DE102018103942A1

DE102018103942A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung der Oberflächenform eines Brillenglases

Info

Publication number: DE102018103942A1
Application number: DE102018103942.5A
Authority: DE
Inventors: Jean-Michel Asfour; Malte Hagemann; Daniel Kiefhaber; Florian Hudelist
Original assignee: Dioptic GmbH
Current assignee: Dioptic GmbH
Priority date: 2018-02-21
Filing date: 2018-02-21
Publication date: 2019-08-22

Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Vermessung der Oberflächenform eines Brillenglases umfassend die Schritte:- Bereitstellung eines Brillenglases in einem Messbereich,- Bereitstellung einer Lasereinheit, welche einen Laserstrahl emittiert, der in Form eines räumlichen Strahlmusters im Messbereich ausgebildet ist oder über den Messbereich geführt wird,- Bereitstellung einer Bildaufnahmeeinheit, die so gestaltet und positioniert ist, dass sie ein Bild des Messbereichs aufnehmen kann,- Erstellung einer Bildaufnahme des Brillenglases mittels der Bildaufnahmeeinheit während die Lasereinheit das Brillenglas mit dem Strahlmuster beleuchtet, wobei die Bildaufnahme das Licht der durch das Strahlmuster im Brillenglas hervorgerufene Fluoreszenz umfasst,- Ermittlung der Oberflächenform des Brillenglases aus der Bildaufnahme mittels Anwendung eines optischen Triangulationsverfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung der Oberflächenform eines Brillenglases.
Bei einer Überprüfung von Brillengläsern ist es in der Regel notwendig, deren dreidimensionale Form, die Wölbung, so genau wie möglich zu messen bzw. in einem Modell zu rekonstruieren. Dazu werden gegenwärtig punktweise Messungen durchgeführt, die sehr zeitaufwendig sind. Daher steht derzeit keine zufriedenstellende, schnelle Messmethode zur Verfügung. Zudem können komplexere Linsenformen nicht vollständig durch herkömmliche Techniken wie einen Scheitelbrechwertmesser charakterisiert werden.
Brillengläser werden häufig maschinell hergestellt. Insbesondere Gläser mit komplexer Oberflächengeometrie, wie Lesebrillen und Freiformlinsen bedürfen dabei einer besonders intensiven Überprüfung. Da die bekannten Prüfverfahren, wie gesagt, zeitaufwändig sind und für komplexe Oberflächenformen nicht angewendet werden können, steht gegenwärtig kein zufriedenstellendes Inline-Inspektionssystem für einen solchen maschinellen Herstellungsprozess zur Verfügung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren und eine Vorrichtung und zur Verfügung zu stellen, mittels derer ein Benutzer in der Lage ist, eine einfache und schnelle Vermessung der Oberflächenform eines Brillenglases vorzunehmen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Vermessung der Oberflächenform eines Brillenglases. Auch wenn das Wort „Glas“ in dem Begriff „Brillenglas“ enthalten ist, werden Linsen für Brillen aus Kunststoff ebenfalls als „Brillengläser“ bezeichnet. Mit „Brillengläsern“ im Sinne der Erfindung sind daher sowohl Elemente aus Kunststoff als auch aus Glas als auch aus anderen Materialien umfasst, die normalerweise für „Brillengläser“ verwendet werden. Genauso sind Materialverbünde, insbesondere beschichtete Elemente bzw. Linsen, die für die entsprechende Verwendung in Brillen bestimmt sind, mit der Bezeichnung „Brillenglas“ gemeint. Brillengläser müssen nicht zwangsläufig Linsen sein, obwohl das Verfahren besonders gut zur Vermessung von Linsen geeignet ist. Aufgrund der optischen Eigenschaften, insbesondere der Anregung zur Fluoreszenz ist das Verfahren besonders gut für Brillengläser aus Kunststoff oder beschichteten Glasmaterialien geeignet.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:
- Bereitstellung eines Brillenglases in einem Messbereich
Der Messbereich ist vorbestimmt und ist derjenige Bereich, in dem die Vermessung des Brillenglases stattfinden soll. Es kann ein Halter vorhanden sein, der den Messbereich umgibt, und in den das Brillenglas eingelegt wird. Der Messbereich kann aber auch ein Raumbereich sein, durch den das Brillenglas geführt wird und ggf. für die Messung kurz ruht. Die Bereitstellung würde dann durch die Führung des Brillenglases erfolgen. Theoretisch kann, z.B. im Rahmen eines Inline-Inspektionssystems, die Messung in einem bewegten System stattfinden und dem Brillenglas folgen. Der Messbereich ist in diesem Fall durch die Funktion der nachfolgend beschriebenen Komponenten festgelegt (die ggf. zur Vermessung auch entsprechend bewegt werden können).
