DE102013208091A1

DE102013208091A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Vermessen einer Flächentopografie

Info

Publication number: DE102013208091A1
Application number: DE201310208091
Authority: DE
Inventors: Carsten Glasenapp; Yvonne Schleitzer; Lars Omlor; Adalbert Hanssen
Original assignee: Carl Zeiss Vision International GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss Vision International GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 2013-05-02
Filing date: 2013-05-02
Publication date: 2014-11-06
Anticipated expiration: 2033-05-03
Also published as: DE102013208091B4

Abstract

Eine Vorrichtung (10) für das Vermessen der Topografie und/oder des Gradienten und/oder der Krümmung einer optisch wirksamen Fläche (20) eines Gegenstands (12) hat eine Einrichtung (16) zum Anordnen des Gegenstands in einem Aufnahmebereich (14), in dem die Lage wenigstens eines Punktes auf der Fläche (20) des Gegenstands (12) in einem vorrichtungsfesten Koordinatensystem ermittelbar ist. Die Vorrichtung (10) enthält eine Vielzahl von Punktlichtquellen (18), die Licht bereitstellen, das an der zu vermessenden Fläche (20) eines in dem Aufnahmebereich (14) angeordneten Gegenstands (12) reflektiert wird. Die Vorrichtung (10) weist wenigstens eine Kamera (24) für das Erfassen einer Helligkeitsverteilung auf, die von dem an der zu vermessenden Fläche reflektierten Licht der Punktlichtquellen (18) auf einem Bildsensor (34) hervorgerufen wird. Erfindungsgemäß sind die Punktlichtquellen (18) auf der Mantelfläche (22) eines Polyeders angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtung für das Vermessen der Topografie und/oder der Krümmung und/oder der Gradienten einer optisch wirksamen Fläche eines Gegenstands mit einer Einrichtung zum Anordnen des Gegenstands in einem Aufnahmebereich, in dem die Lage wenigstens eines Punktes auf der Fläche des Gegenstands in einem vorrichtungsfesten Koordinatensystem ermittelbar ist, mit einer Vielzahl von Punktlichtquellen, die Licht bereitstellen, das an der zu vermessenden Fläche eines in dem Aufnahmebereich angeordneten Gegenstands reflektiert wird, und mit wenigstens einer Kamera für das Erfassen einer Helligkeitsverteilung, die von dem an der zu vermessenden Fläche reflektierten Licht der Punktlichtquellen auf einem Bildsensor hervorgerufen wird.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der US 5 106 183 A bekannt. Dort wird vorgeschlagen, die Topografie der Oberfläche eines Gegenstands zu vermessen, indem auf der Oberfläche des Gegenstands hervorgerufene Reflexionen von Leuchtdioden, die auf der Innenseite eines Kugeloberflächenabschnitts angeordnet sind, mit einem Fotodetektor erfasst und einer Auswertung unterzogen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung für das Vermessen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche eines Gegenstands bereitzustellen und ein Verfahren für das Vermessen einer solchen Topografie anzugeben, mit dem sich unterschiedliche lokale Oberflächenkrümmungen mit hohe Auflösung präzise erfassen lassen.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung die lokalen Krümmungsverläufe von optisch wirksamen Flächen mit einer Genauigkeit von mehr als 210 dpt aufzulösen.
Diese Aufgabe wird mit den Ansprüchen 1, 6, 8, 14 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, in einer Vorrichtung der eingangs genannten Art die Punktlichtquellen auf der Mantelfläche eines Polyeders anzuordnen.
Unter einer Punktlichtquelle wird dabei eine Lichtquelle verstanden, deren Ausdehnung so gering ist, dass diese von einem innerhalb des Aufnahmebereichs liegenden Punkt aus gesehen im Wesentlichen punktförmig erscheint, d.h., die auf einen in dem Aufnahmebereich liegenden Punkt bezogen z.B. nur einen Raumwinkel Ω_P der Größe Ω_P ≤ 0,5% sr oder Ω_P ≤ 0,3% sr oder Ω_P ≤ 0,1% sr oder bevorzugt der Größe Ω_P ≤ 0,05% sr abdeckt.
Unter einem Polyeder wird dabei eine Teilmenge des dreidimensionalen Raumes verstanden, die ausschließlich von geraden Flächen, d.h. Ebenen begrenzt wird. Das Polyeder kann z.B. ein abgestumpfter Ikosaeder, ein Würfel, ein Dodekaeder, ein Ikosaeder, ein 7-Eck Kegelstumpf mit einem Zylinderaufbau, ein 6-Eck Kegelstumpf mit einem Zylinder-Zwischenbau oder ein 9-Eck Kegel mit einem zweiten Kegelstumpf anderer Steigung sein.
Die Punktlichtquellen sind dabei bevorzugt zumindest teilweise als Leuchtdioden ausgebildet. Eine Idee der Erfindung ist es insbesondere, für die Punktlichtquellen hier eine Leiterplatte oder eine mehrere Leiterplatten umfassende Tragestruktur vorzusehen.
Unter einer Leiterplatte, auch Platine genannt, wird dabei vorliegend eine als plattenförmiger Träger ausgebildete Flachbaugruppe für das Aufnehmen von elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen verstanden. Auf einer solchen Flachbaugruppe können diese Bauteile frei verdrahtet werden oder in einer bevorzugten Ausführungsform an in elektrisch isolierendem Material festhaftende, leitende Verbindungen angeschlossen werden. Der plattenförmige Träger der Flachbaugruppe ist z.B. aus dem Material FR2, FR3, CEM1, CEM3 oder FR4 hergestellt.
Leuchtdioden in Form von SMDs werden üblicherweise in Bestückungsautomaten auf Leiterplatten montiert. Die gängigen Bestückungsautomaten ermöglichen dabei das definierte Positionieren von Leuchtdioden auf einer Leiterplatte mit einer Positioniergenauigkeit, die im Bereich von 0,001 mm bis 0,01 mm liegt und z.B. mit einem CAD-Programm exakt vorgegeben werden kann.
Im Rahmen der Erfindung ist es grundsätzlich allerdings auch möglich, dass die Punktlichtquellen wenigstens teilweise als das in der Polyederoberfläche angeordnete Ende eines Lichtleiters ausgebildet sind.
Die Erfindung schlägt insbesondere vor, dass die Punktlichtquellen auf der Mantelfläche wenigstens teilweise auf ein gemeinsames Zentrum aufweisenden konzentrischen Kreislinien liegen. Eine Idee der Erfindung ist es dabei auch, dass zueinander benachbarte Punktlichtquellen auf der Mantelfläche des Polyeders auf gekrümmten Kurven liegen, die von dem gemeinsamen Zentrum ausgehen.
Für das Vermeiden von störenden Lichtreflexen ist es von Vorteil, wenn zwischen den Punktlichtquellen ein Licht in dem Wellenlängenbereich des Lichts der Punktlichtquellen absorbierendes Material angeordnet ist.
Eine Idee der Erfindung besteht auch darin, zwischen der Kamera und dem Aufnahmebereich eine Optikbaugruppe positiver oder negativer Brechkraft anzuordnen, die als Feldlinse wirkt und dazu dient, das Licht der Punktlichtquellen zu einem in dem Aufnahmebereich angeordneten Gegenstand zu lenken und das an dem Gegenstand reflektierte Licht der Kamera zuzuführen.
Die Erfinder haben erkannt, dass wenn die Punktlichtquellen von jedem innerhalb des Aufnahmebereichs liegenden Punkt aus gesehen über einen Raumwinkel Ω verteilt sind, der folgender Beziehung genügt: Ω ≥ π sr, vorzugsweise Ω ≥ 90% × 2π sr, optisch wirksame Flächen vermessen werden können, die um bis zu 45° in Bezug auf eine Vorzugsrichtung geneigt sind.
Ein Raumwinkel von 1 sr (Steradiant) umschließt auf der Fläche einer Kugel mit 1 m Radius eine Fläche von 1 m². Der Raumwinkel einer gesamten Kugel beträgt deshalb 4π m²/m² = 4π sr.
