DE102017203390B4

DE102017203390B4 - Deflektometer und Verfahren zur Topografiebestimmung eines Objekts

Info

Publication number: DE102017203390B4
Application number: DE102017203390.8A
Authority: DE
Inventors: Mathias Ziebarth; Thomas Stephan; Jan Burke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2017-03-02
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2019-12-19
Anticipated expiration: 2037-03-03
Also published as: DE102017203390A1; WO2018158435A1

Abstract

Deflektometer (100), zur Topografiebestimmung eines Objekts (120), mit folgenden Merkmalen:einer Anzeige (110), die ausgelegt ist, um ein Referenzmuster (200, 300, 400, 500) wiederzugeben,wobei das Referenzmuster (200, 300, 400, 500) eine erste Mehrzahl von Spiralen aufweist und eine zweite Mehrzahl von Spiralen aufweist, wobei eine Wicklungsrichtung (2101, 3101) der ersten Mehrzahl von Spiralen entgegengesetzt zu einer Wicklungsrichtung (220j, 320j) der zweiten Mehrzahl von Spiralen ist,wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, basierend auf einer Reflektion des Referenzmusters an dem Objekt (120) eine topografische Information über das Objekt (120) bereitzustellen,wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, das Referenzmuster (200, 300, 400, 500) rotierend auf der Anzeige (110) wiederzugeben,wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, basierend auf der rotierten Wiedergabe Aufnahmen der Reflektionen des rotierten Referenzmusters (200, 300, 400, 500) zu erhalten,wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, die Topografiebestimmung anhand von Phaseninformationen durchzuführen,wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, die Phaseninformationen basierend auf den Aufnahmen der Reflektionen des rotierten Referenzmusters (200, 300, 400, 500) zu erhalten, undwobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, die Phaseninformationen basierend auf einer diskreten Fouriertransformation der Aufnahmen der Reflektionen des rotierten Referenzmusters zu erhalten.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Topografiebestimmung mittels Deflektometrie.
Hintergrund der Erfindung
Bekannte Konzepte zur Oberflächenbestimmung werden im Folgenden kurz behandelt. Deflektometrie wird beispielsweise zur Keratografie, also zur Oberflächenbestimmung der Hornhaut insbesondere des menschlichen Auges angewendet. Mit einem herkömmlichen Gerät (Keratoskop), wie abgebildet in 14, können beispielsweise nur Steigungsänderungen der Hornhaut in radialer Richtung gemessen werden, womit eine Abschätzung der Hornhaut-Topografie ermöglicht wird. Mag die gezeigte Ausführung eines Keratoskops für die Schätzung der Hornhaut-Topografie noch ausreichend sein, bedarf es für die Messung von Präzisionsoptiken einer erheblich genaueren Methode.
Man erkennt in 14, dass ein Schirm, auf dem Referenzstreifen angebracht sind, Halbkugelform hat. Dies führt dazu, dass das an der (ebenfalls annähernd sphärisch geformten) Hornhaut gespiegelte Streifenmuster als regelmäßig erscheint, wie in 15 gezeigt.
Was herkömmliche Konzepte nicht leisten können, ist eine vollständige Ermittlung der Oberflächennormalen, da die tangentiale Komponente mit dem bekannten, beispielsweise in 14 gezeigten, Streifenmuster nicht gemessen werden kann.
Für die deflektometrische Messung beider Richtungsableitungen durch Verschiebung eines statischen Musters ist in [1] ein Verfahren vorgeschlagen worden, das durch Verschiebung eines gekreuzten kartesischen Streifenmusters (d.h. mit geraden Streifen) in nur einer Ortsrichtung beide Richtungsableitungen bestimmen kann. Die Richtung ist dabei so gewählt, dass die Streifendurchlaufgeschwindigkeiten in vertikaler und horizontaler Richtung unterschiedlich sind. Dann kann durch die Anwendung passender Phasenschiebeformeln (die nichts anderes als digitale Filterfenster von sehr geringer Länge (ca. 5 Elemente) sind) eine Signalfrequenzselektion vorgenommen und die entsprechende Signalphase bestimmt werden, woraus sich dann die Richtungsableitungen ergeben. In [1] wird darauf hingewiesen, dass die Verwendung eines statischen Musters zum Beispiel das Problem der Linsenprüfung vereinfacht, weil zur Unterdrückung des Rückseitenreflexes auch UV-Licht verwendet werden kann. Die Frequenzselektion durch Phasenschieben ist schon seit längerer Zeit bekannt (vgl. [2]).
Die Aufnahme deflektometrischer Daten in einem Polarkoordinatensystem ist bereits in [3] vorgeschlagen worden; hier wurden die Daten jedoch durch ein Laserstrahl-Scanverfahren auf konzentrischen Kreisen gewonnen und der Nachteil des scannenden Verfahrens, die lange Messzeit (ca. 1 Minute), bleibt bestehen. Außerdem ist der Akzeptanzwinkel des Systems für abgelenkte Strahlen sehr gering, was die messbaren Oberflächenformen stark einschränkt.
Die Vorverzerrung eines kartesischen Musters, welches dann nach der Spiegelung an der menschlichen Hornhaut als regelmäßig erscheint, wurde in [4] beschrieben; allerdings wurde hier in der Tat auf die zeitliche Verschiebung des Musters verzichtet und die Daten wurden unter Verlust räumlicher Auflösung durch eine Seitenbandmethode ausgewertet.
Die Messung eines asphärischen, rotationssymmetrischen Spiegels wurde in [5] demonstriert, jedoch wurde hier ein ebener LCD-Schirm als Mustergeber eingesetzt, welcher konzentrische Kreise darstellte - das Prinzip ist also ähnlich dem oben genannten Keratoskop.
Die DE 10 2009 010 988 A1 beschreibt ein Verfahren zum optischen Inspizieren einer Oberfläche an einem Gegenstand unter Verwendung eines Musters mit einer Vielzahl von helleren und dunkleren Bereichen. Das Muster umfasst erste und zweite spiralartig gekrümmte Streifen, wobei die ersten spiralartigen Streifen gegen den Uhrzeigersinn gekrümmt sind, und die zweiten spiralartigen Streifen im Uhrzeigersinn gekrümmt sind.
Die DE 103 45 586 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Struktur einer Oberfläche, bei dem ein flächiges Muster von einem Bilderzeuger erzeugt wird, bei dem das Muster an einer Oberfläche gespiegelt wird, bei dem das gespiegelte Muster von einer Optik auf einen Bildaufnehmer abgebildet wird, und bei dem das von dem Bildaufnehmer aufgenommene Bild von einer Steuerung ausgewertet wird.
Weitere Verfahren zum Bestimmen der Struktur einer Oberfläche werden z.B. von Veit, K., Vermessung spiegelnder Oberflächen - eine Aufgabe der optischen 3dD Sensorik, Photonik 4, S. 62-64, (2004), und von Ettl S., Kaminski J., Knauer M.C., Häusler G., Shape reconstruction from gradient data, Applied Optics Vol. 47, No. 12, 2091-2097 (2008) beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ansatz zur verbesserten Topografiebestimmung mittels Deflektometrie zu schaffen, der beispielsweise einen besseren Kompromiss hinsichtlich Messdauer und Präzision bietet.
Diese Aufgabe wird durch ein Deflektometer gemäß Anspruch 1 oder gemäß Anspruch 2, und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 17 oder gemäß Anspruch 18 gelöst.
16 zeigt ein Kamerabild, aufgenommen für eine Kreuzmuster Deflektometrie. Bei dem zu untersuchenden Objekt handelt es sich um ein Brillenglas mit einer Oberfläche von -8.5D. Die Markierung ist hilfreich, um die Streifennummer zu identifizieren. Wie man in 16 aus der Literaturstelle [1] erkennt, wird ein regelmäßiges gekreuztes Streifenmuster an einer gekrümmten Oberfläche naturgemäß verzerrt. Insbesondere zum Rand hin werden die Streifen sehr dicht und kontrastschwach.
Die Verzerrung des Streifenmusters müsste mit einer Vorverzerrung des Referenzstreifenmusters kompensiert werden, damit das gespiegelte Muster wieder gerade erscheint; doch diese würde nicht mehr zur Objektoberfläche passen, sobald das Muster seitlich verschoben wird (s.a. [4]). Damit wird die Streifenauswertung mit herkömmlichen Konzepten unnötig kompliziert.
Einige der hier im folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Konzepte tragen den besonderen Erfordernissen der Messtechnik von durch Kreisen berandeten Flächen Rechnung, indem die naheliegende Behandlung des Problems in Polarkoordinaten bereits bei der Messung eingesetzt wird. Das Problem bei der Drehung eines Referenzschirms (nämlich keine Verschiebung des Musters in radialer Richtung) wird durch Schrägstellung der gekreuzten Streifen (und damit Erzeugung von Spiralen) umgangen. Dadurch können wie im kartesischen Fall beide benötigten Richtungsableitungen mit einem Referenzmuster gemessen werden. Durch die Ausnutzung der vorhandenen tangentialen Zyklizität der aufgenommenen Bilddaten können sich insbesondere bei der Datenintegration für die Deflektometrie weitere Vorteile ergeben.
