DE102013018569B4

DE102013018569B4 - Apparatus and method for measuring at least partially reflective surfaces

Info

Publication number: DE102013018569B4
Application number: DE102013018569.6A
Authority: DE
Inventors: Mohamed Bichra; Nail Sabitov; Stefan Sinzinger
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-07-16
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: DE102013018569A1

Abstract

Vorrichtung zur Vermessung zumindest teilweise reflektierender Oberflächen eines auf einer Positioniereinheit befindlichen Messobjektes (1), die mindestens eine Beleuchtungseinheit (2) und mindestens eine Beobachtungseinheit (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinheit mit dem Messobjekt (1) in einem von einem Hohlkörper (4) gebildeten Hohlraum angeordnet ist, wobei der Hohlkörper (4) zumindest eine Öffnung zum Passieren eines strukturierten Beleuchtungsstrahls von der Beleuchtungseinheit (2) aufweist, die innere und äußere Hohlkörperoberfläche (4a, 4b) zumindest semitransparent ist und die Beobachtungseinheit (3) auf den Hohlkörper (4) gerichtet ist.Device for measuring at least partially reflecting surfaces of a measurement object (1) located on a positioning unit, which has at least one illumination unit (2) and at least one observation unit (3), characterized in that the positioning unit with the measurement object (1) in one of a hollow body (4), wherein the hollow body (4) has at least one opening for passing a structured illumination beam from the illumination unit (2), the inner and outer hollow body surfaces (4a, 4b) are at least semitransparent, and the observation unit (3) the hollow body (4) is directed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren 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. Die hier vorgestellte erfinderische Lösung kann insbesondere auch für die gleichzeitige Vermessung und Rekonstruktion der vorderen und hinteren optisch glatten Oberflächen eines durchsichtigen Messobjektes verwendet werden.The present invention relates to an apparatus and a method for optical shape detection glossy smooth freeform surfaces, with which even freeform optics with large inclinations can be absolutely measured and their surface can be reconstructed. The invention is based on the principle of raster reflectometry, in which at least one light pattern is reflected by the at least partially reflecting surface to be examined and is propagated back in space with the aid of a three-dimensional observation unit. The inventive solution presented here can also be used in particular for the simultaneous measurement and reconstruction of the front and rear optically smooth surfaces of a transparent measurement object.

Oberflächen mit einer Rauigkeit weit unter der Wellenlänge des Lichtes werden als optisch glatt bezeichnet. Optisch glatte Oberflächen spiegeln bzw. transmittieren einfallendes Licht gerichtet. Als Beispiele sind ebene oder gewölbte Spiegel, polierte Metallteile, Glasoberflächen (Linsen), Flüssigkeitsoberflächen sowie Übergänge von Medien mit unterschiedlicher optischer Brechzahl zu nennen. Erfindungsgemäß muss das zu vermessende Objekt derart beschaffen sein, dass seine Oberfläche bei Abtastung mit einem Lichtmuster mit einem Durchmesser d innerhalb jedes Oberflächenteils näherungsweise krümmungsfrei ist. Die Oberfläche kann entweder vollverspiegelt, wie bedampfte oder polierte Oberflächen (z. B. Spiegel und Blechteile) oder auch teilverspiegelt oder teilweise reflektierend sein.Surfaces with a roughness far below the wavelength of the light are said to be optically smooth. Optically smooth surfaces reflect or transmit incoming light in a directed manner. Examples include flat or curved mirrors, polished metal parts, glass surfaces (lenses), liquid surfaces and transitions of media with different optical refractive index. According to the invention, the object to be measured must be such that its surface when scanning with a light pattern with a diameter d within each surface part is approximately free of curvature. The surface can either be fully mirrored, such as vapor-deposited or polished surfaces (eg mirrors and sheet-metal parts) or even partially mirrored or partially reflective.

Für die Erfassung der Form optisch glatter Oberflächen gibt es eine breite Palette von Verfahren, die eine dreidimensionale Vermessung ermöglichen. Zum Test einfacher Oberflächenformen, wie ebene oder sphärische Flächen (Linsen, Spiegel etc.), kommen vorwiegend interferometrische Verfahren zum Einsatz. Als nachteilig erweist sich, dass sich nur schwer die absoluten Positionen bestimmen lassen, da sich eine sogenannte 2π-Mehrdeutigkeit einstellt. Zudem stellt die Fertigung einer Freiformreferenz sowohl technologisch, als auch ökonomisch eine große Hürde dar. Die nötigen schwingungs- und temperatur-schwankungsfreien Umgebungsbedingungen sind weitere Herausforderungen bei der Realisierung interferometrischer Messsysteme, dazu zählt auch ein sehr hoher und kostenintensiver apparativer Aufwand. Aus den genannten Gründen werden Interferometer in der Regel zur Oberflächen- und Rauheitsprüfung genutzt. Als Messverfahren zur Oberflächenrekonstruktion sind sie eher ungeeignet [Hof07].For the detection of the shape of optically smooth surfaces, there is a wide range of methods that allow a three-dimensional measurement. To test simple surface shapes, such as flat or spherical surfaces (lenses, mirrors, etc.), mainly interferometric methods are used. It proves disadvantageous that it is difficult to determine the absolute positions since a so-called 2π ambiguity occurs. In addition, the production of a free-form reference represents a major hurdle, both technologically and economically. The necessary vibration and temperature-fluctuation-free ambient conditions are further challenges in the realization of interferometric measuring systems, including a very high and cost-intensive equipment expense. For these reasons, interferometers are usually used for surface and roughness testing. As measuring methods for surface reconstruction, they are rather unsuitable [Hof07].