Indem die Position des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Lage der Punktlichtquellen in der Vorrichtung eingestellt werden kann, ist es möglich, den von einem jeden einzelnen Punkt in dem Aufnahmebereich gesehenen Raumwinkel zu variieren und das Auflösungsvermögen der Vorrichtung an die Krümmungen einer zu vermessenden optisch wirksamen Fläche anzupassen. Für das Einstellen der Position des Aufnahmebereichs ist es günstig, wenn dieser in Bezug auf die Kamera quer zu einer optischen Achse oder parallel zu der optischen Achse des optischen Abbildungssystems der Kamera verlagert werden kann.
Von Vorteil ist es, wenn die wenigstens eine Kamera ein optisches Abbildungssystem aufweist, das eine den Aufnahmebereich durchsetzende optische Achse hat.
Eine Idee der Erfindung besteht insbesondere darin, die Punktlichtquellen in der Vorrichtung so anzuordnen, dass deren Anzahl in einem Raumwinkelelement um einen auf der optischen Achse liegenden Punkt, das in einem Kugelkoordinatensystem, dessen Ursprung in dem Punkt liegt und das einen auf der optischen Achse liegenden zu der Kamera weisenden Nordpol hat, bei dem Polarwinkel θ und dem Azimutwinkel φ angeordnet ist, mit zunehmendem Polarwinkel θ abnimmt.
Außerdem ist es eine Idee der Erfindung, die Punktlichtquellen in der Vorrichtung so anzuordnen, dass die Anzahl der Punktlichtquellen in einem Raumwinkelelement um einen auf der optischen Achse liegenden Punkt, das in einem Kugelkoordinatensystem, dessen Ursprung in dem Punkt liegt und das einen auf der optischen Achse liegenden zu der Kamera weisenden Nordpol hat, bei dem Polarwinkel θ und dem Azimutwinkel φ angeordnet ist, von dem Azimutwinkel φ im Wesentlichen unabhängig ist.
Für das Vermessen von symmetrischen optisch wirksamen Flächen ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Punktlichtquellen zu der optischen Achse asymmetrisch angeordnet sind.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung für das Vermessen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche eines Gegenstands kann auch wenigstens eine weitere Kamera aufweisen, die ein optisches Abbildungssystem mit einer den Aufnahmebereich durchsetzenden optischen Achse hat.
Von Vorteil ist es, in einer Vorrichtung für das Vermessen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche eines Gegenstands eine Messeinrichtung für das Ermitteln der Lage wenigstens eines Punktes auf der Fläche eines in der Einrichtung zum Positionieren angeordneten Gegenstands in einem vorrichtungsfesten Koordinatensystem vorzusehen. Damit ist es möglich, aus einer auf dem Bildsensor der Kamera in der Vorrichtung erfassten Helligkeitsverteilung die Topografie der zu vermessenden Fläche mittels Integration zu berechnen.
Von Vorteil ist es insbesondere, wenn das Licht der Punktlichtquellen eine unterschiedliche, vorzugsweise einstellbare Wellenlängenzusammensetzung hat. Damit ist es möglich in der Vorrichtung optisch wirksame Flächen mit einem unterschiedlichen Reflexionsverhalten zu vermessen.
Um die Topografie einer optisch wirksamen Fläche eines Gegenstands zu vermessen, schlägt die Erfindung insbesondere folgende Schritte vor:
Ermitteln der Lage wenigstens eines Punktes auf der Fläche des Gegenstands. Bereitstellen von Licht aus einer Vielzahl von Punktlichtquellen, das an der zu vermessenden Fläche eines in dem Aufnahmebereich angeordneten Gegenstands reflektiert wird. Erfassen einer Helligkeitsverteilung, die von dem an der zu vermessenden Fläche reflektierten Licht der Punktlichtquellen auf einem Bildsensor hervorgerufen wird. Berechnen der Topografie der Fläche aus der erfassten Lage des wenigstens einen Punktes auf der Fläche des Gegenstands und aus der erfassten Helligkeitsverteilung. Indem dabei die Helligkeitsverteilung für aufeinanderfolgend aktivierte Gruppen von unterschiedlichen Punktlichtquellen erfasst wird, kann die Genauigkeit beim Erfassen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche gesteigert werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere für das Vermessen der Topografie von Brillengläsern in einer Brillenglas-Fertigungseinrichtung, die eine Freiformfläche aufweisen und lokale Oberflächennormalen haben, die in Bezug auf die optische Achse um bis zu 45° geneigt sind und die mittlere Krümmungsradien R haben, die in dem Bereich zwischen –1000mm ≤ R ≤ –50mm und +50mm ≤ R ≤ +1000mm liegen und dabei einen Glasdurchmesse von bis zu 80 mm haben.
Eine Idee der Erfindung ist es auch, mit einer vorstehend angegebenen Vorrichtung für das Vermessen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche eines Gegenstands die Topografie von Brillengläsern zu vermessen und die dabei erfassten Abweichungen gegenüber einer Sollform an eine Einrichtung für das Bearbeiten von Brillengläsern zu übermitteln. Die Sollform von entsprechenden Brillengläsern ist dabei vorteilhafter Weise in einer an dem Brillenglas oder einem Trägersystem für das Brillenglas angeordneten RFID-Einheit abgelegt oder in einer Permanentmarkierung auf dem Brillenglas abgespeichert.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Vorrichtung für das Vermessen der Topografie einer Brillenlinse mit Punktlichtquellen;
2 eine Teilansicht der Vorrichtung für das Vermessen der Topografie einer Brillenlinse;
3 ein Brillenglas in der Vorrichtung;
4 eine Gruppe von aktivierten Punktlichtquellen in der Vorrichtung;
5 bis 13 unterschiedliche Polyeder mit einer Mantelfläche für das Anordnen von Punktlichtquellen in einer Vorrichtung für das Vermessen der Topgrafie eines Gegenstands;
14 eine Vorrichtung für das Vermessen der Topografie der Hornhaut eines menschlichen Auges;
15 ein Spektrum der Absorption und Eindringtiefe von Licht in Wasser und Oxyhämogloblin;
16 eine Vorrichtung für das Vermessen der Topografie einer Brillenlinse mit einer Feldlinse;
17 eine Vorrichtung für das Vermessen der Topografie einer Oberfläche eines Gegenstands mit einer Einrichtung zum Positionieren; und
18 eine Vorrichtung für das Vermessen der Topografie eines transparenten Gegenstands mit einer Einrichtung für das Unterdrücken von Rückreflexen.
Die in der 1 gezeigte Vorrichtung 10 ist für das Vermessen der Topografie eines Gegenstands in Form eines Brillenglases 12 ausgelegt. Die Vorrichtung 10 hat einen Aufnahmebereich 14, in der das Brillenglas 12 auf einer Dreipunktauflage 16 angeordnet werden kann. Die Dreipunktauflage 16 ist eine Einrichtung zum Anordnen des Brillenglases 12 in dem Aufnahmebereich 14. Die Dreipunktauflage 16 hält das Brillenglas 12 an drei Punkten auf einer zu vermessenden optisch wirksamen Fläche 32. Die Position dieser drei Punkte ist in einem in Bezug auf die Vorrichtung 10 vorrichtungsfesten Koordinatensystem exakt bekannt.
Die Vorrichtung 10 hat eine Vielzahl von Punktlichtquellen 18 in Form von Leuchtdioden (LEDs), die bei Aktivieren Licht im ultravioletten Spektralbereich UV-Licht mit der Wellenlänge λ ≈ 365 nm emittieren. Diese Leuchtdioden sind als SMDs (surface mounted device) ausgebildet und auf Leiterplatten 20, 20‘, 20‘‘ angeordnet, die zu einer Trägerstruktur 19 zusammengefügt sind.
In der Vorrichtung 10 sind die Punktlichtquellen 18 auf der Mantelfläche 22 eines Polyeders positioniert. Die aus den Leiterplatten 20, 20‘, 20‘‘ zusammengefügte Trägerstruktur 19 hat eine gekantete Form und weist deshalb eine große Schwingungsstabilität auf. In der Vorrichtung 10 begrenzt die Mantelfläche 22 einen dreidimensionalen Halbraum 23, der einen offenen Rand 25 hat. UV-Licht mit der Wellenlänge λ ≈ 365 nm wird in dem Glasmaterial handelsüblicher Brillengläser aus Kunststoff absorbiert. Damit wird erreicht, dass das Licht der Punktlichtquellen 18 an der der optisch wirksamen Fläche 20 eines Brillenglases 12 in dem Aufnahmebereich 14 gegenüberliegenden optisch wirksamen Fläche 50 keine Reflexionen hervorruft.
