelten Schwenkwinkel· gleicht,und eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige der von der Feinverschiebungsdetektoreinrichtung festgestellten Abstandsänderung.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verschiebt die zu messende asphärische Fläche selbst also nicht den eine große Masse aufweisenden Wagen oder Schiitten, so daß die asphärische Fläche frei von irgendeiner übermäßigen Krafteinwirkung ist, die deren Oberfläche beschädigen kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform; und

Fi. 2: ein Blockschaltbild einer Steuerein-

• richtung für die erfindungsgemäße Vorrichtung.

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Es wird nun eine erfindungsgemäße Ausführungsform zum Messen axial-symmetrisch asphärischer Flächen beschrieben. In Figur 1 besitzt eine Probenhalterung 1 einen Halteteil 1a variabler Länge, der einen Endes eine solche Form aufweist, daß an ihm eine zu messende Probenlinse 2 angebracht werden kann. Eine Mittelpunktwelle 3, die senkrecht zur optischen Achse der Probenlinse 2 verläuft, hält einen Endes die Probenhalterung 1 fest und ist mittels einer Buchse 4a drehbar an ainem Gehäusekörper 4 montiert. Die Mittelpunktwelle 3 ist mit Hilfe einer nicht gezeigten Antriebsquelle innerhalb eines vorbestimmten Drehwinkels hin- und herdrehbar und auch innerhalb des Berührungsbereichs zwischen der Probenlinse 2 und dem Kopf 7a eines noch zu beschreibenden Rauhigkeitsdetektor verschwenkbar. Ein Drehwinkeldetektor 5, wie ein Drehungskodierer oder dgl., ermittelt zu allen Zeiten den Drehwinkel der Mittelpunktwelle 3. Ein Schlitten 6 ist gleitend verschiebbar in Richtung der optischen Achse (in Richtung des doppelköpfigen Pfeils) bezüglich der Bezugsverschwenkung sposition der Probenlinse. Der Rauhigkeitsdetektor, wie ein elektrisches Mikrometer oder dgl.,ist am Schlitten befestigt und weist einen Endes den Kopf 7a auf, der normalerweise für eine Berührung mit der Probenlinse vorgespannt ist, so daß er jegliche Feinänderung des Abstandes

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zwischen dem Berührungsende und dem Wagen feststellen kann. Das Berührungsende ist so konzipiert, daß es sich während des Verschwenkens der Probenlinse 2 fehlerfrei auf der optischen Achse bewegt. Ein Untersetzungshebel 8 ist einen Endes mittels eines Drehstiftes 9 am Gerätekörper 4 drehbar montiert und trägt an seinem Mittelteil drenbar eine Drehrolle 10, die mit einem Ende des Schlittens 6 in Eingriff steht, und er trägt drehbar am anderen Ende eine Rolle 11, die mit einem Verbindungsglied 12 in Eingriff steht, das in Abhängigkeit von der Bewegung eines nachfolgend beschriebenen Antriebs 14 in Richtung des doppelköpfigen Pfeils bewegbar ist. Der Untersetzungshebel 8, der Drehstift 9 ind die Rollen 10 und 11 bilden zusammen ein Untersetzungsgetriebe zur Unterjsetzung des Betrages der vom Antrieb 14 bewirkten Verschiebung und zur Übertragung des reduzierten Verschiegungsbetrages auf den Schlitten 6. Der Antrieb 14 kann von einem Schrittmotor angetrieben werden, kann Impulssignale von einer noch zu beschreibenden Steuereinrichtung erhalten und versetzt das Verbindungsglied 12 in eine gradlinige Hin- und Herbewegung. Eine Meßeinrichtung 15, wie eine Laser-Interferenzmeßanordnung, ist dazu vorgesehen, zu allen Zeiten den Betrag der Verschiebung des Schlittens zu messen und außerdem die gemessenen Daten an die Steuereinrichtung 13 zu übertragen.

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Bei der Steuereinrichtung 13 kann es sich um einen Computer oder dgl. handeln. Gemäß Figur 2 umfaßt sie eine Speicherschaltung 13a, die mit dem Drehwinkeldetektor 5 verbunden ist, eine an die Speicherschaltung und an die Meßeinrichtung 15 angeschlossene Vergleichsschaltung 13b und eine mit der Vergleichsschaltung verbundene Impulserzeugungsschaltung 13c. Die Steuereinrichtung 13 ist mit dem Antrieb 14 verbunden.

