DE102017001524B4 - Arrangement for measuring at least partially reflective surfaces - Google Patents

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Abstract

Anordnung zur Vermessung zumindest teilweise reflektierender Oberflächen eines Messobjektes (8), umfassend mindestens eine Beleuchtungsquelle (1), mindestens vier sammelnde Optiken (3, 5, 7, 10), mindestens zwei Raumfilter (6, 9), mindestens ein optisches Gitter (4) und eine Bildaufnahmeeinheit (11), wobei die Beleuchtungsquelle (1), die sammelnden Optiken (3, 5, 7, 10), die Raumfilter (6, 9), das optische Gitter (4) und die Bildaufnahmeeinheit (11) entlang einer gemeinsamen optische Achse positioniert sind.

Figure DE102017001524B4_0000
Arrangement for measuring at least partially reflecting surfaces of a measuring object (8) comprising at least one illumination source (1), at least four collecting optics (3, 5, 7, 10), at least two spatial filters (6, 9), at least one optical grating (4 ) and an image pickup unit (11), wherein the illumination source (1), the collecting optics (3, 5, 7, 10), the spatial filters (6, 9), the optical grating (4) and the image pickup unit (11) along a common optical axis are positioned.
Figure DE102017001524B4_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Vermessung von zumindest teilweise reflektierenden Oberflächen, mit der auch komplexe Freiformoberflächen mit großen Neigungen vermessen und ohne zusätzliche Nullelemente mit großer Genauigkeit rekonstruiert werden können.The present invention relates to an arrangement for measuring at least partially reflecting surfaces, with which even complex free-form surfaces with large inclinations can be measured and reconstructed with great accuracy without additional zero elements.

Eine exakte Formvermessung von Oberflächen ist in ganz unterschiedlichen Anwendungsbereichen der Technik, vor allem aber in der optischen Messtechnik, unabdingbar. Die rasante Entwicklung in diesen Bereichen, besonders für Freiformoberflächen, erfordert neue fortschrittliche Methoden und Sensoren für diese Messungen mit hoher Auflösung und Genauigkeit bei kurzer Messzeit [1] [2].An exact shape measurement of surfaces is indispensable in very different application areas of technology, but above all in optical measurement technology. The rapid development in these areas, especially for freeform surfaces, requires new advanced methods and sensors for these measurements with high resolution and accuracy with short measurement time [ 1 ] [ 2 ].

Freiformoberflächen sind nicht-rotationssymmetrische Oberflächen, die gegenüber herkömmlichen rotationssymmetrischen Oberflächen einige Vorteile haben. So erlauben sie z.B. eine größere Anzahl von Freiheitsgraden im Entwurf und eine höhere Funktionsvielfalt für die Verwendung in einem optischen System [3]. Dies ermöglicht eine bessere Kontrolle der Abbildungsfehler und die Entwicklung von kompakten und leichten optischen Systemen. Daher werden diese Freiformoberflächen jetzt schon in verschiedenen Anwendungsbereichen wie z.B. in kompakten Projektionssystemen, Head-up-Displays und in der Lithographie eingesetzt [4].
Neben diesen Vorteilen, gibt es jedoch auch noch viele Herausforderungen bei der Herstellung und Charakterisierung dieser Freiformoberflächen, die nach dem heutigen Stand der Technik mit immer genaueren und teureren CNC-Fertigungsmaschinen hergestellt werden [5] [6]. Für eine zeitnahe Erfassung der dabei auftretenden Fertigungsfehler ist eine unmittelbare Kontrolle der Fertigungsqualität noch während der Produktion wünschenswert, wobei eine Reduzierung der Abmaße der Prüfeinrichtungen und -geräte deren direkte Integration in eine CNC-Maschine deutlich vereinfacht [7].
Free-form surfaces are non-rotationally symmetric surfaces, which have some advantages over conventional rotationally symmetric surfaces. For example, they allow a greater number of degrees of freedom in the design and a greater variety of functions for use in an optical system [ 3 ]. This allows better control of aberrations and the development of compact and lightweight optical systems. Therefore, these free-form surfaces are already used in various applications such as in compact projection systems, head-up displays and in lithography [ 4 ].
In addition to these advantages, however, there are still many challenges in the production and characterization of these free-form surfaces, which are produced according to the current state of the art with increasingly accurate and expensive CNC production machines [ 5 ] [ 6 ]. For a timely detection of the resulting manufacturing defects, a direct control of the manufacturing quality is still desirable during production, with a reduction in the dimensions of the test equipment and equipment significantly simplifies their direct integration into a CNC machine [ 7 ].

Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung optisch glatter Oberflächen mit Hilfe der Erfassung ihrer Form oder Wellenfront bekannt.A variety of methods for the three-dimensional measurement of optically smooth surfaces by means of the detection of their shape or wavefront are known from the prior art.

Die am weitesten verbreiteten Verfahren werden mit Kontakt- oder taktilen Koordinaten-Messmaschinen realisiert, mit denen auch komplexe Oberflächen vermessen werden können. Nachteilig dabei ist, dass diese Verfahren eine vibrationsfreie Umgebung voraussetzen, sie in ihrer räumlichen Auflösung begrenzt und relativ zeitaufwändig sind. Daher werden diese Messverfahren in der Fertigung nur für die Charakterisierung von einzelnen Stichproben eingesetzt. Eine Integration der erforderlichen Messtechnik in z.B. eine CNC-Maschine ist nur bedingt möglich [8].The most widely used methods are realized with contact or tactile coordinate measuring machines with which even complex surfaces can be measured. The disadvantage here is that these methods require a vibration-free environment, they are limited in their spatial resolution and relatively time consuming. Therefore, these measuring methods are used in production only for the characterization of individual samples. An integration of the required measuring technology into, for example, a CNC machine is only possible to a limited extent [ 8th ].

Andere bekannte Messverfahren nutzen die Eigenschaften von Licht als elektromagnetische Welle, um Oberflächen bzw. Wellenfronten zu vermessen. Dabei wird das Messobjekt beleuchtet und das von seiner Oberfläche reflektierte Licht mit unterschiedlichen Verfahren und Messgeräten erfasst und analysiert. Jedoch dürfen die dafür erforderlichen Messgeräte bzw. ihre Baugruppen nicht im Strahlengang der Beleuchtung positioniert sein, da andernfalls das Messobjekt ganz oder teilweise von den optischen Bauteilen abgeschattet wird (vgl. hierzu 1).Other known measuring methods use the properties of light as an electromagnetic wave in order to measure surfaces or wavefronts. The object to be measured is illuminated and the light reflected from its surface is detected and analyzed using different methods and measuring instruments. However, the measuring devices required for this purpose or their assemblies must not be positioned in the beam path of the illumination, since otherwise the measurement object is completely or partially shaded by the optical components (cf. 1 ).

Das Problem der ungewollten Abschattung wird nach dem Stand der Technik mit der Verwendung von Strahlteilern (14) oder einer außeraxialen Beleuchtung der reflektierenden Oberfläche des Messobjektes umgangen (s. 2). Allerdings führt die zu einer nachteiligen Vergrößerung der Abmaße der gesamten Messeinrichtungen bzw. zu sehr komplexen Aufbauten.The problem of unwanted shadowing according to the prior art with the use of beam splitters ( 14 ) or an off-axis illumination of the reflective surface of the measurement object is bypassed (s. 2 ). However, this leads to a disadvantageous increase in the dimensions of the entire measuring devices or to very complex structures.

Nachfolgend sind die wichtigsten, aus dem Stand der Technik bekannten optischen Verfahren zur Vermessung von Oberflächen oder Wellenfronten aufgeführt.The most important optical methods known from the prior art for measuring surfaces or wavefronts are listed below.