Ausführungsbeispiele schaffen ein Deflektometer zur Topografiebestimmung eines Objekts. Das Deflektometer umfasst eine Anzeige, die ausgelegt ist, um ein Referenzmuster wiederzugeben, wobei das Referenzmuster eine erste Mehrzahl von Spiralen aufweist und eine zweite Mehrzahl von Spiralen aufweist und wobei eine Wicklungsrichtung der ersten Mehrzahl von Spiralen entgegengesetzt zu einer Wicklungsrichtung der zweiten Mehrzahl von Spiralen ist. Ferner ist das Deflektometer ausgelegt, basierend auf einer Reflektion des Referenzsmusters an dem Objekt eine topografische Information über das Objekt bereitzustellen. Bei der Anzeige kann es sich um einen Bildschirm handeln, eine Fläche, auf der das Referenzmuster aufgebracht ist, oder eine beliebige andere Anzeige, die geeignet ist, das Referenzmuster wiederzugeben.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel beruht auf der Idee, dass eine Reflektion auf einer Oberfläche basierend auf dem beschriebenen Referenzmuster besonders vorteilhaft genutzt werden kann, um eine Oberflächenstruktur/Topografie des Objekts zu bestimmen. Insbesondere bietet das genannte Referenzmuster den Vorteil, dass durch Reflektionen von Spiralen, im Gegensatz zu Kreisen, Verzerrungen des Referenzmusters in zwei Richtungen erfasst werden können. Die Verzerrungen, begründet in Unebenheiten einer Oberfläche des Objekts, von welcher die Reflektion erfasst wird, können so ausgewertet werden, dass eine Oberflächenstruktur des Objekts beschrieben werden kann. Des Weiteren können, basierend auf Spiralen mit gegenläufiger Wicklungsrichtung/Orientierung/Rotationsrichtung, jeweils eine Spirale, beispielsweise der ersten Mehrzahl von Spiralen, genutzt werden um eine Verzerrung in eine erste Richtung zu bestimmen, und eine zweite Spirale, beispielsweise der zweiten Mehrzahl von Spiralen, genutzt werden, um eine Verzerrung in eine zweite Richtung zu bestimmen. Hiermit können, basierend auf der Verzerrung in die erste Richtung und der Verzerrung in die zweite Richtung, zwei Richtungen, beispielsweise unabhängige Richtungen, beschrieben werden. Die Richtungen können beispielsweise auf X- und Y- Richtung eines kartesischen Koordinatensystems oder radiale und tangentiale Richtung eines Polar- oder Zylinderkoordinatensystems projiziert werden, um die Oberflächenstruktur zu beschreiben. Die erste Mehrzahl von Spiralen und die zweite Mehrzahl von Spiralen sind ferner ausgelegt, ein in radialer und tangentialer Richtung der Anzeige periodisches Intensitätsmuster wiederzugeben. In radialer Richtung kann die Periode auch veränderlich sein, womit ein periodisches oder quasi-periodisches Referenzmuster in radialer Richtung durch das Referenzmuster beschrieben wird. Zusammenfassend kann das beschriebene Ausführungsbeispiel, anhand der beschriebenen Verzerrungen, lokale Neigungen der Oberfläche des Objekts bestimmen und diese zusammenfassen, um eine Topografiebestimmung der Oberfläche des Objekts durchzuführen.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind die erste Mehrzahl von Spiralen und die zweite Mehrzahl von Spiralen konzentrisch angeordnet, so dass die erste Mehrzahl von Spiralen und die zweite Mehrzahl von Spiralen einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen. Die beschriebene Anordnung bietet eine kompakte konzentrische Anordnung der Spiralen und ermöglicht die vorteilhafte Nutzung eines gemeinsamen Bezugssystems.
Gemäß Ausführungsbeispielen bleiben Abstände zwischen Spiralarmen der ersten Mehrzahl von Spiralen und/oder der zweiten Mehrzahl von Spiralen radial konstant. Das hierdurch beschriebene Referenzmuster ermöglicht eine einfache Konstruktion des Referenzmusters aus zwei herkömmlichen Spiralen, beispielsweise arithmetische oder archimedische Spiralen.
Gemäß Ausführungsbeispielen nehmen Abstände zwischen Spiralarmen der ersten Mehrzahl von Spiralen und/oder der zweiten Mehrzahl von Spiralen radial zu. Durch das beschriebene Ausführungsbeispiel lassen sich einfach Referenzmuster erzeugen, die eine Vorverzerrung bieten, beispielsweise für sphärische Oberflächen eines Messobjekts.
Gemäß Ausführungsbeispielen nehmen die Abstände zwischen den Spiralarmen in geometrischer Progression zu, beispielsweise gemäß einer geometrischen Folge. In anderen Worten, der Radius einer solchen Spirale steigt exponentiell mit einem Drehwinkel der Spirale, gemäß r = ae^kφ, wobei φ der Drehwinkel ist und r der Radius. Das beschriebene Ausführungsbeispiel beschreibt ein Referenzmuster mit logarithmischen Spiralen, deren Radius einem exponentiellen Wachstum unterliegt, wobei der Exponent durch die sogenannte Steigung k gegeben ist. Logarithmische Spiralen sind besonders vorteilhaft, da hieraus gewonnene Referenzmuster eine Vorverzerrung für sphärische Oberflächen bieten und die Spiralarme der ersten Mehrzahl von Spiralen und der zweiten Mehrzahl von Spiralen sich unter einem großen Winkel schneiden können. Durch den großen Schnittwinkel, in der Regel 90°, können sehr leicht linear unabhängige Steigungskomponenten aus der Reflektion gewonnen werden. Basierend auf den linear unabhängigen Steigungskomponenten kann mit einfachen Mitteln eine Topografiebestimmung der Objektoberfläche erfolgen.
Gemäß Ausführungsbeispielen schneiden sich Spiralarme der ersten Mehrzahl von Spiralen und Spiralarme der zweiten Mehrzahl von Spiralen unter einem Winkel, der kleiner als 180° ist und größer als 0° ist oder kleiner 100° und größer 80° ist. Das beschriebene Ausführungsbeispiel kann vorteilhaft genutzt werden, um zwei möglichst unabhängige Ablenkungsrichtungen, d.h. Verzerrungsrichtungen, zu bestimmen, womit eine einfache Topografiebestimmung möglich ist.
Gemäß Ausführungsbeispielen schneiden sich Spiralarme der ersten Mehrzahl von Spiralen und Spiralarme der zweiten Mehrzahl von Spiralen unter einem Winkel von 90°. Durch direkt senkrecht aufeinander stehende Spiralarme lassen sich, mit einfachen Mitteln, direkt zwei linear unabhängige Ablenkungsrichtungen ermitteln. Basierend auf den linear unabhängigen Ablenkungsrichtungen, kann direkt auf linear unabhängige Topografieinformationen geschlossen werden und somit eine Topografiebestimmung einfach durchgeführt werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist ein erster Radius der ersten Mehrzahl von Spiralen eine größere Steigung auf als ein zweiter Radius der zweiten Mehrzahl von Spiralen. Das beschriebene Ausführungsbeispiel bietet die Möglichkeit einer einstellbaren Genauigkeit der Topografiebestimmung, wobei eine größere Steigung zu einer Spirale führt, die besser geeignet ist, tangentiale Topografieänderung zu erfassen, wogegen eine Spirale mit geringerer Steigung besser geeignet ist, um radiale Topografieänderungen zu erfassen.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist die Anzeige relativ zum Objekt so angeordnet, dass eine Reflektion des Referenzmusters auf einer reflektierenden Oberfläche des Objekts erzeugt wird. Die beschriebene Anordnung ermöglicht eine einfache Abbildung des Referenzmusters auf eine Oberfläche des Objekts.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist das Deflektometer eine Kamera auf, die in einem gemeinsamen Mittelpunkt der ersten Mehrzahl von Spiralen und der zweiten Mehrzahl von Spiralen angeordnet ist. Ferner ist die Kamera ausgelegt, eine Reflektion des Referenzmusters auf dem Objekt zu erfassen. Das beschriebene Ausführungsbeispiel kann vorteilhaft eine kompakte Bauform für einen Keratografen oder ein anderes deflektometrisches Instrument ermöglichen. Ferner kann hier eine kostengünstige Kamera verwendet werden, die eine ausreichende räumliche Auflösung aufweist, so dass das Deflektometer mit günstigen Komponenten hergestellt werden kann.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist das Deflektometer eine Kamera auf, die beispielsweise seitlich versetzt von der Anzeige, oder im Allgemeinen so angeordnet ist, dass sie eine Reflektion des Referenzmusters auf dem Objekt erfassen kann. Das beschriebene Deflektometer kann mittels einer kostengünstigen Kamera, mit ausreichender räumlicher Auflösung, die Topografiebestimmung durchführen. Ferner ermöglichen die Anordnungsmöglichkeiten eine erhöhte Flexibilität hinsichtlich der Bauform des Deflektometers.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist das Deflektometer ausgelegt, eine Topografiebestimmung eines rotationssymmetrischen Objekts oder eines quasi-rotationssymmetrischen Objekts durchzuführen. Das beschriebene Ausführungsbeispiel kann beispielsweise vorteilhaft die Mehrzahl von Spiralen innerhalb eines Kreises anordnen, so dass deren Abbild als Reflektion das gesamte Objekt bedecken. Somit kann das gesamte Objekt mit dem Referenzmuster mit einer oder wenigen Aufnahmen erfasst werden. Im Übrigen sind quasi-rotationssymmetrische Objekte vorwiegend rotationssymmetrisch mit geringen Abweichungen.