DE102020205664A1

DE102020205664A1 - Method for testing optics with regard to at least one optical property and associated testing device

Info

Publication number: DE102020205664A1
Application number: DE102020205664.1A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dorn; Jürgen LAMPRECHT; Johannes Pfund
Original assignee: Optocraft GmbH
Current assignee: Optocraft GmbH
Priority date: 2020-05-05
Filing date: 2020-05-05
Publication date: 2021-11-11
Also published as: WO2021224211A1; EP4118410A1

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine zugehörige Prüfvorrichtung (2) zum Prüfen einer Optik (34) hinsichtlich mindestens einer optischen Eigenschaft angegeben. Dabei wird mittels einer Lichtquelle (4) ein Punktlichtbündel (30) erzeugt und auf die zu prüfende Optik (34) geworfen. Mittels eines optischen Phasenmessgeräts (16) wird der räumliche Phasenverlauf des durch die zu prüfende Optik (34) transmittierten oder an der zu prüfenden Optik (34) reflektierten Punktlichtbündels (30) detektiert. Als Lichtquelle (4) wird ein Bildschirm (26) herangezogen, auf dessen Anzeigefläche (28) zur Erzeugung des Punktlichtbündels (30) ein Lichtpunkt (32) angezeigt wird. Alternativ hierzu wird als Lichtquelle zur Anzeige des Lichtpunkts (32) ein Digitalprojektor verwendet.A method and an associated test device (2) for testing optics (34) with regard to at least one optical property are specified. A point light bundle (30) is generated by means of a light source (4) and thrown onto the optics (34) to be tested. An optical phase measuring device (16) is used to detect the spatial phase profile of the point light beam (30) transmitted through the optics (34) to be tested or reflected on the optics (34) to be tested. A screen (26) is used as the light source (4), on the display surface (28) of which a point of light (32) is displayed for generating the point light beam (30). As an alternative to this, a digital projector is used as the light source for displaying the light point (32).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Prüfen einer Optik hinsichtlich mindestens einer optischen Eigenschaft. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine zugehörige Prüfvorrichtung.The invention relates to a method for testing optics with regard to at least one optical property. The invention also relates to an associated test device.

Als „Optik“ wird hier und im Folgenden einerseits ein einzelnes optisches (d.h. die Lichtausbreitung beeinflussendes) Bauelement verstanden, insbesondere ein refraktives (lichtbrechendes) Element, z.B. eine Linse oder ein optisches Prisma, ein reflektierendes Element, z.B. ein Spiegel oder Strahlteiler, oder ein diffraktives (lichtbeugendes) Element. Die „Optik“ kann andererseits aber auch in einer Kombination mehrerer einzelner optischer Bauelemente bestehen.Here and in the following, “optics” is understood to mean, on the one hand, a single optical component (that is, a component that influences the propagation of light), in particular a refractive (light-refracting) element, for example a lens or an optical prism, a reflective element, for example a mirror or beam splitter, or a diffractive (light-diffracting) element. On the other hand, the “optics” can also consist of a combination of several individual optical components.

Im Zuge des Herstellungsprozesses oder bei Wartungen müssen Optiken regelmäßig in Hinblick auf eine oder mehrere optischen Eigenschaften geprüft werden; d.h. es müssen eine oder mehrere optischen Eigenschaften einer gegebenen Optik messtechnisch bestimmt oder analysiert werden (die Begriffe „messen“, „prüfen“, „analysieren“ und „bestimmen“ werden in diesem Sinne synonym verwendet).In the course of the manufacturing process or during maintenance, optics must be checked regularly with regard to one or more optical properties; i.e. one or more optical properties of a given optic must be determined or analyzed using measurement technology (the terms “measure”, “test”, “analyze” and “determine” are used synonymously in this sense).

Als „optische Eigenschaften“ einer solchen Optik werden dabei diejenigen Eigenschaften der Optik verstanden, die den Einfluss der Optik auf die Lichtausbreitung charakterisieren. Hierunter fallen - je nach Art der Optik - refraktive Eigenschaften wie z.B. Brechkraft oder Asphärizität (z.B. „Torus“ bzw. „Zylinder“ bei einer astigmatischen Kontaktlinse), reflektive Eigenschaften wie z.B. die Form der reflektierenden Oberfläche, der Reflektionsgrad oder die spektrale Selektivität, und/oder diffraktive Eigenschaften wie z.B. Beugungseigenschaften. Unter die optischen Eigenschaften einer Optik fallen weiterhin die von der Optik (gewollt oder ungewollt) hervorgerufene Wellenaberration und Abbildungseigenschaften (Punktbildfunktion, Modulations-Übertragungs-Funktion, Abbildungsqualität, Verzeichnung, Brennweite, chromatische Eigenschaften, etc.). Je nach Art und Komplexität der Optik können die optischen Eigenschaften als integrale (und damit für die gesamte Optik einheitliche) Größe oder als Funktion (d.h. als in Anhängigkeit mindestens eines Parameters, z.B. des Orts auf der Optik, der (insbesondere azimutalen) Orientierung der Optik oder der Wellenlänge des von der Optik beeinflussten Lichts, variierende Größe) vorliegen. Beispielsweise kann die Brechkraft als integrale Größe (z.B. sphärische Brechkraft) oder als räumliche Brechkraftverteilung bestimmt werden.The “optical properties” of such optics are understood to be those properties of the optics that characterize the influence of the optics on the propagation of light. This includes - depending on the type of optics - refractive properties such as refractive power or asphericity (e.g. "torus" or "cylinder" in an astigmatic contact lens), reflective properties such as the shape of the reflective surface, the degree of reflection or the spectral selectivity, and / or diffractive properties such as diffraction properties. The optical properties of an optic also include the wave aberration and imaging properties (point spread function, modulation transfer function, imaging quality, distortion, focal length, chromatic properties, etc.) caused by the optics (intentionally or unintentionally). Depending on the type and complexity of the optics, the optical properties can be used as an integral (and thus uniform for the entire optics) size or as a function (ie as a function of at least one parameter, e.g. the location on the optics, the (in particular azimuthal) orientation of the optics or the wavelength of the light influenced by the optics, varying size). For example, the refractive power can be determined as an integral variable (e.g. spherical refractive power) or as a spatial distribution of refractive power.

Gemäß einer herkömmlichen Prüfungsmethode wird zur Bestimmung solcher optischen Eigenschaften die zu prüfende Optik mit einem Punktlichtbündel beleuchtet. Es wird dabei die räumliche Phasenverteilung (Wellenfront) des durch die zu prüfende Optik transmittierten oder an der zu prüfenden Optik reflektierten Punktlichtbündels mittels eines Phasenmessgeräts detektiert. Aus dem Verlauf der detektierten Wellenfront werden dann ggf. weitere optische Eigenschaften, insbesondere eine oder mehrere der vorstehend genannten optischen Eigenschaften berechnet.According to a conventional test method, the optics to be tested are illuminated with a point light beam to determine such optical properties. The spatial phase distribution (wavefront) of the point light beam transmitted through the optics to be tested or reflected on the optics to be tested is detected by means of a phase measuring device. Further optical properties, in particular one or more of the above-mentioned optical properties, are then optionally calculated from the course of the detected wavefront.

Zur Erzeugung eines solchen Punktlichtbündels wird bei herkömmlichen Prüfvorrichtungen beispielsweise die Austrittsfläche einer optischen Faser oder eine kleine Lochblende („Pinhole“) verwendet. Als Phasenmessgerät wird häufig ein Wellenfrontsensor, z.B. in Form eines Shack-Hartmann-Sensors, oder ein Interferometer eingesetzt.In conventional testing devices, for example, the exit surface of an optical fiber or a small pinhole is used to generate such a point light bundle. A wavefront sensor, e.g. in the form of a Shack-Hartmann sensor, or an interferometer is often used as a phase measuring device.

Solche Prüfvorrichtungen sind mit hoher Präzision und vertretbarem Aufwand für Anwendungen herstellbar, bei denen optische Eigenschaften in Hinblick auf ein entlang der optischen Achse der zu prüfenden Optik einfallendes Lichtbündel analysiert werden sollen.Such test devices can be manufactured with high precision and reasonable effort for applications in which optical properties are to be analyzed with regard to a light beam incident along the optical axis of the optics to be tested.

Um dagegen optische Eigenschaften in Hinblick auf mehrere voneinander und insbesondere auch von der optischen Achse entfernte Feldpunkte (d.h. Ursprungspunkte von Punktlichtbündeln) vermessen zu können, müssen bei einer Prüfvorrichtung der vorstehend genannten Art der Ursprung des Punktlichtbündels und die zu prüfende Optik während der Messung relativ zueinander mit hoher Präzision bewegt werden. Die Realisierung entsprechender Prüfvorrichtungen erfordert einen hohen konstruktiven Aufwand.In contrast, in order to be able to measure optical properties with regard to several field points remote from one another and in particular also from the optical axis (i.e. points of origin of point light bundles), the origin of the point light bundle and the optics to be tested must be relative to one another during the measurement in a test device of the type mentioned above be moved with high precision. The implementation of corresponding test devices requires a high level of design effort.