Bei komplizierter geformten Flächen, wie Asphären, kommen Wellenfrontmessverfahren, das Hartmann Verfahren und der Shack-Hartmann-Test zum Einsatz (z. B. Patent US 7,525,076 B1 ). Dort wird ein so genannter differentialer Shack-Hartmann-Krümmungs-Sensor zum Messen einer Krümmung einschließlich Hauptkrümmungen und Neigungen einer Wellenfront eingesetzt. Oberflächen mit großen Flächen, Neigungen oder Krümmungen können damit jedoch nicht vermessen werden (Beschränkung durch die Größe der Abbildungsoptiken und oder Mikrolinsenarrays). Darüber hinaus bestehen Einschränkungen bezüglich der messbaren Höhendifferenz im Oberflächenprofil und der lateralen Auflösung.For more complicated shaped surfaces, such as aspheres, wavefront measurement methods, the Hartmann method, and the Shack-Hartmann test are used (eg, Patent US 7,525,076 B1 ). There, a so-called differential Shack-Hartmann curvature sensor is used to measure a curvature including major curvatures and slopes of a wavefront. However, surfaces with large areas, inclinations or curvatures can not be measured (limited by the size of the imaging optics and / or microlens arrays). In addition, there are limitations with regard to the measurable height difference in the surface profile and the lateral resolution.

Weiterhin wird in verschiedenen Patenten und wissenschaftlichen Arbeiten eine konfokale Oberflächenabtastung vorgeschlagen (z.B. DE 197 49 974 C2 , DE 10 2005 043 627 A1 ). Nachteilig hierbei ist die komplizierte Justierung des Aufbaus. Zudem sind diese Verfahren nicht für Oberflächen mit großen Neigungen geeignet.Furthermore, in various patents and scientific papers a confocal surface scanning 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. Je nach deren Form erscheint das Gitter mehr oder weniger deformiert. Diese Verfahren lassen sich unter dem Stichpunkt der deflektometrischen Verfahren zusammenfassen. Zahlreichende Patente und Publikationen wurden hierzu veröffentlicht (z. B. WO 97/40367 A1 , WO 2005/031251 A1 , WO 01/23833 A1 , US 2008/0225303 A1 , US 4,912,336 A , [Zha05], [Yam07] und [Seß09]). Allerdings sind die deflektometrischen Verfahren ohne zusätzlichen Aufwand an Software und Hardware immer mehrdeutig. Der Zusammenhang zwischen Beobachtungsrichtungen und beobachteten Monitorpunkten wird durch Oberflächennormale bestimmt, wobei es längs jeden Sichtstrahls unendlich viele hypothetische Normale gibt, die zum selben Messergebnis führen würden, Man beobachtet also die Tangentialräume hypothetischer Oberflächen [Roz07]. Jedoch lassen sich diese Probleme durch die sogenannte Stereodeflektometrie lösen. Dabei werden mehrere Lichtquellen und gleichzeitig mehrere Beobachtungseinheiten verwendet, was wiederum zu einem großen Kalibrierungsaufwand führt. Dazu sind die Verfahren nicht für Oberflächen mit großen Neigungen geeignet.Other methods measure a grating pattern which is reflected or transmitted at the specular surface. Depending on their shape, the grid appears more or less deformed. These methods can be summarized under the bullet point of the deflectometric method. Numerous patents and publications have been published (eg WO 97/40367 A1 . WO 2005/031251 A1 . WO 01/23833 A1 . US 2008/0225303 A1 . US 4,912,336 A , [Zha05], [Yam07] and [Seß09]). However, the deflektometric methods are always ambiguous without additional expenditure on software and hardware. The relationship between observation directions and observed monitor points is determined by surface normals, where there are infinitely many hypothetical normals along each line of sight that would lead to the same measurement result. Thus one observes the tangent spaces of hypothetical surfaces [Roz07]. However, these problems can be solved by the so-called stereodeflectometry. Several light sources and several observation units are used at the same time, which in turn leads to a large calibration effort. These methods are not suitable for surfaces with large slopes.

Ein nach dem Rasterreflexionsverfahren arbeitendes Messverfahren ist in dem Artikel von [Bey97] erläutert. Um die Oberflächengeometrie beschreiben 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. Ebenso wird in der DE 10 2005 007 244 A1 ein Rasterreflexionsverfahren mit einem Beleuchtungsmuster präsentiert, das die Formerfassung reflektierender Oberflächen ermöglicht. Jedoch ist es nicht geeignet für Messobjekte mit stark gekrümmten Oberflächen, da nicht alle reflektierten Strahlen den verwendeten diffusen Schirm treffen. Dazu hat dieses Verfahren eine sehr begrenzte laterale Auflösung.A scanning method using the grid reflection method is explained in the article of [Bey97]. In order to describe the surface geometry, underdetermined systems of differential equations have to 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. Likewise in the DE 10 2005 007 244 A1 one Rectangle reflection method is presented with a lighting pattern that enables the shape detection of reflective surfaces. However, it is not suitable for measuring objects with strongly curved surfaces, since not all reflected rays hit the diffuse screen used. For this, this method has a very limited lateral resolution.

In der DE 10 2006 033 779 B4 wird ein weiteres Verfahren zur Vermessung der Form von spiegelnden Oberflächen vorgeschlagen. Dabei wird die Probenoberfläche mit dem von einem Ablenkspiegel gelenkten Laserstrahl gescannt. Der von der spiegelnden Oberfläche reflektierte Strahl trifft auf zwei hintereinander angeordnete Projektionsschirme, wobei der vordere teildurchsichtig ist. Die Position und Neigung des abgetasteten Messpunktes auf der Oberfläche werden durch zwei Projektionen des reflektierten Strahls an beiden Projektionsschirmen ermittelt. Da die Projektionsschirme jedoch räumlich begrenzte Abmessungen haben, ist der dynamische Neigungsbereich der geprüften Oberfläche beschränkt. Darüber hinaus ist die Ermittlung der genauen Position des Umlenkspiegels mechanisch schwierig. Außerdem kann mit diesem Verfahren nur eine einzige Oberfläche abtasten.In the DE 10 2006 033 779 B4 Another method for measuring the shape of specular surfaces is proposed. The sample surface is scanned with the laser beam guided by a deflection mirror. The reflected beam from the reflecting surface meets two successive projection screens, with the front part being transparent. The position and inclination of the scanned measuring point on the surface are determined by two projections of the reflected beam on both projection screens. However, since the projection screens have physically limited dimensions, the dynamic tilt range of the surface under test is limited. In addition, the determination of the exact position of the deflection mirror is mechanically difficult. In addition, only a single surface can be scanned with this method.

Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Ray-tracing-Verfahren mit einem feinen, abtastenden Laserstrahl bekannt (siehe z. B. [Häu88] oder [Mor00]). Aufgrund der Begrenzung der Größe der verwendeten Spiegel, Linsen und Strahlteiler, sind auch diese Verfahren nicht für Messobjekte mit großen Neigungen geeignet.Ray-tracing methods with a fine scanning laser beam are also known from the prior art (see, for example, [Häu88] or [Mor00]). Due to the limitation of the size of the mirrors, lenses and beam splitters used, these methods are also not suitable for measuring objects with large inclinations.

Außerdem ist die Verwendung dreidimensionaler Schirme in der Literatur und in verschiedenen Patentschriften (z.B. US 5,912,741 A und US 5,241,369 A ) für Lichtstreumessverfahren beschrieben. Sie werden aber bisher nicht für die absolute Formvermessung von Oberflächen eingesetzt.In addition, the use of three-dimensional umbrellas in the literature and in various patents (eg US 5,912,741 A and US 5,241,369 A ) for light scattering method described. But they are not yet used for the absolute shape measurement of surfaces.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die aufgezeigten Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen es gelingt, die absolute Topographie von zumindest teilweise reflektierenden Oberflächen berührungslos zu erfassen, wobei die zu vermessende Oberfläche insbesondere asphärisch oder als Freiform ausgebildet ist und große Neigungen oder starke Krümmungen aufweisen kann. Gleichzeitig soll mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine hohe Messauflösung mit möglichst geringeren Kosten realisiert werden.Object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a device and a method with which it is possible to detect the absolute topography of at least partially reflecting surfaces without contact, wherein the surface to be measured in particular aspherical or is formed as a freeform and may have large inclinations or strong bends. At the same time, the method according to the invention is intended to realize a high measuring resolution with the lowest possible costs.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsseitig mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches und verfahrensseitig mit den Merkmalen des achten Patentanspruches gelöst. Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 gekennzeichnet, während eine bevorzugte weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem Patentanspruch 9 angegeben ist.According to the invention this object is achieved on the device side with the features of the first claim and the method side with the features of the eighth claim. Preferred further embodiments of the device according to the invention are characterized in the dependent claims 2 to 7, while a preferred further embodiment of the method according to the invention is specified in the patent claim 9.

Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigt:Details and advantages of the invention will become apparent from the following description part, in which the invention with reference to the accompanying drawings is explained in more detail. It shows:

1 – eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 - A schematic diagram of the device according to the invention

2 – ein erstes Ausführungsbeispiel für die Beleuchtung der zu vermessenden Oberfläche 2 - A first embodiment of the illumination of the surface to be measured

3 – ein zweites Ausführungsbeispiel für die Beleuchtung der zu vermessenden Oberfläche 3 - A second embodiment of the illumination of the surface to be measured

4 – ein drittes Ausführungsbeispiel für die Beleuchtung der zu vermessenden Oberfläche 4 - A third embodiment of the illumination of the surface to be measured

5 – verschiedene Ausführungsformen des einen Hohlraum bildenden Hohlkörpers 5 - Different embodiments of a cavity forming a hollow body

6 – Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem mehrschichtigen Hohlkörper 6 - Section of the device according to the invention with a multilayer hollow body

7 – Ausschnitt aus einer strukturierten Oberfläche des Hohlkörpers 7 - Section of a structured surface of the hollow body

8 – Teilansicht des Hohlkörpers mit fluoreszierender Beschichtung seiner inneren und äußeren Oberflächen 8th - Partial view of the hollow body with fluorescent coating of its inner and outer surfaces

9 – Teilansicht des Hohlkörpers mit Mikrostrukturen und Mikrolinsen 9 - Partial view of the hollow body with microstructures and microlenses

10 – Prinzipdarstellung für die gleichzeitige Vermessung mehrerer Oberflächen eines durchsichtigen Messobjektes 10 - Schematic representation for the simultaneous measurement of several surfaces of a transparent object to be measured