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist das Deflektometer ausgelegt, das Referenzmuster und das Objekt relativ zueinander zu rotieren. Ferner ist das Deflektometer ausgelegt, basierend auf der Rotation, Aufnahmen der Reflektionen des rotierten Referenzmusters zu erhalten. Basierend auf der periodischen Intensitätsverteilung des Referenzmusters kann durch relative Rotation des Referenzmusters zu dem Objekt, das Objekt und damit die Topografie seiner Oberfläche, genauer erfasst werden. Beispielsweise kann eine Kamera genutzt werden, um eine Reflektion ausreichend häufig zu erfassen pro Umdrehung. Insbesondere ist es hier vorteilhaft, wenn die Aufnahmehäufigkeit in Abhängigkeit von einer der Mehrzahlen von Spiralen gewählt wird. Wenn beispielsweise die erste Mehrzahl von Spiralen 11 Spiralen aufweist und die zweite Mehrzahl von Spiralen 9 Spiralen aufweist, ist es vorteilhaft, die Reflektion pro Umdrehung mindestens 23 mal zu erfassen in bevorzugt gleichmäßig beabstandeten Erfassungszeitpunkten. In anderen Worten kann zur verbesserten Topografiebestimmung, eine Reflektion mindestens so oft pro Umdrehung erfasst werden, dass die Abtastzahl pro Umdrehung größer als die doppelte Anzahl von Spiralen der größeren Mehrzahl von Spiralen ist.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist das Deflektometer ausgelegt, das Referenzmuster rotierend auf der Anzeige wiederzugeben. Ferner ist das Deflektometer ausgelegt, basierend auf der rotierten Wiedergabe Aufnahmen der Reflektionen des rotierten Referenzmusters zu erhalten. Das beschriebene Ausführungsbeispiel kann vorteilhaft eine rotierte Erfassung ermöglichen, ohne das Objekt bewegen zu müssen. Hierzu kann beispielsweise das Referenzmuster rotierend auf einem Computerbildschirm wiedergegeben werden oder eine Scheibe, auf der das Referenzmuster aufgebracht ist, als rotierende Anzeige genutzt werden. Insbesondere in der Anwendung als Keratograf ist dies von Vorteil, da ein Patient, dessen Auge das Objekt darstellen kann, nicht für eine rotierte Erfassung bewegt (rotiert) werden kann.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist das Deflektometer ausgelegt, die Topografiebestimmung anhand von Phaseninformationen durchzuführen. Hierfür ist das Deflektometer ausgelegt, die Phaseninformationen basierend auf den Aufnahmen der Reflektionen des rotierten Referenzmusters zu erhalten. Aufgrund der periodischen Struktur des Referenzmusters ist es einfach, die zu erwartenden Phasenverschiebungen für beide Neigungsrichtungen der Oberfläche bei einem rotierten Referenzmuster zu bestimmen. Wenn aufgrund von Unebenheiten der Oberfläche die Reflektion des Referenzmusters Verzerrungen aufweist, wird diese durch die von der Reflektion abgeleitete Phaseninformation wiedergegeben. In Kombination mit der zu erwartenden Phaseninformation kann damit einfach eine Unebenheit charakterisiert werden und folglich eine Topografiebestimmung des Objekts durchgeführt werden. Im Allgemeinen wird das hier genannte Vorgehen in Bezug auf andere periodische Referenzmuster auch als Phase Measuring Deflectometry (phasenmessende Deflektometrie) bezeichnet.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist das Deflektometer ausgelegt, die Phaseninformationen basierend auf einer diskreten Fouriertransformation der Aufnahmen der Reflektionen des rotierten Referenzmusters zu erhalten. Unter Verwendung einer diskreten Fouriertransformation, beispielsweise der FFT (Fast Fourier Transform), können schnell und mit wenig Rechenaufwand die Phaseninformationen bestimmt werden. Hierzu kann beispielsweise über eine Zeitachse der Aufnahmen eine Fouriertransformation angewandt werden. Insbesondere kann ein Pixel, auf dem die Reflektionen des Referenzmusters betrachtet werden kann, zur Erzeugung eines Zeitsignals genutzt werden, wobei das Zeitsignal die Rotation des Referenzmusters beschreibt. Das Zeitsignal kann nun mittels der Fouriertransformation in den Frequenzbereich transformiert werden, um ein Spektrum zu erhalten. Somit kann nun ein Spektrum pro Pixel erzeugt werden, das an der Frequenz ausgewertet wird, die abhängig ist von der Anzahl der ersten Mehrzahl von Spiralen oder der Anzahl der zweiten Mehrzahl von Spiralen. Die Phase an der genannten Frequenz kann somit mit einer Vergleichsphase verglichen werden, um eine Verzerrung durch die reflektierende Oberfläche zu charakterisieren. Insbesondere bieten hier Mehrzahlen von Spiralen Vorteile, deren Anzahlen teilerfremd sind, beispielsweise 9 und 11. Basierend auf der Teilerfremdheit kann eine Phasenmehrdeutigkeit einer Verzerrung aufgelöst werden, wie beispielsweise in [6] ausführlich beschrieben, und somit eine Unebenheit der Oberfläche zuverlässiger charakterisiert werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist die Anzahl der Spiralen der ersten Mehrzahl von Spiralen teilerfremd von der Anzahl der Spiralen der zweiten Mehrzahl von Spiralen. Durch die Teilerfremdheit lassen sich, basierend auf zahlentheoretischen Betrachtungen, Phasenmehrdeutigkeiten von Phaseninformationen auflösen.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist das Deflektometer ausgelegt, die Phaseninformationen basierend auf Phasenschiebeformeln aus den Aufnahmen der Reflektionen des rotierten Referenzmusters zu erhalten. Mittels Filter können, basierend auf einem Zeitsignal der rotierten Aufnahmen (beispielsweise ein Zeitsignal eines Pixels der Aufnahmen), Phaseninformationen über Phasenschiebeformeln erhalten werden. Hierbei kann eine geringe Anzahl von Aufnahmen und Filter mit wenigen Elementen ausreichen, um die Phaseninformation zu erhalten.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist das Deflektometer ausgelegt, basierend auf Aufnahmen einer rotierten Wiedergabe des Referenzmusters aus der ersten Mehrzahl von Spiralen eine erste Phaseninformation zu erhalten. Des Weiteren ist das Deflektometer ausgelegt, basierend auf Aufnahmen einer rotierten Wiedergabe des Referenzmusters aus der zweiten Mehrzahl von Spiralen eine zweite Phaseninformation zu erhalten. Ferner ist das Deflektometer ausgelegt, eine Topografiebestimmung basierend auf der ersten Phaseninformation und der zweiten Phaseninformation zu erhalten. Durch Ermittlung der ersten Phaseninformation können Topografieänderungen entlang einer ersten Richtung separat zu Topografieänderung entlang einer zweiten Richtung erfasst werden. Eine Kombination kann genutzt werden, um eine genaue Bestimmung der Topografie der Oberfläche des Objekts zu erhalten.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist das Deflektometer ausgelegt, basierend auf den Phaseninformationen Ablenkungen von Strahlengängen zu bestimmen. Ferner ist das Deflektometer ausgelegt, basierend auf den Ablenkungen von Strahlengängen eine Mehrzahl von Steigungsparametern einer reflektierenden Oberfläche des Objekts zu bestimmen. Die Steigungsparameter können lokale Änderungen/Neigungen in der Oberfläche des Objekts charakterisieren. Des Weiteren kann somit, basierend auf einer Bestimmung von Steigungsparametern über die gesamte Oberfläche des Objekts, leicht eine Topografie des Objekts bestimmt werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist das Deflektometer ausgelegt, basierend auf einer Integration der Mehrzahl von Steigungsparametern die Topografiebestimmung des Objekts durchzuführen. Durch Integration der Steigungsparameter kann, beispielsweise basierend auf einem gegebenen Startpunkt, eine Oberfläche des Objekts rekonstruiert, oder zumindest angenähert rekonstruiert, werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist das Deflektometer ausgelegt, basierend auf den Ablenkungen von Strahlengängen, Flächennormalen der reflektierenden Oberfläche des Objekts zu bestimmen. Ferner ist das Deflektometer ausgelegt, basierend auf einer Integration der Flächennormalen eine Topografiebestimmung des Objekts durchzuführen. Durch Bestimmung der Flächennormalen der Oberfläche lassen sich einfach lokale Neigungen/Steigungen charakterisieren, wobei basierend auf einer Mehrzahl der lokalen Neigungen eine gesamte Topografiebestimmung des Objekts durgeführt werden kann.
Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung schaffen ein Referenzmuster zur Topografiebestimmung eines Objekts, wobei das Referenzmuster eine erste Mehrzahl von Spiralen aufweist und eine zweite Mehrzahl von Spiralen aufweist, wobei eine Wicklungsrichtung der ersten Mehrzahl von Spiralen entgegengesetzt zu einer Wicklungsrichtung der zweiten Mehrzahl von Spiralen ist.
Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung schaffen ein Verfahren zur Topografiebestimmung eines Objekts. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen einer Spiegelung eines Referenzmusters an einer Oberfläche des Objekts, wobei das Referenzmuster eine erste Mehrzahl von Spiralen aufweist und eine zweite Mehrzahl von Spiralen aufweist, wobei eine Wicklungsrichtung der ersten Mehrzahl von Spiralen entgegengesetzt zu einer Wicklungsrichtung der zweiten Mehrzahl von Spiralen ist. Ferner umfasst das Verfahren ein Erfassen des von dem Objekt reflektierten Referenzmusters und Bereitstellen einer topografischen Information basierend auf dem erfassten reflektierten Referenzmuster. Das beschriebene Verfahren kann um einzelne oder alle Merkmale und Funktionalitäten, die hierin im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben sind, erweitert werden.
Ausführungsbeispiele beschreiben ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von topografischen Abweichungen auf rotationssymmetrischen spiegelnden Oberflächen. Solche Prüfflächen können z.B. sphärische und asphärische Linsen und Spiegel sein, aber auch z.B. die Hornhaut des menschlichen Auges, die bislang mit einem konzentrischen statischen Muster gemessen wird wie in 14 und 15 gezeigt.