Konstruktiv aufwändig ist bei Prüfvorrichtungen der vorstehend beschriebenen Art zudem auch eine spektral aufgelöste Prüfung von optischen Eigenschaften, also eine Prüfung bei unterschiedlichen Lichtwellenlängen.In test devices of the type described above, a spectrally resolved test of optical properties, that is to say a test at different light wavelengths, is also structurally complex.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach realisierbare, gleichzeitig aber präzise Prüfung einer Optik auf mindestens eine optische Eigenschaft, insbesondere in Hinblick auf verschiedene Feldpunkte und/oder bei verschiedenen Wellenlängen zu ermöglichen.The invention is based on the object of enabling an easily realizable, but at the same time precise, test of an optical system for at least one optical property, in particular with regard to different field points and / or at different wavelengths.

Bezüglich eines Verfahrens zum Prüfen einer Optik hinsichtlich mindestens einer optischen Eigenschaft wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich einer Prüfvorrichtung zum Prüfen einer Optik hinsichtlich mindestens einer optischen Eigenschaft wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 6. Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt.With regard to a method for testing optics with regard to at least one optical property, this object is achieved according to the invention by the features of claim 1. With regard to a test device for testing optics with regard to at least one optical property, the above object is achieved according to the invention by the features of claim 6 and refinements and developments of the invention that are inventive in and of themselves are set out in the subclaims and the description below.

Verfahrensgemäß wird mittels einer Lichtquelle ein Punktlichtbündel erzeugt und auf die zu prüfende Optik geworfen. Mittels eines optischen Phasenmessgeräts wird (in einer Phasenmessung) der räumliche Phasenverlauf (d.h. die Wellenfront) des durch die zu prüfende Optik transmittierten oder an der zu prüfenden Optik reflektierten Punktlichtbündels detektiert. Optional werden im Zuge des Verfahrens neben der gemessenen Wellenfront mindestens eine weitere optische Eigenschaft der zu prüfenden Optik, insbesondere eine oder mehrere der vorstehend genannten optischen Eigenschaften, ermittelt. Diese oder jede weitere optische Eigenschaft wird gegebenenfalls aus der gemessenen Wellenfront berechnet. Hierbei werden gegebenenfalls auch Eigenschaften der Lichtquelle, z.B. die Wellenlänge und/oder die Position der Lichtquelle, in die Berechnung einbezogen.According to the method, a point light beam is generated by means of a light source and thrown onto the optics to be tested. Using an optical phase measuring device, the spatial phase profile (ie the wave front) of the point light beam transmitted through the optics to be tested or reflected on the optics to be tested is detected (in a phase measurement). Optionally, in the course of the method, in addition to the measured wavefront, at least one further optical property of the optics to be tested, in particular one or more of the aforementioned optical properties, is determined. This or any other optical property is calculated from the measured wavefront, if necessary. If necessary, properties of the light source, for example the wavelength and / or the position of the light source, are also included in the calculation.

Als Phasenmessgerät wird vorzugsweise ein Wellenfrontsensor, insbesondere ein Shack-Hartmann-Sensor, oder ein Interferometer herangezogen.A wavefront sensor, in particular a Shack-Hartmann sensor, or an interferometer is preferably used as the phase measuring device.

Erfindungsgemäß wird als Lichtquelle zur Erzeugung des Punktlichtbündels ein Bildschirm verwendet. Das Punktlichtbündel wird dabei durch Anzeige eines Lichtpunkts auf einer Anzeigefläche des Bildschirms erzeugt. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird ein Bildschirm, wie er üblicherweise bei einem Smartphone oder Tablet-Computer eingesetzt wird, zur Anzeige des Lichtpunkts verwendet. Alternativ hierzu wird als Lichtquelle zur Erzeugung des Lichtpunktes, und somit des davon ausgehenden Punktlichtbündels ein Digitalprojektor (auch als (Daten-)Video-Projektor, Bildwerfer oder im Deutschen umgangssprachlich als „Beamer“ bezeichnet) verwendet. Anstelle der Anzeigefläche des Bildschirms weist ein solcher Digitalprojektor (mindestens) ein bilderzeugendes Element, je nach Technologie z.B. ein Flüssigkristall-Display oder ein digitales Mikrospiegelgerät (Digital Micromirror Device, kurz DMD) auf.According to the invention, a screen is used as the light source for generating the point light beam. The point light bundle is generated by displaying a point of light on a display surface of the screen. In an advantageous embodiment of the invention, a screen, as is usually used in a smartphone or tablet computer, is used to display the light point. As an alternative to this, a digital projector (also known as a (data) video projector, or in German colloquially known as a "beamer") is used as the light source for generating the point of light and thus the point light beam emanating from it. Instead of the display surface of the screen, such a digital projector has (at least) one image-generating element, e.g. a liquid crystal display or a digital micromirror device (DMD for short), depending on the technology.

Als „Punktlichtbündel“ wird hier und im Folgenden ein Lichtbündel bezeichnet, dessen räumliche Kohärenz so groß ist, dass ein räumlicher Phasenverlauf des Lichtbündels mittels des Phasenmessgeräts messbar ist.Here and in the following, a “point light bundle” is a light bundle whose spatial coherence is so great that a spatial phase profile of the light bundle can be measured by means of the phase measuring device.

Als „Lichtpunkt“ wird entsprechend ein auf dem Bildschirm bzw. mittels des Digitalprojektors angezeigter Lichtfleck (d.h. eine durch einen einzigen Bildschirm-Pixel oder eine Gruppe mehrerer Bildschirm-Pixel gebildete, Licht emittierende Fläche) bezeichnet, wenn die räumliche Ausdehnung dieses Lichtflecks auf der Anzeigefläche des Bildschirms bzw. auf dem bilderzeugenden Element des Digitalprojektors so klein ist, dass das hiervon ausgehende Licht ein Punktlichtbündel im Sinne der vorstehenden Definition bildet.A light spot displayed on the screen or by means of the digital projector (ie a light-emitting area formed by a single screen pixel or a group of several screen pixels) is referred to as a "light point" if the spatial extent of this light spot on the display area of the screen or on the image-generating element of the digital projector is so small that the light emanating from it forms a point light beam in the sense of the above definition.

Als „Bildschirm-Pixel“ (oder Bildzelle) wird die kleinste, durch Rasteransteuerung zur Erzeugung eines Bildflecks ansteuerbare Einheit des Bildschirms bezeichnet, die bei einem polychromen Bildschirm allerdings mehrere, in der Regel drei, Flächen zur Erzeugung jeweils einer Grundfarbe (z.B. rot, grün, blau) aufweist. Der Begriff „Bildschirm-Pixel“ wird im Folgenden analog auch für die kleinste durch Rasteransteuerung zur Erzeugung eines Bildflecks ansteuerbare Einheit des bilderzeugenden Elements des gegebenenfalls verwendeten Digitalprojektors verwendet. Bei einem polychromen Digitalprojektor mit mehreren bilderzeugenden Elementen, z.B. einem 3LCD-Projektor, ist ein Bildschirm-Pixel durch jeweils eine ansteuerbare Einheit auf jedem der bilderzeugenden Elemente gebildet. Ebenso wird nachfolgend der Begriff „Bildschirmauflösung“ analog auch bei einem Digitalprojektor zur Bezeichnung der hardwaretechnischen Auflösung des bilderzeugenden Elements verwendet.The “screen pixel” (or image cell) is the smallest unit of the screen that can be controlled by grid control to create an image spot, but with a polychrome screen it has several, usually three, areas for creating a basic color (e.g. red, green , blue). In the following, the term “screen pixel” is also used analogously for the smallest unit of the image-generating element of the digital projector that may be used that can be controlled by grid control to generate an image spot. In a polychrome digital projector with several image-generating elements, e.g. a 3LCD projector, a screen pixel is formed by a controllable unit on each of the image-generating elements. In the following, the term “screen resolution” is also used analogously in a digital projector to denote the hardware resolution of the image-generating element.

