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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft die Messung der Linsenmittendicke an zentrierten oder unzentrierten Linsen.
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Stand der Technik
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Die Lindenmittendicke ist eine zentrale optische Eigenschaft einer Linse. Die Dicke einer Linse in der Linsenmitte entspricht dem Abstand zwischen den beiden Linsenoberflächen im Bereich der optischen Achse. Die Dicke einer Linse in der Linsenmitte sollte mit einer Genauigkeit < 10 μm definierbar sein.
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Das prinzipielle Problem bei der Bestimmung der Dicke einer Linse in der Linsenmitte (Linsenmittendicke; Lens Center Thickness) ist das Ermitteln der dicksten oder dünnsten Stellung am Prüfling. Jede laterale Abweichung hiervon führt zu einem von den Linsenradien abhängigen Messfehler.
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Zu den gebräuchlichen Verfahren gehört das Spannen der Linse mit Hilfe eines zur Mess-Apparatur ausgerichteten Zentralspanners. Diese Methode hat den Nachteil, dass sie nur bei bereits zentrierten Linsen ausreichend gut funktioniert.
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Ein anderes Verfahren ist das Ermitteln der dicksten oder dünnsten Stelle der Linse mit Hilfe der Mess-Apparatur selbst. Im Falle des taktilen Messens ist dabei jedoch die Gefahr groß, dabei den Prüfling selbst zu beschädigen. Berührungslose Mess-Apparaturen sind, mit im Vergleich zu taktilen Mess-Tastern konkurrenzfähigen Genauigkeiten, sehr teuer und dazu noch aufwendig zu bedienen.
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In der Druckschrift
JP 57 108 610 A wird beispielsweise ein Verfahren zur Messung der Mittendicke einer Linse beschrieben. Dabei wird auch eine Methode für die vor der Messung der Mittendicke erforderliche Zentrierung der zu messenden Linse offenbart.
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Ein Verfahren zum Ausrichten einer auf einer Zentrierglocke aufliegenden Linse ist auch der
DE 10 2004 030 896 A1 zu entnehmen. Die Druckschrift bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ausrichten einer optischen Achse einer Linse mittels zweier Werkstückspindeln, die an ihrer Stirnseite jeweils eine Zentrierglocke zur Aufnahme einer Linse aufweisen. Eine mit Bezug zur Spindelachse axial zur Zentrierglocke versetzt angeordnete Lichtquelle erzeugt einen koaxial zur Werkstückspindel ausgerichteten Lichtstrahl, der durch die zwischen den Zentrierglocken angeordnete Linse hindurch tritt. Der Zentrierglocke gegenüberliegend ist u. a. Lichtdetektor angeordnet, der als Kamera-Einheit ausgebildet ist. Der Lichtdetektor weist einen Sensor (CCD-Chip) auf, der die Erkennung und Auswertung der Lichtintensität realisiert, die der durch die Linse hindurch tretende Lichtstrahl generiert. Die Lage der Linse kann durch ein speziell dafür vorhandenes Werkzeug automatisch korrigiert werden.
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Die weitere Druckschrift
JP 56 160 631 A beschreibt ein Verfahren zum simultanen Messen der Dicke und der Exzentrizität einer Linse mittels zweier, zueinander gegenüber angeordneter Autokollimatoren. In der Mitte zwischen den Autokollimatoren wird die zu vermessende Linse in einer Linsenhalterung drehbar angeordnet.
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Ein in der Druckschrift
DE 195 30 027 A1 beschriebenes Verfahren betrifft die automatische Messung von Linsenparametern. Dabei wird die zu messende Linse mit einer Vorderfläche und einer Rückfläche von einem vorzugsweise monochromatischen Parallelstrahlenbündel durchsetzt. Das Lichtbündel wird hierbei durch eine Ringblende in unmittelbarer Nähe der Linse begrenzt, wobei das Lichtbündel zuletzt auf einen zumindest in einer Achse ortsauflösenden Strahlungsempfänger fällt, welcher nacheinander mehrere Mess-Signalwerte erzeugt, auf deren Basis die gesuchten Parameter der Linse, u. a. die Mittendicke, ermittelt werden.
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Aufgabe
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das das Bestimmen der Linsenmittendicke auf einfache und genau Art ermöglicht.
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Lösung
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Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindung umfasst auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinationen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.
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Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen der Dicke der Linsenmitte an zentrierten und unzentrierten Linsen wird zunächst eine zu prüfende Linse mit einer optischen Achse auf einem Drehlager mit einer Rotationsachse aufgenommen.
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In einem weiteren Schritt wird das Drehlager mit der Linse um seine Rotationsachse gedreht.
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Ein Laserstrahl wird parallel zur Rotationsachse des Drehlagers ausgerichtet. Der Laserstrahl wird durch die sich drehende Linse gelenkt.