Ausführungsbeispiele beschreiben eine Methode zur Aufnahme deflektometrischer Messdaten in Polarkoordinaten mit einem statischen Referenzmuster, welches sich aber auch in Drehbewegung befinden kann.
Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung lösen ein Problem herkömmlicher Konzepte durch die Erweiterung eines konzentrischen Referenzstreifenmusters auf zwei gegenläufige logarithmischen Spiralen, welche überall senkrecht aufeinander stehen und damit beide Richtungsableitungen der spiegelnden Oberfläche zu messen erlauben.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung kann durch Drehung eines konzentrischen Musters die Anwendung der phasenmessenden Deflektometrie ermöglicht werden, womit die Messunsicherheit stark verringert wird. Außerdem wird zur Drehung nach wie vor ein statisches Muster angewendet, d.h. die Geometrie des Referenzschirms ist frei wählbar und kann außerdem für die Messung beliebiger sphärischer und asphärischer Flächen so vorberechnet werden, dass das an der Nominalform gespiegelte Muster möglichst einfach auswertbar ist.
Gemäß Ausführungsbeispielen ermöglicht eine freie Gestaltbarkeit des Referenzschirms außerdem, sowohl konvexe als auch konkave rotationssymmetrische Flächen zu messen; auch kann in nur praktisch vorgegebenen Grenzen die Empfindlichkeit der Messung durch die Vergrößerung des Schirms (und damit Vergrößerung der Abstände zwischen Schirm und Messobjekt) erhöht werden.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 ein schematische Darstellung eines Deflektometers gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
2 ein Referenzmuster mit herkömmlichen Spiralen, d.h. archimedischen Spiralen oder arithmetischen Spiralen, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
3 ein Referenzmuster mit logarithmischen Spiralen, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
4 ein Referenzmuster mit herkömmlichen Spiralen, d.h. archimedischen Spiralen oder arithmetischen Spiralen, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung, wobei ein Radius der ersten Mehrzahl von Spiralen einer anderen Steigung unterliegt als ein Radius der zweiten Mehrzahl von Spiralen;
5 ein Referenzmuster mit logarithmischen Spiralen, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung, wobei ein Radius der ersten Mehrzahl von Spiralen einer anderen Steigung unterliegt als ein Radius der zweiten Mehrzahl von Spiralen;
6 eine schematische Illustration zur phasenmessenden Deflektometrie;
7 eine schematische Illustration zur phasenmessenden Deflektometrie;
8a-c Phaseninformationen des Referenzmusters aus 2 erzeugt durch rotierende Erfassung;
9a-c Phaseninformationen des Referenzmusters aus 3 erzeugt durch rotierende Erfassung;
10a-c Phaseninformationen des Referenzmusters aus 4 erzeugt durch rotierende Erfassung;
11a-c Phaseninformationen des Referenzmusters aus 5 erzeugt durch rotierende Erfassung;
12 eine schematische Illustration zur Erzeugung der Phaseninformationen gemäß 8 bis 11;
13 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
14 ein herkömmliches Keratoskop;
15 eine Auswertung einer Aufnahme eines herkömmlichen Keratoskops;
16 eine Aufnahme einer Reflektion eines Streifenmusters eines herkömmlichen Deflektometers an einer sphärischen Oberfläche.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Deflektometers 100 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Das Deflektometer 100 weist eine Anzeige 110 und eine optionale Kamera 115 auf. Des Weiteren ist die Anzeige 110 des Deflektometers 100 einem Objekt 120 zugewandt.
Die Anzeige 110 ist ausgelegt, um ein Referenzmuster wiederzugeben, das eine erste Mehrzahl von Spiralen und eine zweite Mehrzahl von Spiralen aufweist. Ferner ist eine Wicklungsrichtung der ersten Mehrzahl von Spiralen entgegengesetzt zu einer Wicklungsrichtung der zweiten Mehrzahl von Spiralen. Weiterhin ist das Deflektometer 100 ausgelegt, basierend auf einer Reflektion des Referenzmusters an dem Objekt 120 eine topografische Information über das Objekt bereitzustellen.
Das Deflektometer 100 ist dazu ausgelegt, eine Reflektion des Referenzmusters auf dem Objekt 120 zu erfassen. Hierzu kann das Deflektometer 100 derart orientiert sein, dass eine zu untersuchende Oberfläche des Objekts 120 der Anzeige 110 zugewandt ist. Basierend auf der Reflektion kann das Deflektometer 100 eine Aussage über die Oberflächenbeschaffenheit des Objekts 120 treffen.
Das Deflektometer 100 basiert auf der Idee, dass die Mehrzahlen von Spiralen des Referenzmuster eine vorteilhafte Reflektion zur Topografiebestimmung erzeugen. Insbesondere bieten Spiralen, beispielsweise gegenüber Kreisen, den Vorteil, dass nicht nur radiale Verzerrungen des Musters in der Reflektion beobachtbar sind. Ferner kann die Reflektion des Referenzmusters dazu dienen, ebenfalls tangentiale Verzerrungen zu beobachten. Im allgemeinen werden die Verzerrungen in der Reflektion durch Unebenheiten der Oberfläche des Objekts 120 erzeugt und können somit dazu dienen, diese zu charakterisieren. Im Übrigen lässt sich das Referenzmuster dazu nutzen, beispielsweise durch eine Drehung der Reflektion auf der Oberfläche des Objekts 120, um eine phasenmessende Deflektometrie zu ermöglichen. Hierbei ist eine mindestens tangential periodisch oder auch tangential und radial periodisch Intensitätsverteilung des Referenzmusters von Vorteil. Durch die Periodizität kann ein additives Wellengemisch aus zwei sinusförmigen Intensitätsverläufen für einen Punkt auf dem Muster bzw. dessen Reflektion während einer Rotation beobachtet werden, solange keine Verzerrung auftritt. Basierend auf dem bekannten Intensitätsverlauf des Referenzmusters kann somit eine Referenzphase abgeleitet werden. Eine Abweichung der Phase, die in der Reflektion beobachtet wird, kann folglich genutzt werden, um mittels der Referenzphase eine Oberflächenbeschaffenheit/Topografie zu bestimmen.
2 zeigt ein Referenzmuster 200 mit herkömmlichen Spiralen, d.h. archimedischen Spiralen oder arithmetischen Spiralen, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung, wie es zum Beispiel auf der Anzeige 110 wiedergegeben werden kann. Das Referenzmuster 200 weist eine erste Mehrzahl von Spiralen auf, deren Spiralarmzentren 210a-k eingezeichnet sind, die eine erste Wicklungsrichtung 2101 aufweisen. Ferner weist das Referenzmuster eine zweite Mehrzahl von Spiralen auf, deren Spiralarmzentren 220a-i eingezeichnet sind, die eine zweite Wicklungsrichtung 220j aufweisen. Die Spiralarmzentren 210a-k der ersten Mehrzahl von Spiralen sind in einem Helligkeitsminimum der ersten Mehrzahl von Spiralen eingezeichnet, analog zu den Spiralarmzentren 220a-i können diese ebenfalls in einem Helligkeitsmaximum der ersten Mehrzahl von Spiralen eingezeichnet sein, dies stellt lediglich einen Phasenversatz dar. Ferner ist die erste Wickelrichtung 2101 rechtsdrehend und die zweite Wickelrichtung 220j linksdrehend, in anderen Worten ist die erste Wicklungsrichtung 2101, der zweiten Wicklungsrichtung 220j entgegengesetzt orientiert. Des Weiteren weist das Referenzmuster 200 auf einem Kreis, konzentrisch mit einem Mittelpunkt der ersten Mehrzahl von Spiralen oder der zweiten Mehrzahl von Spiralen einen sinusförmigen Intensitätsverlauf auf. Da es sich um herkömmliche Spiralen handelt, bleibt der Abstand der Spiralarmzentren 210a-k und 220a-i in jeder Wicklung konstant. Da die Spiralen in dem Referenzmuster 200 eine geringe Steigung aufweisen, ist aber nur ein Teil einer Wicklung sichtbar und somit der konstante Spiralarmabstand nicht beobachtbar. Die erste Mehrzahl von Spiralen und die zweite Mehrzahl von Spiralen, bzw. deren Spiralarmezentren 210a-k und 220a-i, weisen eine konstante Steigung des Radius auf, die bei den Spiralen der ersten Mehrzahl von Spiralen gleich der Steigung des Radius der Spiralen der zweiten Mehrzahl von Spiralen ist. Der Radius unterliegt der Formel $r = α φ,$
wobei α die Steigung ist und φ der Winkel. Somit ist für die erste Mehrzahl von Spiralen und die zweite Mehrzahl von Spiralen α äquivalent. Des Weiteren weisen Spiralen der jeweiligen Mehrzahlen von Spiralen die gleiche Steigung auf. Da sich die Spiralarme der ersten Mehrzahl von Spiralen und der zweiten Mehrzahl von Spiralen unter einem Winkel schneiden, der nahe 90° ist, lassen sich einfach linear unabhängige Basisvektoren aus deren Reflektion berechnen, womit sich einfach Flächennormalen oder unabhängige Steigungsparameter schätzen lassen. Da die Spiralarme sich für das beschriebene Referenzmuster 200, im Allgemeinen, nicht exakt senkrecht schneiden, kann beispielsweise eine zusätzliche Orthogonalisierung durchgeführt werden, um unabhängige Steigungen zu erhalten, beispielsweise über das Gram-Schmidt Verfahren. Des Weiteren können Steigungsänderungen durch Differentiation der Steigungen bestimmt werden, wobei die Steigungsänderungen Krümmungen einer Oberfläche eines Objekts beschreiben. Mittels der geschätzten Werte, beispielsweise für Phase und Richtung eines ersten Sinussignals und eines zweiten Sinussignals, lässt sich folglich mit geringem Aufwand die Oberfächenbeschaffenheit bzw. Topografie eines Objekts, z.B. Objekt 120, bestimmen. Im Übrigen sind die Spiralarmzentren 210a-k und 220a-i nur zu Illustrationszwecken eingezeichnet und werden zur Verwendung für die Deflektometrie, im Allgemeinen, nicht in dem Referenzmuster 200 sichtbar sein. Entsprechendes gilt für die Sichtbarkeit von Spiralarmzentren auch für die im Folgenden beschriebenen Referenzmuster 300, 400 und 500.