Um in der Vorrichtung 10 Brillengläser aus Quarzglas zu vermessen, ist es erforderlich, dass die Punktlichtquellen 18 Licht generieren, für dessen Wellenlänge λ gilt: λ ≤ 300nm. Mit Licht dieser Wellenlänge lassen sich störende Reflexionen von der Rückseite eines Brillenglases unterbinden.
In der Vorrichtung 10 können grundsätzlich auch metallische Oberflächen sowie lackierte Oberflächen vermessen werden, wobei in diesem Fall das Licht der Punktlichtquellen günstiger Weise im sichtbaren Spektralbereich liegt. Für das Vermessen von rauen Oberflächen, für deren Rauheit Rz gilt: Rz > 1 µm ist es von Vorteil, wenn die Punktlichtquellen 18 Licht aussenden, das im infraroten Spektralbereich liegt, für das solche Oberflächen eine Spiegelwirkung haben.
Die Vorrichtung 10 enthält eine Kamera 24 mit einem eine Blende 27, eine Objektivlinseneinheit 25 und ein UV-Sperrfilter 29 aufweisenden optischen Abbildungssystem 26. Das optische Abbildungssystem 26 hat eine den Aufnahmebereich 14 durchsetzende optische Achse 28. Die Kamera 24 ist auf der dem Aufnahmebereich 14 abgewandten Seite der Trägerstruktur 19 mit den Leiterplatten 20 angeordnet. Sie erfasst ein in dem Aufnahmebereich 14 angeordnetes Brillenglas 12 durch eine Ausnehmung 30 in der Leiterplatte 20 der Trägerstruktur 19.
Die Kamera 24 dient für das Erfassen einer Helligkeitsverteilung, die von dem an der zu vermessenden Fläche 32 reflektierten Licht der Punktlichtquellen 18 auf einem Bildsensor 34 hervorgerufen wird. Das Licht von einer Punktlichtquelle 18 gelangt mit dem Lichtstrahl 19 auf die Fläche 32 des in dem Aufnahmebereich 14 angeordneten Brillenglases 12. An dem Punkt 31 mit den Koordinaten (X_S, Y_S, Z_S) wird das Licht mit dem Einfallswinkel β_E in Bezug auf die Oberflächennormale n → gemäß dem Reflexionsgesetz unter dem Ausfallswinkel β_A = β_E reflektiert.
Die Helligkeitsverteilung auf dem Bildsensor 34 enthält damit die Information der Neigung der Tangentialebenen an der zu vermessenden Fläche 32 des Brillenglases 12 an denjenigen Stellen, an denen das Licht der Punktlichtquellen 18 so reflektiert wird, dass es die Kamera 24 einfängt.
Das Abbildungssystem 26 der Kamera 24 ist so eingestellt, dass eine auf dem Bildsensor 34 erfasste Helligkeitsverteilung durch die Ausnehmung 30 keine Vignettierung erfährt und die Schärfentiefe so groß ist, dass die Helligkeitsverteilungen für in der Vorrichtung 10 vermessene optisch wirksame Flächen von Brillengläsern 12, die unterschiedliche Oberflächentopografien haben, auf dem Bildsensor 34 aufgelöst werden können.
Die Anordnung der Punktlichtquellen 18 auf der Trägerstruktur 19 in der Vorrichtung 10 gewährleistet, dass die Topografie einer optisch wirksamen Fläche 32 mit guter Auflösung vermessen werden kann, auch wenn diese in Bezug auf die optische Achse 28 der Kamera 24 unter einem Winkel von bis zu 45° geneigt ist. Das Licht der Punktlichtquellen 18 wird dann nämlich so reflektiert, dass es dem Bildsensor 34 in der Kamera 24 zugeführt wird.
Die Trägerstruktur 19 in der Vorrichtung 10 hat eine mit der optischen Achse 28 der Kamera 24 fluchtende Symmetrieachse. Ein für das Vermessen in dem Aufnahmebereich 14 angeordnetes Brillenglas 12 ist in der Vorrichtung 10 in Bezug auf die optische Achse 28 mechanisch zentriert. Es ist allerdings zu bemerken, dass ein Brillenglas 12 in der Vorrichtung 10 grundsätzlich auch in Bezug auf die optische Achse 28 mit einer Ablage angeordnet werden kann. Dies kann z.B. für Brillengläser von Vorteil sein, die keinerlei Rotationssymmetrie aufweisen.
In der Vorrichtung 10 ist der Durchmesser der Öffnung des Randes 25 des Halbraumes 23 in etwa 5-mal bis 7-mal so groß wie der Durchmesser des Bildfeldes BF. Der maximale Ablenkwinkel γ = β_A + β_E für einen Lichtstrahl 35 von einer Punktlichtquelle 18, der in der Vorrichtung 10 mit der Kamera 24 erfasst werden kann, ist bestimmt durch den minimalen Krümmungsradius R_min einer Fläche 20 und der Größe der Bildfeldes BF der Kamera 24:
Dies bedeutet z.B., dass abhängig von der Größe des Bildfeldes BF in der Vorrichtung 10 insbesondere die Topografie von Flächen mit folgendem minimalen Krümmungsradius R_min erfasst werden kann:

BF (mm) R_min (mm)

5 4

10 7

30 21

50 35

100 71
Die Rechnereinheit 36 ist eine Einrichtung für das Aktivieren von unterschiedlichen Punktlichtquellen 18 und das Erfassen der Helligkeitsverteilung für die Punktlichtquellen 18. Für das Auswerten einer mit dem Bildsensor 34 in der Kamera 24 erfassten Helligkeitsverteilung gibt es in der Vorrichtung 10 eine Rechnereinheit 36 mit einem Computerprogramm. Das Computerprogramm berechnet für einen mit der Kamera 24 auf dem Bildsensor 34 erfassten Lichtstrahl 35‘ von einem Punkt P auf der optisch wirksamen Fläche 20 des in dem Aufnahmebereich 16 angeordneten Brillenglases 12 und den bekannten Positionen der Punktlichtquellen 18 in der Vorrichtung 10 die Oberflächennormale n_P an diesem Punkt. Durch Integration und Interpolation wird dann anhand der bekannten Koordinaten der Punkte der Fläche 20 in der Dreipunktauflage 16 für die zu der Fläche 20 in der Vorrichtung 10 aufgrund von Reflexionen des Lichts der Punktlichtquellen 18 an dieser Fläche erfassten Oberflächennormalen n_P in einer Rechnereinheit 36 die Topografie der Fläche 20 berechnet. Das hierzu hierfür verwendete Computerprogramm in der Rechnereinheit 36 ermöglicht dabei auch das Berechnen der lokalen Brechkräfte der optisch wirksamen Fläche 20 aus den ermittelten Oberflächennormalen n_P bzw. aus der berechneten Topografie.
Auf der Trägerstruktur 19 mit den Leiterplatten 20 sind etwa 2000 Punktlichtquellen 18 in Form von Leuchtdioden angeordnet. Es sei bemerkt, dass die entsprechenden Punktlichtquellen 18 nicht zwingend als Leuchtdioden ausgebildet sein müssen, sondern grundsätzlich auch z.B. als das Ende eines Lichtleiters gestaltet sein können, in den das Licht einer Lichtquelle eingekoppelt wird. Darüber hinaus sei bemerkt, dass die Trägerstruktur für die Punktlichtquellen in der Vorrichtung 10 insbesondere auch eine Lochmaske sein kann, der eine oder mehrere Hintergrundbeleuchtungen zugeordnet sind.