Für die meisten optischen Bauteile mit leicht gekrümmten Oberflächen im konventionellen Design und mit unkomplizierten, einfachen Geometrien, wie z.B. ebene, leicht gekrümmte oder sphärische Flächen (Linsen, Spiegel etc.), kommen oft interferometrische Verfahren zum Einsatz [9]. Für die Beleuchtung dieser Oberflächen wird meist kohärentes oder partiell kohärentes Licht (Laser oder LED als Lichtquelle) verwendet, welches aufgeteilt wird und auf zwei unterschiedlichen Pfaden weiterläuft: auf einem ersten Pfad, auf dem auch das zu vermessende Objekt angeordnet ist (Objektwelle) und auf einem zweiten Pfad, auf dem das zu vermessende Objekt nicht angeordnet ist (Referenzwelle). Anschließend werden die Lichtanteile beider Pfade überlagert und das entstehende Interferenzmuster als Intensitätsverteilung aufgenommen.For most optical components with slightly curved surfaces in conventional design and with uncomplicated, simple geometries, such as flat, slightly curved or spherical surfaces (lenses, mirrors, etc.), interferometric methods are often used [ 9 ]. For the illumination of these surfaces mostly coherent or partially coherent light (laser or LED as light source) is used, which is divided and continues on two different paths: on a first path on which the object to be measured is arranged (object wave) and on a second path on which the object to be measured is not arranged (reference wave). Subsequently, the light components of both paths are superimposed and the resulting interference pattern is recorded as an intensity distribution.

Zur Erreichung einer hohen Messgenauigkeit bedarf es bei diesen Verfahren einer hohen optomechanischen Präzision der Messeinrichtung. Damit verbunden sind ein sehr hoher Justage-Aufwand und eine störungsarme Umgebung (Fremdlicht, mechanische Vibrationen, Temperaturkonstanz). Diese Maßnahmen erfordern einen hohen apparativen Aufwand mit entsprechenden Kosten. Problematisch ist außerdem der geringe dynamische Bereich (Messbereich) dieser Verfahren von nur einigen Lichtwellenlängen. Um diese Begrenzung aufzuheben, wird mit einem Bezugselement eine Referenzwellenfront erzeugt (Null-Test) und diese mit der Objektwelle des Messobjektes verglichen. Allerdings stellt die Fertigung eines Null-Test-Bauteils sowohl technologisch als auch ökonomisch eine große Hürde dar, zumal auch dieses vor seiner Verwendung erst geprüft werden muss. Eine andere Methode, den Messbereich etwas, aber nicht immer ausreichend zu erhöhen, ist die Tilted Wave Interferometry [10] [11] [12] [13].
Aus den oben genannten Gründen werden in der Regel interferometrische Messverfahren zur Oberflächen- und Rauheitsprüfung genutzt. Als Messverfahren zur Oberflächenrekonstruktion sind sie jedoch ungeeignet.
In order to achieve a high measuring accuracy, these methods require a high optomechanical precision of the measuring device. This is associated with a very high adjustment effort and a low-noise environment (extraneous light, mechanical vibration, temperature stability). These measures require a high expenditure on equipment with corresponding costs. Another problem is the low dynamic range (measuring range) of these methods of only a few wavelengths of light. To remove this limitation, a reference element becomes a reference wavefront generated (zero test) and compared with the object wave of the measurement object. However, the production of a zero-test component represents a major hurdle both technologically and economically, especially since this must first be tested before it is used. Another method of slightly but not always increasing the measurement range is the Tilted Wave Interferometry [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ].
For the reasons mentioned above, interferometric measuring methods for surface and roughness testing are generally used. However, they are unsuitable as surface reconstruction measuring methods.

Bei Bauteilen mit anspruchsvoll geformten Oberflächen wie z.B. Asphären kommen die aus dem Stand der Technik bekannten Wellenfrontmessverfahren, wie z.B. das Hartmann-Verfahren oder der Shack-Hartmann-Test zum Einsatz (z.B. Patent US 7 525 076 B1 ). Dort wird ein so genannter differentialer Shack-Hartmann-Krümmungs-Sensor (SHS) zum Messen von Hauptkrümmungen und Neigungen einer Wellenfront eingesetzt. Oberflächen mit großen Neigungen oder Krümmungen können damit allerdings nicht vermessen werden (Beschränkung durch die Größe der Abbildungsoptiken oder der Mikrolinsenarrays). Darüber hinaus bestehen Einschränkungen bezüglich der messbaren Höhendifferenz im Oberflächenprofil und der lateralen Auflösung. Zudem tritt bei Freiformoberflächen das Problem der Eindeutigkeit der Messung auf, daher werden diese Messverfahren benutzt, solange die lokale Steigung der Freiform kleiner ist als der dynamische Bereich des SHS.For components with sophisticatedly shaped surfaces, such as aspheres, the wavefront measuring methods known from the prior art, for example the Hartmann method or the Shack-Hartmann test, are used (eg patent US Pat. No. 7,525,076 B1 ). There, a so-called differential Shack-Hartmann curvature sensor (SHS) is used to measure major curvatures and inclinations of a wavefront. However, surfaces with large inclinations or curvatures can not be measured (limited by the size of the imaging optics or the microlens arrays). In addition, there are limitations with regard to the measurable height difference in the surface profile and the lateral resolution. In addition, in the case of free-form surfaces, the problem of uniqueness of the measurement occurs, therefore, these measuring methods are used as long as the local slope of the free-form is smaller than the dynamic range of the SHS.

Mit der Offenlegungsschrift DE 10 2013 018 569 A1 wird eine neues Messverfahren zur optischen Formerfassung glänzender glatter Freiformoberflächen, mit denen auch Freiformoptiken mit großen Neigungen absolut vermessen und deren Oberfläche rekonstruiert werden können. Die Erfindung baut auf dem Prinzip der Rasterreflektometrie auf, bei dem von der zu untersuchenden, zumindest teilweise spiegelnden Oberfläche wenigstens ein Lichtmuster reflektiert wird und mit Hilfe einer dreidimensionalen Beobachtungseinheit im Raum zurückpropagiert wird. Das Verfahren ist absolut und gut geeignet für Freiformoberflächen mit großen Steigungen. Jedoch hat dieses Verfahren den Nachteil, dass es sehr zeitaufwändig ist, da die zu vermessende Oberfläche gerastert werden muss.With the publication DE 10 2013 018 569 A1 is a new measurement method for the optical shape detection of glossy smooth freeform surfaces, with which even freeform optics with large inclinations can be absolutely measured and their surface reconstructed. The invention is based on the principle of raster reflectometry, in which at least one light pattern is reflected by the surface to be examined, at least partially reflecting, and is propagated back in space with the aid of a three-dimensional observation unit. The process is absolute and well suited for freeform surfaces with large slopes. However, this method has the disadvantage that it is very time-consuming, since the surface to be measured has to be rastered.

Weiterhin wird in der einschlägigen Patent- und Nichtpatentliteratur eine konfokale Abtastung von zu vermessenden Oberflächen vorgeschlagen (z.B. DE 197 49 974 C2 , DE 10 2005 043 627 A1 ). Nachteilig hierbei ist der komplizierte Justage des Aufbaus. Zudem sind diese Verfahren nicht für Oberflächen mit großen Neigungen geeignet.Furthermore, in the relevant patent and non-patent literature a confocal scanning of surfaces to be measured is proposed (eg DE 197 49 974 C2 . DE 10 2005 043 627 A1 ). The disadvantage here is the complicated adjustment of the structure. In addition, these methods are not suitable for surfaces with large inclinations.

Andere Verfahren vermessen ein Gittermuster, welches an der spiegelnden Oberfläche reflektiert bzw. transmittiert wird. Das Gitter besitzt eine veränderliche Gitterperiode, die an die zu erwartende Oberflächenform entsprechend ihrer Gradienten / Neigungen angepasst ist. Diese Verfahren lassen sich unter dem Begriff der deflektometrische Verfahren zusammenfassen. Zahlreichende Patente und Publikationen wurden hierzu veröffentlicht (z.B. WO 97/ 40 367 A1 , WO 2005/ 031 251 A1 , WO 01/ 23 833 A1 , US 2008 / 225 303 A1 , US 4 912 336 A1 [14], [15] und [16]). Allerdings sind die deflektometrischen Verfahren ohne zusätzlichen Aufwand an Software und Hardware immer mehrdeutig und nicht für Oberflächen mit großen Neigungen geeignet.Other methods measure a grating pattern which is reflected or transmitted at the specular surface. The grating has a variable grating period adapted to the expected surface shape according to its gradients / inclinations. These methods can be summarized under the term of the deflektometric method. Numerous patents and publications have been published (eg WO 97/40 367 A1 . WO 2005/031 251 A1 . WO 01/23 833 A1 . US 2008/225 303 A1 . US 4,912,336 A1 [ 14 ], [ 15 ] and [ 16 ]). However, the deflektometric methods are always ambiguous without additional expenditure on software and hardware and are not suitable for surfaces with large inclinations.

