Pressemitteilung "Goniometer mit Köpfchen"
Optische Prismen, Polygone und Keile automatisch messen
Die Vermessung von Winkeln bei Planoptiken mit Goniometern liefert Messwerte von höchster Genauigkeit und Reproduzierbarkeit, ist jedoch zeitaufwändig und erfordert qualifiziertes Fachpersonal. Ohne Nutzereingriffe arbeiten die computergestützten Goniometer von Möller-Wedel Optical, Wedel. Damit lassen sich Planoptiken in einem Zehntel der bisherigen Messzeit vermessen.
Bei der optischen Vermessung von Winkeln an Prismen, Polygonen und Keilen mittels Autokollimatoren wird das Autokollimationsbild einer Fläche des Messobjektes visuell oder durch einen Detektor aufgenommen. Der Winkel zu weiteren Flächen wird durch Drehen des Messobjektes oder der Anordnung derart bestimmt, dass bei der relativen Drehung das reflektierte Lichtbündel einer weiteren Fläche ebenfalls in den Autokollimator fällt. Der Drehwinkel wird durch eine allgemeine Maßverkörperung ermittelt, wie zum Beispiel einem Winkelencoder. Geräte dieser Messanordnung bezeichnet man üblicherweise als Goniometer.
- Mehrfachreflexionen entstehen durch Brechung und Reflexion im Inneren des Prismas (a) und erzeugen zwei versetzte Autokollimationsbilder, die sich ggf. überlagern (b). Durch die Ray-Tracing Analyse ist das GONIOMAT Messsystem in der Lage, automatisch die für die Messung relevanten Bilder auszuwählen.
Bei der Winkelmessung an Prismen, Polygonen und Planoptiken mit einem solchen Goniometer wird das von den Außenflächen der Prüfstücke primär reflektierte Strahlenbündel genutzt. Aufgrund der optischen Eigenschaften der Prüfstücke kann der Messstrahl jedoch auch in die Prüfstücke eindringen. In solchen Fällen können neben primären Reflexionen auch Mehrfachreflexionen von anderen Prüflingsflächen auftreten und in den Detektionsbereich fallen. Diese zusätzlichen Mehrfachreflexe stören die eigentliche Messung häufig durch Mehrdeutigkeit oder Überlagerung.
Als klassische Lösung für dieses Problem werden einzelne Flächen angehaucht, gewachst, hilfsverspiegelt oder mit anderen Mitteln in ihrer optischen Wirkungsweise gezielt verändert. Die „störenden“ Reflexe verschwinden dann, so dass sie als solche identifiziert werden können. Eingriffe dieser Art sind zeitaufwändig und erfordern erfahrenes Messpersonal. Eine vollständig automatisch ablaufende Messung, die ohne Nutzereingriffe alle Flächen eines Prismas objektiv vermessen soll, erfordert einen andere, neuartige Herangehensweise. Ingenieure von Möller-Wedel Optical verwirklichten daher in den Goniometern der Goniomat-Reihe einen neuen Ansatz.
Genutzte Mehrfachreflexe
Das Prinzip ist simpel: Anstatt Mehrfachreflexe als Störungen aufzufassen und zu unterdrücken, wird die Information genutzt, die sie indirekt tragen, und zur Auswertung und Ermittlung der gesuchten Winkel und Eigenschaften des Prüflings herangezogen.
Das Verfahren besteht aus zwei Schritten: In einem ersten Schritt werden sowohl primäre als auch sekundäre Reflexe aufgenommen. Die Messdaten dieser Reflexe liefern die Grundlage für eine computergestützte Analyse dieser Daten als zweiten Schritt. Aus den gemessenen Daten werden verschiedene Prismenmodelle gebildet, die die gemessenen Positionen und Eigenschaften der Reflexe erzeugt haben könnten. Jedes dieser berechneten Modelle wird anschließend mit Hilfe einer dreidimensionalen Ray-Tracing Methode „virtuell“ vermessen.
Ein abschließender Vergleich der „virtuellen“ und realen Messdaten führt zu einer Bewertung des Modells. Als Ergebnis der Analyse wird das Modell ermittelt, das dem realen Objekt am Besten entspricht. Aus der auf diese Weise bestimmten Geometrie des Prismas lassen sich alle Flächenwinkel extrahieren.
- Das kompakte Goniometer Goniomat M ist flexibel in einer Fertigungsumgebung einsetzbar.
Die Analyse der vollständigen Reflexionsdaten inklusive der Mehrfachreflexionen bietet neben der Möglichkeit zur vollständigen Automation der Messung weitere Vorteile für den Anwender:
- Da die üblicherweise ignorierten Mehrfachreflexe indirekte Informationen über die Winkel des Prüfstückes tragen, können sie zur Mittelung und so zur Steigerung der Genauigkeit genutzt werden.