Die Punktlichtquellen 18 auf der Trägerstruktur 19 sind ungleichmäßig verteilt. Sie definieren ein Gitternetz mit dem Ort der Punktlichtquellen 18 entsprechenden Gitterpunkten, das zu der optischen Achse 28 der Kamera 24 asymmetrisch ist. D.h., das Gitternetz der Punktlichtquellen 18 hat keinerlei Symmetrie in Bezug auf die optische Achse 28. Es ist weder spiegelsymmetrisch zu der Achse 28 noch kann es durch Rotation um einen Drehwinkel ω < 2π um die Achse 28 weder in sich selbst noch teilweise in sich selbst überführt werden. Damit kann die Gesamtgenauigkeit der Messergebnisse für eine in der Vorrichtung 10 erfasste Topografie einer optisch wirksamen Fläche 20 erhöht werden, da sich auf diese Weise durch eine Apparatekonstante bedingte räumliche Eigenfrequenzen einer auf dem Bildsensor 26 der Kamera 24 hervorgerufenen Helligkeitsverteilung unterdrücken lassen.
Die 2 zeigt eine Teilansicht der Vorrichtung 10. Auf den Leiterplatten 20, 20` der Trägerstruktur sind die Punktlichtquellen 18 jeweils auf konzentrischen Kreislinien 38 angeordnet. Die Kreislinien 38 einer einzelnen Leiterplatte 20 weisen dabei ein gemeinsames Zentrum 40 auf. In Bezug auf das gemeinsame Zentrum 40 der Kreislinien 38 für die Anordnung der Punktlichtquellen 18 auf einer Leiterplatte 20 liegen hier zueinander benachbart angeordnete Punktlichtquellen 18‘, 18‘‘, die auf verschiedenen Kreislinien 38‘, 38‘‘ positioniert sind, auf einer Geraden 42, die von dem gemeinsamen Zentrum 40 der Kreislinien 38 eine Ablage A hat.
Die 1 zeigt, dass die Anzahl der Punktlichtquellen 18 in einem Raumwinkelelement 44 der Einheitskugel mit den Raumwinkelkoordinaten θ (Polarwinkel), φ (Azimutwinkel) in einem Kugelkoordinatensystem 47, dessen Ursprung in dem Punkt 46 auf der optischen Achse 28 der Kamera 24 liegt und das einen auf der optischen Achse 28 liegenden zu der Kamera 24 weisenden Nordpol 48 hat, mit zunehmendem Polarwinkel θ abnimmt.
Demgegenüber ist die Anzahl der Punktlichtquellen 18 in einem Raumwinkelelement 44 um einen auf der optischen Achse 28 liegenden Punkt 46, das in einem Kugelkoordinatensystem 48, dessen Ursprung in dem Punkt 46 liegt und das einen auf der optischen Achse 28 liegenden zu der Kamera 24 weisenden Nordpol 48 hat, das bei dem Polarwinkel θ und dem Azimutwinkel φ angeordnet ist, von dem Azimutwinkel φ im Wesentlichen unabhängig.
Die 3 zeigt das Brillenglas 12 in dem Bildfeld 43 der Vorrichtung 10 in einer Draufsicht. Um in der Vorrichtung 10 die Oberflächennormalen an N² zueinander äquidistant angeordneten Stützstellen 50 einer in dem Aufnahmebereich 14 angeordneten optisch wirksamen Fläche 32 eines Brillenglases 12 mit dem Krümmungsradius R zu bestimmen, ist es erforderlich, dass das durch die Zentralprojektion der an der Trägerstruktur 19 aufgenommenen Punktlichtquellen 18 auf eine um den Punkt 46 auf dem Brillenglas 12 aufgespannten Hemisphäre 49 mit dem Radius R_H den folgenden stand d(θ) haben:
In der Vorrichtung 10 ist die Anordnung der Punktlichtquellen 18 auf eine vorgegebene Anzahl von Stützstellen abgestimmt, indem in dem Inneren der Hemisphäre der Abstand d(θ) reduziert ist und nach außen kontinuierlich zunimmt.
Mit einer dem in der vorstehenden Formelbeziehung angegebenen Abstand d(θ) entsprechenden Beabstandung von Punktlichtquellen 18 in der Vorrichtung 10 kann so gegenüber einer äquidistanten Anordnung von Punktlichtquellen 18 die Topografie einer gekrümmten optisch wirksamen Fläche 20 eines Brillenglases 12, die einen vorgegebenen minimalen Krümmungsradius R_min hat, mit einer um etwa 80% verringerten Anzahl von Punktlichtquellen vermessen werden, ohne dass eine geforderte Mindest-Stützstellendichte dabei unterschritten wird.
D.h. z.B., dass in einer Vorrichtung 10, die für das Vermessen der optisch wirksamen Fläche von Brillengläsern ausgelegt ist, deren Krümmungsradien in einem Bereich zwischen 350mm und 35mm liegen und die in dem Inneren eines Durchmessers von 50mm, also bei einem Bildfeld von BF = 50mm mit einem mittleren Stützstellenabstand a vermessen werden sollen, der den Betrag von 2mm unterschreitet, der auf eine um den optischen Mittelpunkt 46 des Brillenglases aufgespannten Hemisphäre minimale Abstand der Punktlichtquellen mit dem Radius R = 300 mm bezogene Abstand d(θ) so gewählt werden kann, dass die Punktlichtquellen auf lediglich 69 Kreisringen mit einem unterschiedlichen Polarwinkel angeordnet werden müssen.
Mit Punktlichtquellen 18, die der vorstehenden Abstandsbeziehung genügen, können deshalb in der Vorrichtung 10 unterschiedlich gekrümmte optisch wirksame Flächen von Brillengläsern 12, die einen gleichen mittleren Krümmungsradius R haben, an einer gleichbleibenden Anzahl von Stützstellen bzw. bei einer konstanten Stützstellendichte so vermessen werden. Eine solche Anordnung der Punktlichtquellen 18 gewährleistet auch, dass in der Vorrichtung 10 unterschiedlich gekrümmte optisch wirksame Flächen, deren Krümmung einen minimalen Krümmungsradius R_min nicht unterschreitet, vermessen werden können, ohne dass dabei ein durch die Anordnung der Punktlichtquellen 18 in der Vorrichtung 10 vorgegebener minimaler Stützstellenabstand BF/N nicht unterschritten wird.
In der Vorrichtung 10 sind die Punktlichtquellen 18 von jedem innerhalb des Aufnahmebereichs 14 liegenden Punkt aus gesehen über einen Raumwinkel Ω verteilt, der folgender Beziehung genügt: Ω ≥ Π sr, vorzugsweise Ω ≥ 1.8 π sr.
In einer alternativen, modifizierten Ausführungsform der Vorrichtung 10 ist der Aufnahmebereich 14 in Bezug auf die Anordnung der an der Trägerstruktur 19 aufgenommenen Punktlichtquellen 18 verlagerbar ausgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, den Raumwinkel Ω zu variieren, über den die Punktlichtquellen 18 von innerhalb des Aufnahmebereichs 14 liegenden Punkten aus gesehen, verteilt sind.
Die 4 zeigt eine Gruppe 51 von aktivierten Punktlichtquellen 18 in der Vorrichtung 10. Abhängig von der Topografie der optisch wirksamen Fläche 20 des Brillenglases 12 werden die auf der Trägerstruktur 19 angeordneten Punktlichtquellen 18 mit einem unterschiedlichen Abbildungsmaßstab auf dem Bildsensor 26 der Kamera 24 abgebildet. Wenn die Fläche 20 einen geringen Krümmungsradius hat, werden die entsprechenden Punktlichtquellen mit einem Abbildungsmaßstab erfasst, der kleiner ist als der Abbildungsmaßstab für den Fall einer optisch wirksamen Fläche 20, die einen entsprechend größeren Krümmungsradius aufweist. Je nach dem Fokuszustand der Kamera 24 und deren Auflösung kann es dann vorkommen, dass sich die Intensitätsverteilungen von zwei an der Trägerstruktur 19 zueinander benachbart angeordneten Punktlichtquellen 18 auf dem Bildsensor 26 überlappen, so diese auch mittels Bildverarbeitung und Signalauswertung nicht mehr zuverlässig voneinander getrennt werden können.