Ein anderes, nach dem Rasterreflexionsverfahren arbeitendes Messverfahren ist in [17] beschrieben. Um damit eine Oberflächengeometrie ermitteln zu können, müssen unterbestimmte Differentialgleichungssysteme gelöst werden, was zu einer erhöhten Messunsicherheit führen kann. Aufgrund dieser Modellannahme lässt sich das Verfahren nicht für die Vermessung komplexer Messobjekte unbekannter Geometrie zuverlässig und eindeutig anwenden.Another measuring method using the grid reflection method is described in [ 17 ]. In order to be able to determine a surface geometry, underdetermined systems of differential equations must be solved, which can lead to an increased measurement uncertainty. Based on this model assumption, the method can not be used reliably and unambiguously for the measurement of complex measurement objects of unknown geometry.

In der DE 10 2005 007 244 A1 wird ein weiteres Rasterreflexionsverfahren mit einem Beleuchtungsmuster vorgestellt, das die Formerfassung reflektierender Oberflächen ermöglicht. Jedoch ist es ebenfalls nicht geeignet für Messobjekte mit stark gekrümmten Oberflächen, da nicht alle reflektierten Strahlen den verwendeten diffusen Schirm treffen. Außerdem hat dieses Verfahren eine begrenzte laterale Auflösung.In the DE 10 2005 007 244 A1 Another refinement method is presented with a pattern of illumination that enables the shape detection of reflective surfaces. However, it is also not suitable for measuring objects with strongly curved surfaces, since not all reflected rays hit the diffuse screen used. In addition, this method has a limited lateral resolution.

Eine als Holographic Wavefront Sensor bezeichnete Messeinrichtung wird in der US 7 268 937 B1 präsentiert. Dieser Sensor wurde für die Vermessung optischer Bauteile in Transmission entwickelt. Für reflektierende Oberflächen kann er jedoch nicht eingesetzt werden. Außerdem funktioniert dieses Verfahren nur mit kohärenter Beleuchtung und folglich mit den aus den interferometrischen Verfahren bekannten Nachteilen.A designated as Holographic Wavefront sensor measuring device is in the US Pat. No. 7,268,937 B1 presents. This sensor was developed for the measurement of optical components in transmission. However, it can not be used for reflective surfaces. In addition, this method only works with coherent illumination and consequently with the disadvantages known from the interferometric methods.

Im Patent US 6 396 588 B1 wird ein Hybrid Curvature-Tilt Wavefront Sensor vorgestellt. Dieser Sensor ist hochpräzise, hat allerdings große Abmessungen. Diese kommen dadurch zustande, dass in diesem Sensor mehrere Strahlteiler verwendet werden. Bisher wurde diese Art von Sensor nur für transmittierende Bauteile konzipiert. Eine Anpassung für die Vermessung von reflektierenden Bauteilen würde eine weitere Vergrößerung seiner räumlichen Abmessungen zur Folge haben.In the patent US Pat. No. 6,396,588 B1 introduces a Hybrid Curvature-Tilt Wavefront Sensor. This sensor is highly accurate, but has large dimensions. These are due to the fact that several beam splitters are used in this sensor. So far, this type of sensor has been designed only for transmitting components. An adaptation for the measurement of reflective components would result in a further enlargement of its spatial dimensions.

Für die Verwendung in der Augenmedizin wurde ein Ophthalmic talbot-moire wavefront Sensor entwickelt (Patent US 6 736 510 B1 ). Dieser Sensor beruht auf der sogenannten Selbstabbildung. Er umfasst eine seitliche Beleuchtungseinheit und einen Strahlteiler. Daraus resultiert wieder eine große räumliche Ausdehnung der gesamten Messanordnung. For use in ophthalmology, an ophthalmic talbot-moire wavefront sensor has been developed (patent US Pat. No. 6,736,510 B1 ). This sensor is based on the so-called self-imaging. It comprises a lateral illumination unit and a beam splitter. This again results in a large spatial extent of the entire measuring arrangement.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass zur Vermessung von reflektierenden Oberflächen bisher nicht auf Strahlteiler bzw. seitliche einfallende Beleuchtung verzichtet werden kann. Die Gesamtmaße der erforderlichen Messanordnungen fallen somit groß aus und die Messaufbauten sind nicht kompakt. Demzufolge ist ein hoher Justage-Aufwand zwischen dem Beleuchtungsarm und dem Aufnahmearm notwendig. Außerdem können zusätzliche, ungewollte Effekte wie Mehrfachausbreitungen und -reflexionen an und zwischen den Oberflächen der Strahlteiler auftreten. Ferner sind die Anschaffungskosten von Strahlteilern mit guter Qualität oft sehr hoch.
All diese Nachteile sowie die hohen Anforderungen an eine störungsarme Umgebung (mechanische Vibrationen, Temperaturkonstanz) erschweren eine direkte Integration der vorgestellten Messverfahren in laufende Fertigungsverfahren, z.B. mit einer CNC-Maschine.
In summary, it can be stated that the measurement of reflecting surfaces can not be dispensed with beam splitters or lateral incident illumination. The overall dimensions of the required measurement arrangements are therefore large and the measurement setups are not compact. Consequently, a high adjustment effort between the lighting arm and the pickup arm is necessary. In addition, additional unwanted effects such as multiple propagation and reflection at and between the surfaces of the beam splitters may occur. Furthermore, the cost of high quality beam splitters is often very high.
All these disadvantages and the high demands on a low-noise environment (mechanical vibrations, temperature stability) complicate a direct integration of the presented measuring methods in current manufacturing processes, eg with a CNC machine.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden.The object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches. Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.According to the invention, the solution of this problem succeeds with the features of the first claim. Further embodiments of the solution according to the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung baut auf dem Prinzip der Wellenfrontvermessung mit Fourieroptiken auf, bei dem das Messobjekt mit der zu vermessenden Oberfläche mit mindestens einer Lichtquelle, zwei Abbildungssystemen und einer Kamera kombiniert wird, wobei die optischen Elemente gleichzeitig sowohl als Beleuchtungseinheit als auch als Modulationseinheit bzw. Auswerteeinheit verwendet werden. Erfindungsgemäß werden alle optischen Elemente auf einer optischen Achse angeordnet, ohne dass eine Abschattung zwischen der Beleuchtung und dem Messobjekt stattfindet. Folglich kann auf eine seitliche Beleuchtung bzw. Strahlteiler verzichtet und ein kompakter Messaufbau mit geringen Abmaßen realisiert werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt in der Nutzung einer partiell kohärenten Beleuchtung. Es werden kohärente oder partiell kohärente monochromatische Lichtquellen (z.B. Laser, LED) verwendet, wobei LEDs hierbei deutlich besser für die Beleuchtung geeignet sind als Laserlichtquellen. Die Abmaße kostengünstiger LEDs sind heute bereits kleiner als einen Millimeter. Das ermöglicht den Entwurf neuer Beleuchtungssysteme auf kleinstem Raum.
Durch die teilkohärente Eigenschaft des Lichts werden die unerwünschten Interferenzen an den reflektierenden Oberflächen der Bauelemente des Versuchsaufbaus vermieden. Außerdem lassen sich die sogenannten Speckleprobleme bei teilkohärenter Beleuchtung drastisch reduzieren. Zum Großteil sind die verwendeten LEDs nicht gesundheitsschädlich im Vergleich zu einer Beleuchtung mit Laserlicht. Das führt dazu, dass eine Benutzung von Schutzbrillen nicht unbedingt nötig ist.
The invention is based on the principle of wavefront measurement with Fourier optics, in which the measurement object with the surface to be measured is combined with at least one light source, two imaging systems and a camera, the optical elements simultaneously being used both as a lighting unit and as a modulation unit or evaluation unit become. According to the invention, all optical elements are arranged on an optical axis, without shading taking place between the illumination and the measurement object. Consequently, it is possible to dispense with a lateral illumination or beam splitter and to realize a compact measurement setup with small dimensions.
Another aspect of the present invention is the use of partially coherent illumination. Coherent or partially coherent monochromatic light sources (eg lasers, LEDs) are used, whereby LEDs are much better suited for illumination than laser light sources. The dimensions of inexpensive LEDs are already smaller than one millimeter. This allows the design of new lighting systems in the smallest space.
The partially coherent nature of the light avoids the unwanted interference at the reflective surfaces of the devices of the experimental setup. In addition, the so-called speckle problems can be drastically reduced with partially coherent illumination. For the most part, the LEDs used are not harmful to health compared to a laser light. This leads to the fact that a use of goggles is not absolutely necessary.