Für die Frage, ob im Sinne der vorliegenden Erfindung ein auf dem Phasenmessgerät auftreffendes Lichtbündel als „Punktlichtbündel“, und der dieses Lichtbündel erzeugende Lichtfleck als „Lichtpunkt“ bezeichnet werden können, ist somit ausschließlich - im Zusammenhang mit einer Prüfvorrichtung - die Kohärenz des Lichtbündels am Ort des Phasenmessgeräts (und damit die Möglichkeit, mittels des Phasenmessgeräts den räumlichen Phasenverlauf des Lichtbündels zu messen) entscheidend. Den obigen Definitionen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Lichtpunkt in der technischen Realisierung - anders als in der mathematischtheoretischen Betrachtung - nie eine dimensionslose Struktur ist, sondern stets eine gewisse flächige Ausdehnung hat. So kann ein Lichtpunkt im Sinne der vorliegenden Erfindung durchaus auch durch eine Vielzahl von Bildschirm-Pixeln gebildet sein und somit - für sich betrachtet - eine nennenswerte flächige Ausdehnung einnehmen, wenn im Rahmen einer Prüfvorrichtung die optische Weglänge zwischen dem Bildschirm bzw. Digitalprojektor und dem Phasenmessgerät so groß dimensioniert ist, dass das von dem Lichtpunkt ausgehende Licht am Ort des Phasenmessgeräts dennoch die vorstehende Kohärenzbedingung erfüllt.For the question of whether, within the meaning of the present invention, a light bundle impinging on the phase measuring device can be referred to as a “point light bundle” and the light spot that generates this light bundle as a “light point”, the only thing that is relevant - in connection with a test device - is the coherence of the light bundle at The location of the phase measuring device (and thus the possibility of using the phase measuring device to measure the spatial phase profile of the light bundle) is decisive. The above definitions are based on the knowledge that a point of light in technical implementation - unlike in mathematical-theoretical consideration - is never a dimensionless structure, but always has a certain two-dimensional extent. A point of light within the meaning of the present invention can also be formed by a large number of screen pixels and thus - considered in isolation - take on a significant two-dimensional expansion if the optical path length between the screen or digital projector and the phase measuring device in the context of a test device is dimensioned so large that the light emanating from the light point still meets the above coherence condition at the location of the phase measuring device.

In Abgrenzung von dem Begriff „Lichtpunkt“ wird als „Lichtmuster“ ein einzelner Lichtfleck oder eine Gruppe von Lichtflecken bezeichnet, wenn das hiervon ausgehende Licht am Ort des Phasenmessgeräts die vorstehende Kohärenzbedingung nicht erfüllt, wenn also (im Zusammenhang mit einer Prüfvorrichtung) die Messung des räumlichen Phasenverlaufs dieses Lichts mittels des Phasenmessgeräts aufgrund zu geringer Kohärenz nicht möglich ist.In contrast to the term “light point”, a “light pattern” is a single light spot or a group of light spots if the light emanating from it does not meet the above coherence condition at the location of the phase measuring device, i.e. if (in connection with a test device) the measurement of the spatial phase progression of this light by means of the phase measuring device is not possible due to insufficient coherence.

Bei Verwendung eines Shack-Hartmann-Sensors als Phasenmessgerät ist die Größe des Lichtpunktes vorzugsweise derart bemessen, dass das räumliche Kohärenzgebiet des Punktlichtbündels am Ort des Shack-Hartmann-Sensors den Durchmesser einer Mikrolinse des Shack-Hartmann-Sensors nicht wesentlich (insbesondere nicht mehr als 10%, vorzugsweise nicht mehr als 5%) unterschreitet. Besonders bevorzugt ist die Größe des Lichtpunktes so bemessen, dass das räumliche Kohärenzgebiet des Punktlichtbündels am Ort des Shack-Hartmann-Sensors mindestens dem Durchmesser einer Mikrolinse des Shack-Hartmann-Sensors entspricht. Abweichend hiervon kann es im Rahmen der Erfindung aber auch sinnvoll sein, die Phasenmessung mit einem Punktlichtbündel geringerer Kohärenz (z.B. einem Punktlichtbündel, dessen räumlicher Kohärenzbereich nur 60% oder 50% des Durchmessers einer Mikrolinse entspricht) durchzuführen, z.B. um eine hinreichende Lichtstärke des Punktlichtbündels für eine schnelle Phasenmessung sicherzustellen.When using a Shack-Hartmann sensor as a phase measuring device, the size of the light point is preferably dimensioned in such a way that the spatial coherence area of the point light bundle at the location of the Shack-Hartmann sensor does not substantially correspond to the diameter of a microlens of the Shack-Hartmann sensor (in particular not more than 10%, preferably not more than 5%). The size of the light point is particularly preferably dimensioned such that the spatial coherence area of the point light bundle at the location of the Shack-Hartmann sensor corresponds at least to the diameter of a microlens of the Shack-Hartmann sensor. Deviating from this, however, it can also be useful within the scope of the invention to carry out the phase measurement with a point light bundle of lower coherence (e.g. a point light bundle whose spatial coherence range corresponds to only 60% or 50% of the diameter of a microlens), e.g. in order to achieve a sufficient light intensity of the point light bundle for ensure a quick phase measurement.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Größe des Lichtpunkts in einem der eigentlichen Phasenmessung vorgeschalteten Einstellprozess automatisch bestimmt, so dass die vorstehend beschriebene Kohärenzbedingung erfüllt ist, dabei gleichzeitig aber auch die Lichtstärke des von dem Lichtpunkt ausgehenden Punktlichtbündels optimiert wird. Hierzu wird vorzugsweise die Größe des Lichtpunktes - ausgehend von einer minimalen Größe, die unter Ansteuerung eines einzelnen Bildschirm-Pixels erzeugt wird - iterativ vergrößert. Für jede Größe des Lichtpunkts wird die Größe der durch das Mikrolinsen-Array auf den Bildsensor des Shack-Hartmann-Sensors projizierten Beugungsscheibchen gemessen. Dieser Einstellprozess beruht auf dem Effekt, dass die Beugungsscheibchen eine konstante Größe (Sockelwert) haben, solange das räumliche Kohärenzgebiet des Punktlichtbündels am Ort des Mikrolinsen-Arrays den Durchmesser einer Mikrolinse nicht unterschreitet, während die Beugungsscheibchen bei einer Verringerung des räumlichen Kohärenzgebiets des Punktlichtbündels unter den Durchmesser einer Mikrolinse zunehmend größer werden. Die Größe des Lichtpunkts wird dabei derart eingestellt, dass die Größe der Beugungsscheibchen gerade noch in dem konstanten Bereich liegt oder den konstanten Sockelwert nicht um mehr als einen vorgegebenen Toleranzwert überschreitet.In an advantageous embodiment of the invention, the size of the light point is automatically determined in a setting process preceding the actual phase measurement, so that the coherence condition described above is met, but at the same time the light intensity of the point light beam emanating from the light point is optimized. For this purpose, the size of the point of light is preferably increased iteratively, starting from a minimum size that is generated by controlling a single screen pixel. For each size of the light spot, the size of the diffraction disks projected by the microlens array onto the image sensor of the Shack-Hartmann sensor is measured. This setting process is based on the effect that the diffraction disks have a constant size (base value) as long as the spatial coherence area of the point light bundle at the location of the microlens array does not fall below the diameter of a microlens, while the diffraction disks with a reduction in the spatial coherence area of the point light bundle below the The diameter of a microlens becomes increasingly larger. The size of the light spot is set in such a way that the size of the diffraction disks is just in the constant range or does not exceed the constant base value by more than a predetermined tolerance value.

In einer verfeinerten Variante des obigen Einstellprozesses wird zusätzlich für jede Größe des Lichtpunkts zusätzlich die Aufnahmezeit gemessen, die für eine kontrastoptimierte Phasenmessung (d.h. für eine Phasenmessung unter Ausnutzung der Grauwertauflösung des Bildsensors des Shack-Hartmann-Sensors) erforderlich ist. Diese Aufnahmezeit ist um so größer, je kleiner der Lichtpunkt, und je lichtschwächer damit das Punktlichtbündel ist. Die iterative Vergrößerung des Lichtpunkts wird dabei beendet, wenn die Aufnahmezeit einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet oder wenn die Größe der Beugungsscheibchen den konstanten Sockelwert um mehr als einen vorgegebenen Toleranzwert überschreitet (je nachdem, welche dieser beiden Bedingungen früher eintritt). Bei diesem Einstellprozess wird somit insbesondere eine tolerierbare Verkleinerung des räumlichen Kohärenzgebiets des Punktlichtbündels unter den Durchmesser einer Mikrolinse zugelassen, um hierdurch bei Bedarf die Aufnahmezeit unter oder in Richtung auf den vorgegebenen Schwellwert zu reduzieren.In a refined variant of the above setting process, the recording time that is required for a contrast-optimized phase measurement (i.e. for a phase measurement using the gray value resolution of the image sensor of the Shack-Hartmann sensor) is also measured for each size of the light point. This recording time is greater, the smaller the point of light, and the weaker the light the point light beam is. The iterative enlargement of the light point is ended when the recording time falls below a specified threshold value or when the size of the diffraction disks exceeds the constant base value by more than a specified tolerance value (depending on which of these two conditions occurs earlier). In this setting process, a tolerable reduction in the spatial coherence area of the point light bundle below the diameter of a microlens is thus permitted, in order to thereby reduce the recording time below or in the direction of the predetermined threshold value if necessary.