Um das Zuordnen von einzelnen Bereichen der auf dem Bildsensor 26 der Kamera 24 erfassten Helligkeitsverteilung zu den Punktlichtquellen 18 der Vorrichtung 10 zu erleichtern, ist es von Vorteil, die Punktlichtquellen 18 für das Vermessen der Fläche 20 von einem Brillenglas aufeinanderfolgend in unterschiedlichen Gruppen zu aktivieren. Bevorzugt bestehen diese Gruppen aus Punktlichtquellen, die auf einer Leiterplatte 20, 20‘ auf einem gemeinsamen Ring in Form einer Kreislinie 38 liegen, oder aus Punktlichtquellen 18, die auf einer das gemeinsame Zentrum 40 der Kreislinien 38 durchsetzenden Arm in Form einer Bogenlinie 52 positioniert sind.
D.h., die Punktlichtquellen 18 werden in Gruppen von Ringen und Armen aktiviert. So können z.B. nur die Punktlichtquellen 18 auf jedem zweiten oder jedem vierten Ring und/oder Arm eingeschaltet werden. Dadurch ist es möglich ein Überlappen der Intensitätsverteilungen zu vermeiden. Um in der Vorrichtung 10 trotzdem alle Punktlichtquellen 18 zu nutzen, werden darin die zueinander benachbart angeordneten Punktlichtquellen nacheinander eingeschaltet und es wird dann jeweils ein separates Bild auf dem Bildsensor 26 der Kamera 24 erfasst. Wenn etwa nur jede vierte Punktlichtquelle 18 in der Anordnung der Punktlichtquellen 18 gleichzeitig aktiviert wird, bedarf es einer Aufnahmesequenz mit vier Aufnahmen, um die in der Vorrichtung 10 erfassbare vollständige Information der Helligkeitsverteilung des Lichts von allen Punktlichtquellen 18 zu erhalten, die Reflektionen von Licht an der zu vermessenden optisch wirksamen Fläche 20 eines Brillenglases 12 hervorrufen.
Es sei bemerkt, dass die an der Trägerstruktur 19 aufgenommenen Punktlichtquellen 18 in der Vorrichtung 10 alternativ oder zusätzlich auch in einem nach Längenkreisen und Breitenkreisen getrennten Organisationprinzip einer auf den optischen Mittelpunkt 49 eines in dem Aufnahmebereich 14 angeordneten Brillenglases 12 bezogenen Hemisphäre 51 angesteuert werden können. Dieses Organisationsprinzip für das alternierende Ansteuern von Punktlichtquellen 18 in der Vorrichtung 10 ist vorteilhaft, wenn die zu vermessende optisch wirksame Fläche 20 keine bevorzugte Raumrichtung hat, in welche sie die von den Punktlichtquellen 19 erzeugten Lichtstrahlen reflektiert, wie das z.B. bei einem Flachspiegel der Fall ist. Dieses Organisationsprinzip für das Ansteuern der Punktlichtquellen 19 vereinfacht ein Adressieren der einzelnen Punktlichtquellen 18 für die Steuerung.
Um bei einer vorgegebenen Dynamik des Bildsensors 26 in der Kamera 24 die Intensität der von einer optisch wirksamen Fläche 20 eines in der Vorrichtung 10 angeordneten Brillenglases 12 reflektierten Lichtstrahles der Punktlichtquelle 18 für unterschiedliche Reflektionseigenschaften der optisch wirksamen Fläche einstellen zu können, ist es möglich, die Intensität des Lichts der Punktlichtquellen 18 mittels Pulslängen und/oder Pulsweitenmodulation mittels der Rechnereinheit 36 bei Bedarf zu variieren.
Um die Vorrichtung 10 für das Vermessen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche 20 zu kalibrieren, wird in dieser bevorzugt die Helligkeitsverteilung auf dem Bildsensor 26 der Kamera 24 zu verschiedenen Kalibrierobjekten erfasst, z.B. von Kalibrierobjekten in der Form von polierten Sphären, die einen genau bekannten unterschiedlichen Radius haben.
Für das Vermessen in der Vorrichtung 10 der optisch wirksamen Fläche 50 auf der Rückseite des Brillenglases 12, muss das Brillenglas in der Dreipunktauflage 16 grundsätzlich umgedreht werden.
In einer modifizierten Ausführungsform für die Vorrichtung 10 ist deshalb vorgesehen, dass der Aufnahmebereich 14 mit der Dreipunktauflage 16 in der Richtung der optischen Achse 28 der Kamera 24 verlagert werden kann. Indem der Abstand D des Aufnahmebereichs 14 von der Kamera 24 verändert wird, ist es möglich, die Anordnung von einem Brillenglas 12 für das Vermessen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche in der Vorrichtung 10 auf die Oberflächenkrümmung der zu vermessenden Fläche abzustimmen.
Wenn die zu vermessende Fläche bei einem Brillenglas große Krümmungsradien aufweist, ist es z.B. von Vorteil, wenn sich das Brillenglas 12 mit einem großen Abstand von der Kamera 24, gegebenenfalls außerhalb des von der Trägerstruktur 19 aufgespannten Halbraumes befindet.
Wenn die zu vermessende optisch wirksame Fläche bei dem Brillenglas 12 dagegen vergleichsweise kleine Krümmungsradien hat, ist es günstig, wenn das entsprechende Brillenglas weit innerhalb des von der Trägerstruktur 19 definierten Halbraumes 23 positioniert ist.
Es sei bemerkt, dass in einer modifizierten Ausführungsform der Vorrichtung 10 zwei oder auch mehrere Kameras vorgesehen sein können, um die Reflektionen des Lichts der Punktlichtquellen an einer optisch wirksamen Fläche eines Gegenstands in unterschiedlichen Blickrichtungen zu erfassen. Diese Maßnahme ermöglicht insbesondere das genaue Bestimmen der räumlichen Position von ausgewählten Punkten auf der optisch wirksamen Fläche des Gegenstands.
Darüber hinaus sei bemerkt, dass das Messprinzip der Vorrichtung 10 grundsätzlich auch ermöglicht, die beiden optisch wirksamen Flächen auf der vorder- und Rückseite bei einem Brillenglas 12 gleichzeitig zu vermessen. Hierfür wir die in der 1 gezeigte Vorrichtung 10 um eine weitere, eine Vielzahl von Punktlichtquellen aufnehmende Trägerstruktur mit Punktlichtquellen ergänzt und mit einer weiteren Kamera für das Erfassen der Helligkeitsverteilung von dem auf der Rückseite des Brillenglases reflektierten Licht der entsprechenden Punktlichtquellen versehen. Die Punktlichtquellen sind hier für das Vermessen von optisch wirksamen Flächen eines Gegenstands, wie z.B. eines Brillenglases auf einer Mantelfläche angeordnet, die einen geschlossenen Vollraum umgibt, in dem der entsprechende Gegenstand angeordnet wird.
Die 5 bis 13 zeigen Beispiele für Polyeder, die eine für das Aufnehmen von Punktlichtquellen in einer Vorrichtung für das Vermessen der Topografie eines Gegenstands geeignete Mantelfläche haben.
Das in der 5 gezeigte Polyeder 100 ist aus 7 regelmäßigen 5-Ecken gebildet, die an 10 miteinander verbundene regelmäßige 6-Ecke angefügt sind. Die Mantelfläche des Polyeders 100 begrenzt einen Vollraum. Das Polyeder 102 in der 6 ist eine Pyramide mit einer Mantelfläche 103, die einen Halbraum begrenzt, der einen offenen Rand 101 hat. Das Polyeder 104 in der 8 ist als ein abgestumpfter Ikosaeder mit einer einen Vollraum begrenzenden Mantelfläche ausgeführt. Die 7 zeigt ein als Würfel ausgebildetes Polyeder 106 mit einer Mantelfläche, die einen Vollraum begrenzt. In der 9 ist ein Polyeder 108 in Form eines Dodekaeders mit einer Mantelfläche gezeigt, die ebenfalls einen Vollraum begrenzt. In der 10 ist als Polyeder ein Ikosaeder 110 abgebildet. Die 11 zeigt als Polyeder 112 einen 7-Eck Kegelstumpf mit einem Zylinderaufbau. Das Polyeder 112 hat eine Mantelfläche, die einen geöffneten Halbraum mit dem Rand 113 umgibt. In der 12 ist als ein Polyeder 114 ein 6-Eck Kegelstumpf mit einem Zylinder-Zwischenbau und einem geöffneten Halbraum, der einen Rand 115 aufweist, gezeigt. Die 13 zeigt als Polyeder 116 einen 9-Eck Kegel mit einem zweiten Kegelstumpf anderer Steigung, dessen Mantelfläche einen Vollraum definiert.