Im Folgenden wird die erfindungsgemäße kompakte Anordnung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

  • 1- die Abschattung eines Messobjektes durch optische Bauteile (Problemstellung)
  • 2- aus dem Stand der Technik bekannte Problemlösungen
    1. a - die Verwendung von Strahlteilern
    2. b - die Verwendung einer seitlichen Beleuchtung
  • 3- der Beleuchtungspfad einer erfindungsgemäßen Anordnung
  • 4- der Reflexionspfad einer erfindungsgemäßen Anordnung
  • 5- Ausführungsbeispiele für eine zusätzliche außeraxiale parallele Beleuchtung des Messobjektes
  • 6- weitere Ausführungsbeispiele für eine zusätzliche außeraxiale parallele Beleuchtung des Messobjektes
  • 7- Ausführungsbeispiele für eine wellenlängenkodierte Beleuchtung des Messobjektes
In the following, the compact arrangement according to the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows:
  • 1 - the shading of a measuring object by optical components (problem definition)
  • 2 - Problem solutions known from the prior art
    1. a - the use of beam splitters
    2. b - the use of side lighting
  • 3 - The illumination path of an inventive arrangement
  • 4 - The reflection path of an arrangement according to the invention
  • 5 Embodiments for an additional extra-axial parallel illumination of the measurement object
  • 6 - Further embodiments of an additional extra-axial parallel illumination of the measurement object
  • 7 - Embodiments for a wavelength-coded illumination of the measurement object

In 3 ist der Beleuchtungspfad in einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Eine Beleuchtungsquelle (1) wird direkt vor einer Lochblende (Pinhole) (2) positioniert. Diese Lochblende (2) ist in der objektseitigen Brennweite einer ersten sammelnden Optik (3) (System bestehend aus z.B. einer oder mehreren Linsen, Asphären, Achromaten oder Objektiven o.ä.) angeordnet. Die Lochblende (2) stellt für die erste sammelnde Optik (3) eine Punktlichtquelle dar. Hinter der ersten sammelnden Optik (3) wird eine ebene Welle (= paralleles Strahlenbündel) propagiert. In Brennweite der ersten sammelnden Optik (3) zuzüglich eines beliebigen kleinen Abstands s wird ein optisches Gitter (4) positioniert. Dieses soll die ebene Welle in verschiedene Richtungen beugen (Beugungsordnungen). Es kann als Phasen- oder Amplitudengitter ausgeführt sein. Das optische Gitter (4) wird zur Führung der Beleuchtungswelle und zur Modulation der Intensität des Beleuchtungslichtes benutzt. Nach diesem optischen Gitter (4) wird eine zweite sammelnde Optik (5) so positioniert, dass sich das optische Gitter (4) in dessen objektseitiger Brennweite befindet. Weiterhin wird in der bildseitigen Fokalebene (= Fourier Ebene) der zweiten sammelnden Optik (5) ein erstes Raumfilter (6) eingesetzt. Dieses erste Raumfilter (6) lässt lediglich die vom optischen Gitter (4) erzeugte nullte Beugungsordnung des Beleuchtungslichtes passieren. Eine nachfolgende dritte sammelnde Optik (7) wird so justiert, dass deren objektseitige Brennebene mit der Ebene des ersten Raumfilters (6) zusammenfällt. Die am optischen Gitter (4) erzeugte nullte Beugungsordnung des Beleuchtungslichtes, die im Achspunkt der bildseitigen Brennebene (6) der zweiten sammelnden Optik (5) fokussiert ist, dient wiederum als eine Punktlichtquelle, dessen Licht von der nachfolgenden dritten sammelnden Optik (7) auf eine zumindest teilweise reflektierende Oberfläche des Messobjektes (8) kollimiert wird. Diese zumindest teilweise reflektierende Oberfläche des Messobjektes (8) befindet sich in der bildseitigen Brennebene der dritten sammelnden Optik (7) und wird letztendlich mit einem parallelen Strahlenbündel ausgeleuchtet.In 3 the illumination path is shown in an arrangement according to the invention. A lighting source ( 1 ) is placed directly in front of a pinhole ( 2 ). This pinhole ( 2 ) is in the object-side focal length of a first collecting optics ( 3 ) (System consisting of eg one or more lenses, aspheres, achromats or lenses or the like) arranged. The pinhole ( 2 ) provides for the first collecting optics ( 3 ) is a point light source. Behind the first collecting optics ( 3 ) a plane wave (= parallel beam) is propagated. In focal length of the first collecting optics ( 3 ) plus any small distance s, an optical grating ( 4 ). This is to bend the plane wave in different directions (diffraction orders). It can be designed as a phase or amplitude grating. The optical grating ( 4 ) becomes the leadership of the Illuminating wave and used to modulate the intensity of the illumination light. After this optical grating ( 4 ) is a second collecting optics ( 5 ) is positioned so that the optical grating ( 4 ) is located in the object-side focal length. Furthermore, in the image-side focal plane (= Fourier plane) of the second collecting optics ( 5 ) a first spatial filter ( 6 ) used. This first spatial filter ( 6 ) leaves only those of the optical grating ( 4 ) generated zeroth diffraction order of the illumination light happen. A subsequent third collecting optic ( 7 ) is adjusted so that its object-side focal plane with the plane of the first spatial filter ( 6 ) coincides. The optical grating ( 4 ) generated zeroth diffraction order of the illumination light, which in Achpunkt the image-side focal plane ( 6 ) of the second collecting optics ( 5 ), in turn serves as a point light source, the light from which is collected by the third collecting optics ( 7 ) on an at least partially reflective surface of the measurement object ( 8th ) is collimated. This at least partially reflective surface of the measurement object ( 8th ) is located in the image-side focal plane of the third collecting optics ( 7 ) and is ultimately illuminated with a parallel beam.