Beide vorstehend beschriebenen Varianten des Einstellprozesses können im Rahmen der Erfindung auch in umgekehrter Richtung durchgeführt werden, wobei die Größe eines auf dem Bildschirm oder mittels des Digitalprojektors angezeigten Lichtflecks iterativ verkleinert wird, bis der Lichtfleck - nach Maßgabe der Größe der auf den Bildsensor des Shack-Hartmann-Sensors projizierten Lichtscheibchen - zu einem die Kohärenzbedingung erfüllenden Lichtpunkt geworden ist, wobei gegebenenfalls die Aufnahmezeit als zusätzliche Bedingung berücksichtigt wird.Both variants of the setting process described above can also be carried out in the opposite direction within the scope of the invention, the size of a light spot displayed on the screen or by means of the digital projector being iteratively reduced until the light spot - in accordance with the size of the on the image sensor of the Shack- Hartmann sensor projected light slice - has become a point of light that fulfills the coherence condition, whereby the recording time is taken into account as an additional condition, if necessary.

Vorzugsweise wird auf dem Bildschirm oder mittels des Digitalprojektors zu jedem Zeitpunkt nur ein einzelner (und einziger) Lichtpunkt erzeugt, der den Ausgangspunkt für das Punktlichtbündel bildet. Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung äquivalentermaßen aber auch möglich, mehrere Lichtpunkte gleichzeitig zu erzeugen, und alle diese Lichtpunkte bis auf einen durch zusätzliche Mittel (z.B. eine Blende) auszublenden, so dass nur das Licht des einen verbleibenden Lichtpunktes als Punktlichtbündel über die zu prüfende Optik auf das Phasenmessgerät fällt. Wiederum alternativ hierzu können - zur Prüfung der mindestens einen optischen Eigenschaft an mehreren Feldpunkten - im Rahmen der Erfindung auch mehrere Lichtpunkte gleichzeitig angezeigt werden, wenn diese Lichtpunkte auf der Anzeigefläche des Bildschirms oder dem bilderzeugenden Element des Digitalprojektors so weit voneinander entfernt sind, dass die hiervon ausgehenden Punktlichtbündel getrennt voneinander (d.h. überlappfrei) auf mehreren Phasenmessgeräten oder verschiedenen räumlichen Bereichen des Phasenmessgeräts auftreffen.Preferably, only a single (and single) point of light is generated on the screen or by means of the digital projector at any time, which point forms the starting point for the point light beam. In principle, however, it is equivalent in the context of the invention to generate several points of light at the same time, and to hide all of these points of light except for one by additional means (e.g. a diaphragm) so that only the light of the one remaining point of light as a point light bundle over the one to be tested Optics falls on the phase meter. Again as an alternative to this - for testing the at least one optical property at several field points - within the scope of the invention, several light points can be displayed simultaneously if these light points are so far apart on the display surface of the screen or the image-generating element of the digital projector that they are outgoing point light bundles separately from each other (ie without overlap) impinge on several phase measuring devices or different spatial areas of the phase measuring device.

Die Verwendung eines Bildschirms als Lichtquelle in einer Prüfvorrichtung für eine Linse ist grundsätzlich z.B. aus EP 3 128 362 A1 bekannt. Dort wird mittels des Bildschirms aber, dem üblichen Zweck eines Bildschirms entsprechend, kein Lichtpunkt im Sinne der vorstehenden Definition, sondern ein Lichtmuster in Form eines zweidimensionalen Bildes (z.B. einer Punktmatrix oder eines Gitters) angezeigt. Zur Erfassung einer Wellenfront wäre das von einem solchen Bild ausgehende Licht ungeeignet, da sich die Wellenfronten der von verschiedenen Stellen des Bildes ausgehenden Teilstrahlen inkohärent überlagern würden. Nach der Lehre der EP 3 128 362 A1 soll aber auch keine Wellenfront bestimmt werden. Vielmehr wird hier das auf dem Bildschirm angezeigte Bild durch die zu prüfende Optik hindurch mittels eines Bildsensors (d.h. einer Kamera) aufgenommen. Aus der durch die Optik hervorgerufenen Verzerrung der Bildinformation werden dann optische Eigenschaften der zu prüfenden Optik (z.B. die optische Stärke, Zylinder, etc.) berechnet.The use of a screen as a light source in a test device for a lens is basically off, for example EP 3 128 362 A1 known. There, however, in accordance with the usual purpose of a screen, the screen does not generate a point of light in the sense of the above definition, but a light pattern in the form of a two-dimensional image (e.g. a dot matrix or a grid) displayed. The light emanating from such an image would be unsuitable for detecting a wavefront, since the wavefronts of the partial beams emanating from different points of the image would be incoherently superimposed. According to the teaching of the EP 3 128 362 A1 however, no wavefront should be determined either. Rather, the image displayed on the screen is recorded here through the optics to be tested by means of an image sensor (ie a camera). From the distortion of the image information caused by the optics, optical properties of the optics to be tested (eg the optical strength, cylinder, etc.) are then calculated.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich Bildschirme (insbesondere übliche Smartphone- oder Tablet-Bildschirme) und Digitalprojektoren nicht nur zur Darstellung zweidimensionaler Bilder verwenden lassen, sondern dass mittels eines solchen Bildschirms bzw. Digitalprojektors auch ein einzelner Lichtpunkt, der zur Erzeugung eines Punktlichtbündels geeignet ist, mit sehr hoher Präzision und sehr hoher örtlicher Auflösung, gleichzeitig aber mit besonders geringem Aufwand erzeugbar ist. Auch die Erzeugung verschiedenfarbiger Lichtpunkte an dem gleichen Ort (innerhalb der durch die Pixelgröße gegebenen Bildschirmauflösung) ist mittels eines Bildschirms oder Digitalprojektors mit hoher Präzision, aber geringem Aufwand möglich. Insbesondere können Lichtpunkte an räumlich voneinander entfernten Feldpunkten (d.h. Raumpunkten in Relation zu der optischen Achse der Prüfvorrichtung) und/oder in verschiedenen Farben erzeugt werden. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht zudem darin, dass geeignete Bildschirme aufgrund ihres weitverbreiteten Einsatzes in Smartphones oder Tablets als Massenartikel hergestellt werden und somit vergleichsweise preisgünstig erhältlich sind. Gleiches gilt entsprechend für Digitalprojektoren.The invention is based on the knowledge that screens (in particular conventional smartphone or tablet screens) and digital projectors can not only be used to display two-dimensional images, but that by means of such a screen or digital projector, a single point of light that is used to generate a point light beam is suitable, can be generated with very high precision and very high spatial resolution, but at the same time with particularly little effort. The generation of differently colored points of light at the same location (within the screen resolution given by the pixel size) is also possible by means of a screen or digital projector with high precision but little effort. In particular, light points can be generated at spatially distant field points (i.e. spatial points in relation to the optical axis of the test device) and / or in different colors. A particular advantage of the invention is that suitable screens are manufactured as mass-produced articles due to their widespread use in smartphones or tablets and are therefore available comparatively inexpensively. The same applies to digital projectors.

Um die mindestens eine optische Eigenschaft für unterschiedliche Feldpunkte zu prüfen, wird der Lichtpunkt in einer bevorzugten Variante des Verfahrens zeitlich nacheinander an mehreren (d.h. mindestens zwei) verschiedenen Positionen innerhalb der Anzeigefläche des Bildschirms bzw. auf dem bilderzeugenden Element des Digitalprojektors erzeugt. Um die mindestens eine optische Eigenschaft spektralaufgelöst zu prüfen, wird der Lichtpunkt vorzugsweise zeitlich nacheinander in verschiedenen Farben erzeugt. Die verschiedenen Farben können dabei (im Rahmen der Bildschirmauflösung) an der gleichen Position oder an verschiedenen Positionen der Anzeigefläche des Bildschirms bzw. auf dem bilderzeugenden Element des Digitalprojektors erzeugt werden. Für jede Position bzw. jede Farbe des Lichtpunkts werden dabei mittels des Messgeräts der räumliche Phasenverlauf des von diesem Lichtpunkt ausgehenden und durch die zu prüfende Optik transmittierten oder an der zu prüfenden Optik reflektierten Punktlichtbündels detektiert und hieraus ggf. die oder jede weitere optische Eigenschaft abgeleitet.In order to test the at least one optical property for different field points, in a preferred variant of the method the light point is generated one after the other at several (i.e. at least two) different positions within the display surface of the screen or on the image-generating element of the digital projector. In order to test the at least one optical property in a spectrally resolved manner, the light point is preferably generated in different colors one after the other. The different colors can be generated (within the framework of the screen resolution) at the same position or at different positions on the display surface of the screen or on the image-generating element of the digital projector. For each position or each color of the light point, the spatial phase progression of the point light beam emanating from this light point and transmitted through the optics to be tested or reflected on the optics to be tested is detected by means of the measuring device and, if necessary, the or each other optical property is derived from this.