- Bereitstellung einer Lasereinheit
Diese Lasereinheit emittiert mindestens einen Laserstrahl. Dieser Laserstrahl ist so beschaffen, dass er in Form eines räumlichen Strahlmusters, z.B. einem Punktmuster, einer Linie oder einem Kreuz, im Messbereich ausgebildet ist oder über den Messbereich geführt wird. Das Strahlmuster kann dabei als ruhendes Muster im Messbereich ausgebildet sein oder im Rahmen eines Scans sukzessive durch entsprechende Führung des mindestens einen Laserstrahls erzeugt werden. Letztendlich ist es auch möglich, ein Muster, z.B eine Linie im Rahmen eines Scans über den Messbereich zu bewegen. Die Lasereinheit kann so beschaffen sein, dass sie mehrere einzelne Strahlen und/oder aufgefächerte Strahlen emittiert, z.B. eine orthogonal zur Strahlrichtung ausgedehnte Linie. Die Lasereinheit ist selbstverständlich so montiert, dass später eine Triangulation stattfinden kann. Dies bedeutet insbesondere, dass sie so positioniert und ausgerichtet ist, dass ihr Strahl schräg auf den Messbereich fällt, so dass ein im Messbereich (von einem Brillenglas) reflektierter Laserstrahl im Wesentlichen nicht in Richtung der Lasereinheit zurückläuft. Insbesondere sollte die Lasereinheit so positioniert sein, dass kein reflektierter Laserstrahl in die Aufnahmeeinheit trifft.
- Bereitstellung einer Bildaufnahmeeinheit
Die Bildaufnahmeeinheit ist dabei so gestaltet und positioniert, dass sie ein Bild des Messbereichs aufnehmen kann, insbesondere von oben. Es kann also zumindest ein Teilbereich der Oberfläche des Brillenglases von der Bildaufnahmeeinheit aufgenommen werden, wobei bevorzugt die gesamte Oberfläche des Brillenglases aufgenommen werden sollte. Eine bevorzugte Bildaufnahmeeinheit ist eine Kamera.
- Erstellung einer Bildaufnahme des Brillenglases
Mittels der Bildaufnahmeeinheit wird eine Bildaufnahme des Brillenglases erstellt, während die Lasereinheit das Brillenglas mit dem Strahlmuster beleuchtet. Dabei wird die Bildaufnahme so erstellt, dass sie das Licht der durch das Strahlmuster im Brillenglas hervorgerufene Fluoreszenz umfasst. An dieser Stelle sei angemerkt, dass Lasereinheit und auch das Brillenglas natürlich so beschaffen sein sollten, dass eine solche Fluoreszenz auch entsteht. Dies bedeutet, dass das Brillenglas in der Lage sein sollte, zu fluoreszieren, was bei in der Regel bei Kunststoffen und zumindest bei beschichteten Gläsern der Fall ist. Die Lasereinheit sollte diesbezüglich Licht von einer Wellenlänge emittieren, welche die Fluoreszenz des Brillenglases anregt.
Bevorzugt umfasst die Bildaufnahme den Reflex des Laserstrahls nicht. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass der Winkel so gewählt wird, dass dieser Reflex nicht aufgenommen wird, oder dass Filter verwendet werden, wie sie weiter unten noch genauer beschrieben werden.
- Ermittlung der Oberflächenform des Brillenglases
Die Oberflächenform wird dabei aus der Bildaufnahme mittels Anwendung eines optischen Triangulationsverfahrens ermittelt, welches auch als „Fluoreszenztriangulation“ bezeichnet werden kann.
Eine Triangulation kann beispielsweise wie folgt verlaufen:
Angenommen es wird ein Strahlmuster in Form einer Linie auf das zu prüfende Objekt appliziert, wobei die Orientierung der Linie senkrecht zu einer Achse der Bildaufnahme ist. Ist nun bekannt, z.B. durch Kalibrierungsdaten, welche Position eines jeden Punktes der Linie in der Bildaufnahme seiner Position im Messbereich entspricht, kann aus dem Muster der Linie in der Bildaufnahme direkt auf die Form und Position der Linie im Messbereich geschlossen werden. Ist bei einer Kalibration die Linie zum Beispiel parallel zur horizontalen Achse (Zeile) der Bildaufnahme ausgerichtet, kann für jede Spalte der Bildaufnahme eine Zuordnung der Zeile zu einer Objekthöhe erstellt werden. Bei einer verzeichnungsfreien Abbildung ist der Zusammenhang zwischen Objekthöhe und Linienzeile z.B. linear. Für eine sehr genaue Vermessung muss jedoch die Verzeichnung des Abbildungssystems (z.B. das Objektiv einer Kamera) genauer berücksichtigt werden. In diesem Fall kann die Umrechnung der Zeile zu einer Höhe z.B. spaltenweise durch ein Polynom beschrieben werden. Für die Vermessung eines Brillenglases wird dann in dem genannten Beispiel spaltenweise die Linienposition bestimmt und mittels der oben beschriebenen Umrechnung in eine Objekthöhe überführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst:
- Eine Halteeineit für ein Brillenglas
Diese Halteeineit umgibt einen Messbereich oder sie ist zumindest so gestaltet, dass sie den Messbereich umgeben kann. Sie kann wie oben bereits angedeutet wurde, eine feste Halterung sein oder auch Zapfen umfassen, die um den Messbereich herum positioniert sind, und ein Brillenglas an Ort und Stelle halten können. Auch ein Greifer eines Greifarms kann als Halteeinheit dienen, selbst wenn er bewegt wird, sofern er dazu in der Lage ist, ein Brillenglas in dem Messbereich zu halten, so dass es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgenommen werden kann.