In 4 ist der Reflexionspfad in einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Die zumindest teilweise reflektierende Oberfläche des Messobjektes (8) reflektiert die ebene Welle, wobei sie in Abhängigkeit von der Form dieser Oberfläche durch Laufzeitunterschiede (doppelte optische Weglängendifferenz) gekrümmt wird. Das reflektierte Licht passiert die dritte sammelnde Optik (7) und trifft auf das erste Raumfilter (6) in der objektseitigen Fokalebene der dritten sammelnden Optik (7), die gleichzeitig als Fourier Ebene bzgl. der Ebene, in der die zumindest teilweise reflektierende Oberfläche des Messobjektes (8) angeordnet ist, nur einen eingeschränkten Bereich des Winkelspektrums des reflektierten Lichtes passieren lässt. Über die zweite sammelnde Optik (5) wird das reflektierte Licht in die Ebene des optischen Gitters (4) Fourier transformiert. Folglich sind die Ebene der zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche des Messobjektes (8) und die Ebene des optischen Gitters (4) zueinander optisch konjugiert (durch die optische Abbildung miteinander verknüpft). Am Gitter (4) liegt also eine konjugiert komplexe und Tiefpass gefilterte Verteilung des von der zu vermessenden Oberfläche des Messobjektes (8) reflektierten Lichtes vor. Diese wird am optischen Gitter (4) gebeugt. Die erste sammelnde Optik (3) fokussiert in einem zweiten Raumfilter (9) alle Beugungsordnungen: Während die nullte Beugungsordnung des reflektierten Lichtes durch die Lochblende (2) blockiert wird, passieren sie höheren Beugungsordnungen (z.B. ±1. Beugungsordnung) das zweite Filter (9) und werden durch eine vierte sammelnde Optik (10) geführt. In der objektseitigen Brennebene der vierten sammelnden Optik (10) befindet sich eine Bildaufnahmeeinheit (11), mit der die Verteilung der Intensität des einfallenden Lichtes erfasst wird. Die Ebene der Bildaufnahmeeinheit (11) ist optisch konjugiert zur bildseitigen Brennebene der ersten sammelnden Optik (3), in deren Abstand s sich das optische Gitter (4) befindet. Im Falle einer ideal planen zu vermessenden Oberfläche des Messobjektes (8) wird von der Bildaufnahmeeinheit (11) die Verteilung des über die Entfernung s vom optischen Gitter (4) propagierten Lichtes erfasst (z.B. Struktur des Amplitudengitters). Eine verformte zu vermessende Oberfläche des Messobjektes (8) bewirkt eine adäquate Verformung der Lichtwelle entsprechend der doppelten optischen Weglängendifferenz in der Ebene der zu vermessenden Oberfläche und somit eine Beeinflussung der Verteilung des reflektierten Lichtes. Dies wiederum ermöglicht die Vermessung dieser Oberflächenverformung.
Ein geeignetes analytisches Verfahren zur Ermittlung dieser Wellenfrontverformung wurde in [18] vorgestellt. Dieses basiert auf der Beugungstheorie und der Fourieranalyse mit einem modifizierten Winkelspektrum Propagator, wobei die Ausbreitung einer Wellenfront hinter einem zwei-dimensionalen Kreuzgitter analysiert wird. Mit Hilfe eines 4f Teleskop Systems mit einem geeigneten Filter im Fourierraum wird die Intensitätsverteilung hinter einem zwei-dimensionalen Kreuzgitter auf die Ebene einer CCD Kamera abgebildet. Um die Wellenfront zu rekonstruieren, wird das aufgenommene Intensitätsbild im Spektralbereich analysiert und die Phasengradienten der gemessenen Wellenfront direkt extrahiert.
In 4 the reflection path is shown in an arrangement according to the invention. The at least partially reflective surface of the measurement object ( 8th ) reflects the plane wave, being curved by propagation time differences (double optical path length difference) depending on the shape of this surface. The reflected light passes through the third collecting optic ( 7 ) and hits the first spatial filter ( 6 ) in the object-side focal plane of the third collecting optics ( 7 ), which at the same time as a Fourier plane with respect. The plane in which the at least partially reflecting surface of the measurement object ( 8th ) is allowed to pass only a limited portion of the angular spectrum of the reflected light. About the second collecting optics ( 5 ), the reflected light is in the plane of the optical grating ( 4 ) Fourier transformed. Consequently, the plane of the at least partially reflecting surface of the measurement object ( 8th ) and the plane of the optical grating ( 4 ) are optically conjugate to each other (linked together by the optical imaging). At the grid ( 4 ) is thus a complex conjugate and low-pass filtered distribution of the surface to be measured by the measured object ( 8th ) reflected light. This is done on the optical grating ( 4 ) bent. The first collecting optic ( 3 ) focused in a second spatial filter ( 9 ) all diffraction orders: While the zeroth diffraction order of the reflected light through the pinhole ( 2 ) is blocked, they pass higher diffraction orders (eg ± 1 diffraction order) the second filter ( 9 ) and by a fourth collecting optics ( 10 ) guided. In the object-side focal plane of the fourth collecting optics ( 10 ) is an image acquisition unit ( 11 ), with which the distribution of the intensity of the incident light is detected. The plane of the image acquisition unit ( 11 ) is optically conjugate to the image-side focal plane of the first collecting optics ( 3 ), at whose distance s the optical grating ( 4 ) is located. In the case of a surface of the object to be measured which is to be ideally planned ( 8th ) is received by the image acquisition unit ( 11 ) the distribution of the distance s from the optical grating ( 4 ) propagated light (eg structure of the amplitude grating). A deformed surface of the object to be measured ( 8th ) causes an adequate deformation of the light wave corresponding to twice the optical path length difference in the plane of the surface to be measured and thus influencing the distribution of the reflected light. This in turn allows the measurement of this surface deformation.
A suitable analytical procedure for determining this wavefront deformation was presented in [ 18 ] presented. This is based on diffraction theory and Fourier analysis with a modified angle spectrum propagator, analyzing the propagation of a wavefront behind a two-dimensional cross-grating. Using a 4f telescope system with a suitable filter in the Fourier space, the intensity distribution behind a two-dimensional cross-grating is imaged onto the plane of a CCD camera. In order to reconstruct the wavefront, the recorded intensity image in the spectral range is analyzed and the phase gradients of the measured wavefront are directly extracted.

5 zeigt zwei Ausführungsbeispiele für eine zusätzliche außeraxiale parallele Beleuchtung der zu vermessenden Oberfläche des Messobjektes (8). Mit der außeraxialen Beleuchtung lässt sich unter Verwendung der zuvor beschriebenen Anordnung der Messbereich für den Oberflächengradienten erweitern. Eine in der Ebene des ersten Raumfilters (6) lateral versetzt angeordnete Punktlichtquelle (1, 2) wird in die Ebene der zu vermessenden Oberfläche des Messobjektes (8) kollimiert. Das von dort reflektierte Licht, das die Anordnung rückwärtig wie zuvor beschrieben durchläuft, wird von Oberflächengradienten verursacht, die bei ausschließlich axialer Beleuchtung durch das erste Raumfilter (6) geblockt wurden. Folglich kann ein Ausschnitt der Wellenfront mit einem höheren Gradientenspektrum vermessen werden. Diese Messungen können mit den zuvor bei axialer Beleuchtung ermittelten Wellenfronten kombiniert werden (z.B. mittels Stitching in der Fourierebene mit nachfolgender inverser Fourier Transformation oder durch Zusammensetzung der einzelnen Wellenfronten im Ortsbereich), wodurch stärker gekrümmte Wellenfronten reproduzierbar werden.
Es liegt ebenso im Bereich der Erfindung, dass für die Erfassung von Gradientenspektren anderer Richtungen sowie noch höherer Oberflächengradienten weitere Punktlichtquellen (1, 2) in der Ebene des Raumfilters (6) positioniert werden. Damit kann der Einfallswinkel des Lichtes in x- und y- Richtung an die zu ermittelnden Bereiche der Oberflächengradienten und - orientierungen angepasst werden.
5 shows two embodiments for an additional extra-axial parallel illumination of the surface to be measured of the measurement object ( 8th ). The off-axis illumination can be used to extend the surface gradient measurement range using the previously described arrangement. One in the plane of the first spatial filter ( 6 ) laterally offset point light source ( 1 . 2 ) is in the plane of the surface to be measured of the measured object ( 8th ) collimates. The reflected light from there, which undergoes the arrangement backwards as described above, is caused by surface gradients, which in case of exclusively axial illumination by the first spatial filter ( 6 ) were blocked. Consequently, a section of the wavefront can be measured with a higher gradient spectrum. These measurements can be combined with the wavefronts previously determined with axial illumination (eg by means of stitching in the Fourier plane with subsequent inverse Fourier transformation or by composition of the individual wavefronts in the local area), whereby more curved wavefronts are reproducible.
It is also within the scope of the invention that for the detection of gradient spectra of other directions as well as even higher surface gradients further point light sources ( 1 . 2 ) in the plane of the spatial filter ( 6 ). In this way, the angle of incidence of the light in the x and y directions can be adapted to the regions of the surface gradients and orientations to be determined.

In 6 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele für eine zusätzliche außeraxiale parallele Beleuchtung der zu vermessenden Oberfläche des Messobjektes (8) dargestellt. Dabei sind zusätzliche Punktlichtquellen (1, 2) in verschiedenen Abständen von der optischen Achse der Anordnung positioniert. Dank dieser flexiblen Positionierung können alle Gradientenfelder der zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche des Messobjektes (8) abgetastet und vermessen werden.In 6 are two further embodiments of an additional extra-axial parallel illumination of the surface to be measured of the measurement object ( 8th ). There are additional point light sources ( 1 . 2 ) are positioned at different distances from the optical axis of the device. Thanks to this flexible positioning, all gradient fields of the at least partially reflecting surface of the test object ( 8th ) are sampled and measured.