3 zeigt ein Referenzmuster 300 mit logarithmischen Spiralen, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung, wie es zum Beispiel auf der Anzeige 110 wiedergegeben werden kann. Spiralarmezentren 310a-k, der ersten Mehrzahl von Spiralen, und Spiralarmzentren 320 a-i, der zweiten Mehrzahl von Spiralen, sind eingezeichnet in das Referenzmuster zu Illustrationszwecken und werden im Allgemeinen nicht vorhanden sein, wenn das Referenzmuster 300 zur Deflektometrie genutzt wird, beispielsweise über die Anzeige 100. Des Weiteren ist das Referenzmuster 300 ähnlich dem Referenzmuster 200 wobei der Radius der ersten Mehrzahl von Spiralen und der zweiten Mehrzahl von Spiralen entsprechend $r = b e^{k φ}$
verhält, wobei b und k in Referenzmuster 300 gleich sind für die Spiralen der ersten Mehrzahl von Spiralen und der zweiten Mehrzahl von Spiralen. Ein Vorteil von Referenzmuster 300 gegenüber Referenzmuster 200 und anderen, beispielsweise herkömmlichen, Referenzmustern ist, dass die Spiralarme senkrecht aufeinander stehen, bzw. sich im rechten Winkel schneiden, d.h. orthogonal sind. Durch die Orthogonalität lassen sich beispielsweise unmittelbar Steigungen auf dem Objekt bestimmen, die unabhängige Richtungen beschreiben.
4 zeigt ein Referenzmuster 400 mit herkömmlichen Spiralen, d.h. archimedischen Spiralen oder arithmetischen Spiralen, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung, wie es zum Beispiel auf der Anzeige 110 wiedergegeben werden kann. Analog zu Referenzmuster 200 folgen die Radien der Gleichung (1), wobei für die erste Mehrzahl der Spiralen, gekennzeichnet durch Spiralarmzentren 410a-k, die Steigung a = a₁ ist, und für die zweite Mehrzahl von Spiralen, gekennzeichnet durch Spiralarmzentren 420a-i, die Steigung a = a₂ ist, wobei a₂ > a₁. In anderen Worten ist die Steigung der ersten Mehrzahl von Spiralen geringer als die Steigung der zweiten Mehrzahl an Spiralen. Da, analog zu Referenzmuster 200, nicht mehr als eine Wicklung einer jeden Spirale sichtbar ist, ist der konstante Abstand zwischen eines Spiralarms über mehrere Wicklungen nicht ersichtlich. Aus den konstanten radialen Abständen der ineinandergewickelten Spiralarmzentren 410a-k lässt sich die Konstanz ihrer Steigungen aber schon indirekt ablesen. Da die Spiralarmdichte des Referenzmuster 400 radial höher ist, als beispielsweise die von Referenzmuster 200, ist das Referenzmuster 400 besonders geeignet, um Neigungsfehler auf einem Objekt in radialer Richtung zu erfassen.
5 zeigt ein Referenzmuster 500 mit logarithmischen Spiralen, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung, wie es zum Bespiel auf der Anzeige 110 wiedergegeben werden kann. Das Referenzmuster 500 weist eine erste Mehrzahl an Spiralen auf, wobei deren Spiralarmzentren 510a-k eingezeichnet sind, und eine zweite Mehrzahl an Spiralen auf, wobei deren Spiralarmzentren 520a-i eingezeichnet sind. Die Radien der ersten Mehrzahl von Spiralen und der zweiten Mehrzahl von Spiralen unterliegen der Gleichung (2), wobei sich hier die Parameter b und k zwischen der ersten Mehrzahl von Spiralen und der zweiten Mehrzahl von Spiralen unterscheiden. Die Steigung, charakterisiert durch k, ist für die zweite Mehrzahl an Spiralen größer als für die erste Mehrzahl an Spiralen, weshalb mit der ersten Mehrzahl an Spiralen eine höhere Streifendichte in radialer Richtung erzeugt wird. Basierend auf der höheren Dichte kann, äquivalent zu Referenzmuster 400, eine höhere Präzision der Topografiebestimmung in radialer Richtung erreicht werden. Des Weiteren, da das Referenzmuster 500, entsprechend Referenzmuster 300, rechtwinklige oder orthogonale Schnittpunkte der Spiralarme der ersten Mehrzahl von Spiralen mit Spiralarmen der zweiten Mehrzahl von Spiralen aufweist, können mittels geringem Aufwand zwei unabhängige Steigungsparameter aus der Reflektion des Referenzmusters 500 geschätzt werden.
Im Folgenden werden Aufnahmen beziehungsweise Aufnahmereihen betrachtet, die erzeugt werden durch Rotation/Drehung entweder des Referenzmusters oder des Objekts. Im Allgemeinen wird bevorzugt das Referenzmuster gedreht zur Aufnahme gedrehter Reflektionen, da es sich bei Objekten, beispielsweise Objekt 120, um schwere oder fragile Gegenstände handeln kann oder auch um Patienten. Mittels der Aufnahmen können, basierend auf den periodischen Intensitätsprofilen der Referenzmuster 200, 300, 400 oder 500, Phaseninformationen zur Topografiebestimmung gewonnen werden.
Im Folgenden wird kurz erklärt, wie anhand von herkömmlichen Streifenmustern Phasenmessende Deflektometrie (PMD) durchgeführt wird.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Messaufbaus 600 für die PMD. Der Messaufbau 600 weist einen Anzeigeschirm 610, einen Kamerasensor 620 und ein Testobjekt 630 auf.
An dem Anzeigeschirm 610 ist ein Koordinatensystem angezeichnet mit einer ersten Achse, die mit u gekennzeichnet ist, und einer zweiten Achse, die mit v gekennzeichnet ist. Ferner ist auf dem Anzeigeschirm 610 ein Referenzstreifenmuster angezeigt, das in v-Richtung einen sinusförmigen Helligkeitsverlauf aufweist. Des Weiteren ist neben dem Anzeigeschirm 610 eine Referenzstreifenmustersequenz 612 dargestellt, die nacheinander auf dem Anzeigeschirm 610 wiedergegeben werden kann. Der Kamerasensor 620 hat ein Koordinatensystem mit einer ersten Achse, die mit x gekennzeichnet ist, und einer zweiten Achse, die mit y gekennzeichnet ist. Damit sind Pixel des Kamerasensors mittels Koordinaten (x, y) adressierbar und örtlich zuordenbar. Ein Lichtstrahl 622 fällt auf dem Kamerasensor 620 auf der Koordinate (x, y) ein, wobei dieser von dem Anzeigeschirm 610 entsendet wird und über das Testobjekt 630 auf den Kamerasensor 620 gelenkt wird. Da eine Flächennormale 632 gegenüber einer mittleren Flächennormale 634 des Testobjekts 630 verkippt ist, bildet der Lichtstrahl einen Punkt des Referenzstreifenmusters auf dem Anzeigeschirm 610 ab, der verschoben ist von einem zu erwartenden Punkt. Der Strahlengang 614, würde einen vorherbestimmten Punkt 616 des Anzeigeschirms 610 auf den Kamerasensor abbilden, wenn die Flächennormale 632 der mittleren Flächennormale 634 entsprechen würde. Da das Testobjekt 630 am Einfallsort des Strahlengangs 622 eine Unebenheit aufweist, wird aber tatsächlich ein Punkt 618 auf den Kamerasensor 620 abgebildet, der nicht dem vorbestimmten oder zu erwartenden Punkt 616 entspricht. Aufgrund dessen, dass das Referenzstreifenmuster bekannt ist, kann nun basierend auf dem verschoben abgebildeten Punkt 618 eine erste Neigungsrichtung der Oberfläche des Testobjekts 630 bestimmt werden in dem Punkt, in dem der Strahlengang 622 auf die Oberfläche trifft. In weiteren Schritten werden über den Anzeigeschirm 610 weitere Referenzstreifenmuster der Referenzstreifenmustersequenz 612 wiedergegeben, um eine zweite Neigungsrichtung der Oberfläche zu bestimmen. Zur verbesserten Genauigkeit kann eine vorhergehende Kalibrierung stattfinden und die Bildpunkte auf dem Anzeigeschirm 610 mit Bildpunkten des Kamerasensors 620 abgeglichen werden. Hierzu kann eine Bilderserie auf dem Anzeigeschirm 610 wiedergegeben werden, die sowohl hoch- als auch tieffrequente Referenzstreifenmuster beinhaltet.
In 7 wird der genannte Kalibrierungsprozess illustriert. Eine Kamera ordnet einen Punkt P_I auf ihrem Bildsensor, beispielsweise Kamerasensor 620, einem Punkt P_L auf dem Anzeigeschirm zu, hier ein LCD-Schirm. Die Abbildung findet über den Strahlengang C statt, der über die Fläche S des Testobjekts 630 reflektiert wird. Für die Kalibrierung können alle oder ein Großteil der Pixel der Kamera jeweilig einem bestimmten Pixel des Anzeigeschirms zugeordnet werden, so dass die relative Lage im Raum vom Kamerasensor zum Referenzschirm ermittelt werden kann; dies ist auch als Systemorientierung bekannt. Außerdem ist zur korrekten Interpretation der Neigungsdaten die räumliche Lage mindestens eines Punkts der Objektoberfläche hilfreich, von dem die oben angesprochene Integration ihren Ausgang nimmt, um aus den gemessenen Phasen- bzw. Streifenverzerrungen die Oberflächentopografie zu erhalten.