Die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung ist allgemein zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens korrespondieren daher mit entsprechenden Ausführungsformen der Vorrichtung und umgekehrt. Zudem sind Wirkungen und Vorteile von Verfahrensmerkmalen auf die zugehörigen Vorrichtungsmerkmale übertragbar und umgekehrt.The test device according to the invention is generally set up to carry out the method according to the invention described above. Embodiments of the method according to the invention therefore correspond to corresponding embodiments of the device and vice versa. In addition, the effects and advantages of method features can be transferred to the associated device features and vice versa.

Die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung umfasst demnach eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Punktlichtbündels und ein Phasenmessgerät, insbesondere einen Wellenfrontsensor oder ein Interferometer, zur Detektion der räumlichen Phasenverteilung des durch die zu prüfende Optik transmittierten oder an der zu prüfenden Optik reflektierten Punktlichtbündels. Die Lichtquelle ist dabei durch einen Bildschirm oder einen Digitalprojektor gebildet.The test device according to the invention accordingly comprises a light source for generating a point light beam and a phase measuring device, in particular a wavefront sensor or an interferometer, for detecting the spatial phase distribution of the point light beam transmitted through the optics to be tested or reflected on the optics to be tested. The light source is formed by a screen or a digital projector.

Vorzugsweise umfasst die Prüfvorrichtung zudem eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, zur Erzeugung des Punktlichtbündels einen (insbesondere zu jedem Zeitpunkt lediglich einen einzigen) Lichtpunkt auf einer Anzeigefläche des Bildschirms bzw. auf dem bilderzeugenden Element des Digitalprojektors anzuzeigen.Preferably, the test device also comprises a controller which is set up to display a (in particular only a single) point of light on a display surface of the screen or on the image-generating element of the digital projector in order to generate the point light beam.

Bevorzugt ist die Steuerung dazu eingerichtet, zeitlich nacheinander mittels des Bildschirms oder Digitalprojektors den Lichtpunkt an mindestens zwei verschiedenen Positionen innerhalb der Anzeigefläche bzw. auf dem bilderzeugenden Element anzuzeigen, um eine Prüfung der mindestens einen optischen Eigenschaft an mehreren Feldpunkten zu ermöglichen. Alternativ hierzu können zur Prüfung der mindestens einen optischen Eigenschaft an mehreren Feldpunkten im Rahmen der Erfindung allerdings auch mehrere Lichtpunkte gleichzeitig angezeigt werden, wenn diese Lichtpunkte so weit voneinander entfernt sind, dass die hiervon ausgehenden Punktlichtbündel getrennt voneinander (d.h. überlappfrei) auf mehreren Phasenmessgeräten oder verschiedenen räumlichen Bereichen des Phasenmessgeräts auftreffen.The controller is preferably set up to display the light point one after the other by means of the screen or digital projector at at least two different positions within the display area or on the image-generating element in order to enable the at least one optical property to be checked at several field points. Alternatively, to check the at least one optical property at several field points within the scope of the invention, several light points can also be displayed at the same time if these light points are so far apart that the point light bundles emanating from them are separate from one another (ie without overlap) on several phase measuring devices or different ones the spatial areas of the phase measuring device.

Zusätzlich oder alternativ ist die Steuerung in zweckmäßigen Ausgestaltungen der Prüfvorrichtung dazu eingerichtet, den Lichtpunkt mittels des Bildschirms oder Digitalprojektors zeitlich nacheinander in verschiedenen Farben zu erzeugen, um frequenzspezifische Eigenschaften der zu prüfenden Optik zu untersuchen. In beiden Fällen kann der Lichtpunkt auch - durch Überlagerung von mehreren Farbanteilen (z.B. Rot, Grün und Blau) - in einer Mischfarbe erzeugt werden. Alternativ können im Rahmen der Erfindung hierzu aber auch spektrale Filter oder mehrere frequenzselektive Phasenmessgeräte eingesetzt werden.Additionally or alternatively, the control is set up in expedient configurations of the test device to generate the light point one after the other in different colors by means of the screen or digital projector in order to examine frequency-specific properties of the optics to be tested. In both cases, the point of light can also be created in a mixed color by superimposing several color components (e.g. red, green and blue). Alternatively, within the scope of the invention, this also includes spectral filters or several frequency-selective phase measuring devices can be used.

Die Steuerung ist vorzugsweise durch ein programmierbares elektrisches Gerät, z.B. einen Mikrocontroller, gebildet. Die Funktionalität zur (insbesondere vollautomatischen) Durchführung des Verfahrens, insbesondere zur Anzeige des Lichtpunkts auf dem Bildschirm oder Digitalprojektor, ist dabei durch eine Software (d.h. ein Computerprogramm) gebildet, die in der Steuerung lauffähig installiert ist. Alternativ hierzu ist die Steuerung durch ein nicht-programmierbares elektronisches Gerät, z.B. in Form eines ASIC, gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des Verfahrens in Form von elektronischen Schaltkreisen implementiert ist. Wiederum alternativ ist die Steuerung durch eine Kombination mindestens eines programmierbaren elektronischen Bauteils und mindestens eines nicht-programmierbaren Bauteils gebildet. Wiederum alternativ hierzu ist die Steuerung durch ein Steuerprogramm (d.h. eine Software) gebildet, die auf einem Allzweck-Computer, z.B. einem gewöhnlichen Personal-Computer oder Notebook, lauffähig installierbar ist. In diesem Fall gehört der Computer selbst nicht zu der Prüfvorrichtung und wird in der Regel auch von dem Hersteller der Prüfvorrichtung weder hergestellt noch vertrieben. Vielmehr wird der Computer von dem Steuerprogramm im Betrieb der Prüfvorrichtung nur als Ressource für Rechenleistung und Speicherplatz genutzt.The control is preferably formed by a programmable electrical device such as a microcontroller. The functionality for the (in particular fully automatic) implementation of the method, in particular for displaying the point of light on the screen or digital projector, is formed by software (i.e. a computer program) that is installed and executable in the controller. As an alternative to this, the control is formed by a non-programmable electronic device, e.g. in the form of an ASIC, in which the functionality for carrying out the method is implemented in the form of electronic circuits. Again as an alternative, the control is formed by a combination of at least one programmable electronic component and at least one non-programmable component. Again as an alternative to this, the control is formed by a control program (i.e. software) that can be installed and run on a general-purpose computer, e.g. a normal personal computer or notebook. In this case, the computer itself does not belong to the test device and, as a rule, is neither manufactured nor sold by the manufacturer of the test device. Rather, the computer is only used by the control program during operation of the test device as a resource for computing power and storage space.

Grundsätzlich kann in einfachen Ausführungen des Verfahrens und der zugehörigen Prüfvorrichtung das von dem Bildschirm oder Digitalprojektor erzeugte Punktlichtbündel ohne weitere zwischengeschaltete Optiken über die zu prüfende Optik auf das Phasenmessgerät projiziert werden. Solche Ausführungen sind insbesondere in Hinblick auf eine schnelle Prüfung mit einfachen Mitteln vorteilhaft. Zudem lässt sich auf diese Weise mit besonders einfachen Mitteln ein besonders großer Feldbereich (d.h. vergleichsweise große Winkel bezüglich der optischen Achse) abdecken.In principle, in simple embodiments of the method and the associated test device, the point light beam generated by the screen or digital projector can be projected onto the phase measuring device via the optics to be tested without further interposed optics. Such designs are particularly advantageous with regard to quick testing using simple means. In addition, a particularly large field area (i.e. comparatively large angles with respect to the optical axis) can be covered in this way with particularly simple means.