- In die Auswertung der Mehrfachreflexe geht die Brechzahl des Materials ein. Wird, nachdem die Geometrie des Prüflings ermittelt wurde, das Ray-Tracing mit der Brechzahl als variablem Parameter durchgeführt, lässt sich auch die Brechzahl des vermessenen Prüfstückes über entsprechende Optimierungsverfahren ermitteln. Das System variiert dabei die Brechzahl und vergleicht die Position der simulierten Mehrfachreflexe mit den tatsächlich gemessen. Wird beispielsweise bei der Fertigung eines Prismas für eine Prismenserie die Glassorte SK4 eingesetzt, obwohl die Sorte BK7 für die Serie vorgegeben war, kann das Messsystem in diesem Fall eine Warnung ausgeben.
- Im gefundenen „virtuellen“ Modell des Prismas kann der Ablenkwinkel errechnet werden, ohne eine reale Messung durchzuführen. So werden zum Beispiel bei Pentaprismen noch vor dem Verspiegeln die Genauigkeit geprüft und bei Bedarf Korrekturmaßnahmen eingeleitet.
Virtueller Kipptisch
Neben der korrekten Identifikation von Mehrfachreflexionen muss ein Goniometer noch weitere Funktionen und Fähigkeiten aufzuweisen, um eine vollständig automatische Vermessung zu gewährleisten. So muss beispielsweise die Ebene, in der der Flächenwinkel gemessen wird, durch das Messsystem automatisch und normkonform eingehalten werden.
Bei der konventionellen Vermessung mit anderen Goniometern wird diese Messebene mit einem präzisen Kipptisch eingestellt. Die Ausrichtung des Tisches ist jedoch umständlich und äußerst zeitaufwändig. Dies gilt insbesondere im Falle eines Polygonprismas. Hier schreiben die Normen ISO 10110 und VDI 2605 als Messebene eine Ausgleichsebene vor, bei der die Abweichung zur allen Flächennormalvektoren des Polygons minimal ist. Eine solche Ausgleichsebene mit dem Kipptisch eines konventionellen Goniometers einzustellen, ist selbst für erfahrenes Messpersonal schwierig und nicht selten mit subjektiven Fehlern behaftet.
Die Goniometer der Goniomat-Reihe bestimmen laut Hersteller die Messebene automatisch. Da hierbei jegliche Justierung des Kipptisches entfällt, wird auch der dadurch entstehende subjektive Fehler auf Null reduziert. Die automatische Bestimmung der Messebene erfolgt durch die Steuersoftware des Goniometers, indem der Messtisch virtuell durch dreidimensionale Berechnungen fortlaufend während der Messung „verkippt“ wird. Auf diese Weise liegen alle Messwinkel bereits normkonform vor, wenn jede Fläche des Prüflings einmalig erfasst wurde.
Auch für die halbautomatische Variante Goniomat M, bei der der Rundtisch manuell verfahren wird, wird die Messebene automatisch bestimmt. Dies führt laut Herstellerangaben zu einer signifikanten Produktivitäts- und Genauigkeitssteigerung. So konnte Möller-Wedel Optical die Messzeit für die aufwändigen Abnahmemessungen mit Winkelnormalen beim Goniomat M im Vergleich zu klassischen Goniometern um den Faktor zehn reduzieren.
- Der Messtisch wird beim Goniomat M per Hand gedreht, die Auswertung erfolgt automatisch.
Ergonomische Software
Die Abläufe und Berechnungen werden während der Messung von einer Steuersoftware durchgeführt. Sie finden automatisch im Hintergrund ohne komplizierte Nutzereingriffe statt. Den Nutzer erwartet vielmehr eine klar strukturierte Benutzeroberfläche. Damit soll auch unerfahrenes Bedienpersonal schnell, einfach und ohne Fehler messen können.
Spezielle Hilfsmittel und Visualisierungen in der Benutzeroberfläche beschleunigen zusätzlich die Bedienung des Messsystems. Eine grafische Darstellung visualisiert dabei die Messsituation und trägt so dazu bei, dass sich der Nutzer schnell orientieren kann. Beispielsweise werden die Positionen von noch nicht angetasteten Flächen auf Grundlage der bisher erfassten Messflächen vorhergesagt und angezeigt. Dies ermöglicht ein schnelles Positionieren der betreffenden Messfläche im Detektionsbereich des Autokollimators ohne lästiges und zeitraubendes Suchen.