Beschrieben werden im Folgenden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur gleichzeitigen, kalibrierungsfreien, berührungslosen und absoluten optischen Ermittlung der 3D-Koordinaten reflektierender Oberflächen. Diese Oberflächen können auch starke Neigungen besitzen, wobei zur optischen Abtastung ein Lichtmuster (Gaußstrahl, mehrere nebeneinander angeordnete Gaußstrahlen, Linien, verschiedene symmetrische und nicht symmetrische Lichtformen zusammen oder allein) eingesetzt wird. Die Oberflächen können entweder vollverspiegelt, teilverspiegelt oder teilweise reflektierend sein, wie z. B. polierte oder hinreichend glatte Oberflächen, transparente Medien (beispielsweise Glasoberflächen), Flüssigkeitsoberflächen oder Übergänge von Medien mit unterschiedlicher optischer Brechzahl. Das Messobjekt, das eine derartige Oberfläche aufweist, wird im Weiteren Messobjekt genannt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht mindestens aus einer Beleuchtungseinheit (2), einer hochpräzisen x-y-Positioniereinheit, auf der sich das Messobjekt (1) befindet, sowie aus mindestens einer Beobachtungseinheit (3), die einen dreidimensionalen Schirm (4) und mindestens einen optischen Sensor (CCD oder CMOS Kamera) mit oder ohne optischen Abbildungssystemen umfasst. Der dreidimensionale Schirm (4) ist als ein einen Hohlraum bildender Hohlkörper ausgebildet, wobei erfindungsgemäß die x-y-Positioniereinheit mit dem darauf befindlichen Messobjekt (1) in dem Hohlraum angeordnet ist. Dementsprechend ist das Messobjekt (1) mit seinen zu vermessenden Oberflächen von dem dreidimensionalen Schirm (4) abgedeckt. Der dreidimensionale Schirm (Hohlkörper) (4) weist ein oder mehrere kleine Öffnungen auf. Durch diese Öffnungen wird erfindungsgemäß ein Lichtmuster in Richtung des Messobjektes (1) gerichtet. Das Lichtmuster wird von der Oberfläche reflektiert und trifft auf den Schirm (4), wobei ein Teil des reflektierten Lichtes direkt auf der ersten (inneren) Oberfläche des Schirmes (4a) sichtbar gemacht wird. Der Restanteil wird weiter durch die Hohlkörperwand transmittiert und erst auf der zweiten (äußeren) Oberfläche des Schirms (4b) sichtbar gemacht. (siehe 1). Gemäß dem vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahren wird der Verlauf eines am Messobjekt reflektierten Lichtmusters im Messraum zurückverfolgt. Aus den Kreuzungen der abtastenden und reflektierten Strahlen sowie der Position der reflektierten Strahlen auf der inneren und äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Schirms (4) der Beobachtungseinheit (3) lässt sich die Flächennormale der Flächensegmente des Messobjektes (1) und die absolute Position der abgetasteten Teilfläche im Raum ermitteln. Aus diesen Daten und mittels eines erstellten Rekonstruktionsalgorithmus wird die Oberflächenform des gesamten Messobjektes berechnet.Described below are an apparatus and a method for the simultaneous, calibration-free, non-contact and absolute optical determination of the 3D coordinates of reflecting surfaces. These surfaces can also have strong inclinations, whereby a light pattern (Gaussian beam, several juxtaposed Gaussian beams, lines, different symmetrical and non-symmetrical light forms together or alone) is used for optical scanning. The surfaces can be either fully mirrored, partially mirrored or partially reflective, such. As polished or sufficiently smooth surfaces, transparent media (for example, glass surfaces), liquid surfaces or transitions of media with different optical refractive index. The A measuring object having such a surface is referred to as a measuring object hereinafter. The device according to the invention consists of at least one illumination unit ( 2 ), a high-precision xy positioning unit, on which the measuring object ( 1 ) and at least one observation unit ( 3 ), which has a three-dimensional screen ( 4 ) and at least one optical sensor (CCD or CMOS camera) with or without optical imaging systems. The three-dimensional screen ( 4 ) is formed as a cavity forming a hollow body, wherein according to the invention the xy positioning unit with the measurement object (see FIG. 1 ) is arranged in the cavity. Accordingly, the measurement object ( 1 ) with its surfaces to be measured by the three-dimensional screen ( 4 ). The three-dimensional screen (hollow body) ( 4 ) has one or more small openings. Through these openings, according to the invention, a light pattern in the direction of the measurement object (FIG. 1 ). The light pattern is reflected by the surface and hits the screen ( 4 ), wherein a portion of the reflected light directly on the first (inner) surface of the screen ( 4a ) is made visible. The remaining portion is further transmitted through the hollow body wall and only on the second (outer) surface of the screen ( 4b ) made visible. (please refer 1 ). According to the proposed method according to the invention, the course of a light pattern reflected on the measurement object is traced back in the measurement space. From the intersections of the scanning and reflected beams and the position of the reflected beams on the inner and outer surfaces of the three-dimensional screen ( 4 ) of the observation unit ( 3 ), the surface normal of the surface segments of the measurement object ( 1 ) and determine the absolute position of the scanned partial area in the room. From these data and by means of a created reconstruction algorithm, the surface shape of the entire object to be measured is calculated.

Das Abtasten des Messobjektes (1) kann durch Verwendung von mindestens einem Lichtmuster oder auch mehreren Lichtmustern durchgeführt werden. Die Muster können sich sowohl in der Farbe als auch in der Form unterscheiden. Erfindungsgemäß sind im Messraum der Verlauf, die Position sowie die Geometrie jedes abtastenden Strahls anhand einer Vorkalibrierung genau definiert. Mit Hilfe optischer Bauelemente z. B. beugungsoptischer Strahlteiler, -former (DOEs), Linsen, Achromaten, oder Freiformoptiken, kann die Divergenz des Strahlbündels so minimiert werden, dass eine hohe Tiefenschärfe erreicht wird. Die Abtastung kann an einer beliebigen Position und unter beliebigem Winkel im Messraum durchgeführt werden (siehe 2, 3 und 4).The scanning of the measurement object ( 1 ) can be performed by using at least one light pattern or even multiple light patterns. The patterns may differ in both color and shape. According to the invention, the course, the position and the geometry of each scanning beam are precisely defined in the measuring space on the basis of a pre-calibration. With the help of optical components z. B. diffraction optical beam splitter, -former (DOEs), lenses, achromats, or free-form optics, the divergence of the beam can be minimized so that a high depth of focus is achieved. The scanning can be performed at any position and angle in the measuring room (see 2 . 3 and 4 ).

Das zu vermessende Messobjekt (1) wird von den oben beschriebenen Lichtmustern abgetastet, wobei der reflektierte Strahl auf den dreidimensionalen Schirm (4) trifft.The measuring object to be measured ( 1 ) is scanned by the light patterns described above, the reflected beam being directed onto the three-dimensional screen ( 4 ) meets.