Die 14 zeigt eine Vorrichtung 210 für das Vermessen der Topografie von Strukturen an einem menschlichen Auges 202. Funktion und Aufbau der Vorrichtung 200 entsprechen grundsätzlich dem Aufbau der vorstehend anhand der 1 bis 4 beschriebenen Vorrichtung 10. Soweit die Baugruppen der Vorrichtung 200 den Baugruppen der Vorrichtung 10 entsprechen, sind diese in der 14 mit um die Zahl 200 erhöhten Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht.
Die Vorrichtung 210 hat einen Aufnahmebereich 214 für das Anordnen des Auges 202 eines Patienten. Die Vorrichtung 210 enthält eine Referenziereinrichtung (nicht gezeigt), die es ermöglicht, die Lage des Scheitelpunkts 203 der Hornhaut 205 des Auges 202 in Bezug auf ein zu der Kamera 224 festes Koordinatensystem 207 zu erfassen. Eine solche Referenziereinrichtung kann z.B. ein OCT-System enthalten, wie es etwa in der EP 1 918 754 B1 in den Absätzen [0004] bis [0007] unter Hinweis auf die US 5,321,501 und die WO 2006/10544 A1 beschrieben ist, auf die hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
Anders als in der Vorrichtung 10 sind die Punktlichtquellen 218 in der Vorrichtung 210 auf einer als Hemisphäre 219 ausgebildeten Trägerstruktur positioniert. Zu bemerken ist allerdings, dass die Vorrichtung 210 in einer alternativen Ausführungsform grundsätzlich auch eine Trägerstruktur für das Aufnehmen von Punktlichtquellen 218 aufweisen kann, an der die Punktlichtquellen auf der Mantelfläche eines Polyeders angeordnet sind.
Die Punktlichtquellen 218 sind für das Erzeugen von Licht in voneinander getrennten unterschiedlichen schmalbandigen Wellenlängenbereichen ausgelegt, z.B. einem Wellenlängenbereich bei der Wellenlänge λ₁ = 400nm, der Wellenlänge λ₂ = 488 nm, der Wellenlänge λ₃ = 514nm, der Wellenlänge λ₄ = 632nm, der der Wellenlänge λ₅ = 1150nm und/oder der Wellenlänge λ₆ = 3390nm.
Die 15 zeigt mit den Kurven 211 und 213 das wellenlängenabhängige Spektrum der Absorption A (λ) und der Eindringtiefe P (λ) von Licht in die Substanzen Wasser und Oxyhämoglobin. Wie aus der 15 zu sehen ist, liegen die vorstehend angegebenen Wellenlängenbereiche in der Nähe von lokalen Extrema der Kurven 207 und 209. Mit der Vorrichtung 210 ist es damit möglich, nicht nur die Topografie der Hornhaut 205 des Auges 202 eines Patienten zu vermesse, sondern auch Strukturen 211 zu erfassen, die in dem Inneren des Auges 202 liegen.
Mit einer geeigneten Auswahl der Wellenlänge des mittels der Punktlichtquellen 218 erzeugten Lichts ist es möglich, optisch wirksame Flächen von Grenzschichten zu vermessen, die sich in dem Inneren eines Messobjekts befinden.
Wellenlängen von Licht im kurzwelligen Bereich eignen sich z.B. für das Vermessen der Oberfläche der Kornea (Hornhaut). Mit Licht einer Wellenlänge, bei der die Kornea transparent, das Kammerwasser jedoch intransparent ist, können dagegen Strukturen in dem Inneren eines menschlichen Auges oder dem Auge eines Tiers vermessen werden, weil wie in der 15 zu sehen ist, die Absorptionskante von Wasser im infraroten Spektralbereich liegt.
Für das Vermessen entsprechender Strukturen mit unterschiedlichen Wellenlängen von Licht ist es von Vorteil, wenn der Bildsensor 234 der Kamera 224 in dem Wellenlängenbereich 350 nm bis 1050 nm eine gute Empfindlichkeit hat.
Die 16 zeigt eine Vorrichtung 310 für das Vermessen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche 320 eines Brillenglases 312. Funktion und Aufbau der Vorrichtung 300 entsprechen grundsätzlich dem Aufbau der vorstehend anhand der 1 bis 4 beschriebenen Vorrichtung 10. Soweit die Baugruppen der Vorrichtung 310 den Baugruppen der Vorrichtung 10 entsprechen, sind diese in der 16 mit um die Zahl 300 erhöhten Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht.
Anders als in der Vorrichtung 10 sind die Punktlichtquellen 318 in der Vorrichtung 310 auf einer als Hemisphäre 319 ausgebildeten Trägerstruktur positioniert. Zu bemerken ist allerdings, dass die Vorrichtung 310 in einer alternativen Ausführungsform grundsätzlich auch eine Trägerstruktur für das Aufnehmen von Punktlichtquellen 318 aufweisen kann, an der die Punktlichtquellen auf der Mantelfläche eines Polyeders angeordnet sind.
Die Vorrichtung 310 enthält eine zwischen dem Aufnahmebereich 314 und der Kamera 324 angeordnete Optikbaugruppe positiver Brechkraft in Form einer Feldlinse 316, die dazu dient, das Licht der Punktlichtquellen 318 zu einem in dem Aufnahmebereich angeordneten Gegenstand 312 zu lenken und das an dem Gegenstand 312 reflektierte Licht der Kamera 324 zuzuführen.
Diese Maßnahme ermöglicht das Erfassen der Topografie einer konkav gekrümmten optisch wirksamen Fläche 320 von Gegenständen wie z.B. Brillengläsern 312 mit einer großen Anzahl von Stützstellen.
Die 17 zeigt eine Vorrichtung 410 für das Vermessen der Topografie eine optisch wirksamen Fläche 420 eines Gegenstands 412. Funktion und Aufbau der Vorrichtung 400 entsprechen grundsätzlich dem Aufbau der vorstehend anhand der 1 bis 4 beschriebenen Vorrichtung 10. Soweit die Baugruppen der Vorrichtung 410 den Baugruppen der Vorrichtung 10 entsprechen, sind diese in der 17 mit um die Zahl 400 erhöhten Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht.
Anders als in der Vorrichtung 10 sind die Punktlichtquellen 418 in der Vorrichtung 310 auf einer als Hemisphäre 419 ausgebildeten Trägerstruktur positioniert. Zu bemerken ist allerdings, dass die Vorrichtung 410 in einer alternativen Ausführungsform grundsätzlich auch eine Trägerstruktur für das Aufnehmen von Punktlichtquellen 418 aufweisen kann, an der die Punktlichtquellen auf der Mantelfläche eines Polyeders angeordnet sind.
Für das Vermessen ist der Gegenstand 412 in der Vorrichtung 410 in einer Einrichtung 470 zum Positionieren angeordnet.
Mit der Einrichtung 470 kann der Gegenstand in den drei Raumrichtungen X, Y und Z des Koordinatensystems 471 in Bezug auf die Kamera 424 verlagert werden. Die Vorrichtung 410 enthält eine Messeinrichtung 472 für das Ermitteln der Lage wenigstens eines Punktes 474 auf der Fläche eines Gegenstands in einem vorrichtungsfesten Koordinatensystem 476. Die Messeinrichtung 470 enthält hierzu bevorzugt laufzeitbasiertes optisches Abstandsmesssystem. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die Lage eines in der Vorrichtung 410 für das Vermessen angeordneten Gegenstands 412 mittels Laserlicht-Triangulation durch auswerten von chromatischen Längsfehlern, astigmatischen Effekten und oder einer Schärfentiefe zu erfassen. Eine Messeinrichtung 472 für das Ermitteln der Lage eines in der Vorrichtung 410 für das Vermessen angeordneten Gegenstands 412 kann auch ein Messsystem enthalten, das auf dem Gegenstand 412 oder einem Halter für diesen Gegenstand aufgebrachte Zielmarken lokalisiert und deren Lage ermittelt, d.h. deren Positionen vermisst. Diese Zielmarken können z.B. als Permanentgravuren ausgebildet sein, z.B. als Permanentgravuren in einem zu vermessenden Brillenglas, die ein Koordinatensystem für den betreffenden Gegenstand definieren. Solche Zielmarken können allerdings auch Markierungen auf einem Trägersystem sein, z.B. einem Linsenhalter, um damit die exakte Position einer in dem Halter angeordneten Brillenlinse zu erfassen.