Ein Ausführungsbeispiel für eine wellenlängenkodierte Beleuchtung der zu vermessenden Oberfläche des Messobjektes (8) ist in 7 offenbart. Sie ermöglicht eine gleichzeitige Aufnahme der Intensitätsverteilung aller verwendeten Wellenlängen. Dabei sind die Beleuchtungsquelle (1) sowie die zusätzlichen Beleuchtungsquellen (16, 17, 18, 19) in der Ebene des ersten Raumfilters (6) jeweils durch ein anderes Beleuchtungsspektrum charakterisiert. Mit Hilfe der verschiedenen Wellenlängen des Beleuchtungslichtes lassen sich die Oberflächengradienten kodieren, wobei die Beleuchtungsquellen vorzugsweise gleichzeitig eingeschaltet sind. Das verkürzt die Messzeiten. Die Bildaufnahmeeinheit (11) muss allerdings dabei so ausgelegt sein, dass alle Wellenlängen erfasst und die Bilder wellenlängenselektiv verarbeitet werden können (z.B. mit Hilfe einer Farbkamera). Damit können die unterschiedlichen Bereiche der Gradienten im Objekt selektiert werden.An exemplary embodiment of a wavelength-coded illumination of the surface to be measured of the measurement object ( 8th ) is in 7 disclosed. It allows simultaneous recording of the intensity distribution of all wavelengths used. The illumination source ( 1 ) and the additional sources of illumination ( 16 . 17 . 18 . 19 ) in the plane of the first spatial filter ( 6 ) are each characterized by a different illumination spectrum. With the help of the different wavelengths of the illumination light, the surface gradients can be coded, the illumination sources preferably being switched on simultaneously. This shortens the measuring times. The image acquisition unit ( 11 ), however, must be designed so that all wavelengths can be recorded and the images can be processed wavelength-selective (eg with the help of a color camera). This allows the different areas of the gradients in the object to be selected.

Schließlich können in Abhängigkeit von den zu vermessenden lateralen Abmessungen des Messobjektes (8) sowie von den Bereichen der erfassbaren Oberflächengradienten die Brennweiten der einzelnen sammelnden Optiken (3),(5),(7) und (10) variiert und an die Auflösung und Größe des verwendeten Bildsensors angepasst werden.Finally, depending on the lateral dimensions of the object to be measured ( 8th ) and of the areas of the detectable surface gradients, the focal lengths of the individual collecting optics ( 3 ), ( 5 ), ( 7 ) and ( 10 ) and adapted to the resolution and size of the image sensor used.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
- Beleuchtungsquelle mit Beleuchtungsspektrum a- Illumination source with illumination spectrum a
22
- Lochblende- pinhole
3, 5, 7, 103, 5, 7, 10
- sammelnde Optik- collecting optics
44
- optisches Gitter- optical grating
6, 96, 9
- Raumfilter- room filter
88th
- Messobjekt mit zumindest teilweise reflektierender Oberfläche- DUT with at least partially reflective surface
1111
- Bildaufnahmeeinheit- Image acquisition unit
1313
- Abschattung- Shading
1414
- Strahlteiler- Beam splitter
1616
- Beleuchtungsquelle mit Beleuchtungsspektrum b- Illumination source with illumination spectrum b
1717
- Beleuchtungsquelle mit Beleuchtungsspektrum c- Illumination source with illumination spectrum c
1818
- Beleuchtungsquelle mit Beleuchtungsspektrum d- Illumination source with illumination spectrum d
1919
- Beleuchtungsquelle mit Beleuchtungsspektrum e- Illumination source with illumination spectrum e

LiteraturlisteBibliography

  1. [1] X. Zhang, L. Zheng, X. He, L. Wang, and F. Zhang, „Design and fabrication of imaging optical systems with freeform surfaces,“ Proc. SPIE 8486, 848607 (2012) .[1] X. Zhang, L. Zheng, X. He, L. Wang, and F. Zhang, "Design and fabrication of imaging optical systems with freeform surfaces," Proc. SPIE 8486, 848607 (2012) ,
  2. [2] F. Roddier, in Adap tive Optics in Astronomy 1999 (Cambridge University,1999). [2] F. Roddier, in Adap tive Optics in Astronomy 1999 (Cambridge University, 1999).
  3. [3] Z. Zhenrong, H. Xiang, and L. Xu, „Freeform surface lens for LED uniform illumination,“ Appl. Opt. 48, 6627-6634 (2009). [3] Z. Zhenrong, H. Xiang, and L. Xu, "Freeform Surface Lens for LED Uniform Illumination," Appl. Opt. 48, 6627-6634 (2009).
  4. [4] R. H. Abd El-Maksoud, M. Hillenbrand, and S. Sinzinger, „Parabasal theory for plane-symmetric systems including freeform surfaces,“ Opt. Eng. 53, 031303(2014). [4] RH Abd El-Maksoud, M.Hillenbrand, and S. Sinzinger, "Parabasal theory for plane-symmetric systems including freeform surfaces," Opt. Eng. 53, 031303 (2014).
  5. [5] D. D. Walker., A. T. H. Beaucamp, V. Doubrovski, C. Dunn, R. Freeman, G. McCavana, R. Morton, D. Riley, J.Simms, and X. Wei, „New results extending the precessions process to smoothing ground aspheres and producing freeform parts,“ Proc. SPIE 5869,58690 (2005). [5] DD Walker., ATH Beaucamp, V. Doubrovski, C. Dunn, R. Freeman, G. McCavana, R. Morton, D. Riley, J. Simms, and X. Wei, "New results extending the precession process to smoothing ground aspheres and producing freeform parts, "Proc. SPIE 5869, 588690 (2005).
  6. [6] S. Stoebenau, R. Kleindienst, R.Kampmann and S. Sinzinger, „Enhanced optical functionalities by integrated ultraprecision machining techniques,“ Proceedings of the Euspen 10th International Conference, 412-415 (2010). [6] S. Stoebenau, R. Kleindienst, R. Kampman and S. Sinzinger, "Enhanced optical functionalities by integrated ultraprecision machining techniques," Proceedings of the Euspen 10th International Conference, 412-415 (2010).
  7. [7] F. Z. Fang, X. D. Zhang, A.Weckenmann, G. X. Zhang, and C. Evans „Manufacturing and measurement of freeform optics,“ CIRP Ann. - Manufact. Tech.62, 823-846 (2013). [7] FZ Fang, XD Zhang, A. Weckenmann, GX Zhang, and C. Evans "Manufacturing and measurement of freeform optics," CIRP Ann. - Manufact. Tech. 62, 823-846 (2013).
  8. [8] P. Su, C. J. Oh, R. E. Parks, and J. H. Burge, „Swing arm optical CMM for aspherics,“ Proc. SPIE 7426, 74260J (2009) [8th] P. Su, CJ Oh, RE Parks, and JH Burge, "Swing arm optical CMM for aspherics," Proc. SPIE 7426, 74260J (2009)
  9. [9] G. S. Khan, K. Mantel, I. Harder, N. Lindlein, and J. Schwider, „Design considerations for the absolute testing approach of aspherics using combined diffractive optical elements,“ Appl. Opt.7040-7048 (2007). [9] GS Khan, K. Mantel, I. Harder, N. Lindlein, and J. Schwider, "Design considerations for the absolute testing approach of aspherics using combined diffractive optical elements," Appl. Opt.7040-7048 (2007).
  10. [10] G. S. Khan, M. Bichra, A. Grewe, N. Sabitov, K. Mantel, I. Harder, A.Berger, N. Lindlein, and S. Sinzinger, „Metrology of freeform optics using diffractive null elements in Shack-Hartmann sensors,“ 3rd EOS Conference on Manufacturing of Optical Components, Munich, EOSMOC (2013)[10] GS Khan, M. Bichra, A. Grewe, N. Sabitov, K. Mantel, I. Harder, A. Berger, N. Lindlein, and S. Sinzinger, "Metrology of freeform optics using diffractive zero elements in Shack -Hartmann sensors, "3rd EOS Conference on Optical Components, Munich, EOSMOC (2013)
  11. [11] S. Reichelt, C. Pruss, and H. J. Tiziani, „Absolute interferometric test of aspheres by use of twin computer-generated holograms,“ Appl. Opt. , 4468-4479 (2003)[11] S. Reichelt, C. Pruss, and H. J. Tiziani, "Absolute interferometric test of aspheres by using twin-computer-generated holograms," Appl. Opt., 4468-4479 (2003)
  12. [12] G. Baer, J. Schindler, C. Pruss, W. Osten: Calibration of a non-null test interferometer for the measurement of aspheres and free-form surfaces. Opt. Express 22(2014)25, pp. 31200-31211 [12] G. Baer, J. Schindler, C. Pruss, W. Osten: Calibration of a non-zero test interferometer for the measurement of aspheric and free-form surfaces. Opt. Express 22 (2014) 25, pp. 31200 to 31211
  13. [13] http://spie.org/documents/SPIEProfessional/TWI_SPIE_Professional_ITO.pdf?WT. mc_id=MSPIEPROGBW[13] http://spie.org/documents/SPIEProfessional/TWI_SPIE_Professional_ITO.pdf?WT. mc_id = MSPIEPROGBW
  14. [14] S. Zhang: High-resolution, Real-time 3-D Shape Measurement. Dissertation, Stony Brook University, Stony Brook, NY, 2005. [14] S. Zhang: High-resolution, Real-time 3-D Shape Measurement. Dissertation, Stony Brook University, Stony Brook, NY, 2005.
  15. [15] M. Yamazaki, S. Iwata und G. Xu: „Dense 3D Reconstruction of Specular and Transparent Objects Using Stereo Cameras and Phase-Shift Method“. ACCV 2007, Part II, LNCS 4844 S. 570-579, 2007. [15] Yamazaki, S. Iwata and G. Xu: "Dense 3D Reconstruction of Specular and Transparent Objects Using Stereo Cameras and Phase-Shift Method". ACCV 2007, Part II, LNCS 4844 pp. 570-579, 2007.
  16. [16] R. Seßner: „Richtungscodierte Deflektometrie durch Telezentrie“. Dissertation, Universität Erlangen-Nürnberg, 2009. [16] R. Sessner: "Directionally coded deflectometry by telecentricity". Dissertation, University Erlangen-Nürnberg, 2009.
  17. [17] J. Beyerer, D. Perard „Automatische Inspektion spiegelnder Freiformflächen anhand von Rasterreflexionen“, Technisches Messen 64, 199710,Seite 394 bis 400 [17] J. Beyerer, D. Perard "Automatic Inspection of Reflecting Freeform Surfaces Based on Grid Reflections", Technisches Messen 64, 199710, pages 394 to 400
  18. [18] M. Bichra, N. Sabitov, T. Meinecke, S. Sinzinger „Wavefront sensing by numerical evaluation of diffracted wavefields“ Appl. Opt. 56, A13-A22 (2017) [18] M. Bichra, N. Sabitov, T. Meinecke, S. Sinzinger "Wavefront sensing by numerical evaluation of diffracted wavefields" Appl. Opt. 56, A13-A22 (2017)