Dieser Schirm deckt den 3D-Halbraum über dem Messobjekt (1) ab. Er kann die Gestalt einer Halbkugel oder Pyramide haben oder als eine Kombination aus verschiedenen geometrischen Formen ausgeführt sein (siehe 5). Dieser Schirm kann aus verschiedenen licht- oder teildurchlässigen Materialien, z. B. Glas, PMMA, gefertigt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann er aus mehreren durchsichtigen oder teildurchsichtigen Schichten bestehen, wobei jede Schicht denselben oder unterschiedliche Brechungsindices aufweisen kann (siehe 6).This screen covers the 3D half space above the measurement object ( 1 ). It can be in the shape of a hemisphere or pyramid or as a combination of different geometric shapes (see 5 ). This screen can be made of different light or semi-permeable materials, eg. As glass, PMMA, are manufactured. In a preferred embodiment, it may consist of several transparent or partially transparent layers, each layer having the same or different refractive indices (see 6 ).

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform können die Oberflächen des dreidimensionalen Schirms (4a, 4b) strukturiert sein. Dabei sollen diese Strukturelemente (6) das Licht auf den Oberflächen des Schirms (4a, 4b) so streuen, dass ein Teil des Lichts an der ersten Oberfläche (4a) sichtbar wird, und der Rest des Lichtes (der zwischen die Strukturelemente (6) trifft) ungestreut in der Hohlkörperwand unter Berücksichtigung des Brechungsgesetzes propagiert. Diese Strukturelemente (6) können Mikro-, Nano oder Makrostrukturierungen sein. Sie können verschiedene geometrische Formen aufweisen und mit unterschiedlichen Technologien hergestellt werden (z. B. mit lithographischen, chemischen oder mechanischen Verfahren). Allerdings sollen die Abstände d zwischen zwei benachbarten Strukturelementen (6) nicht größer als der Durchmesser D des Lichtmusters sein. So wird die Position des Strahles auf der Oberfläche immer sichtbar und damit kann der Schwerpunkt der Lichtfleckpositionen mit Hilfe der verwendeten Kamera genau ermittelt werden (siehe 7). Die äußere (zweite) Oberfläche des Schirms (4b) kann komplett matt sein, kann aber auch mit den vorher erläuterten möglichen Strukturierungen versehen sein.In a further embodiment of the invention, the surfaces of the three-dimensional screen ( 4a . 4b ) be structured. These structural elements ( 6 ) the light on the surfaces of the screen ( 4a . 4b ) so that some of the light on the first surface ( 4a ) and the rest of the light (between the structural elements ( 6 ) meets unscrupulous propagated in the hollow body wall, taking into account the law of refraction. These structural elements ( 6 ) may be micro, nano or macrostructures. They can have different geometrical shapes and can be produced using different technologies (eg lithographic, chemical or mechanical processes). However, the distances d between two neighboring structural elements ( 6 ) should not be larger than the diameter D of the light pattern. Thus, the position of the beam on the surface is always visible and thus the center of gravity of the light spot positions can be accurately determined with the help of the camera used (see 7 ). The outer (second) surface of the screen ( 4b ) can be completely matt, but can also be provided with the previously described possible structuring.

Weiterhin liegt es im Bereich der Erfindung, dass eine oder beide (oder auch mehrere) Oberflächen des dreidimensionalen Schirms (4a, 4b) mit Fluoreszenz-Materialien (7) beschichtet sind, wodurch die Lichtflecke an beiden (oder mehreren) Oberflächen unterschiedliche Intensitäten und Farben aufweisen. Dadurch lässt sich der Strahlengang zwischen den beiden (oder mehreren) Oberflächen genau mit einer Farbkamera ermitteln. (siehe 8). Dies ist insbesondere bei der Vermessung von stark gekrümmten Oberflächen, bei denen eine Überlappung der beiden Lichtflecke an der Beobachtungseinheit auftritt, vorteilhaft.Furthermore, it is within the scope of the invention that one or both (or more) surfaces of the three-dimensional screen ( 4a . 4b ) with fluorescence materials ( 7 ), whereby the light spots on both (or more) surfaces have different intensities and colors. As a result, the beam path between the two (or more) surfaces can be determined exactly with a color camera. (please refer 8th ). This is particularly advantageous in the measurement of strongly curved surfaces, in which an overlap of the two light spots on the observation unit occurs.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die innere Oberfläche des dreidimensionalen Schirms (4a) als Kombination von Mikrolinsen (8) und den bereits erwähnten Mikrostrukturelementen (6) ausgeführt (siehe 9), wobei der Abstand zwischen der inneren und äußeren Oberfläche des Schirms (4a, 4b) (Hohlkörperwand) der Brennweite der Mikrolinsen (8) entspricht. Das Ziel der Verwendung von Mikrolinsen (8) ist ein mögliches Fokussieren des transmittierten Strahls auf die zweite (äußere) Oberfläche des dreidimensionalen Schirms (4b). So werden ein oder mehrere Fokuspunkte auf der äußeren Oberfläche beobachtet, was zu einer besseren Erkennung des Schwerpunktes des Lichtflecks auf der äußeren Oberfläche führt. Diese Position ist auch von dem Einfallswinkel des Lichts auf die Mikrolinsen (8) abhängig. Dadurch kann der vom Messobjekt (1) reflektierte Strahl noch genauer zurückverfolgt werden. Eine Kombination von Mikrolinsen (8) mit Nano-, Mikro- oder Makrostrukturelementen (6) und Fluoreszenzschichten (7) ist ebenfalls möglich.In a further embodiment of the device according to the invention, the inner surface of the three-dimensional screen ( 4a ) as a combination of microlenses ( 8th ) and already mentioned microstructure elements ( 6 ) (see 9 ), wherein the distance between the inner and outer surface of the screen ( 4a . 4b ) (Hollow body wall) of the focal length of the microlenses ( 8th ) corresponds. The goal of using microlenses ( 8th ) is a possible focusing of the transmitted beam on the second (outer) surface of the three-dimensional screen ( 4b ). Thus, one or more focus points are observed on the outer surface, resulting in a better recognition of the center of gravity of the light spot on the outer surface. This position is also dependent on the angle of incidence of the light on the microlenses ( 8th ) dependent. As a result, the object to be measured ( 1 ) reflected beam can be traced more accurately. A combination of microlenses ( 8th ) with nano, micro or macrostructure elements ( 6 ) and fluorescent layers ( 7 ) is also possible.