8a zeigt eine Phaseninformation 800a der ersten Mehrzahl von Spiralen basierend auf einer gedrehten Aufnahme des Referenzmusters 200. Die Phaseninformation 800a basiert auf einer gedrehten Aufnahme des Referenzmusters 200. Das Referenzmuster 200 weist 11 Spiralarme in der ersten Mehrzahl von Spiralen auf, weshalb das Referenzmuster während einer vollständigen Umdrehung mindestens 23 mal aufgenommen werden sollte um das Abtasttheorem zu erfüllen. Die Anzahl der Spiralarme in der ersten Mehrzahl von Spiralen und die Anzahl der Spiralarme in der zweiten Mehrzahl von Spiralen können beliebige natürliche Zahlen sein; werden teilerfremde Zahlen benutzt, vereinfacht sich die Zuordnung der Orte auf dem Kamerasensor zu Orten auf dem Referenzschirm. Zur Erzeugung der Phaseninformation 800a wurden 23 Aufnahmen des Referenzmusters 200 durchgeführt während einer vollständigen Drehung. Basierend auf den 23 Aufnahmen ist ein Bilderstapel erzeugt worden und jeder Pixel entlang der Zeitachse des Bilderstapels der diskreten Fouriertransformation unterzogen worden, um ein Spektrum pro Pixel zu erhalten. Das Spektrum der diskreten Fourier Transformation kann direkt an dem 11. Wert ausgelesen werden um die Frequenzkomponenten (Amplitude und Phase) zu erhalten, die zur ersten Mehrzahl von Spiralen korrespondieren. Dies basiert darauf, dass 11 Spiralarme der ersten Mehrzahl von Spiralen während einer vollständigen Drehung den Pixel passieren. Da sich in dem Referenzmuster 200 aufgrund der regelmäßigen Anordnung der Spiralen, mit einem Winkel von 2π/11 zwischen tangential benachbarten Spiralarmen, genau 11 Streifen befinden, ist die Ablesung exakt. In anderen Worten kann man das Spektrum an der Frequenz, die zur Anzahl an Spiralarmen der Mehrzahl von Spiralen korrespondiert, für eine Evaluation auslesen . Basierend auf dem Wert an der Frequenz, kann nun eine Phaseninformation erhalten werden, da die diskrete Fouriertransformation einen komplexen Wert liefert. Des Weiteren beschreibt die Phase des komplexen Werts eine Verschiebung, d.h. eine Drehung, des ursprünglichen Referenzmusters. Die Phaseninformation 800a kodiert in dunkel bis hell einen Übergang von 0 bis 2π. Da das tatsächliche Referenzmuster Wellenverläufe, basierend auf dem periodischen Intensitätsverlauf, mit mehr als 2π während einer Rotation erzeugt, wird hier lediglich die modulo-2π Darstellung wiedergegeben. In anderen Worten, sobald die Phase einen Wert von 2π annimmt, wird sie wieder auf 0 zurückgesetzt.
8b zeigt eine Phaseninformation 800b der zweiten Mehrzahl von Spiralen basierend auf einer gedrehten Aufnahme des Referenzmusters 200. Die Erzeugung der Phaseninformation 800b basiert im Wesentlichen auf denselben Schritten wie für die Phaseninformation 800a, und auf genau demselben Datensatz. Zur Evaluation der Phase wird hier nun der 9. Frequenzindex der diskreten Fouriertransformation ausgelesen und dessen Phase bestimmt. Hier ist die Ablesung am Index 9 exakt. Der Index korrespondiert mit der Anzahl der Spiralen in der zweiten Mehrzahl von Spiralen. In hell bis dunkel sind die Phasenverläufe von 0 bis 2π ausgedrückt, gemäß Phaseninformation 800a.
8c zeigt eine Phaseninformation 800c, die der Addition der Phaseninformationen 800a und 800b entspricht. Die Phaseninformation 800c zeigt die Schnittpunkte der Spiralarme durch Phasensprünge, d.h. abrupte Helligkeitsänderungen in der Phaseninformation 800c, wobei die Phaseninformation 800c die Phase von 0 bis 2π ausgedrückt durch Helligkeitsvariation von hell bis dunkel.
In 9a ist eine Phaseninformation 900a dargestellt die auf gedrehten Aufnahmen des Referenzmusters 300 basiert. Insbesondere basiert die Phaseninformation 900a auf der ersten Mehrzahl von Spiralen. Die Erzeugung der Phaseninformation 900a entspricht der Erzeugung der Phaseninformationen 800a. Zur Auswertung kann derselbe Frequenzindex, wie für die Phaseninformation 800a herangezogen werden, da die Anzahl von Spiralarmen identisch ist. Dunkel bis hell Verläufe zeigen den Übergang der Phase von 0 bis 2π, wobei hier eine modulo-2π Darstellung gewählt ist auf Grund der Phasenmehrdeutigkeit. Da die Anzahl der Spiralarme des Referenzmusters 300 der Anzahl der Spiralarme des Referenzmusters 200 entspricht, kann für eine Erfassung dieselbe Abtastrate gewählt werden.
9b zeigt eine Phaseninformation 900b, die auf gedrehten Aufnahmen des Referenzmusters 300 basiert. Insbesondere basiert die Phaseninformation 900b auf der zweiten Mehrzahl von Spiralen. Zur Auswertung kann derselbe Frequenzindex, wie für die Phaseninformation 800b herangezogen werden, da die Anzahl von Spiralarmen identisch ist. Im Übrigen gelten für die für die Phaseninformation 900b die Beschreibungen, die im Zusammenhang mit den oben genannten Phaseninformationen gegeben sind.
9c zeigt, entsprechend 8c, eine Phaseninformation 900c, die der Addition der Phaseninformation 900a und der Phaseninformation 900b entspricht. Die Phaseninformation 900c illustriert an den abrupten Helligkeitsänderungen die aufeinander senkrecht stehenden Spiralarme des Referenzmusters 300.
10a, 10b, 10c zeigen Phaseninformationen 1000a, 1000b und 1000c, die auf einer gedrehten Aufnahme des Referenzmusters 400 basieren. Im Übrigen treffen die, für die oben beschriebenen Phaseninformationen gegebenen Beschreibungen, ebenfalls auf die Phaseninformationen 1000a, 1000b und 1000c zu.
11a, 11b, 11c zeigen Phaseninformationen 1100a, 1100b und 1100c, die auf einer gedrehten Aufnahme des Referenzmusters 500 basieren. Im Übrigen treffen die, für die oben beschrieben Phaseninformationen gegebenen Beschreibungen, ebenfalls auf die Phaseninformationen 1100a, 1100b und 1100c zu.
12 zeigt einen Aufnahmestapel 1200, der je nach Referenzmuster beispielsweise genutzt werden kann, um die Phaseninformationen 800a und 800b oder 900a und 900b oder 1000a und 1000b oder 1100a und 1100b zu erzeugen. Der Aufnahmestapel 1200 ist in einem Koordinatensystem angeordnet, das 2 räumliche Achsen, x, y, und eine zeitliche Achse, t, aufweist. Ein Pixel P₀ (x_o , y₀ , 2N + 1) ist auf der zeitlich gesehen letzten Aufnahme 2N + 1 des Aufnahmestapels 1200 eingezeichnet. Ein möglicher Intensitätsverlauf 1210 des Pixels P₀ ist über die Zeitachse in Graph 1210 eingezeichnet. Der Intensitätsverlauf in Graph 1210 ist durch eine Schwebung charakterisiert, basierend auf einer ersten Schwingung mit 11 Perioden pro Umdrehung und einer zweiten Schwingung mit 9 Perioden pro Umdrehung. Die Periodizität ist durch die Anzahlen von Spiralarmen gegeben, der ersten Mehrzahl von Spiralen und der zweiten Mehrzahl von Spiralarmen, die in dem betrachten Fall 11 und 9 sind. Der Intensitätsverlauf 1210 ist periodisch in φ und die Phase des Pixels kann direkt, durch Auslesen der Fouriertransformation des Intensitätsverlaufs 1210 an der Frequenz des periodischen Signals, gewonnen werden. Hierbei bietet die Periodizität des Intensitätsverlaufs den Vorteil, dass die diskrete Fouriertransformation hier artefaktfreie Resultat liefert. In Graph 1220 ist der selbe Intensitätsverlauf, wie in Graph 1210, mit Überabtastung dargestellt, d.h. mit 128 Abtastungen statt 23, wobei ein glatterer Kurvenverlauf erzeugt werden kann, der hier nur der besseren Sichtbarmachung des Frequenzgemisches dient. Hierbei wird die Schwebung, basierend auf der Addition zweier periodischer Signale, sehr gut erkenntlich.
13 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 1300 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Das Verfahren 1300 weist ein Erzeugen 1310 einer Spiegelung eines Referenzmusters an einer Oberfläche des Objekts auf, wobei das Referenzmuster einer erste Mehrzahl von Spiralen und eine zweite Mehrzahl von Spiralen aufweist. Ferner ist eine Wicklungsrichtung der ersten Mehrzahl von Spiralen entgegengesetzt zu einer Wicklungsrichtung der zweiten Mehrzahl von Spiralen. Das Verfahren 1300 umfasst ferner ein Erfassen 1320 des von dem Objekt reflektierten Referenzmusters. Des Weiteren umfasst das Verfahren 1300 ein Bereitstellen 1330 einer topografischen Information basierend auf dem erfassten reflektierten Referenzmuster.