Claims (10)

Anordnung zur Vermessung zumindest teilweise reflektierender Oberflächen eines Messobjektes (8), umfassend mindestens eine Beleuchtungsquelle (1), mindestens vier sammelnde Optiken (3, 5, 7, 10), mindestens zwei Raumfilter (6, 9), mindestens ein optisches Gitter (4) und eine Bildaufnahmeeinheit (11), wobei die Beleuchtungsquelle (1), die sammelnden Optiken (3, 5, 7, 10), die Raumfilter (6, 9), das optische Gitter (4) und die Bildaufnahmeeinheit (11) entlang einer gemeinsamen optische Achse positioniert sind.Arrangement for measuring at least partially reflecting surfaces of a measuring object (8) comprising at least one illumination source (1), at least four collecting optics (3, 5, 7, 10), at least two spatial filters (6, 9), at least one optical grating (4 ) and an image pickup unit (11), wherein the illumination source (1), the collecting optics (3, 5, 7, 10), the spatial filters (6, 9), the optical grating (4) and the image pickup unit (11) along a common optical axis are positioned. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Beleuchtungsquelle (1) kohärentes oder zumindest teilkohärentes Licht ausstrahlt und mit der Lochblende (2) eine Punktlichtquelle bildet.Arrangement according to Claim 1 , wherein the illumination source (1) radiates coherent or at least partially coherent light and forms a point light source with the pinhole diaphragm (2). Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die vierte sammelnde Optik (10), das zweite Raumfilter (9) und die erste sammelnde Optik (3) eine erste Fourieroptik mit einem 4f-Aufbau und die zweite sammelnde Optik (5), das erste Raumfilter (6) und die dritte sammelnde Optik (7) eine zweite Fourieroptik mit einem 4f-Aufbau bilden.Arrangement according to Claim 1 or 2 wherein the fourth collecting optics (10), the second spatial filter (9) and the first collecting optics (3) comprise a first Fourier optics having a 4f structure and the second collecting optic (5), the first spatial filter (6) and the third collecting optics (7) form a second Fourier optics with a 4f structure. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: • die Punktlichtquelle (1, 2) in der Ebene des zweiten Raumfilters (9) der ersten Fourieroptik und die Aufnahmeeinheit (11) in der objektseitigen Brennebene der ersten Fourieroptik angeordnet ist; • das optische Gitter (4) zwischen der ersten Fourieroptik (10, 9, 3) und der zweiten Fourieroptik (5, 6, 7) in der objektseitigen Brennweite der zweiten sammelnden Optik (5) der zweiten Fourieroptik angeordnet ist und von der ersten sammelnden Optik (3) der ersten Fourieroptik einen größeren Abstand als dessen Brennweite f aufweist und • das Messobjekt (8) mit der zu vermessenden Oberfläche in der bildseitigen Brennebene der dritten sammelnden Optik (7) der zweiten Fourieroptik angeordnet ist.Arrangement according to one of the preceding claims, wherein: The point light source (1, 2) is arranged in the plane of the second spatial filter (9) of the first Fourier optics and the recording unit (11) is arranged in the object-side focal plane of the first Fourier optics; • the optical grating (4) is arranged between the first Fourier optics (10, 9, 3) and the second Fourier optics (5, 6, 7) in the object-side focal length of the second collecting optics (5) of the second Fourier optics and from the first collecting optics Optics (3) of the first Fourier optics has a greater distance than its focal length f, and • the measuring object (8) is arranged with the surface to be measured in the image-side focal plane of the third collecting optics (7) of the second Fourier optics. Anordnung nach Anspruch 4, wobei mit Hilfe des optischen Gitters (4) das Licht der Beleuchtungsquelle (1) in verschiedene Beugungsordnungen aufteilbar und das von der zu vermessenden Oberfläche des Messobjektes (8) reflektierte Licht modulierbar ist.Arrangement according to Claim 4 , wherein with the aid of the optical grating (4) the light of the illumination source (1) can be divided into different diffraction orders and the light reflected by the surface of the measurement object (8) to be measured can be modulated. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Raumfilter (6) dafür ausgebildet ist, die nullte Beugungsordnung des Lichtes der Beleuchtungsquelle (1) und die von der zu vermessenden Oberfläche des Messobjektes (8) reflektierten Fourier Spektren passieren zu lassen.Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the first spatial filter (6) is adapted to let the zeroth diffraction order of the light of the illumination source (1) and the Fourier spectra reflected by the surface of the measurement object (8) to be measured pass. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zweite Raumfilter (9) dafür ausgebildet ist, die nullte Beugungsordnung der von der zu vermessenden Oberfläche des Messobjektes (8) reflektierten Fourier Spektren zu blockieren und die von Null verschiedenen Beugungsordnungen der von der zu vermessenden Oberfläche des Messobjektes (8) reflektierten Fourier Spektren passieren zu lassen.Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the second spatial filter (9) is designed to block the zeroth order of diffraction of the Fourier spectra reflected by the surface to be measured of the measuring object (8) and the non - zero diffraction orders of the surface to be measured by the Test object (8) reflected to let Fourier spectra pass. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anordnung mindestens eine zusätzliche in der Ebene des ersten Raumfilters (6) der zweiten Fourieroptik außeraxial angeordnete Punktlichtquelle (1, 2) aufweist.Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the arrangement has at least one additional in the plane of the first spatial filter (6) of the second Fourier optics off axis point light source (1, 2). Anordnung nach Anspruch 8, wobei die Beleuchtungsquellen (1, 16, 17, 18, 19) jeweils Licht mit verschiedenen Wellenlängen (Beleuchtungsspektren a, b, c, d, e) bereitstellen.Arrangement according to Claim 8 wherein the illumination sources (1, 16, 17, 18, 19) each provide light of different wavelengths (illumination spectra a, b, c, d, e). Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Brennweiten der verwendeten sammelnden Optiken (10, 3, 5, 7) an die zu vermessenden lateralen Abmaße des Messobjektes (8), die erfassbaren Oberflächengradienten und / oder an die Charakteristika der verwendeten Bildaufnahmeeinheit (11) anpassbar sind.Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the focal lengths of the used collecting optics (10, 3, 5, 7) to the lateral dimensions of the measurement object (8) to be measured, the detectable surface gradients and / or the characteristics of the image recording unit (11) used can be adapted.
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Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4912336A (en) 1989-02-21 1990-03-27 Westinghouse Electric Corp. Surface shape and reflectance extraction system
WO1997040367A1 (en) 1996-04-22 1997-10-30 Autospect, Inc. Method and system for inspecting a low gloss surface of an object at a vision station
WO2001023833A1 (en) 1999-09-16 2001-04-05 Häusler, Gerd Topometrical detection of a reflective surface
US6396588B1 (en) 1999-10-06 2002-05-28 Trw Inc. Hybrid curvature-tilt wave front sensor
DE19749974C2 (en) 1997-11-05 2002-06-06 Fraunhofer Ges Forschung Method and apparatus for generating a 3D point cloud
US6736510B1 (en) 2003-02-04 2004-05-18 Ware Tec Vision Systems, Inc. Ophthalmic talbot-moire wavefront sensor
WO2005031251A1 (en) 2003-09-29 2005-04-07 Bias Bremer Institut Für Angewandte Strahltechnik Optical method and device for determining the structure of a surface
DE102005007244A1 (en) 2005-02-17 2006-08-24 Krackhardt, Ulrich, Dr. Absolute calibration free three dimensional mirror surface measurement sensor has lamp unit giving high depth of field laterally structured light pattern from microlens array
DE102005043627A1 (en) 2005-09-13 2007-03-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Optical sensor for measuring distance and color of object, has lens detecting light reflected by surface of object, where light is focusable on receivers to detect distance dependent wavelength spectrum and spectral reflection, respectively
US7268937B1 (en) 2005-05-27 2007-09-11 United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Holographic wavefront sensor
US20080225303A1 (en) 2007-03-13 2008-09-18 3D-Shape Gmbh Method and Apparatus for the Three-Dimensional Measurement of the Shape and the Local Surface Normal of Preferably Specular Objects
US7525076B1 (en) 2007-11-29 2009-04-28 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Differential shack-hartmann curvature sensor
DE102013018569A1 (en) 2013-10-30 2015-04-30 Technische Universität Ilmenau Apparatus and method for measuring at least partially reflective surfaces