- Eine Lasereinheit
Diese Lasereinheit ist dazu ausgestaltet, einen Laserstrahl zu emittieren, der in Form eines Strahlmusters, im Messbereich ausgebildet ist oder über den Messbereich geführt wird. Hierzu wird auch auf die vorangehenden Erläuterungen verwiesen.
- Eine Bildaufnahmeeinheit
Die Bildaufnahmeeinheit, bevorzugt eine Kamera, ist so gestaltet und positioniert, dass sie ein Bild des Messbereichs aufnehmen kann. Auch hierzu wird auf die vorangehenden Erläuterungen verwiesen.
Lasereinheit und Bildaufnahmeeinheit sind in der Vorrichtung so zueinander positioniert, dass bei Beleuchtung des Brillenglases mittels des Strahlmusters eine von der Bildaufnahmeeinheit angefertigte Bildaufnahme das Licht der durch das Strahlmuster im Brillenglas hervorgerufene Fluoreszenz umfasst. Bevorzugt wird dabei der Reflex des Laserstrahls von der Bildaufnahme nicht umfasst.
- Eine Ermittlungseinheit
Diese Ermittlungseinheit ist zur Ermittlung der Oberflächenform des Brillenglases aus einer Bildaufnahme der Bildaufnahmeeinheit mittels Anwendung eines optischen Triangulationsverfahrens ausgelegt, wie es z.B. oben beschrieben ist.
Es wird angemerkt, dass die Bezeichnung „ein“ oder „eine“ im Rahmen der Erfindung die Anzahl nicht beschränkt. Wenn nicht explizit anderes gesagt wird, ist diesbezüglich ein „mindestens“ mitzulesen.
Bevorzugt emittiert die Lasereinheit mindestens zwei, bevorzugt mindestens 4, besonders bevorzugt mindestens 6 oder gar mindestens 8, Laserstrahlen gleichzeitig oder nacheinander. Die Lasereinheit umfasst dazu bevorzugt mindestens zwei Laserquellen und/oder mindestens einen Strahlteiler.
Das Strahlmuster kann als ruhendes Muster im Messbereich ausgebildet sein. Dafür ist die Lasereinheit bevorzugt dazu ausgestaltet, ein Strahlmuster, insbesondere in Form eines Punktarrays, einer Linie, eines Linienarrays oder eines Linienmusters, zu erzeugen, bevorzugt ein Strahlmuster in Form von gekreuzten Linien, besonders bevorzugt von zwei Gruppen jeweils paralleler Linien, wobei die Liniengruppen sich kreuzen. Die Laserlinien verlaufen also z.B. in zwei Gruppen jeweils paralleler, lateral, beabstandeter Laserlinien, wobei die Gruppen zueinander verdreht sind, so dass sich die Laserlinien kreuzen. Die Emission des Laserstrahls wird also im Rahmen des Verfahrens bevorzugt entsprechend durchgeführt.
Das Strahlmuster kann aber auch im Rahmen eines Scans sukzessive durch entsprechende Führung des mindestens einen Laserstrahls erzeugt werden. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung dazu eine Scaneinheit, z.B. einen Scanspiegel, der mittels einer Bewegungseinheit entsprechend bewegt wird. Diese Scaneinheit ist bevorzugt an oder in der Lasereinheit positioniert und dazu ausgestaltet, einen Laserstrahl bzw. ein Muster aus zwei oder mehr Laserstrahlen, in Form eines Strahlmusters wie oben beschrieben über die Oberfläche des Brillenglases zu führen. Es kann also ein Laserpunkt in Form des Strahlmusters geführt werden oder ein bereits ausgebildetes (einfaches) Strahlmuster, z.B. ein Punktarray, eine Linie oder ein Kreuz, in Form eines Musters, so dass sich ein (komplexes) Strahlmuster ergibt.
Die Emission der Lasereinheit und die Bildaufnahmeeinheit können so gesteuert werden, dass das gesamte Strahlmuster in einer einzigen Bildaufnahme aufgenommen wird, z.B. bei einem Scan des Laserstrahls kann die Belichtungszeit entsprechend lange gewählt werden. Die Emission der Lasereinheit und die Bildaufnahmeeinheit können aber auch so gesteuert werden, dass jeweils ein Teil des Strahlmusters in einer Bildaufnahme aufgenommen wird und mehrere Bildaufnahmen das gesamte Strahlmuster wiedergeben, z.B. bei einem unbewegten Muster, in dem verschiedene Laserquellen zu unterschiedlichen Zeiten an und ausgeschaltet werden. Die bevorzugte Aufnahmemethode kann nach der Art der Anwendung gewählt werden. ein komplexes Strahlmuster erfordert bei der Ermittlung der Oberflächenform ein aufwändiges Berechnungsverfahren. Eine sukzessive Aufnahme erfordert eine entsprechend lange Zeit zur Erstellung aller erforderlicher Bildaufnahmen.