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Auf der vom Laserstrahl abgewandten Seite der Linse wird ein ortsauflösender Lichtsensor derart angeordnet, dass er einen Schlagkreis des Laserstrahls nach Durchtritt durch die sich drehende Linse erfassen kann.
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Der Schlagkreis des Laserstrahls wird auf einem Display visualisiert.
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Die Linse wird jetzt so auf dem Drehlager ausgerichtet, dass die Größe des Radius des auf dem Display visualisierten Schlagkreises minimiert wird, wodurch die optische Achse der Linse mit der Rotationsachse des Drehlagers zusammen fällt.
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In einem nächsten Schritt wird ein gegenläufig angeordnetes justiertes Tasterpaar derart eingeschwenkt, dass die Achse der Taster nach dem Einschwenken mit der Rotationsachse des Drehlagers zusammen fällt.
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Anschließend wird mit den Tastern die Dicke der Linse auf der Rotationsachse durch Antasten gemessen.
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Nachdem die zu prüfende Linse zunächst von dem Drehlager der verwendeten Mess-Apparatur aufgenommen wurde, wird der parallel zur Drehachse des Drehlagers ausgerichtete Laserstrahl durch die zu prüfende Linse gelenkt. Nach dem Durchdringen der Linse trifft der Laserstrahl auf den ortsauflösenden Lichtsensor, der auf der vom Laserstrahl abgewandten Seite der Linse angeordnet wurde. Der Sensor erfasst den Schlagkreis, den der Laserstrahl nach Durchtritt durch die sich drehende Linse erzeugt. Als Sensor wird vorteilhafterweise eine Positionsdiode (Position Sensitive Device; PSD) verwendet.
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Der auf dem Sensor durch den Laserstrahl erzeugte Schlagkreis wird als Ausgangssignal des Sensors auf einem Display (z. B. Touch Panel) visualisiert. Dabei ist die Größe des Radius des Schlagkreises proportional der Größe der vorhandenen Verkippung der optischen Achse der Linse in Bezug auf die Rotationsachse des Drehlagers. Die Position der Linse wird iterativ so lange verändert, bis der Radius des Schlagkreises einen Wert nahe oder gleich Null erreicht. Ist dieses Ergebnis erreicht, so wurde die Übereinstimmung der optischen Achse der zu prüfenden Linse mit der Rotationsachse des Drehlagers hergestellt, d. h. die Linse wurde hinsichtlich Ihrer Position zentriert. Damit kann die Messung der Dicke der Linse in der Linsenmitte erfolgen.
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Um zu verhindern, dass die Lage der Linse auf dem Drehlager beim nachfolgenden Messvorgang ungewollt verändert wird, ist die Aufnahme der Linse auf dem Drehlager derart gestaltet, dass die Linse mittels einer Vakuum-Pumpe angesaugt und somit in der zentrierten Position fixiert werden kann.
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Nach dem Zentrieren der Linse auf dem Drehlager wird die Laser/PSD-Kombination, über eine geeignete Schwenkeinrichtung, durch ein gegenläufig angeordnetes Tasterpaar ausgetauscht.
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Die Taster werden zur konkreten Messung der Mittendicke der Linse verwendet. Die Tasterpositionen werden vor Beginn der Messung zunächst kalibriert (justiert), d. h. zunächst wird die Position der Taster bei sich berührenden Tasterspitzen definiert (Tasterabstand = Null). Die Taster zeigen ihre Position durch ein digitales Signal an. Die Genauigkeit der Taster sollte < 2 μm sein. Für den Messvorgang werden die Taster eingeschwenkt und gegenläufig an die Linsenoberflächen so herangefahren und so positioniert, dass sie die beiden Linsenoberflächen jeweils im Bereich der optischen Achse der Linse antasten.
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In dieser Position werden die digitalen Signale beider Taster erfasst und miteinander verrechnet. Das Ergebnis der Verrechnung beider Tastersignale definiert den Wert der Dicke der Linse in der Linsemitte, d. h. im Bereich der optischen Achse der Linse.
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Von besonderem Vorteil ist es, dass das vorgeschlagene Verfahren keine Kenntnis der Linsendaten voraussetzt, so dass auch unbekannte Linsen gemessen werden können.
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Weiterhin ist es auch von Vorteil, dass Linsen vermessen werden können, die eine Dezentrierung aufweisen. Die Dezentrierung ist ein Fertigungsfehler einer Linse, bei dem die optisch wirksamen Flächen der Linse (Linsenoberflächen) gegenüber einer Bezugskante (Linsenrand) bzw. Bezugsachse der Linse verkippt sind. Als Bezugsachse kann bei einer Einzellinse die Formachse d. h. die Symmetrieachse des Linsenrandes dienen.