Optional, insbesondere zur Prüfung von optischen Systemen, die auf die Beleuchtungssituation „unendlich“ ausgelegt sind, wird der zu prüfenden Optik ein Kollimator vorgeschaltet, durch den das von dem Bildschirm oder Digitalprojektor ausgehende Punktlichtbündel parallelgerichtet wird. Zusätzlich oder alternativ wird der zu prüfenden Optik optional ein Kepler-Teleskop nachgeschaltet, durch das die dem Phasenmessgerät zugewandte Pupille der zu prüfenden Optik auf das Phasenmessgerät abgebildet und ggf. zusätzlich der Durchmesser des zu prüfenden Lichtbündels an den Durchmesser des Phasenmessgerätes angepasst werden.Optionally, especially for testing optical systems that are designed for the lighting situation “infinitely”, the optics to be tested are preceded by a collimator, through which the point light beam emanating from the screen or digital projector is directed in parallel. Additionally or alternatively, a Kepler telescope is optionally connected downstream of the optics to be tested, through which the pupil of the optics to be tested facing the phase measuring device is mapped onto the phase measuring device and, if necessary, the diameter of the light bundle to be tested is also adapted to the diameter of the phase measuring device.

Zusätzlich oder alternativ ist optional dem Bildschirm oder Digitalprojektor einerseits und dem Phasenmessgerät andererseits ein Diffusor (auch als Streu- oder Mattscheibe bezeichnet) zwischengeschaltet.Additionally or alternatively, the screen or digital projector on the one hand and the phase measuring device on the other hand are optionally interposed with a diffuser (also referred to as a diffusing screen or a matt screen).

Um einen besonders großen Feldbereich (d.h. vergleichsweise große Winkel bezüglich der optischen Achse) abdecken zu können, umfasst die Prüfvorrichtung optional mehrere nebeneinander angeordnete Phasenmessgeräte.In order to be able to cover a particularly large field area (i.e. comparatively large angles with respect to the optical axis), the test device optionally comprises several phase measuring devices arranged next to one another.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 in einer schematischen Darstellung eine Prüfvorrichtung zum Prüfen einer Optik, hier beispielhaft einer Linse, mit einem als Lichtquelle zur Erzeugung eines Punktlichtbündels verwendeten Bildschirm, einem Phasenmessgerät in Form eines Wellenfrontsensors und einem dem Bildschirm und dem Wellenfrontsensor zwischengeordneten Probenhalter zur Halterung der zu prüfenden Linse in dem von dem Bildschirm ausgehenden Punktlichtbündel,
2 in Darstellung gemäß 1 eine alternative Ausführungsform der Prüfvorrichtung mit mehreren nebeneinander angeordneten Phasenmessgeräten, sowie
3 und 4 in Darstellung gemäß 1 zwei gegenüber den Ausführungen gemäß 1 und 2 vereinfachte weitere Ausführungsformen der Prüfvorrichtung.

Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. Show in it:

1 In a schematic representation, a test device for testing an optics, here an example of a lens, with a screen used as a light source to generate a point light beam, a phase measuring device in the form of a wavefront sensor and a sample holder interposed between the screen and the wavefront sensor for holding the lens to be tested in the point beams emanating from the screen,
2 in representation according to 1 an alternative embodiment of the test device with several phase measuring devices arranged next to one another, as well as
3 and 4th in representation according to 1 two compared to the statements according to 1 and 2 simplified further embodiments of the test device.

Einander entsprechende Teile und Strukturen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts and structures are always provided with the same reference symbols in all figures.

Die in 1 grob schematisch dargestellte Prüfvorrichtung 2 dient beispielhaft zur Prüfung von Linsen, insbesondere Objektiven, Brillengläsern oder Kontaktlinsen.In the 1 Test device shown roughly schematically 2 serves, for example, for testing lenses, in particular lenses, spectacle glasses or contact lenses.

Die Vorrichtung 2 umfasst eine Lichtquelle 4, einen Kollimator 6, einen Probenhalter 8, ein Kepler-Teleskop 10 (Relay Lens) mit (mindestens) zwei Linsen 12 und 14 und (optional) einer zwischengeschalteten Blende 15, ein optisches Phasenmessgerät 16 in Form eines Wellenfrontsensors und eine Steuerung 18. Die Lichtquelle 4, der Kollimator 6, der Probenhalter 8, die Linsen 12,14 und die Blende 15 des Kepler-Teleskops 10 sowie das Phasenmessgerät 16 sind entlang einer optischen Achse 20 einander nachgeschaltet. Dem Kollimator 6 und dem Probenhalter 8 ist optional eine Strahlaufbereitungseinheit 22 zwischengeschaltet.The device 2 includes a light source 4th , a collimator 6th , a sample holder 8th , a Kepler telescope 10 (Relay Lens) with (at least) two lenses 12th and 14th and (optional) an intermediate diaphragm 15th , an optical phase meter 16 in the form of a wavefront sensor and a controller 18th . The light source 4th , the collimator 6th , the sample holder 8th , the lenses 12,14 and the diaphragm 15th of the Kepler telescope 10 as well as the phase measuring device 16 are along an optical axis 20th downstream from each other. The collimator 6th and the sample holder 8th is optionally a beam conditioning unit 22nd interposed.

Die Steuerung 18 ist beispielhaft durch ein Steuerprogramm gebildet, das auf einem gewöhnlichen (Personal-)Computer 24 installiert ist. Der Computer 24 ist dabei selbst kein Bestandteil der Prüfvorrichtung 2, sondern wird von der Steuerung 18 lediglich als Ressource für Rechenleistung und Speicherplatz benutzt. Die Steuerung 18 ist, z.B. durch Zugriff auf eine USB-Schnittstelle des Computers 24, mit der Lichtquelle 4 und dem Phasenmessgerät 16 steuerungstechnisch bzw. datenübertragungstechnisch verbunden.The control 18th is exemplified by a control program that is based on a ordinary (personal) computer 24 is installed. The computer 24 is not part of the test device itself 2 but is controlled by the controller 18th used only as a resource for computing power and storage space. The control 18th is, for example, by accessing a USB interface on the computer 24 , with the light source 4th and the phase meter 16 connected in terms of control technology or data transmission technology.

Das Phasenmessgerät 16 ist beispielhaft durch einen Shack-Hartmann-Sensor gebildet.The phase meter 16 is formed, for example, by a Shack-Hartmann sensor.

Die Lichtquelle 4 ist durch einem Bildschirm 26 gebildet. In der Ausführung gemäß 1 ist beispielhaft ein Bildschirm 26 herangezogen, wie er üblicherweise in einem Smartphone eingesetzt wird. Der Einsatz größerer oder kleinerer Bildschirme ist jedoch ohne Weiteres möglich.The light source 4th is through a screen 26th educated. In the execution according to 1 is an example of a screen 26th used as it is usually used in a smartphone. The use of larger or smaller screens is, however, easily possible.

In jeden Fall wird der Bildschirm 26 im Rahmen der Prüfvorrichtung 2 aber als Punktlichtquelle, d.h. als Lichtquelle zur Erzeugung eines Punktlichtbündels 30 eingesetzt. Er wird hierzu von der Steuerung 18 mittels eines Steuersignals S derart angesteuert, dass auf der Anzeigefläche 28 ein einzelner (und zu jedem Zeitpunkt stets nur ein einziger) Lichtpunkt 32, insbesondere durch Ansteuerung eines einzelnen und einzigen Bildschirm-Pixels, angezeigt wird.In any case, the screen will 26th within the scope of the test device 2 but as a point light source, ie as a light source for generating a point light beam 30th used. This is done by the controller 18th by means of a control signal S. controlled in such a way that on the display area 28 a single (and at any point in time only one) point of light 32 , in particular by controlling a single and single screen pixel.

Das zunächst divergente Punktlichtbündel 30 wird durch den Kollimator 6 parallel ausgerichtet. Das solchermaßen parallelisierte Punktlichtbündel 30 fällt dann - gegebenenfalls durch die Strahlaufbereitungseinheit 22 auf den Probenhalter 8, in dem eine zu prüfende Optik 34 (z.B. eine zu prüfende Linse) positioniert ist. Die Strahlaufbereitungseinheit 22 dient - wenn vorhanden - beispielsweise zur Anpassung der Divergenz (numerischen Apertur) des Punktlichtbündels 30.The initially divergent point light beam 30th is through the collimator 6th aligned parallel. The point light beam parallelized in this way 30th then falls - possibly through the beam conditioning unit 22nd on the sample holder 8th in which an optics to be tested 34 (e.g. a lens to be tested) is positioned. The beam conditioning unit 22nd serves - if available - for example to adapt the divergence (numerical aperture) of the point light beam 30th .

Das durch den Probenhalter 8 transmittierte und dabei durch die zu prüfende Optik 34 beeinflusste Punktlichtbündel 30 fällt durch die Linsen 12 und 14 des Kepler-Teleskops 10 auf das Phasenmessgerät 16. Die dem Phasenmessgerät 16 zugewandte Pupille der Optik 34 wird hierbei durch das Kepler-Teleskop 10 auf das Phasenmessgerät 16 abgebildet.That through the sample holder 8th transmitted through the optics to be tested 34 influenced point light bundles 30th falls through the lenses 12th and 14th of the Kepler telescope 10 on the phase meter 16 . The phase meter 16 facing pupil of the optics 34 is doing this through the Kepler telescope 10 on the phase meter 16 pictured.