Die Phaseninformationen 800a, 800b, 900a, 900b, 1000a, 1000b, 1100a und 1100b zeigen Phasen, wie sie erfasst werden würden, wenn keine Verzerrung auf einer Oberfläche stattfinden würde, und können somit als Referenzphaseninformation dienen.
Im Folgenden werden weitere Aspekte des erfindungsgemäßen Konzepts behandelt, die einzeln oder in Kombination mit den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen genutzt werden können.
Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung wenden, entsprechend herkömmlichen Verfahren, ebenfalls zwei senkrecht aufeinander stehende Streifenmuster an; diese sind zwar auch gekreuzt, jedoch nicht gerade, sondern als zwei gegenläufige logarithmische Spiralen ausgebildet wie in 3 gezeigt. Die Richtungen der Spiralen sind durch die Spiralarmzentren 310a-k und 320a-i verdeutlicht.
Das Muster 300 ist aus einer linksdrehenden Spirale mit 9 Armen und einer rechtsdrehenden Spirale mit 11 Armen zusammengesetzt. Offensichtlich kann hier das Streifenmuster im Zentrum zu fein sein, um es auszuwerten; in der Praxis wird sich hier aber ohnehin möglicherweise eine Kamera befinden. Trotzdem muss bei der Auswertung auf die nach außen hin geometrisch wachsende Streifenperiode (und damit sinkende Neigungsempfindlichkeit) Rücksicht genommen werden. Andererseits ist die sonst gewöhnlich auftretende Verdichtung der Streifen im Randbereich schon teilweise vorkompensiert, so dass mit Schirmen von schwächerer Krümmung oder ggf. sogar ebenen Drehscheiben gearbeitet werden kann.
Eine Bildaufnahme kann durch Drehung der Referenzstruktur vonstattengehen, entweder

• über eine volle Umdrehung der Referenzscheibe (wobei jede Spirale ausreichend oft abgetastet werden sollte, hier also mit mehr als 2x11=22 Schritten - tatsächlich sind in der Demonstration 23 jeweils um 2π/23 gedrehte Bilder erzeugt worden) und Ermittlung der Phasen der entsprechenden diskreten Frequenzkomponente durch Fourier-Analyse (mit dem enormen Vorteil, dass die Berechnungen artefaktfrei sind, weil die Bilddaten durch eine volle Rotation des Referenzschirms gewonnen werden und damit echt zyklisch sind - die außerdem gegebene tangentiale Zyklizität der Neigungsdaten stellt außerdem eine nützliche Zwangsbedingung für die Integration der Neigungsdaten zur Verfügung, welche zur Formbestimmung mittels Deflektometrie immer durchzuführen ist).

• über eine Teildrehung der Referenzscheibe und Auswertung der Phasendaten mit frequenzselektiven Phasenschiebeformeln; hier reicht das Durchlaufen von 1-2 Streifen jeder Spirale auf jedem Bildpixel aus, wobei jeder Streifen mit mindestens drei Bildern abgetastet werden muss.

Eine Drehung und Datenaufnahme kann mit Kameras entsprechender Bildrate in unter einer Sekunde ausgeführt werden. Wird der Bilddatenstapel dann an den vorgegebenen Frequenzen auf die Signalphase untersucht, ergeben sich beispielsweise die separierten Phasenfunktionen 900a und 900b wie in 9a und 9b (wobei die Phasen von 0-2 π als hell-dunkel codiert sind).
Eine Addition beider Phasenverteilungen, beispielsweise 900a und 900b, liefert die visuelle Demonstration in 9c, dass die Äquiphasenlinien und damit die Streifen überall senkrecht aufeinander stehen.
Im vorigen Beispiel, Referenzmuster 300 und Phaseninformationen 900a-c, sind die Empfindlichkeiten jeweils zu gleichen Teilen radial und tangential, aber es ist möglich, die Steigungen so einzustellen, dass eine Komponente bevorzugt gemessen werden kann. Dabei können die vorgegebenen Steigungen der Spiralen so gekoppelt sein, dass die Spiralarme sich immer noch überall im rechten Winkel schneiden. Das 5 zeigt ein Spiralmuster, das vorwiegend für hohe Empfindlichkeit (proportional der Streifendichte) in der radialen Komponente ausgelegt ist (wobei immer noch die linksdrehende Spirale 9 Arme und die rechtsdrehende 11 Arme hat - diese Zahlen lassen sich in weiten; praktisch nur durch die auflösbare Streifendichte gegebenen Grenzen frei wählen).
Die 11a, 11b und 11c zeigen die resultierenden Phasenverteilungen gewonnen von Referenzmuster 500.
Eine Einstellung der Spiralen auf genau radiale und tangentiale Empfindlichkeiten ist nicht ohne weiteres möglich, weil dann die Spiralen zu Kreisen würden und eine Drehung der Referenzstruktur damit in einem der Streifenmuster keine Phasenverschiebungen mehr verursachen würde, wodurch die Phasenberechnung unmöglich wird. Es sollten also auf jeden Fall gemischte Steigungskomponenten in radiale und tangentiale Anteile umgerechnet werden, was aber eine einfache Aufgabe ist, wenn die Normalenvektoren in einer anderen Basis vollständig bekannt sind.
Eine Registrierung der Phasendaten (d.h. eine eindeutige Zuordnung der Kamerapixel zu Orten - nicht notwendigerweise Pixeln - auf der Referenzstruktur) ist zum einen durch Verwendung von Vorwissen über die Oberfläche möglich, die stetig und in sehr guter Näherung rotationssymmetrisch sein kann; zum anderen aber auch durch die Auswertung der Phasenwerte beider Muster auf jedem Kamerapixel: sind die eingesetzten Anzahlen der Spiralarme teilerfremd (was z.B. für 9 und 11 der Fall ist), können zahlentheoretische Methoden zur absoluten Registrierung eingesetzt werden wie z.B. in [6] beschrieben.
Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung vereinfachen die Anwendung der Deflektometrie in Einsatzgebieten wie z.B. der Ophthalmologie, auch Herstellung von Kontakt- und Intraokularlinsen, und auch der Prüfung von Asphären. In allen Fällen können störende Rückseitenreflexe durch die Verwendung von z.B. ultraviolettem Licht vermieden werden. Auch die Anwendung mit nahem oder thermischem Infrarot ist denkbar.
Gemäß Ausführungsbeispielen wird ein statisches Lichtmuster eingesetzt, welches in erforderlichenfalls sehr hoher Auflösung auf Schirme beliebiger Gestalt (die aber immer noch rotationssymmetrisch sind) aufgebracht werden kann.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind Empfindlichkeiten für Neigungskomponenten in radialer und tangentialer Richtung in weiten Grenzen frei balancierbar.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann eine Empfindlichkeit der Messung auch durch Vergrößerung des Schirms erhöht werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind sowohl konvexe als auch konkave rotationssymmetrische Flächen messbar.
Ausführungsbeispiele beschreiben eine Formmessung an rotationssymmetrischen sphärischen und asphärischen Flächen jeder Größe, für sichtbare Wellenlängen, mit möglichen Erweiterungen ins Ultraviolett und nahe Infrarot.
Im Allgemeinen stellen deflektometrische Messdaten die Steigungskomponenten einer spiegelnden Oberfläche dar; deshalb werden üblicherweise Daten mit zwei zueinander senkrechten Referenzstreifenmustern aufgenommen. Falls die Verwendung eines Monitors als Musteranzeige nicht möglich ist, kann mit einem statischen Schirm gearbeitet werden, der zur Phasenmessung entlang zwei Achsen verschoben und dazwischen um 90° gedreht wird. Alternativ können gekreuzte Muster dargestellt werden, die mittels Verschiebungen der Referenzstruktur in nur einer Richtung Phasenmessungen beider Richtungskomponenten erlauben.
Einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, ob ein ähnliches Verfahren auch mit Rotationen einer Maske möglich ist, um kreisförmige Flächen zu messen. Wir schlagen vor, gekreuzte Streifenmuster als gegenläufige Spiralen darzustellen, welche überall senkrecht aufeinander stehen und damit linear unabhängige Phasenmessungen für die Steigungskomponenten ermöglichen. Die Auswertung der Daten ist schwieriger als bei kartesischen Systemen, aber die Empfindlichkeiten für radiale oder tangentiale Steigungsfehler sind in weiten Grenzen wählbar.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Ein erfindungsgemäß codiertes Signal, wie beispielsweise ein Audiosignal oder ein Videosignal oder ein Transportstromsignal, kann auf einem digitalen Speichermedium gespeichert sein oder kann auf einem Übertragungsmedium wie beispielsweise einem drahtlosen Übertragungsmedium oder einem verdrahteten Übertragungsmedium, z.B. dem Internet, übertragen werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise gegenständlich und/oder nicht-vergänglich bzw. nichtvorübergehend.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Vorrichtungen können zumindest teilweise in Hardware und/oder in Software (Computerprogramm) implementiert sein.