Bevorzugt ist die Lasereinheit so ausgestaltet, dass die Wellenlänge des Laserstrahls kleiner als 450 nm ist, bevorzugt kleiner als 410 nm, und insbesondere größer als 200 nm ist, wobei eine besonders bevorzugte Wellenlänge 405 nm (ggf. mit einer Abweichung ± 1%) beträgt. Diese Wellenlängen regen vorteilhaft in Materialien, wie sie für Brillengläser häufig verwendet werden, Fluoreszenzen an.
Bevorzugt unterdrückt ein optischer Filter eine Aufnahme des Laserstrahls durch die Bildaufnahmeeinheit. Eine bevorzugte Vorrichtung umfasst dazu einen Filter zwischen Messbereich und Bildaufnahmeeinheit, z.B. an deren Apertur oder in deren Aufnahmeoptik. Der optische Filter ist bevorzugt so ausgestaltet, dass er Wellenlängen unterdrückt, die kleiner sind, als die bestimmungsgemäß zu erwartende Fluoreszenz. Bei den oben genannten Wellenlängen für die Lasereinheit unterdrückt der Filter bevorzugt Wellenlängen kleiner als 450 nm. Ein Filter hat den Vorteil, dass nur das gewünschte Fluoreszenzlicht aufgenommen werden kann und keine störende Belichtung durch das Laserlicht erfolgt.
Bevorzugt wird der Verlauf des Strahlmusters basierend auf der Bildaufnahme zunächst rekonstruiert oder interpoliert, z.B. mittels einer Kantendetektion. Die Triangulation wird dann auf Basis dieses rekonstruierten oder interpolierten Verlaufs durchgeführt. Dies kann z.B. durch Mittelwertbildung des aufgenommenen Fluoreszenzmusters geschehen.
Eine vorteilhafte Vorgehensweise, die eine Fluoreszenz in der Tiefe des Brillenglases kompensiert, ist eine Kantendetektion. Es werden von der „Außenseite“ der Kurve kommend (also bei Konvexlinsen von dort wohin der Zenit der Krümmung weist, bei Konkavlinsen in Gegenrichtung zu der Richtung in die der Nadir der Krümmung weist) die Randpixel des Fluoreszenzbildes gesucht bis derjenige Bildpunkt gefunden ist, dessen Intensität über einem vorbestimmten Grenzwert liegt. Nun wird eine Kurve (z.B. eine Gerade) über die Intensität der Randpixel gelegt und der Punkt bestimmt, dessen Wert dem Grenzwert entspricht. Dieser Punkt ist nun einer der Punkte, die zu Ermittlung der Oberflächenform mittels Anwendung des optischen Triangulationsverfahrens verwendet werden.
Ein bevorzugtes Verfahren umfasst eine Kalibration, die für genaue Ergebnisse der Triangulation vorteilhaft sein kann. In diesem Rahmen erfolgt vor der Triangulation, insbesondere vor der Bildaufnahme, eine Kalibrierung, wobei diese Kalibrierung bevorzugt die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellung eines Kalibriertargets
Auf das Kalibriertarget ist dabei ein Kalibriermuster, bevorzugt ein (insbesondere quadratisches) Strich-, Karo- oder Punktmuster, aufgebracht. Dieses Kalibriertarget ist vorzugsweise ein mit hoher Oberflächengüte beschichtetes Glassubstrat, dessen Oberfläche fluoresziert. Die Oberfläche des Kalibriertargets ist bevorzugt eben, und es wird vorzugsweise so angeordnet, dass es gerade (insbesondere Oberfläche horizontal, bzw. orthogonal zur Aufnahmerichtung, ausgerichtet) im Messbereich positioniert ist.
- Bewegen des Kalibriertargets
Das Kalibriertarget wird dabei im Messbereich in verschiedene Messpositionen bewegt, und zwar in der Richtung, die bei der späteren Vermessung des Brillenglases dessen Dicke (die Höhe) darstellt. Beispielsweise wird es in dem Fall, dass die Aufnahmeeinheit genau über dem Kalibriermuster angeordnet ist, vertikal in der Höhe in verschiedene Messpositionen verschoben.
- Anfertigen von Referenzaufnahmen und Kalibrierungsaufnahmen
Diese Aufnahme können zwei unterschiedliche Bildaufnahmen sein (z.B. wenn das Kalibriermuster nicht während der Fluoreszenz zu erkennen ist) oder eine einzige Bildaufnahme (z.B. wenn das Kalibriermuster auch während der Fluoreszenz zu erkennen ist) und werden durch die Aufnahmeeinheit angefertigt. Die Aufnahmen erfolgen bei unterschiedlichen Messpositionen, wobei das Kalibriertarget z.B. immer einen Millimeter (oder gar nur 0,1 mm) weiter nach oben geschoben wird und eine neue Aufnahme aufgenommen wird, solange bis ein Raumbereich durchmessen ist, der zumindest der Höhe des später zu vermessenden Brillenglases entspricht. Dabei wird im Rahmen der Referenzaufnahmen das Punktemuster des Kalibriertargets aufgenommen und im Rahmen der Kalibrierungsaufnahmen ein Fluoreszenzsignal während Emission eines Strahlmusters durch die Lasereinheit.