Entsprechend den Drehwinkeln Q₀ , G_{1 (} Q₂. ι

der Mittelpunktwelle 3 sind in der Speicherschaltung 13a für verschiedene Punkte auf der vorbestimmten asphärischen Fläche der Probenlinse 2,von der angenommen wird, daß sie eine solche vorbestimmte (berechnete) asphärische Oberflächenform aufweist, die Beträge l_Qf 1., 1-, ... des Abstandes von der angenähert tangentialen sphärischen Fläche (einer sphärischen Fläche, welche auf der Symmetrieachse tangential zur asphärischen Fläche verläuft) vorgespeichert. Wenn dieser Speicherschaltung vom Drehwinkeldetektor 5 ein zum Drehwinkel Θ gehörender Datenwert übertragen wird, gibt der Speicher an die Vergleichsschaltung 13b die diesem Datenwert entsprechende Information bezüglich des Abstandsbetrages 1 ab.

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Die Vergleichsschaltung 13b vergleicht den von der Speicherschaltung 13a geschickten Abstandsbetrag 1 mit dem von der Meßeinrichtung 15 übertragenen Betrag der Verschiebung I¹ des Schlittens. Immer, wenn eine Differenz zwischen diesen beiden Beträgen besteht, gibt die Vergleichsschaltung an die Impulsgenera torschaltung 13c ein elektrisches Signal mit einem der Differenz entsprechenden Wert ab.

Die Impulsgeneratorschaltung 13c erzeugt eine Anzahl Impulssignale entsprechend dem Betrag des von der Verg'leichsschaltung 13b gelieferten elektrischen Signals.

Mit 16 ist eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige des Betrages der vom Rau_whigkeitsdetektor 7 festgestellten Feinverschiebung bezeichnet.

Mit einer solchen Vorrichtung kann die Messung der axial-symmetrischen asphärischen Fläche einer asphärischen Linse oder dgl. durchgeführt werden, indem eine Probenlinse an der Halterung 1 befestigt wird, die Länge des Halteteils 1a so eingestellt wird, daß die Mittelpunktwelle 3 mit dem KrümmungsZentrum der angenähert tangentialen sphärischen Fläche der Probenlinse übereinstimmt,

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die Probenhalterung 1 mit der Probenlinse 2 um einen vorbestimmten Drehwinkel um die Mittelpunktwelle 3 verschwenkt wird, während des Verschwenkens kontinuierlich der Drehwinkel mittels des Drehwinkeldetektors 5 gemessen und der festgestellte Datenwert an die Steuereinrichtung 13 übertragen wird. In Abhängigkeit von einem solchen Datenwert erzeugt die Steuereinrichtung 13 Impulssignale entsprechend den in ihr vorgespeicherten Drehwinkeln der Mittelpunkwelle 3 und sie wirkt auf den Antrieb ein, um den Schlitten 6 über das Untersetzungsgetriebe 8 bis 11 in Richtung des Pfeils zu verschieben. Gleichzeitig wird der Betrag der Verschiebung des Schlittens 6 zu allen Zeiten von der Meßeinrichtung 15 gemessen und zur Steuereinrichtung 1 3 zurückgekoppelt, die daraufhin den von der Meßeinrichtung 15 gemessenen Betrag mit dem zuvor gespeicherten Betrag vergleicht und dann, wenn zwischen beiden eine Differenz besteht, das Arbeiten des Antriebs 14 korrigiert. Der Rauhigkeitsdetektor 7 stellt Änderungen des Abstandes zwischen dem Berührungsende des Kopfes 7a, das immer in Berührung mit der Probenlinse 2 steht, und dem Schlitten 6 fest und sendet den festgestellten Datenwert an die Anzeigeeinrichtung 16, die daraufhin den Datenwert anzeigt. Wenn die Probenlinse eine vorbestimmte asphärische Oberflächenkonfiguration aufweist, gleitet der Schlitten

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exakt so, daß der Abstand zwischen dem Berührungsende des Kopfes 7a und dem Schlitten 6 immer konstant gehalten wird. Wenn es sich bei der Probenlinse um eine asphärische Linse mit einem Fehler gegenüber der vorbestimmten Konfiguration handelt, wird dieser Abstand beim Verschwenken der Linse geändert und vom Rauhigkeitsdetektor 7 festgestellt.

Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform ist die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Vorrichtung zur Messung axial-symmetrischer konvexer asphärischer Flächen beschrieben worden. Die Erfindung kann aber unter demselben Prinzip auch bei einer Vorrichtung zur Messung axial-symmetrischer konkaver asphärischer Flächen benutzt werden.

Auch kann die Steuereinrichtung 13 alternativ öhre die Vergleichsschaltung 13b gebildet und so aufgebaut werden, daß der von der Speicherschaltung 13a gesendete Abstand 1 direkt auf die Impulserzeugungsschaltung 13c gegeben und die dem Betrag des Abstandes 1 entsprechende Anzahl Impulse an den Antrieb 14 übertragen wird, der daraufhin eine der Impulszahl entsprechende Verschiebung über das Untersetzungsgetriebe auf den Schlitten 6 überträgt, und die Meßeinrichtung 15 kann weggelassen werden,

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Wenn in einem solchen Fall der vom Antrieb 14 und vom Untersetzungsgetriebe erzeugte Fehlerbetrag vernachlässigbar ist, kann das erfindungsgemäße Ziel auch durch eine solche Vorrichtung vollständig erreicht werden.

Die Anzeigeeinrichtung 16 kann in der Steuereinrichtung untergebracht werden, indem als Steuereinrichtung 13 ein Computer mit einer Anzeigefunktion benutzt wird.

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Claims

BLUMBACH · WEStR · BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÖNCHEN UND WIESBADEN 2803194

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Paientconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-185 237 Telegramme Patentconsult

NIPPON KOGAKÜ K.K. Case 363

Tokyo, Japan

Patentanspruch

Vorrichtung zum Messen einer axial-symmetrisch asphärischen Fläche, bei der die asphärische Fläche innerhalb eines vorbestimmten Winkels um eine Drehachse geschwenkt wird, die senkrecht zur Symmetrieachse der asphärischen Fläche und durch den Krümmungsmittelpunkt einer zur asphärischen Fläche angenähert tangentialen sphärischen Fläche verläuft, und bei der jegliche Abweichung im Abstand der asphärischen Fläche in einem vorbestimmten Punkt festgestellt wird, wodurch die Form der asphärischen Fläche gemessen wird, gekennzeichnet durch

eine den Schwenkwinkel der asphärischen Fläche kontinuierlich ermittelnde Detektoreinrichtung (5),

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München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H.P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

ORIGINAL INSPECTED

ein senkrecht zur Drehachse verschiebbares Gleitteil (6) ,

eine zwischen der asphärischen Fläche und dem Gleitteil angeordnete FeinVerschiebungsdetektoreinrichtung (7), die einen in Punktberührung mit der asphärischen Fläche stehenden Detektorkopf (7 a) aufweist und der Feststellung einer Abweichung im Abstand zwischen dem Berührungspunkt und dem Gleitorgan dient,

eine Antriebseinrichtung (8 bis 12, 14) zur Verschiebung des Gleitteils um einen Betrag, der sich in Abhängigkeit von einem der Antriebseinrichtung zugeführten Eingangssignal bestimmt,

eine mit der Schwenkwinkeldetektoreinrichtung (5) verbundene Steuereinrichtung (13) zur Vorspeicherung des in jedem Punkt vorhandenen Abstandes zwischen asphärischer Fläche und angenähert tangentialer sphärischer Fläche und zur Erzeugung eines solchen Signals für die Antriebseinrichtung, daß das Gleitteil um einen Betrag verschoben wird, der dem gespeicherten Betrag des Abstände« im Berührungspunkt mit dem Detektorkopf entsprechend dem ermittelten Schwenkwinkel gleicht

und eine Anzeigevorrichtung (16) zur Anzeige der von der Feinverschiebungsdetektoreinrichtung festgestellten Abstandsabweichung .

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