Die 18 zeigt eine weitere Vorrichtung 510 für das Vermessen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche 520 eines Brillenglases 512. Funktion und Aufbau der Vorrichtung 500 entsprechen grundsätzlich dem Aufbau der vorstehend anhand der 1 bis 4 beschriebenen Vorrichtung 10. Soweit die Baugruppen der Vorrichtung 510 den Baugruppen der Vorrichtung 10 entsprechen, sind diese in der 17 mit um die Zahl 500 erhöhten Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht.
Die Vorrichtung 510 enthält eine Einrichtung 580 für das Unterdrücken von Rückreflexen, die das Licht der Punktlichtquellen 518 an der optisch wirksamen Fläche 550 hervorruft. Hierfür ist der Abschnitt des Brillenglases 512 mit der Fläche 550 zum Zwecke des sogenannten Indexmatchings durch eine Membran 582 getrennt in ein Immersionsmedium 584 eingetaucht, z.B. Immersionsmedium in Form eines flüssigen Gemisches aus Wasser und Öl, das einen an die Brechzahl des Brillenglases angepassten Brechungsindex hat. Die Brechzahl der Membran 582 und die Brechzahl des Immersionsmediums sind dabei vorzugsweise identisch.
Zur besseren optischen Ankoppelung der Membran 582 an das Brillenglas 512 ist es von Vorteil, wenn die Membran mit einer leicht flüchtigen und rückstandsfrei verdampfbaren Flüssigkeit benetzt wird, weil auf diese Weise störende Lufteinschlüsse vermieden werden können.
Es sei bemerkt, dass sich die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen grundsätzlich für das Vermessen der Topografie der Oberfläche von beliebigen Messobjekten eignen, deren Oberfläche einen Reflexionsgrad R > 50% für das Licht der Punktlichtquellen hat. Entsprechende Messobjekte können insbesondere sein: Optische Elemente in Form von Linsen, Optiken, Sphären und Asphären, Brillengläser, Gleitsichtgläser, metallische Bauteile mit einer glänzenden, insbesondere polierten Oberfläche, lackierte Bauteile sowie Kunststoffbauteile. Darüber hinaus kann mit einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung grundsätzlich auch die Topografie eines menschlichen oder tierischen Auges vermessen werden.
Zusammenfassend sind insbesondere folgende bevorzugte Merkmale der Erfindung festzuhalten: Eine Vorrichtung 10 für das Vermessen der Topografie und/oder des Gradienten und/oder der Krümmung einer optisch wirksamen Fläche 20 eines Gegenstands 12 hat eine Einrichtung 16 zum Anordnen des Gegenstands in einem Aufnahmebereich 14, in dem die Lage wenigstens eines Punktes auf der Fläche 20 des Gegenstands 12 in einem vorrichtungsfesten Koordinatensystem ermittelbar ist. Die Vorrichtung 10 enthält eine Vielzahl von Punktlichtquellen 18, die Licht bereitstellen, das an der zu vermessenden Fläche 20 eines in dem Aufnahmebereich 14 angeordneten Gegenstands 12 reflektiert wird. Die Vorrichtung 10 weist wenigstens eine Kamera 24 für das Erfassen einer Helligkeitsverteilung auf, die von dem an der zu vermessenden Fläche reflektierten Licht der Punktlichtquellen 18 auf einem Bildsensor 34 hervorgerufen wird. Die Punktlichtquellen sind 18 auf der Mantelfläche 22 eines Polyeders angeordnet.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Brillenglas
14: Aufnahmebereich
16: Dreipunktauflage
18, 18‘, 18‘‘: Punktlichtquellen
19: Trägerstruktur
20, 20‘, 20‘‘: Leiterplatte
22: Mantelfläche
23: Halbraum
24: Kamera
25: Rand
26: Abbildungssystem, Bildsensor
27: Blende
28: Optische Achse
29: Sperrfilter
30: Ausnehmung
31: Punkt
32: Brillenglasfläche, Fläche
33: Koordinatensystem
34: Bildsensor
35, 35‘: Lichtstrahl
36: Rechnereinheit
38, 38‘, 38‘‘: Kreislinie
40: Zentrum
42: Gerade
43: Bildfeld (BF)
44: Raumwinkelelement
46: Punkt
47: Kugelkoordinatensystem
48: Nordpol, Koordinatensystem
49: Hemisphäre
50: Stützstellen, Fläche
51: Gruppe
52: Bogenlinie
100: Abgestumpfter Ikosaeder
102, 103, 106: Polyeder
108: Dodekaeder
110: Ikosaeder
113, 115: Rand
114, 116: Polyeder
200, 210: Vorrichtung
202: Auge
203: Scheitelpunkt
205: Hornhaut
207, 209: Koordinatensystem, Kurve
211, 213: Kurve
214: Aufnahmebereich
218: Punktlichtquellen
219: Hemisphäre
224: Kamera
300, 310: Vorrichtung
312: Brillenglases, Gegenstand
314: Aufnahmebereich
318: Punktlichtquelle
319: Hemisphäre
320: Fläche
324: Kamera
316: Feldlinse
400: Vorrichtung
410: Vorrichtung
412: Gegenstand
418: Punktlichtquelle
419: Hemisphäre
420: Fläche
424: Kamera
470: Einrichtung
471: Koordinateneinrichtungssystem
472: Messeinrichtung
474: Punkt
476: Koordinatensystem
500, 510: Vorrichtung
512: Brillenglas
518: Punktlichtquellen
520: Fläche
550: Fläche
580: Einrichtung
582: Membran
584: Immersionsmedium

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5106183 A [0002]
EP 1918754 B1 [0082]
US 5321501 [0082]
WO 2006/10544 A1 [0082]

Claims

Vorrichtung (10) für das Vermessen der Topografie und/oder des Gradienten und/oder der Krümmung einer optisch wirksamen Fläche (20) eines Gegenstands (12) mit einer Einrichtung (16) zum Anordnen des Gegenstands in einem Aufnahmebereich (14), in dem die Lage wenigstens eines Punktes auf der Fläche (20) des Gegenstands (12) in einem vorrichtungsfesten Koordinatensystem ermittelbar ist; mit einer Vielzahl von Punktlichtquellen (18), die Licht bereitstellen, das an der zu vermessenden Fläche (20) eines in dem Aufnahmebereich (14) angeordneten Gegenstands (12) reflektiert wird; und mit wenigstens einer Kamera (24) für das Erfassen einer Helligkeitsverteilung, die von dem an der zu vermessenden Fläche reflektierten Licht der Punktlichtquellen (18) auf einem Bildsensor (34) hervorgerufen wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Punktlichtquellen (18) auf der Mantelfläche (22) eines Polyeders angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktlichtquellen (18) auf der Mantelfläche wenigstens teilweise auf ein gemeinsames Zentrum (40) aufweisenden konzentrischen Kreislinien (38) liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf das gemeinsame Zentrum (40) in der radialen Richtung auf der Mantelfläche zueinander benachbart angeordneten Punktlichtquellen (18‘, 18‘‘) wenigstens teilweise auf einer von dem gemeinsamen Zentrum ausgehenden gekrümmten Kurve liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Punktlichtquellen (18) ein Licht in dem Wellenlängenbereich des Lichts der Punktlichtquellen absorbierendes Material angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine zwischen der Kamera (324) und dem Aufnahmebereich (314) angeordneten Optikbaugruppe (316) positiver oder negativer Brechkraft, die dazu dient, das Licht der Punktlichtquellen (318) zu einem in dem Aufnahmebereich (314) angeordneten Gegenstand (312) zu lenken und das an dem Gegenstand (312) reflektierte Licht der Kamera (324) zuzuführen.