- Ermittlung der genauen Position
in diesem Schritt wird die Position und insbesondere auch die Verkippung, des Kalibriertargets in den Referenzaufnahmen bestimmt. Dies kann anhand der bekannten Geometrie des Kalibriermusters einfach erfolgen.
- Bestimmung des Strahlmusters
In diesem Schritt wird Form und Lage des Strahlmusters in den Kalibrierungsaufnahmen basierend auf den Punktemustern der Referenzaufnahmen bestimmt. Dies erfolgt bevorzugt in Form von Raumkoordinaten der Pixel des Strahlmusters aus den Bildaufnahmen.
Wenn die Punkte aller Höhenschritte zusammengenommen werden, können aus der Gesamtheit der Bildpunkte P(x,y) mit zugehörigen Welt-Koordinaten X_welt, Y_welt, Z_welt für jeden Punkt des Strahlmusters jeweils die Zuordnung P(x,y) → (X_welt, Y_welt, Z_welt) als ein Polynom berechnet werden. Es wird dazu bevorzugt ein Polynom 3. Grades genutzt, was zu den folgenden Gleichungen führt: $X_{w e l t} = a_{x} + b_{x} \cdot x + d_{x} \cdot y + e_{x} \cdot x y + f_{x} \cdot x^{2} y + g_{x} \cdot x y^{2} + h_{x} x^{2} + i_{x} y^{2}$
$Y_{w e l t} = a_{y} + b_{y} \cdot x + d_{y} \cdot y + e_{y} \cdot x y + f_{y} \cdot x^{2} y + g_{y} \cdot x y^{2} + h_{y} x^{2} + i_{y} y^{2}$
$Z_{w e l t} = a_{z} + b_{z} \cdot x + d_{z} \cdot y + e_{z} \cdot x y + f_{z} \cdot x^{2} y + g_{z} \cdot x y^{2} + h_{z} x^{2} + i_{x} y^{2}$
Zur Berechnung der Koeffizienten (a,b,...,i) wird bevorzugt die Minimalnorm-Lösung einer realen Kleinst-Quadrate-Regression genutzt.
- Erstellung einer Zuordnungsfunktion
Diese Zuordnungsfunktion ordnet den Bildkoordinaten einer Vielzahl von Bildpunkten des Strahlmusters (der Bildaufnahme) basierend auf der vorangegangenen Bestimmung einem Punkt im Raum zu. Ist also nun der Teil des Musters bekannt, aus dem der betreffende Bildpunkt stammt, kann die Position dieses Bildpunkts in einer Bildaufnahme eindeutig einem Punkt im Raum (im Messbereich) zugeordnet werden, z.B. gemäß der vorangehend beschriebenen Formeln (1), (2), und (3). Die Triangulation kann also mit dieser Zuordnungsfunktion durchgeführt werden. Die Zuordnung der Bildpunkte P(x,y) → (X_wfelt, Y_welt, Z_welt) mittels der Zuordnungsfunktion stellt dabei ein bevorzugtes Triangulationsverfahren dar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Musteranzeigeeinheit, bevorzugt einen Bildschirm oder einen Projektor mit einer Projektionsfläche. Diese Musteranzeigeeinheit ist in der Vorrichtung so positioniert, dass der Messbereich zwischen der Bildaufnahmeeinheit und der Musteranzeigeeinheit liegt und die Bildaufnahmeeinheit die Musteranzeigeeinheit durch den Messbereich hindurch aufnehmen kann. Beispielsweise befindet sich die Bildaufnahmeeinheit oben in der Vorrichtung und richtet ihren „Blick“ (z.B. ihr Objektiv bzw. ihre sensitive Fläche) nach unten und die Musteranzeigeeinheit unten in der Vorrichtung und zeigt ihr Muster der Bildaufnahmeeinheit. Der Messbereich liegt dann zwischen der Bildaufnahmeeinheit und der Musteranzeigeeinheit. Die Musteranzeigeeinheit ist bevorzugt dazu ausgelegt, ein Punkt-, Dreieck-, Viereck- und/oder Streifenmuster zu zeigen, welches insbesondere regelmäßig ist und sich periodisch wiederholt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass durch Aufnahme des Musters durch den Messbereich (also das Brillenglas) hindurch Fehler im Brillenglas genauer und sicherer erkannt werden können. In Bezug zu einem bevorzugten Verfahren würde die Musteranzeigeeinheit die Aufnahme ihres Musters (durch das Brillenglas gesehen) mittels der Bildaufnahmeeinheit erlauben, bzw. eine Aufnahme eines Musters unterhalb des Brillenglases erfolgen.
Die vorgenannte Messung mittels Triangulation erlaubt dabei eine genaue und schnelle Vermessung der Oberfläche des Brillenglases, die Aufnahme des Musters der Musteraufnahmeeinheit zusammen mit den Informationen über die Oberfläche eine genaue Vermessung der optischen Eigenschaften des Brillenglases. Dabei ergänzen sich diese beiden Vorteile durch Redundanzen, z.B. könne beide Verfahren eine Verkippung des Brillenglases während der Vermessung erkennen und sich diesbezüglich gegenseitig Kalibrierungsdaten liefern.
Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Abbildungen dargestellt.

1 skizziert den grundsätzlichen Aufbau einer bevorzugten Vorrichtung.
2 skizziert den Ablauf eines bevorzugten Verfahrens als Blockschaltbild.
3 skizziert eine bevorzugte Kalibrierung.
4 zeigt eine Bildaufnahme zur Triangulation.
5 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

1 skizziert den grundsätzlichen Aufbau einer bevorzugten Vorrichtung. Auch wenn die Orientierung der einzelnen Komponenten im Raum im Grunde beliebig ist, bietet es sich zumindest für eine gute Anschauung an, davon auszugehen, dass die Figur eine Seitenansicht zeigt.
Im unteren Bereich befindet sich ein Brillenglas 1, welches vermessen werden soll. Der Bereich, den das Brillenglas 1 einnimmt, kann hier auch als Messbereich angesehen werden. Eine Lasereinheit 2 ist über dem Brillenglas 1 angeordnet und sendet einen Laserstrahl 3a aus, der ein wenig schräg auf das Brillenglas 1 fällt, reflektiert wird und als reflektierter Laserstrahl 3b weiter läuft.
Dort wo der Laserstrahl 3a auf die Oberfläche des Brillenglases 1 trifft, ruft er eine Fluoreszenz im Material des Brillenglases 1 hervor. Das von dieser Fluoreszenz ausgehende Fluoreszenzlicht 6, welches eine längere Wellenlänge hat als der Laserstrahl 3a wird in den Raum abgestrahlt und kann von einer Kamera 4, die hier als Bildaufnahmeeinheit eingesetzt wird, aufgenommen werden. Untenstehende 4 zeigt eine solche Aufnahme, die mit einer Linie als Lasermuster 7 an einem Brillenglas aufgenommen wurde.
Auch wenn der reflektierte Laserstrahl 3b im Bild ungestört weiterläuft, könnte dennoch an der Stelle, an der der Laserstrahl 3a auf das Brillenglas 1 trifft, je nach Stärke des Laserstrahls 3a und Reinheit des untersuchten Brillenglases 1 Streulicht (mit der Wellenlänge des Lasers) entstehen, welches das Fluoreszenzlicht 6 in der Bildaufnahme störend überlagern könnte. Daher wird hier zusätzlich ein Filter 5 eingesetzt (ein Tiefpassfilter), der das längerwellige Fluoreszenzlicht 6 passieren lässt, das kürzerwellige Laserlicht jedoch nicht. Es hat sich gezeigt, dass eine Laserwellenlänge von 405 nm vorteilhaft ist, um in vielen Brillengläsern 1 eine Fluoreszenz hervorzurufen, deren Strahlung zum großen Teil längerwellig als 450 nm ist. Ein vorteilhafter Filter 5 könnte also Licht mit einer Wellenlänge kürzer als 450 nm unterdrücken und mit einer Wellenlänge länger als 450 nm passieren lassen.
Unter dem Brillenglas 1 ist in der Figur noch eine Musteranzeigeeinheit 10 angeordnet, die hier ein regelmäßiges Streifenmuster aufweist, (hier durch die Schraffur angedeutet). Der Messbereich, also das Brillenglas, liegt also zwischen der Bildaufnahmeeinheit 4 und der Musteranzeigeeinheit 10 und das Streifenmuster kann durch das Brillenglas 1 hindurch von der Bildaufnahmeeinheit aufgenommen werden (in einer separaten Aufnahme oder zusammen mit dem Fluoreszenzlicht 6). Da die Abmessungen des Streifenmusters bekannt ist, und z.B. auch eine Kalibration mit einer Referenzlinse durchgeführt werden kann, gibt die Aufnahme des Streifenmusters zusätzliche Hinweise auf die Beschaffenheit des vermessenen Brillenglases 1, die zusammen mit dem Ergebnis der Triangulation eine sehr gute Überprüfung des Brillenglases 1, z.B. in-line während der Fertigung, erlauben.
2 skizziert den Ablauf eines bevorzugten Verfahrens als Blockschaltbild mit mehreren Verfahrensschritten.
In Schritt I erfolgt die Bereitstellung eines Brillenglases 1 in einem Messbereich. Betrachtet man 1 entspricht dies einer Anordnung eines Brillenglases 1 an dem in 1 angezeigten Ort. Während eines Herstellungsverfahrens kann das Brillenglas 1 durchaus auch an dem Messbereich vorbeigeführt werden und ggf. dort kurz zur Vermessung verharren.
In Schritt II erfolgt die Bereitstellung einer Lasereinheit 2. Dies schließt das Anschalten eines Laserstrahls 3a mit ein, so dass dieser Schritt auch als „Bereitstellung eines Laserstrahls 3a bzw. eines Lasermusters 7“ verstanden werden kann. Der Laserstrahl 3a ist so beschaffen, dass er in Form eines räumlichen Strahlmusters 7, z.B. einem Punktmuster, einer Linie (s. z.B. 3) oder einem Kreuz, im Messbereich ausgebildet ist oder über den Messbereich geführt wird.