Das Phasenmessgerät 16 umfasst - gemäß der für einen Shack-Hartmann-Sensor üblichen Bauweise - ein Mikrolinsen-Array (d.h. eine gitter- oder matrixförmige Anordnung von Mikrolinsen, die typischerweise jeweils einen Durchmesser zwischen 50 Mikrometern und 1000 Mikrometern, insbesondere 150 Mikrometern, haben) sowie einen dem Mikrolinsen-Array nachgeschalteten Bildsensor, der beispielsweise durch einen CCD-Chip gebildet ist. Durch das Mikrolinsen-Array wird die Wellenfront, also der räumliche Phasenverlauf des durch die zu prüfende Optik 34 beeinflussten Punktlichtbündels 30 visualisiert, indem jede Mikrolinse auf dem nachgeschalteten Bildsensor ein durch Lichtbeugung entstehendes Lichtscheibchen (auch als Beugungsscheibchen oder „Airy-Disc“ bezeichnet) erzeugt, wobei die Position dieses Beugungsscheibchens von dem Phasenverlauf des Punktlichtbündels 30 am Ort der jeweilige Mikrolinse abhängt.The phase meter 16 includes - in accordance with the design customary for a Shack-Hartmann sensor - a microlens array (ie a grid or matrix-shaped arrangement of microlenses, which typically each have a diameter between 50 micrometers and 1000 micrometers, in particular 150 micrometers) as well as one Microlens array downstream image sensor, which is formed for example by a CCD chip. The wavefront, i.e. the spatial phase profile of the optics to be tested, is transmitted through the microlens array 34 influenced point light beam 30th visualized in that each microlens on the downstream image sensor generates a light disc (also known as a diffraction disc or "Airy disc") on the downstream image sensor, the position of this diffraction disc being dependent on the phase progression of the point light beam 30th depends on the location of the respective microlens.

Der Bildsensor des Phasenmessgeräts 16 nimmt ein (digitales) Bild B des durch die Beugungsscheibchen gebildeten Punktmusters auf und führt dieses Bild B der Steuerung 18 zu. Die Steuerung 18 berechnet hieraus die Wellenfront des durch die zu prüfende Optik 34 beeinflussten Punktlichtbündels 30. Aus der Wellenfront leitet die Steuerung 18 dann optional weitere optische Größen ab, beispielsweise

• die Wellenaberrationen der Optik 34,
• die Punktbildfunktion der Optik 34,
• die Abbildungsqualität der Optik 34,
• die sphärische Brechkraft der Optik 34,
• sofern es sich bei der Optik 34 um eine astigmatische Linse handelt, die zylindrische Brechkraft, d.h. die Differenz der Brechkräfte in unterschiedlichen Richtungen und die Orientierung der Vorzugsachsen,
• die prismatische Brechkraft und/oder
• eine räumlich aufgelöste Brechkraftverteilung.

The phase meter's image sensor 16 takes a (digital) picture B. of the dot pattern formed by the diffraction disks and leads this image B. the control 18th to. The control 18th uses this to calculate the wavefront of the optics to be tested 34 influenced point light beam 30th . The control system derives from the wavefront 18th then optionally further optical variables, for example

• the wave aberrations of the optics 34 ,
• the point spread function of the optics 34 ,
• the image quality of the optics 34 ,
• the spherical refractive power of the optics 34 ,
• as long as the optics are concerned 34 is an astigmatic lens, the cylindrical refractive power, i.e. the difference between the refractive powers in different directions and the orientation of the preferred axes,
• the prismatic power and / or
• a spatially resolved power distribution.

Den Lichtpunkt 32 erzeugt die Steuerung 18 entweder durch Ansteuerung eines einzelnen Bildschirm-Pixels des Bildschirms 26 oder einer zusammenhängenden Gruppe von Bildschirm-Pixeln, die beispielsweise eine annähernd kreisförmige Teilfläche der Anzeigefläche 28 bilden. In dem letzteren Fall ist die Größe des aus mehreren Bildschirm-Pixeln gebildeten Lichtpunkts 32 derart begrenzt, dass das von dem Bildschirm 26 ausgehende Licht ein Punktlichtbündel 30 bildet, dass also das von dem Bildschirm 26 ausgehende Licht eine hinreichende Kohärenz aufweist, um mittels des Phasenmessgeräts 16 eine Wellenfrontmessung (Phasenmessung) vornehmen zu können.The point of light 32 generates the control 18th either by controlling a single screen pixel on the screen 26th or a coherent group of screen pixels, for example, an approximately circular partial area of the display area 28 form. In the latter case is the size of the point of light formed from several screen pixels 32 so limited that that of the screen 26th outgoing light a point light beam 30th forms that so that of the screen 26th outgoing light has sufficient coherence to use the phase measuring device 16 to be able to carry out a wavefront measurement (phase measurement).

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Prüfvorrichtung 2 wird die Größe des auf dem Bildschirm 26 anzuzeigenden Lichtpunkts 32 optional in einem der eigentlichen Phasenmessung vorausgehenden Einstellprozess durch die Steuerung 18 automatisch bestimmt. Hierzu wird die Größe des Lichtpunktes 32 - ausgehend von einer minimalen Größe, die unter Ansteuerung eines einzelnen Bildschirm-Pixels erzeugt wird - iterativ vergrößert. Für jede Größe des Lichtpunkts 32 misst die Steuerung 18 die Größe der durch die Mikrolinsen des Phasenmessgeräts 16 auf den nachgeschalteten Bildsensor projizierten Beugungsscheibchen. Die iterative Vergrößerung des Lichtpunktes 32 wird gestoppt, wenn die Größe der Beugungsscheibchen (wie vorstehend erläutert) infolge abnehmender Kohärenz des Punktlichtbündels 30 unter Abweichung von dem konstanten Sockelwert signifikant zunimmt. Die Größe des Lichtpunkts 32 wird anschließend zurückgesetzt, so dass die Größe der Beugungsscheibchen gerade noch in dem konstanten Bereich liegt.In an advantageous embodiment of the test device 2 will be the size of the on screen 26th point of light to be displayed 32 optionally in a setting process that precedes the actual phase measurement by the control 18th determined automatically. This is done by the size of the light point 32 - starting from a minimum size that is generated under control of a single screen pixel - iteratively enlarged. For any size of light point 32 the control measures 18th the size of the phase meter through the microlenses 16 on the downstream image sensor projected diffraction disks. The iterative enlargement of the point of light 32 is stopped when the size of the diffraction disks (as explained above) due to decreasing coherence of the point light beam 30th increases significantly with deviation from the constant base value. The size of the point of light 32 is then reset so that the size of the diffraction disks is just in the constant range.

In einer verfeinerten Variante des Einstellprozesses misst die Steuerung 18 zusätzlich für jede Größe des auf dem Bildschirm 26 anzuzeigenden Lichtpunkts 32 zusätzlich die Aufnahmezeit, die für eine kontrastoptimierte Phasenmessung erforderlich ist. Die Steuerung 18 beendet die iterative Vergrößerung des Lichtpunktes 32 dabei dann, wenn die Aufnahmezeit einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet oder wenn die Größe der auf den Bildsensor des Phasenmessgeräts 16 projizierten Beugungsscheibchen den konstanten Sockelwert um mehr als einen vorgegebenen Toleranzwert überschreitet (je nachdem welche dieser beiden Bedingungen zuerst eintritt).In a more refined variant of the setting process, the control measures 18th additionally for each size of the screen 26th point of light to be displayed 32 in addition, the recording time that is required for a contrast-optimized phase measurement. The control 18th ends the iterative enlargement of the point of light 32 when the recording time falls below a predetermined threshold value or when the size of the image sensor of the phase measuring device 16 projected diffraction disks exceeds the constant base value by more than a specified tolerance value (depending on which of these two conditions occurs first).

Um die zu prüfende Optik 34 an mehreren Feldpunkten auszumessen, erzeugt die Steuerung 18 den Lichtpunkt 32 nacheinander an unterschiedlichen Positionen der Anzeigefläche 28 (wobei sie aber zu jedem Zeitpunkt stets nur einen Lichtpunkt 32 erzeugt) und bestimmt für jede Position des Lichtpunkts 32 auf die vorstehend beschriebene Weise jeweils die Wellenfront und hieraus ggf. die oder jede weitere optische Eigenschaft.About the optics to be tested 34 The control generates measurements at several field points 18th the point of light 32 one after the other at different positions on the display area 28 (But at any point in time they only have one point of light 32 generated) and determined for each position of the light point 32 in the manner described above in each case the wavefront and from this, if necessary, the or each further optical property.