Die auf den Oberflächen des dreidimensionalen Schirms (4a, 4b) erzeugten Lichtflecke werden direkt mit einem Detektor aufgenommen. Mit einem Objektiv oder anderen geeigneten optischen Bauteilen können die Lichtflecke auch auf einer Speichereinheit des Detektors hinterlegt werden.The on the surfaces of the three-dimensional screen ( 4a . 4b ) are recorded directly with a detector. With a lens or other suitable optical components, the light spots can also be deposited on a storage unit of the detector.

Um die kompletten Schirmoberflächen gleichzeitig beobachten zu können, werden erfindungsgemäß ein oder mehrere Detektoren, die sowohl einzelne Bilder als auch Videofilme aufnehmen können, verwendet. Mit diesen Detektoren wird nach einer Vorkalibrierung die Position des Schirms im Messraum präzise ermittelt. Dazu werden auf dem inneren und äußeren Schirm sichtbare Markierungen aufgebracht, mit denen die Position des reflektierten Strahls auf dem Schirm besser im Messraum einzuordnen ist.In order to be able to observe the complete screen surfaces at the same time, according to the invention one or more detectors which can record both individual pictures and video films are used. With these detectors, the position of the screen in the measuring space is precisely determined after a pre-calibration. For this purpose, visible markings are applied on the inner and outer screens, with which the position of the reflected beam on the screen is better classified in the measuring space.

Die Auswertung der gewonnenen Daten erfolgt in einer Rechnereinheit mit einer geeigneten Software, so dass zu jedem Zeitpunkt der Schwerpunkt der beiden Lichtflecke und deren Positionen im Messraum ermittelt werden kann. Mit den ermittelten Schwerpunkten der Lichtflecke auf den inneren und äußeren Oberflächen des dreidimensionalen Schirms und den zusätzlichen Vorkenntnissen über die Geometrie und die Position im Messraum sowie den Materialeigenschaften (z. B. Brechungsindex, etc.) der Beobachtungseinheit wird eine Rückpropagation des reflektierten Strahls im Messraum rechnerisch durchgeführt.The evaluation of the data obtained takes place in a computer unit with a suitable software, so that at any time the focus of the two light spots and their positions can be determined in the measuring room. With the determined focal points of the light spots on the inner and outer surfaces of the three-dimensional screen and the additional knowledge about the geometry and the position in the measurement space as well as the material properties (eg refractive index, etc.) of the observation unit, a backpropagation of the reflected beam in the measurement space calculated.

Über die Berechnung der Kreuzungspunkte des Verlaufes des reflektierten Strahls und des gespeicherten Verlaufs der Abtastlichtmuster lässt sich die absolute Position S(x; y; z) des abgetasteten Teilstücks des Messobjekts im Messraum, ebenso wie dessen lokale Neigung, mit hoher Genauigkeit bestimmen.By calculating the crossing points of the course of the reflected beam and the stored course of the scanning light patterns, the absolute position S (x; y; z) of the scanned portion of the measuring object in the measuring space, as well as its local inclination, can be determined with high accuracy.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem dazugehörigen Verfahren kann ein spiegelndes oder teilverspiegeltes Messobjekt ohne Vorkenntnisse seiner Oberfläche auch mit stark gekrümmter Oberfläche, wie oben definiert, absolut und mit hoher Genauigkeit vermessen werden. Mit der erfindungsgemäßen Beobachtungseinheit wird eine praktisch unbegrenzte Vermessung von Messobjekten mit Oberflächen mit starken Neigungen ermöglicht. Dabei kann das zu vermessende Messobjekt ohne weitere Voreinstellung im Messraum platziert werden. Der Verlauf des Abtaststrahles von der Beleuchtungseinheit im Messraum ist anhand einer Vorkalibrierung der Beleuchtungseinheit mit der Beobachtungseinheit bekannt. Sie kann bereits vor der Endmontage durchgeführt werden. Darüber hinaus gehende Kalibrierungsmaßnahmen sind nicht mehr erforderlich. Während der eigentlichen Messung verbleibt die Beobachtungseinheit und/oder die Beleuchtungseinheit ortsfest, jedoch muss das auf der hochpräzisen x-y-Positioniereinheit befindliche Messobjekt entlang der x und y Achse bewegt werden, wobei eine Positioniergenauigkeit im μm-Bereich gewährleistet werden kann. Um eine beliebige Neigung des Messobjekts vermessen zu können, wird erfindungsgemäß ein dreidimensionaler Projektionsschirm verwendet, mit dem alle reflektierten Strahlen im Hohlraum erfasst werden.With the device according to the invention and the associated method, a specular or partially mirrored object to be measured without prior knowledge of its surface even with a highly curved surface, as defined above, absolute and with high accuracy. With the observation unit according to the invention a virtually unlimited measurement of targets with surfaces with strong inclinations is possible. The measured object to be measured can be placed in the measuring room without further presetting. The course of the scanning beam from the illumination unit in the measuring space is known based on a pre-calibration of the illumination unit with the observation unit. It can be carried out before final assembly. Additional calibration measures are no longer required. During the actual measurement, the observation unit and / or the illumination unit remains stationary, however, the measurement object located on the high-precision x-y positioning unit must be moved along the x and y axes, whereby a positioning accuracy in the micron range can be ensured. In order to be able to measure any inclination of the measurement object, according to the invention a three-dimensional projection screen is used, with which all reflected rays in the cavity are detected.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt in ihrer Verwendung für die gleichzeitige Vermessung von mehreren (vorderen und hinteren) optisch glatten Oberflächen eines durchsichtigen Messobjektes (z. B. Linsen, optische Freiform-Teile). Dies gelingt durch die Verwendung der Rückreflektion des auf die hintere Oberfläche des Messobjektes treffenden Abtaststrahls, die bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren einen Störfaktor darstellt (s. 10).Another aspect of the present invention is its use for the simultaneous measurement of multiple (front and back) optically smooth surfaces of a transparent target (e.g., lenses, free-form optical parts). This is achieved by the use of the back reflection of the incident on the rear surface of the measurement object scanning beam, which is a disturbing factor in the known from the prior art method (s. 10 ).