In Schritt III erfolgt die Bereitstellung einer Bildaufnahmeeinheit, wie der Kamera 4 in 1. Diese kann wie in 1 gezeigt, über dem Brillenglas 1 angeordnet sein.
In Schritt IV erfolgt die Erstellung einer Bildaufnahme des Brillenglases 1 mittels der Bildaufnahmeeinheit, während die Lasereinheit 2 das Brillenglas 1 mit dem Laserstrahl 3a, also dem Strahlmuster 7 beleuchtet. Dabei wird die Bildaufnahme so erstellt, dass sie das durch das Strahlmuster 7 im Brillenglas 1 hervorgerufene Fluoreszenzlicht 6 umfasst und bevorzugt nicht gestreutes oder reflektiertes Laserlicht 3b.
Der gestrichelte Pfeil nach diesem Schritt deutet, an, dass Schritt IV mehrmals erfolgen kann, also mehrere Bildaufnahmen (mit ggf. wechselnden Strahlmustern 7) angefertigt werden können.
In Schritt V erfolgt eine Ermittlung der Oberflächenform des Brillenglases 1 aus der Bildaufnahme (bzw. den Bildaufnahmen) mittels Anwendung eines optischen Triangulationsverfahrens wie oben bereits genauer erläutert wurde.
3 skizziert eine bevorzugte Kalibrierung. Ein Kalibriertarget 9 mit einem Kalibriermuster 8 wird an verschiedenen Höhenpositionen (hier an drei) durch Einstrahlen des Strahlmusters 7 auf das Kalibriertarget 9 und Aufnahme durch die Aufnahmeeinheit vermessen. Da der Laserstrahl 3a, wie z.B. in 1 zu sehen, in der lediglich das Brillenglas 1 durch das Kalibriertarget 9 ersetzt werden müsste, schräg auf das Kalibriertarget 9 fällt, scheint sich das Strahlmuster 7 bei unterschiedlichen Höhenpositionen über das Kalibriertarget 9 zu bewegen. Die genaue Relativposition von Kalibriertarget 9 und Strahlmuster 7 lässt sich zusammen mit der Absolutposition des Kalibriertargets 9 mittels des Kalibriermusters 8 ermitteln. Daher kann Form und Lage des Strahlmusters im Raum mittels der Kalibrierungsaufnahmen basierend auf dem Kalibriermuster 8 bestimmt und eine Zuordnungsfunktion ermittelt werden.
4 zeigt eine Bildaufnahme zur Triangulation. Deutlich ist hier eine gebogene Linie zu sehen, die von einer geraden Linie des Strahlmusters 7 stammt. Die gerade Linie fiel auf ein Brillenglas 1, dessen Oberfläche konvex gewölbt war was dazu führte, dass sich dieses Bild einer gekrümmten Linie ergab. Mit einer vorangehend beschriebenen Kalibration könnte nun jeder Punkt dieser gewölbten Linie einem Punkt im Messbereich zugeordnet werden, was direkt zu einer Berechnung der Form des Brillenglases 1 (im Bereich der Linie) führen würde. Mit mehreren Linien des Strahlmusters 7 oder mit einer Linie, die sich über das Brillenglas 1 bewegt und an mehreren Positionen aufgenommen wird, lässt sich dann die komplette Form des Brillenglases 1 ermitteln.
5 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Triangulationsvermessung von einem Brillenglas 1. Die Kamera 4 zur Aufnahme des Fluoreszenzsignals ist senkrecht oberhalb des Brillenglases 1 angebracht, welches in einer Halteeinheit 11 angeordnet ist. Das Lasermodul 2 umfasst mehrere Lasermodule, die in zwei Gruppen zu je 4 Lasermodulen angebracht sind, wobei jedes Lasermodul einen zu einer Linie aufgeweiteten Laserstrahl 3a emittiert. Die Linien der beiden Gruppen, die zusammen das Strahlmuster 7 ergeben, sind senkrecht zueinander positioniert. Das Brillenglas 1 ist an einer in senkrechter Richtung verfahrbaren Bewegungseinheit 12 angebracht, um das Brillenglas 1 in den kalibrierten Messbereich positionieren zu können. Zusätzlich wird die Bewegungseinheit 12 für die Durchführung der Kalibrierung genutzt. Das unterhalb angebrachte Display kann als Musteranzeigeeinheit 10 für eine detailliertere Optimierung der Oberfläche des Brillenglases 1 genutzt werden.