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4912336A (en) 1989-02-21 1990-03-27 Westinghouse Electric Corp. Surface shape and reflectance extraction system
WO1997040367A1 (en) 1996-04-22 1997-10-30 Autospect, Inc. Method and system for inspecting a low gloss surface of an object at a vision station
DE19749974C2 (en) 1997-11-05 2002-06-06 Fraunhofer Ges Forschung Method and apparatus for generating a 3D point cloud
WO2001023833A1 (en) 1999-09-16 2001-04-05 Häusler, Gerd Topometrical detection of a reflective surface
US6396588B1 (en) 1999-10-06 2002-05-28 Trw Inc. Hybrid curvature-tilt wave front sensor
US6736510B1 (en) 2003-02-04 2004-05-18 Ware Tec Vision Systems, Inc. Ophthalmic talbot-moire wavefront sensor
WO2005031251A1 (en) 2003-09-29 2005-04-07 Bias Bremer Institut Für Angewandte Strahltechnik Optical method and device for determining the structure of a surface
DE102005007244A1 (en) 2005-02-17 2006-08-24 Krackhardt, Ulrich, Dr. Absolute calibration free three dimensional mirror surface measurement sensor has lamp unit giving high depth of field laterally structured light pattern from microlens array
US7268937B1 (en) 2005-05-27 2007-09-11 United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Holographic wavefront sensor
DE102005043627A1 (en) 2005-09-13 2007-03-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Optical sensor for measuring distance and color of object, has lens detecting light reflected by surface of object, where light is focusable on receivers to detect distance dependent wavelength spectrum and spectral reflection, respectively
US20080225303A1 (en) 2007-03-13 2008-09-18 3D-Shape Gmbh Method and Apparatus for the Three-Dimensional Measurement of the Shape and the Local Surface Normal of Preferably Specular Objects
US7525076B1 (en) 2007-11-29 2009-04-28 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Differential shack-hartmann curvature sensor
DE102013018569A1 (en) 2013-10-30 2015-04-30 Technische Universität Ilmenau Apparatus and method for measuring at least partially reflective surfaces

Non-Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
D. D. Walker., A. T. H. Beaucamp, V. Doubrovski, C. Dunn, R. Freeman, G. McCavana, R. Morton, D. Riley, J.Simms, and X. Wei, „New results extending the precessions process to smoothing ground aspheres and producing freeform parts," Proc. SPIE 5869,58690 (2005).
F. Roddier, in Adap tive Optics in Astronomy 1999 (Cambridge University,1999).
F. Z. Fang, X. D. Zhang, A.Weckenmann, G. X. Zhang, and C. Evans „Manufacturing and measurement of freeform optics," CIRP Ann. - Manufact. Tech.62, 823-846 (2013).
G. Baer, J. Schindler, C. Pruss, W. Osten: Calibration of a non-null test interferometer for the measurement of aspheres and free-form surfaces. Opt. Express 22(2014)25, pp. 31200-31211
G. S. Khan, K. Mantel, I. Harder, N. Lindlein, and J. Schwider, „Design considerations for the absolute testing approach of aspherics using combined diffractive optical elements," Appl. Opt.7040-7048 (2007).
J. Beyerer, D. Perard „Automatische Inspektion spiegelnder Freiformflächen anhand von Rasterreflexionen", Technisches Messen 64, 199710,Seite 394 bis 400
M. Bichra, N. Sabitov, T. Meinecke, S. Sinzinger „Wavefront sensing by numerical evaluation of diffracted wavefields" Appl. Opt. 56, A13-A22 (2017)
M. Yamazaki, S. Iwata und G. Xu: „Dense 3D Reconstruction of Specular and Transparent Objects Using Stereo Cameras and Phase-Shift Method". ACCV 2007, Part II, LNCS 4844 S. 570-579, 2007.
P. Su, C. J. Oh, R. E. Parks, and J. H. Burge, „Swing arm optical CMM for aspherics," Proc. SPIE 7426, 74260J (2009)
R. H. Abd El-Maksoud, M. Hillenbrand, and S. Sinzinger, „Parabasal theory for plane-symmetric systems including freeform surfaces," Opt. Eng. 53, 031303(2014).
R. Seßner: „Richtungscodierte Deflektometrie durch Telezentrie". Dissertation, Universität Erlangen-Nürnberg, 2009.
S. Stoebenau, R. Kleindienst, R.Kampmann and S. Sinzinger, „Enhanced optical functionalities by integrated ultraprecision machining techniques," Proceedings of the Euspen 10th International Conference, 412-415 (2010).
S. Zhang: High-resolution, Real-time 3-D Shape Measurement. Dissertation, Stony Brook University, Stony Brook, NY, 2005.
X. Zhang, L. Zheng, X. He, L. Wang, and F. Zhang, „Design and fabrication of imaging optical systems with freeform surfaces," Proc. SPIE 8486, 848607 (2012)
Z. Zhenrong, H. Xiang, and L. Xu, „Freeform surface lens for LED uniform illumination," Appl. Opt. 48, 6627-6634 (2009).

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