Ein gleichzeitiges Vermessen der vorderen und hinteren Oberfläche eines durchsichtigen Messobjektes (1a, 1b) kann durch die Aufnahme von zwei reflektierten Strahlen realisiert werden, wobei ein erster Teil des Abtaststrahls direkt von der vorderen Oberfläche des durchsichtigen Messobjektes (1a) reflektiert wird und der restliche, zweite Teil des Abtaststrahls an der vorderen Oberfläche des durchsichtigen Messobjektes (1a) gebrochen, dann an der hinteren Oberfläche des durchsichtigen Messobjektes (1b) reflektiert und anschließend an der vorderen Oberfläche des durchsichtigen Messobjektes (1a) nochmals gebrochen wird. Die Ermittlung der Form der vorderen und hinteren Oberfläche des durchsichtigen Messobjektes (1a, 1b) erfolgt dabei folgendermaßen: Der einfallende Strahl, der das transparente Messobjekt (1) abtastet, wird zu einem Teil auf der vorderen Oberfläche des transparenten Messobjektes (1a) reflektiert und zum anderen Teil gebrochen (s. 10, Punkt c). Der reflektierte Anteil des Abtaststrahls trifft im Punkt b direkt auf die erste (innere) Oberfläche des dreidimensionalen Beobachtungschirms (4a), wird dort gebrochen und trifft im Punkt a auf die zweite (äußere) Oberfläche des dreidimensionalen Beobachtungsschirms (4b). Der am Punkt c an der vorderen Oberfläche des Messobjektes (1a) gebrochene Strahlanteil gelangt durch das Messobjekt (1) hindurch bis zu seiner hinteren Oberfläche (1b) (Punkt d), an der er wiederum reflektiert wird und schließlich im Punkt e der vorderen Oberfläche des Messobjektes (1a) auftrifft. Dort wird er wiederum gebrochen und gelangt zum Punkt f auf der ersten (inneren) Oberfläche des dreidimensionalen Beobachtungsschirms (4a). An diesem Punkt wird er nochmals gebrochen und trifft im Punkt g auf die zweite (äußere) Oberfläche des Beobachtungsschirms (4b). Eine Farbkamera erfasst gleichzeitig alle vier Punkte (a, b, f, und g) auf dem dreidimensionalen Beobachtungsschirm (4). Die Zuordnung der Ursprünge der Punkte wird durch eine spektrale Aufteilung und Intensitätsaufteilung gewährleistet, wobei eine oder beide Oberflächen des Beobachtungsschirms (4) mit unterschiedlichen fluoreszierenden Medien (7) beschichtet sind. Dadurch erscheinen die Punktpaare b und f sowie a und g in unterschiedlicher Färbung und können durch die Erfassung ihrer stark unterschiedlichen Intensität zugeordnet werden. (Intensität am Punkt a ist größer als am Punkt g, Intensität am Punkt b ist größer als am Punkt f). In einer Speichereinheit werden alle Koordinaten der auf dem dreidimensionalen Beobachtungsschirm (4) sichtbaren Punkte a, b, f und g gespeichert. Die Höhe z und der Anstieg der vorderen Oberflächenfacetten des Messobjektes (1) werden durch Strahlverfolgung anhand der Punkte a und b ermittelt. Durch das laterale Scannen können diese einzelnen Facetten zu einer gesamten vorderen Oberfläche des Messobjektes (1a) Zusammengefügt werden. Die Höhe z und der Anstieg der Oberflächenfacetten der Rückseite des Messobjektes werden mittels Strahlverfolgung ausgehend von den Punkten g und f ermittelt, indem der Schnittpunkt d mit dem Strahl des korrespondierenden Punktpaares a und b bestimmt wird. Grundlage für dieses Verfahren ist die Kenntnis des Brechungsindexes des Messobjektes und seine Homogenität. Die gesamte hintere Oberfläche des Messobjektes wird ebenfalls durch laterales Scannen entlang der x und y Achse ermittelt.Simultaneous measurement of the front and back surfaces of a transparent object to be measured ( 1a . 1b ) can be realized by the acquisition of two reflected beams, wherein a first part of the scanning beam directly from the front surface of the transparent measuring object ( 1a ) and the remaining, second part of the scanning beam on the front surface of the transparent measuring object ( 1a ), then on the rear surface of the transparent measurement object ( 1b ) and then on the front surface of the transparent measuring object ( 1a ) is broken again. The determination of the shape of the front and rear surfaces of the transparent object to be measured ( 1a . 1b ) takes place as follows: The incident beam, the transparent measuring object ( 1 ) is scanned to a part on the front surface of the transparent measurement object ( 1a ) and broken to the other part (s. 10 , Point c). The reflected portion of the scanning beam strikes at point b directly on the first (inner) surface of the three-dimensional observation screen ( 4a ) is refracted there and hits the second (outer) surface of the three-dimensional observation screen at point a ( 4b ). The at point c on the front surface of the measurement object ( 1a ) broken beam component passes through the test object ( 1 ) through to its rear surface ( 1b ) (Point d), where it is again reflected and finally at the point e of the front surface of the measurement object ( 1a ). There it is again broken and arrives at the point f on the first (inner) surface of the three-dimensional observation screen ( 4a ). At this point it is refracted again and hits the second (outer) surface of the observation screen at point g ( 4b ). A color camera simultaneously records all four points (a, b, f, and g) on the three-dimensional observation screen ( 4 ). The assignment of the origins of the points is ensured by a spectral division and intensity distribution, wherein one or both surfaces of the observation screen ( 4 ) with different fluorescent media ( 7 ) are coated. As a result, the pairs of points b and f and a and g appear in different colors and can be assigned by detecting their very different intensity. (Intensity at point a is greater than at point g, intensity at point b is greater than at point f). In a memory unit, all coordinates of the three-dimensional observation screen ( 4 ) visible points a, b, f and g stored. The height z and the increase of the front surface facets of the measurement object ( 1 ) are determined by ray tracing using points a and b. Due to the lateral scanning, these individual facets can form an entire front surface of the measurement object (FIG. 1a ) Are joined together. The height z and the increase in the surface facets of the rear side of the measurement object are determined by ray tracing, starting from the points g and f, by determining the intersection point d with the ray of the corresponding point pair a and b. The basis for this method is the knowledge of the refractive index of the measurement object and its homogeneity. The entire rear surface of the measurement object is also determined by lateral scanning along the x and y axes.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Messobjektmeasurement object
1a1a: vordere Oberfläche eines durchsichtigen Messobjektesfront surface of a transparent measuring object
1b1b: hintere Oberfläche eines durchsichtigen Messobjektesrear surface of a transparent measuring object
22: Beleuchtungseinheitlighting unit
33: Beobachtungseinheitobservation unit
44: Hohlkörper (dreidimensionaler Schirm)Hollow body (three-dimensional screen)
4a4a: erste (innere) Oberfläche des dreidimensionalen Schirmsfirst (inner) surface of the three-dimensional screen
4b4b: zweite (äußere) Oberfläche des dreidimensionalen Schirmssecond (outer) surface of the three-dimensional screen
55: Beleuchtungspunktlighting point
66: Strukturelementstructural element
77: Fluoreszenzschichtfluorescent layer
88th: Mikrolinsemicrolens