Claims

Verfahren zur Vermessung der Oberflächenform eines Brillenglases umfassend die Schritte: - Bereitstellung eines Brillenglases in einem Messbereich, - Bereitstellung einer Lasereinheit, welche einen Laserstrahl emittiert, der in Form eines räumlichen Strahlmusters im Messbereich ausgebildet ist oder über den Messbereich geführt wird, - Bereitstellung einer Bildaufnahmeeinheit, die so gestaltet und positioniert ist, dass sie ein Bild des Messbereichs aufnehmen kann, - Erstellung einer Bildaufnahme des Brillenglases mittels der Bildaufnahmeeinheit während die Lasereinheit das Brillenglas mit dem Strahlmuster beleuchtet, wobei die Bildaufnahme das Licht der durch das Strahlmuster im Brillenglas hervorgerufene Fluoreszenz umfasst, - Ermittlung der Oberflächenform des Brillenglases aus der Bildaufnahme mittels Anwendung eines optischen Triangulationsverfahrens.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit mindestens zwei Laserstrahlen gleichzeitig oder nacheinander emittiert, wobei die Lasereinheit dazu bevorzugt mindestens zwei Laserquellen und/oder mindestens einen Strahlteiler umfasst, wobei die Emission bevorzugt so gestaltet ist, dass das Strahlmuster die Form eines Punktarrays, einer Linie, eines Linienarrays oder eines Linienmusters hat, besonders bevorzugt die Form von gekreuzten Linien.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Filter eine Aufnahme des Laserstrahls durch die Bildaufnahmeeinheit unterdrückt, wobei der optische Filter bevorzugt so ausgestaltet ist, dass er Wellenlängen kleiner als 450 nm unterdrückt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Strahlmusters basierend auf der Bildaufnahme zunächst rekonstruiert oder interpoliert wird und die Triangulation auf Basis dieses rekonstruierten oder interpolierten Verlaufs durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Triangulation, insbesondere vor einer Bildaufnahme, eine Kalibrierung erfolgt, wobei diese Kalibrierung bevorzugt die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellung eines Kalibriertargets, vorzugsweise in Form eines mit hoher Oberflächengüte beschichteten Glassubstrats, dessen Oberfläche fluoresziert, wobei auf das Kalibriertarget ein Kalibriermuster aufgebracht ist, bevorzugt ein Strich-, Karo- oder Punktmuster, - Bewegen des Kalibriertargets im Messbereich in verschiedene Messpositionen in der Richtung, die bei der Vermessung die Höhe darstellt, - Anfertigen von Referenzaufnahmen und Kalibrierungsaufnahmen durch die Aufnahmeeinheit bei unterschiedlichen Messpositionen, wobei im Rahmen der Referenzaufnahmen das Punktemuster des Kalibriertargets aufgenommen wird und im Rahmen der Kalibrierungsaufnahmen ein Fluoreszenzsignal während Emission des Strahlmusters durch die Lasereinheit, - Ermittlung der genauen Position, und insbesondere auch der Verkippung, des Kalibriertargets in den Referenzaufnahmen, - Bestimmung der Form und Lage des Strahlmusters in den Kalibrierungsaufnahmen basierend auf den Punktemustern der Referenzaufnahmen, - Erstellung einer Zuordnungsfunktion, welche den Bildkoordinaten einer Vielzahl von Bildpunkten des Strahlmusters basierend auf der vorangegangenen Bestimmung einem Punkt im Raum zuordnet.
Vorrichtung zur Vermessung der Oberflächenform eines Brillenglases umfassend: - eine Halteeinheit für ein Brillenglas, welche einen Messbereich umgibt oder umgeben kann, - eine Lasereinheit, welche dazu ausgestaltet ist einen Laserstrahl zu emittieren, der in Form eines Strahlmusters, im Messbereich ausgebildet ist oder über den Messbereich geführt wird, - eine Bildaufnahmeeinheit, die so gestaltet und positioniert ist, dass sie ein Bild des Messbereichs aufnehmen kann, wobei Lasereinheit und Bildaufnahmeeinheit so zueinander positioniert sind, dass bei Beleuchtung des Brillenglases mittels des Strahlmusters die Bildaufnahme das Licht der durch das Strahlmuster im Brillenglas hervorgerufene Fluoreszenz umfasst, - eine Ermittlungseinheit ausgelegt zur Ermittlung der Oberflächenform des Brillenglases aus einer Bildaufnahme der Bildaufnahmeeinheit mittels Anwendung eines optischen Triangulationsverfahrens.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit so ausgestaltet ist, dass, der emittierte Laserstrahl eine Wellenlänge kleiner als 450 nm hat, bevorzugt kleiner als 410 nm, und insbesondere größer als 200 nm, wobei eine besonders bevorzugte Wellenlänge 405 nm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit dazu ausgestaltet ist, ein Strahlmuster in Form eines Punktarrays, einer Linie, eines Linienarrays oder eines Linienmusters zu erzeugen, bevorzugt ein Strahlmuster in Form von gekreuzten Linien, besonders bevorzugt von zwei Gruppen jeweils paralleler Linien, wobei die Liniengruppen sich kreuzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Scaneinheit umfasst, insbesondere an oder in der Lasereinheit, die dazu ausgestaltet ist, einen Laserstrahl, insbesondere ein Muster aus zwei oder mehr Laserstrahlen, in Form eines Strahlmusters über die Oberfläche des Brillenglases zu führen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Musteranzeigeeinheit umfasst, welche so positioniert ist, dass der Messbereich zwischen der Bildaufnahmeeinheit und der Musteranzeigeeinheit liegt und die Bildaufnahmeeinheit die Musteranzeigeeinheit durch den Messbereich hindurch aufnehmen kann.