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Die Erfindung ermöglicht es vorteilhafterweise, mit Hilfe einer preiswerten Kombination von Laser und Positionsdiode eine unbekannte Linse berührungslos für eine nachfolgende taktile Vermessung mittels einer ebenfalls preiswerten taktilen Mess-Apparatur auszurichten.
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Auch ist es von Vorteil, dass die erfindungsgemäße Linsendickenmessung bevorzugt an Linsen mit kleinen Radien und kleinen Durchmessern ausgeführt werden kann und eine fertigungstechnische vorherige Zentrierung der zu prüfenden Linse nicht erforderlich ist. Es ist jedoch zu beachten, dass die zu prüfenden Linsen für den Laserstrahl durchlässig sein müssen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Positionierung der Linse durch einen Aktuator. Die zentrierte Position der zu prüfenden Linse auf dem Drehlager der Mess-Anordnung wird iterativ realisiert. Der Vorgang zum Herstellen einer zentrierten Position der Linse kann aber auch manuell ausgeführt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Taster pneumatisch (d. h. durch die Anwendung von Pressluft) zusammenfahrbar und auf der Linsenoberfläche positionierbar.
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Zur Erfindung gehört auch eine Vorrichtung zum Messen der Dicke der Linsenmitte an zentrierten und unzentrierten Linsen mit:
- a) mit einer Aufnahme für eine zu prüfende Linse (100), wobei die Linse eine optische Achse (104) hat und die Aufnahme auf einem Drehlager (102) mit einer Rotationsachse (106) gelagert ist;
- b) mit einem Motor (216), der das Drehlager (102) mit der Linse (100) um seine Rotationsachse (106) dreht;
- c) mit einem Laser (206), der einen Laserstrahl erzeugt, der parallel zur Rotationsachse (106) des Drehlagers (102) ausgerichtet ist;
- d) mit Mitteln, den Laserstrahl durch die sich drehende Linse zu lenken;
- e) mit einem ortsauflösenden Lichtsensor,
wobei der ortsauflösenden Lichtsensor auf der vom Laserstrahl abgewandten Seite der Linse derart angeordnet ist, dass er einen Schlagkreis des Laserstrahls nach Durchtritt durch die sich drehende Linse erfassen kann;
- f) mit einem Display, auf dem der Schlagkreis visualisiert wird;
- g) mit Mitteln, die Linse so auf dem Drehlager auszurichten, dass die Größe des Radius des auf dem Display visualisierten Schlagkreises minimiert wird, wodurch die optische Achse der Linse mit der Rotationsachse des Drehlagers zusammen fällt;
- h) mit Mitteln, ein gegenläufig angeordnetes justiertes Tasterpaar derart einzuschwenken, dass die Achsen der Taster nach dem Einschwenken mit der Rotationsachse des Drehlagers zusammen fallen; und
- i) mit Mitteln, die es erlauben, anschließend mit den Tastern die Dicke der Linse auf der Rotationsachse durch Antasten zu messen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind auch die Mittel vorhanden, die Positionierung der Linse durch einen Aktuator zu bewirken.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung verfügt die Vorrichtung über die Möglichkeit, die Taster mit pneumatischen Mitteln zusammenzufahren und auf der Linsenoberfläche zu positionieren.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle – nicht genannten – Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.
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Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
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1a eine Prinzipdarstellung (schematisch) einer auf dem Drehlager nicht zentriert ausgerichteten Linse;
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1b eine Prinzipdarstellung (schematisch) einer auf dem Drehlager zentriert ausgerichteten Linse;
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2 eine perspektivische Gesamtansicht (schematisch) der Mess-Vorrichtung;
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3 eine perspektivische Teilansicht (schematisch) der Mess-Vorrichtung mit Innenansicht des Basisgehäuses der Mess-Vorrichtung;
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4 eine perspektivische Teilansicht (Schnittansicht; schematisch) der Mess-Vorrichtung; und
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5 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufes zum Messen der Mittendicke einer Linse.
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1a zeigt in einer Prinzipdarstellung eine zu prüfende Linse 100 vor einer ausgeführten Zentrierung. Die Linse 100 befindet sich hierbei auf der Linsenaufnahme eines Drehlagers 102. Die optische Achse 104 der Linse 100 befindet sich dabei in einer nicht definierten verkippten bzw. versetzten Position in Bezug auf die Rotationsachse 106 des Drehlagers.
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1b zeigt, dass im Ergebnis der iterativen Ausrichtung der Position der optischen Achse 104 der Linse 100 im Verlaufe des Zentrierungsvorganges 100 eine definierte ausgerichtete Position der optischen Achse 104 in Bezug auf die Rotationsachse 106 des Drehlagers eingenommen wurde und somit das Ziel der Zentrierung erreicht wurde und die optische Achse 104 der Linse 100 und die Rotationsachse 106 des Drehlagers 102 zusammenfallen. Dieser Zustand ist die Voraussetzung für die Durchführung der nachfolgenden konkreten taktilen Messung der Linsenmittendicke.