[Hof07] - Hoffmann, Jörg: Handbuch der Messtechnik: With 93 tables. 3. Munich: Hanser, 2007. - ISBN 9783446407503
[Zha05] - S. Zhang: High-resolution, Real-time 3-D Shape Measurement. Dissertation, Stony Brook University, Stony Brook, NY, 2005.
[Yam07] - M. 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.
[Seß09] - R. Sessner: Direction-coded deflectometry by telecentricity. Dissertation, University Erlangen-Nürnberg, 2009.
[Roz07] - S. Rozenfeld, I. Shimshoni and M. Lindenbaum: Dense mirroring surface recovery from 1D homographies and sparse correspondences. In: IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, 2007.
[Bey97] - J. Beyerer and D. Perard "Automatic Inspection of Reflecting Freeform Surfaces Based on Grid Reflections", Technisches Messen 64, 1997 1O, pages 394 to 400
[Häu88] - G. Häusler, G. Schneider: Testing optics by experimental ray tracing with a lateral effect photodiode, in: Applied Optics, Vol. 27, no. 24, 1988, pp. 5160-5164
[Mor00] - E. Moreno-Barriuso, R. Navarro, "Laser Ray Tracing versus Hartmann Shack sensor for measuring optical aberrations in the human eye." J. Opt. Soc. At the. A, vol. 17, i. 6, p. 974 (2000)

Claims

Device for measuring at least partially reflecting surfaces of a measuring object located on a positioning unit ( 1 ), the at least one lighting unit ( 2 ) and at least one observation unit ( 3 ), characterized in that the positioning unit with the measurement object ( 1 ) in one of a hollow body ( 4 ) is arranged, wherein the hollow body ( 4 ) at least one opening for passing a structured illumination beam from the illumination unit ( 2 ), the inner and outer Hollow body surface ( 4a . 4b ) is at least semitransparent and the observation unit ( 3 ) on the hollow body ( 4 ).

Apparatus according to claim 1, characterized in that the inner and / or outer hollow body surface ( 4a . 4b ) has a semicircular or semi-polygonal cross-section.

Device according to one of claims 1 to 2, characterized in that the inner and / or outer hollow body surface ( 4a . 4b ) are structured macro-, micro- or nanostructured, wherein the distances between adjacent structural elements ( 6 ) are not larger than the diameter of the illumination beam.

Apparatus according to claim 3, characterized in that on the inner hollow body surface ( 4a ) Microlenses ( 8th ) whose focal length is the distance between the inner and outer hollow body surface ( 4a . 4b ) corresponds.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the inner and / or outer hollow body surface ( 4a . 4b ) with fluorescence material ( 7 ) are coated.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the inner and / or outer hollow body surfaces ( 4a . 4b ) a combination of microlenses ( 8th ), Structural elements ( 6 ) and fluorescent layers ( 7 ) exhibit.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the hollow body ( 4 ) is formed multi-layered, wherein the individual layers have the same or different refractive indices.

Method for measuring at least partially reflecting surfaces of a measuring object located on a positioning unit ( 1 ) with a device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the structured illumination beam through the at least one opening in the hollow body ( 4 ) impinges on an at least partially reflecting surface of the measurement object, from there onto the inner and outer hollow body surface ( 4a . 4b ) and made visible and from the determined coordinates of the illumination points ( 5 ) on the inner and outer hollow body surface ( 4a . 4b ) the at least partially reflective surfaces of the measurement object ( 1 ) by changing the position of the measurement object ( 1 ) are reconstructed point by point during the measurement.

Method according to claim 8, characterized in that the coordinates of the illumination points ( 5 ) on the inner and outer hollow body surface ( 4a . 4b ) with several detector units ( 3 ) be determined.

Use of a device according to one of claims 1 to 7 for simultaneous measurement of a plurality of optically smooth surfaces of a transparent test object ( 1 ).