Vorrichtung (310) für das Vermessen der Topografie und/oder des Gradienten und/oder der Krümmung einer optisch wirksamen Fläche (320) eines Gegenstands (312) mit einer Einrichtung zum Anordnen des Gegenstands in einem Aufnahmebereich (314), in dem die Lage wenigstens eines Punktes auf der Fläche des Gegenstands in einem vorrichtungsfesten Koordinatensystem ermittelbar ist; mit einer Vielzahl von Punktlichtquellen (318), die Licht bereitstellen, das an der zu vermessenden Fläche (320) eines in dem Aufnahmebereich angeordneten Gegenstands (312) reflektiert wird; und mit wenigstens einer Kamera (324) für das Erfassen einer Helligkeitsverteilung, die von dem an der zu vermessenden Fläche (320) reflektierten Licht der Punktlichtquellen (318) auf einem Bildsensor hervorgerufen wird; gekennzeichnet durch eine zwischen der Kamera (324) und dem Aufnahmebereich (314) angeordneten Optikbaugruppe (316) positiver oder negativer Brechkraft, die dazu dient, das Licht der Punktlichtquellen (318) zu einem in dem Aufnahmebereich (314) angeordneten Gegenstand (312) zu lenken und das an dem Gegenstand (312) reflektierte Licht der Kamera (324) zuzuführen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktlichtquellen (18) von jedem innerhalb des Aufnahmebereichs liegenden Punkt aus gesehen über einen Raumwinkel Ω verteilt sind, der im Bogenmaß gemessen folgender Beziehung genügt: Ω ≥ π sr, vorzugsweise Ω ≥ 90% × 2π sr.
Vorrichtung (10) für das Vermessen der Topografie und/oder des Gradienten und/oder der Krümmung einer optisch wirksamen Fläche (20) eines Gegenstands (12) mit einer Einrichtung (16) zum Anordnen des Gegenstands in einem Aufnahmebereich (14), in dem die Lage wenigstens eines Punktes auf der Fläche (20) des Gegenstands (12) in einem vorrichtungsfesten Koordinatensystem ermittelbar ist; mit einer Vielzahl von Punktlichtquellen (18), die Licht bereitstellen, das an der zu vermessenden Fläche (20) eines in dem Aufnahmebereich (14) angeordneten Gegenstands (12) reflektiert wird; und mit wenigstens einer Kamera (24) für das Erfassen einer Helligkeitsverteilung, die von dem an der zu vermessenden Fläche reflektierten Licht der Punktlichtquellen (18) auf einem Bildsensor (34) hervorgerufen wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Punktlichtquellen (18) von jedem innerhalb des Aufnahmebereichs liegenden Punkt aus gesehen über einen Raumwinkel Ω verteilt sind, der im Bogenmaß gemessen folgender Beziehung genügt: Ω ≥ π sr, vorzugsweise Ω ≥ 90% × 2 π sr.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebereich (14, 214, 314) für das Einstellen des von einem Punkt in dem Aufnahmebereich gesehenen Raumwinkels verlagert werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kamera (24) ein optisches Abbildungssystem (26) aufweist, das eine den Aufnahmebereich (14) durchsetzende optische Achse (28) hat und die Anzahl der Punktlichtquellen (18) in einem Raumwinkelelement um einen auf der optischen Achse (28) liegenden Punkt (46), das in einem Kugelkoordinatensystem (47), dessen Ursprung in dem Punkt (46) liegt und das einen auf der optischen Achse (28) liegenden zu der Kamera (24) weisenden Nordpol (48) hat, bei dem Polarwinkel θ und dem Azimutwinkel φ angeordnet ist, mit zunehmendem Polarwinkel (12) abnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Punktlichtquellen (18) in einem Raumwinkelelement um einen auf der optischen Achse (28) liegenden Punkt (46), das in einem Kugelkoordinatensystem (47), dessen Ursprung in dem Punkt (46) liegt und das einen auf der optischen Achse (28) liegenden zu der Kamera (24) weisenden Nordpol (48) hat, bei dem Polarwinkel θ und dem Azimutwinkel φ angeordnet ist, von dem Azimutwinkel φ im Wesentlichen unabhängig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktlichtquellen (18) zu der optischen Achse (28) asymmetrisch angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch wenigstens eine weitere Kamera, die ein optisches Abbildungssystem mit einer den Aufnahmebereich durchsetzenden optischen Achse hat und/oder eine Messeinrichtung (472) für das Ermitteln der Lage wenigstens eines Punktes (474) auf der Fläche (420) eines in der Einrichtung zum Positionieren angeordneten Gegenstands in einem vorrichtungsfesten Koordinatensystem (476) und/oder Punktlichtquellen (218) für das Erzeugen von Licht mit einer unterschiedlichen Wellenlängenzusammensetzung, das an der zu vermessenden Oberfläche eines in der Messposition angeordneten Gegenstands reflektiert wird und/oder eine Einrichtung (580) für das Unterdrücken von Reflexen des Lichts der Punktlichtquellen an einer der Kamera (524) abgewandten Rückseite (550) eines in dem Aufnahmebereich angeordneten transparenten Gegenstands (512) und/oder eine Einrichtung (36) für das aufeinanderfolgende Aktivieren von Gruppen (51) von unterschiedlichen Punktlichtquellen (18) und das Erfassen der Helligkeitsverteilung für die aufeinanderfolgend aktivierten Gruppen (51) von unterschiedlichen Punktlichtquellen (18).
Vorrichtung (10) für das Vermessen der Topografie und/oder des Gradienten und/oder der Krümmung einer optisch wirksamen Fläche (20) eines Gegenstands (12) mit einer Einrichtung (16) zum Anordnen des Gegenstands in einem Aufnahmebereich (14), in dem die Lage wenigstens eines Punktes auf der Fläche (20) des Gegenstands (12) in einem vorrichtungsfesten Koordinatensystem ermittelbar ist; mit einer Vielzahl von Punktlichtquellen (18), die Licht bereitstellen, das an der zu vermessenden Fläche (20) eines in dem Aufnahmebereich (14) angeordneten Gegenstands (12) reflektiert wird; und mit wenigstens einer Kamera (24) für das Erfassen einer Helligkeitsverteilung, die von dem an der zu vermessenden Fläche reflektierten Licht der Punktlichtquellen (18) auf einem Bildsensor (34) hervorgerufen wird; gekennzeichnet durch eine Einrichtung (36) für das aufeinanderfolgende Aktivieren von Gruppen (51) von unterschiedlichen Punktlichtquellen (18) und das Erfassen der Helligkeitsverteilung für die aufeinanderfolgend aktivierten Gruppen (51) von unterschiedlichen Punktlichtquellen (18).
Verfahren für das Vermessen der Topografie und/oder des Gradienten und/oder der Krümmung einer optisch wirksamen Fläche (20) eines Gegenstands (12) mit folgenden Schritten: Ermitteln der Lage wenigstens eines Punktes auf der Fläche (20) des Gegenstands (12); Bereitstellen von Licht aus einer Vielzahl von Punktlichtquellen (18), das an der zu vermessenden Fläche (20) eines in dem Aufnahmebereich angeordneten Gegenstands (12) reflektiert wird; Erfassen einer Helligkeitsverteilung, die von dem an der zu vermessenden Fläche (20) reflektierten Licht der Punktlichtquellen (18) auf einem Bildsensor (34) hervorgerufen wird; und Berechnen der Topografie der Fläche (20) und/oder des Gradienten und/oder der Krümmung aus der erfassten Lage des wenigstens einen Punktes auf der Fläche (20) des Gegenstands (12) und aus der erfassten Helligkeitsverteilung; dadurch gekennzeichnet, dass die Helligkeitsverteilung für aufeinanderfolgend aktivierte Gruppen (51) von unterschiedlichen Punktlichtquellen (18) erfasst wird.