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Eine perspektivische Gesamtansicht (schematisch) der Mess-Vorrichtung 200 zeigt die 2. Die Messvorrichtung 200 besteht aus einem Basisgehäuse 202 mit den darin befindlichen Funktionselementen. Oberhalb auf dem Basisgehäuse 202 ist eine Befestigungsvorrichtung 204 mit der Laservorrichtung 206 und der Schwenkvorrichtung 208 für die Taster 210 und 212 (nicht dargestellt) angeordnet. Auf der oberen Abdeckung 214 des Basisgehäuses 202 befindet sich das Drehlager 102 mit der Linsenaufnahme. Die Rotationsbewegung des Drehlagers 102 wird durch einen Motor 216 bewirkt, der seitlich am Basisgehäuse 202 angebracht ist. Die Kraftübertragung vom Motor 216 zum Drehlager 102 erfolgt über einen Keilriemen 218, der das Antriebsrad 220 des Motors 216 mit dem Drehlager 102 verbindet.
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3 zeigt in perspektivischer Teilansicht der Mess-Vorrichtung 200 eine Innenansicht des Basisgehäuses 202 der Mess-Vorrichtung 200. Ergänzend zu 2 sind der untere Taster 212 sowie Teile 213 der Vorrichtung zum gegenläufigen Heranfahren der Taster 210, 212 an Oberflächen der zu vermessenden Linse 100 dargestellt. Die für die Zentrierung des Linse 100 auf dem Drehlager 102 erforderliche Positionsdiode (nicht gezeigt) ist unterhalb des Drehlagers 102 angeordnet.
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4 zeigt in einer weiteren perspektivischen Teilansicht der Mess-Vorrichtung ebenfalls die bereits in den 2 und 3 benannten Funktionselemente. Explizit sind in 4 zusätzlich die Tasterköpfe 402 und 404 dargestellt, die an die Linsenoberflächen heran gefahren werden. Nach dem Heranfahren wird die Messung ausgeführt.
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In 5 sind schematisch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte dargestellt. In Schritt 500 wird zunächst eine zu prüfende Linse 100 mit einer optischen Achse 104 auf einem Drehlager 102 mit einer Rotationsachse 106 aufgenommen. In Schritt 502 wird das Drehlager 102 mit der Linse 100 um seine Rotationsachse gedreht. Ein Laserstrahl wird in Schritt 504 parallel zur Rotationsachse des Drehlagers ausgerichtet und in Schritt 506 durch die sich drehende Linse 100 gelenkt. In Schritt 508 wird auf der vom Laserstrahl abgewandten Seite der Linse 100 auf einem dort angeordneten ortsauflösenden Lichtsensor der Schlagkreis des Laserstrahls nach Durchtritt durch die sich drehende Linse 100 erfasst. Der Schlagkreis wird in Schritt 510 auf einem Display visualisiert.
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In Schritt 512 (Entscheidung) wird das Ergebnis der Ausrichtung (Zentrierung) der Linse 100 auf dem Drehlager 102 bewertet.
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Ist die Zentrierung mit der zulässigen Toleranz erfolgt (”Ja”), wobei in diesem Falle die optische Achse 104 der Linse 100 mit der Rotationsachse 106 des Drehlagers zusammen fällt, dann erfolgt in Schritt 514 die Ausführung der taktilen Messung der Linsenmittendicke mit der Tastervorrichtung (Taster 210, 212).
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Ist die entsprechende Güte der Ausrichtung der Linse 100 noch nicht erreicht (”Nein”), wird die Linse 100 in Schritt 516 weiter so auf dem Drehlager 102 ausgerichtet, bis die Größe des Radius des auf dem Display visualisierten Schlagkreises minimiert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Linse
- 102
- Drehlager mit Linsenaufnahme
- 104
- Optische Ache der Linse
- 106
- Rotationsachse des Drehlagers
- 200
- Messvorrichtung
- 202
- Basisgehäuse
- 204
- Befestigungsvorrichtung
- 206
- Laservorrichtung
- 208
- Schwenkvorrichtung für Taster
- 210
- Taster
- 212
- Taster
- 213
- Vorrichtung zum Heranfahren der Taster
- 214
- obere Deckplatte Basisgehäuses
- 216
- Motor
- 218
- Keilriemen
- 220
- Antriebsrad des Motors
- 402
- Tasterkopf
- 404
- Tasterkopf
- 500
- Verfahrensschritt
- 502
- Verfahrensschritt
- 504
- Verfahrensschritt
- 506
- Verfahrensschritt
- 508
- Verfahrensschritt
- 510
- Verfahrensschritt
- 512
- Verfahrensschritt
- 514
- Verfahrensschritt
- 516
- Verfahrensschritt
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zitierte Literatur
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