Die hierin beschriebenen Verfahren können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
Die hierin beschriebenen Verfahren, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Verfahren können zumindest teilweise durch Hardware und/oder durch Software ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten ein-leuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Referenzen:

[1] Liu, Y.; Olesch, E.; Yang, Z. & Häusler, G. Fast and accurate deflectometry with crossed fringes, Advanced Optical Technologies, 2014, 3, 441-445
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[3] Krey, S.; van Amstel, W. D.; Szwedowicz, K.; Campos, J.; Moreno, A. & Lous, E. J. A fast optical scanning deflectometer for measuring the topography of large silicon wafers, Proc. SPIE, Current Developments in Lens Design and Optical Engineering V, 2004, 5523, 110-120
[4] Liang, H.; Olesch, E.; Yang, Z. & Häusler, G. Single-shot phase-measuring deflectometry for cornea measurement, Advanced Optical Technologies, 2016, 5, 1-6
[5] Zhao, W.; Su, X.; Liu, Y. & Zhang, Q. Testing an aspheric mirror based on phase measuring deflectometry, Optical Engineering, 2009, 48, 103603
[6] Falaggis, K.; Towers, D. P. & Towers, C. E. Algebraic solution for phase unwrapping problems in multiwavelength interferometry, Appl. Opt., 2014, 53, 3737-3747

Claims

Deflektometer (100), zur Topografiebestimmung eines Objekts (120), mit folgenden Merkmalen: einer Anzeige (110), die ausgelegt ist, um ein Referenzmuster (200, 300, 400, 500) wiederzugeben, wobei das Referenzmuster (200, 300, 400, 500) eine erste Mehrzahl von Spiralen aufweist und eine zweite Mehrzahl von Spiralen aufweist, wobei eine Wicklungsrichtung (2101, 3101) der ersten Mehrzahl von Spiralen entgegengesetzt zu einer Wicklungsrichtung (220j, 320j) der zweiten Mehrzahl von Spiralen ist, wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, basierend auf einer Reflektion des Referenzmusters an dem Objekt (120) eine topografische Information über das Objekt (120) bereitzustellen, wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, das Referenzmuster (200, 300, 400, 500) rotierend auf der Anzeige (110) wiederzugeben, wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, basierend auf der rotierten Wiedergabe Aufnahmen der Reflektionen des rotierten Referenzmusters (200, 300, 400, 500) zu erhalten, wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, die Topografiebestimmung anhand von Phaseninformationen durchzuführen, wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, die Phaseninformationen basierend auf den Aufnahmen der Reflektionen des rotierten Referenzmusters (200, 300, 400, 500) zu erhalten, und wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, die Phaseninformationen basierend auf einer diskreten Fouriertransformation der Aufnahmen der Reflektionen des rotierten Referenzmusters zu erhalten.
Deflektometer (100), zur Topografiebestimmung eines Objekts (120), mit folgenden Merkmalen: einer Anzeige (110), die ausgelegt ist, um ein Referenzmuster (200, 300, 400, 500) wiederzugeben, wobei das Referenzmuster (200, 300, 400, 500) eine erste Mehrzahl von Spiralen aufweist und eine zweite Mehrzahl von Spiralen aufweist, wobei eine Wicklungsrichtung (2101, 3101) der ersten Mehrzahl von Spiralen entgegengesetzt zu einer Wicklungsrichtung (220j, 320j) der zweiten Mehrzahl von Spiralen ist, wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, basierend auf einer Reflektion des Referenzmusters an dem Objekt (120) eine topografische Information über das Objekt (120) bereitzustellen, wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, basierend auf Aufnahmen einer rotierten Wiedergabe des Referenzmusters (200, 300, 400, 500) aus der ersten Mehrzahl von Spiralen eine erste Phaseninformation zu erhalten, und basierend auf Aufnahmen einer rotierten Wiedergabe des Referenzmusters (200, 300, 400, 500) aus der zweiten Mehrzahl von Spiralen eine zweite Phaseninformation zu erhalten, und wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, eine Topografiebestimmung basierend auf der ersten Phaseninformation und der zweiten Phaseninformation zu erhalten.
Deflektometer (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Mehrzahl von Spiralen und die zweite Mehrzahl von Spiralen konzentrisch angeordnet sind, so dass die erste Mehrzahl von Spiralen und die zweite Mehrzahl von Spiralen einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen.
Deflektometer (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Abstände zwischen Spiralarmen der ersten Mehrzahl von Spiralen und/oder der zweiten Mehrzahl von Spiralen radial konstant bleiben.
Deflektometer (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 wobei Abstände zwischen Spiralarmen der ersten Mehrzahl von Spiralen und/oder der zweiten Mehrzahl von Spiralen radial zunehmen.
Deflektometer (100) nach Anspruch 5, wobei die Abstände in geometrischer Progression zunehmen.
Deflektometer (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich Spiralarme der ersten Mehrzahl von Spiralen und Spiralarme der zweiten Mehrzahl von Spiralen unter einem Winkel schneiden, der kleiner als 180° ist und größer als 0° ist.
Deflektometer (100) nach Anspruch 7, wobei der Winkel 90° ist.
Deflektometer (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein erster Radius der ersten Mehrzahl von Spiralen eine größere Steigung aufweist als ein zweiter Radius der zweiten Mehrzahl von Spiralen.
Deflektometer (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Anzeige (110) relativ zum Objekt (120) so angeordnet ist, dass eine Reflektion des Referenzmusters (200, 300, 400, 500) auf einer reflektierenden Oberfläche des Objekts (120) erzeugt wird.
Deflektometer (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Deflektometer (100) eine Kamera aufweist, die in einem gemeinsamen Mittelpunkt der ersten Mehrzahl von Spiralen und der zweiten Mehrzahl von Spiralen angeordnet ist, und wobei die Kamera ausgelegt ist, eine Reflektion des Referenzmusters (200, 300, 400, 500) auf dem Objekt (120) zu erfassen.
Deflektometer (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, eine Topografiebestimmung eines rotationssymmetrischen Objekts oder eines quasi-rotationssymmetrischen Objekts durchzuführen.
Deflektometer (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, das Referenzmuster (200, 300, 400, 500) und das Objekt (120) relativ zueinander zu rotieren, und wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, basierend auf der Rotation Aufnahmen der Reflektionen des rotierten Referenzmusters (200, 300, 400, 500) zu erhalten.
Deflektometer (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, basierend auf den Phaseninformationen Ablenkungen von Strahlengängen zu bestimmen, und wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, basierend auf den Ablenkungen von Strahlengängen eine Mehrzahl von Steigungsparametern einer reflektierenden Oberfläche des Objekts (120) zu bestimmen.
Deflektometer (100) nach Anspruch 14, wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, basierend auf einer Integration der Mehrzahl von Steigungsparametern die Topografiebestimmung des Objekts (120) durchzuführen.
Deflektometer (100) nach Anspruch 15, wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, basierend auf den Ablenkungen von Strahlengängen, Flächennormalen der reflektierenden Oberfläche des Objekts (120) zu bestimmen, und wobei das Deflektometer (100) ausgelegt ist, basierend auf einer Integration der Flächennormalen eine Topografiebestimmung des Objekts (120) durchzuführen.
Verfahren (1300) zur Topografiebestimmung eines Objekts (120), mit folgenden Schritten: Erzeugen (1310) einer Spiegelung eines Referenzmusters (200, 300, 400, 500) an einer Oberfläche des Objekts (120), wobei das Referenzmuster (200, 300, 400, 500) eine erste Mehrzahl von Spiralen aufweist und eine zweite Mehrzahl von Spiralen aufweist, wobei eine Wicklungsrichtung (2101, 3101) der ersten Mehrzahl von Spiralen entgegengesetzt zu einer Wicklungsrichtung (220j, 320j) der zweiten Mehrzahl von Spiralen ist, Erfassen (1320) des von dem Objekt (120) reflektierten Referenzmusters (200, 300, 400, 500), und Bereitstellen (1330) einer topografischen Information basierend auf dem erfassten reflektierten Referenzmusters (200, 300, 400, 500), wobei das Referenzmuster (200, 300, 400, 500) rotierend auf der Anzeige (110) wiedergegeben wird, wobei basierend auf der rotierten Wiedergabe Aufnahmen der Reflektionen des rotierten Referenzmusters (200, 300, 400, 500) erhalten werden, wobei die Topografiebestimmung anhand von Phaseninformationen durchgeführt wird, wobei die Phaseninformationen basierend auf den Aufnahmen der Reflektionen des rotierten Referenzmusters (200, 300, 400, 500) erhalten werden, und wobei die Phaseninformationen basierend auf einer diskreten Fouriertransformation der Aufnahmen der Reflektionen des rotierten Referenzmusters erhalten werden.
Verfahren (1300) zur Topografiebestimmung eines Objekts (120), mit folgenden Schritten: Erzeugen (1310) einer Spiegelung eines Referenzmusters (200, 300, 400, 500) an einer Oberfläche des Objekts (120), wobei das Referenzmuster (200, 300, 400, 500) eine erste Mehrzahl von Spiralen aufweist und eine zweite Mehrzahl von Spiralen aufweist, wobei eine Wicklungsrichtung (2101, 3101) der ersten Mehrzahl von Spiralen entgegengesetzt zu einer Wicklungsrichtung (220j, 320j) der zweiten Mehrzahl von Spiralen ist, Erfassen (1320) des von dem Objekt (120) reflektierten Referenzmusters (200, 300, 400, 500), und Bereitstellen (1330) einer topografischen Information basierend auf dem erfassten reflektierten Referenzmusters (200, 300, 400, 500), wobei basierend auf Aufnahmen einer rotierten Wiedergabe des Referenzmusters (200, 300, 400, 500) aus der ersten Mehrzahl von Spiralen eine erste Phaseninformation erhalten wird, wobei basierend auf Aufnahmen einer rotierten Wiedergabe des Referenzmusters (200, 300, 400, 500) aus der zweiten Mehrzahl von Spiralen eine zweite Phaseninformation erhalten wird, und wobei eine Topografiebestimmung basierend auf der ersten Phaseninformation und der zweiten Phaseninformation erhalten wird.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 17 oder 18, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.