Um die spektrale Abhängigkeit der optischen Eigenschaften der Optik 34 auszumessen, erzeugt die Steuerung 18 den Lichtpunkt 32 des Weiteren - jeweils mittels des oder der gleichen Bildschirm-Pixel und somit im Rahmen der Bildschirmauflösung an der gleichen Stelle der Anzeigefläche 28 - nacheinander in unterschiedlichen Farben, beispielsweise in Rot, Blau, Grün und Weiß, und bestimmt für jede Farbe jeweils die oder jede optische Eigenschaft.About the spectral dependence of the optical properties of optics 34 the control generates 18th the point of light 32 furthermore - in each case by means of the same screen pixel or pixels and thus within the scope of the screen resolution at the same point on the display area 28 - one after the other in different colors, for example in red, blue, green and white, and determines the or each optical property for each color.

In 2 ist eine weitere Ausführungsform der Prüfvorrichtung 2 dargestellt. Im Unterschied der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst die Prüfvorrichtung 2 in der Variante gemäß 2 drei Phasenmessgeräte16 (vorzugsweise Wellenfrontsensoren, insbesondere Shack-Hartmann-Sensoren) mit jeweils einem vorgeschalteten Kepler-Teleskop 10. Die Phasenmessgeräte 16 sind hier unter einem Winkel zueinander angeordnet, um - im Vergleich zu der Ausführung gemäß 1 - einen größeren Feldbereich abzudecken, d.h. um die optischen Eigenschaften der Optik 34 auch für vergleichsweise große Einfallwinkel des Punktlichtbündels 30 relativ zu der optische Achse 20 ausmessen zu können.In 2 is a further embodiment of the test device 2 shown. In contrast to the embodiment described above, the test device comprises 2 in the variant according to 2 three phase measuring devices16 (preferably wavefront sensors, in particular Shack-Hartmann sensors), each with an upstream Kepler telescope 10 . The phase measuring devices 16 are arranged here at an angle to one another in order to - in comparison to the embodiment according to 1 - to cover a larger field area, ie to improve the optical properties of the optics 34 also for comparatively large angles of incidence of the point light beam 30th relative to the optical axis 20th to be able to measure.

Der Kollimator 6 und die Strahlaufbereitungseinheit 22 der Ausführungsform gemäß 1 sind bei der Ausführungsform gemäß 2 nicht vorhanden. Vielmehr fällt hier das von dem Bildschirm 26 ausgehende Punktlichtbündel 30 unmittelbar auf den Probenhalter 8 und die darin gelagerte Optik 34.The collimator 6th and the beam conditioning unit 22nd according to the embodiment 1 are in the embodiment according to 2 unavailable. Rather, it falls off the screen here 26th outgoing point light bundles 30th directly on the sample holder 8th and the optics stored in it 34 .

Im Übrigen entspricht die Prüfvorrichtung 2 gemäß 2 der in 1 dargestellten Ausführungsform. Sie umfasst insbesondere auch die Steuerung 18, die in 2 nur aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit dargestellt ist.Otherwise the test device corresponds 2 according to 2 the in 1 illustrated embodiment. In particular, it also includes the control 18th , in the 2 is not shown only for the sake of clarity.

In einer Variante der in 2 dargestellten Prüfvorrichtung 2 ist anstelle der drei Phasenmessgeräte 16 mit jeweils vorgeschaltetem Kepler-Teleskop 10 nur ein Phasenmessgerät 16 und ein vorgeschaltetes Kepler-Teleskop 10 vorhanden. Dieses eine Phasenmessgerät 16 und das zugehörige Kepler-Teleskop 10 werden dabei zwischen den in 2 dargestellten Punktlichtbündeln 30 verschwenkt.In a variant of the in 2 illustrated test device 2 is instead of the three phase meters 16 each with an upstream Kepler telescope 10 only a phase meter 16 and an upstream Kepler telescope 10 available. This one phase meter 16 and the associated Kepler telescope 10 are used between the in 2 Point light bundles shown 30th pivoted.

3 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform der Prüfvorrichtung 2, bei der sowohl der Kollimator 6 und die Strahlaufbereitungseinheit 22 als auch das Kepler-Teleskop 10 der in 1 dargestellten Ausführungsform nicht vorhanden sind. Vielmehr wird hier das von dem Bildschirm 26 ausgehende Punktlichtbündel 30 unmittelbar über den Probenhalter 8 und die darin gelagerte Optik 34 auf das dem Probenhalter 8 wiederum unmittelbar nachgeschaltete Phasenmessgerät 16 projiziert. Auch die Prüfvorrichtung 2 gemäß 3 umfasst die analog zu 1 ausgebildete Steuerung 18, die in 3 nur aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit dargestellt ist. 3 shows a simplified embodiment of the test device 2 where both the collimator 6th and the beam conditioning unit 22nd as well as the Kepler telescope 10 the in 1 illustrated embodiment are not present. Rather, this is what happens here on the screen 26th outgoing point light bundles 30th directly above the specimen holder 8th and the optics stored in it 34 on the sample holder 8th in turn, phase measuring device connected directly downstream 16 projected. Also the testing device 2 according to 3 includes analogous to 1 trained control 18th , in the 3 is not shown only for the sake of clarity.

4 zeigt eine Variante der in 3 dargestellten Prüfvorrichtung 2. Hier sind der Probenhalter 8, die zu prüfende Optik 34 und das Phasenmessgerät 16 derart relativ zueinander dimensioniert und angeordnet, dass die von den Lichtpunkten 32 jeweils ausgehenden Punktlichtbündel 30 getrennt voneinander (d.h. überlappfrei) auf das Phasenmessgerät 16 auftreffen. 4th shows a variant of the in 3 illustrated test device 2 . Here are the sample holders 8th , the optics to be tested 34 and the phase meter 16 dimensioned and arranged relative to one another in such a way that the light points 32 each outgoing point light beam 30th separately from each other (ie without overlap) on the phase measuring device 16 hit.

Da bei den Ausführungsbeispielen gemäß 2 und 4 die Punktlichtbündel 30 beim Auftreffen auf den zugeordneten Phasenmessgeräten 16 jeweils nicht miteinander überlappen, können die Lichtpunkte 32 zur Erzeugung dieser Punktlichtbündel 30 auch gleichzeitig auf der Anzeigefläche 28 des Bildschirms 26 angezeigt werden, wobei für jedes Punktlichtbündel 30 jeweils der räumliche Phasenverlauf gemessen werden kann und gemessen wird. Die Prüfvorrichtungen 2 gemäß 2 und 4 ermöglichen somit eine gleichzeitige Ausmessung der jeweiligen Optik 34 in mehreren Feldpunkten.Since in the embodiments according to 2 and 4th the point light bundles 30th when hitting the assigned phase measuring devices 16 do not overlap each other, the points of light 32 to generate this point light beam 30th also at the same time on the display area 28 Of the screen 26th are displayed, for each point beam 30th in each case the spatial phase profile can be measured and is measured. The testing devices 2 according to 2 and 4th thus enable a simultaneous measurement of the respective optics 34 in several field points.

Die beanspruchte Erfindung wird an den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen besonders deutlich, ist auf diese Ausführungsbeispiele aber nicht beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.The claimed invention is particularly clear from the exemplary embodiments described above, but is not limited to these exemplary embodiments. Rather, further embodiments of the invention can be derived from the claims and the above description.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

22: PrüfvorrichtungTesting device
44th: LichtquelleLight source
66th: KollimatorCollimator
88th: ProbenhalterSample holder
1010: Kepler-TeleskopKepler telescope
1212th: Linselens
1414th: Linselens
1515th: Blendecover
1616: PhasenmessgerätPhase meter
1818th: Steuerungsteering
2020th: (optische) Achse(optical) axis
2222nd: StrahlaufbereitungseinheitBeam conditioning unit
2424: (Personal-)Computer(Personal) computers
2626th: Bildschirmscreen
2828: AnzeigeflächeDisplay area
3030th: PunktlichtbündelPoint light beam
3232: LichtpunktPoint of light
3434: Optik optics
BB.: Bildimage
SS.: SteuersignalControl signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

EP 3128362 A1 [0025]

Claims

Method for testing optics (34) with regard to at least one optical property, - in which a point light bundle (30) is generated by means of a light source (4) and thrown onto the optics (34) to be tested, and - in which, by means of an optical phase measuring device (16), the spatial phase profile of the point light beam (30) transmitted through the optics (34) to be tested or reflected on the optics (34) to be tested is detected, with a screen (26 ) or a digital projector can be used, and the point light bundle (30) is generated by displaying a light point (32) on a display surface (28) of the screen (26) or by means of the digital projector.

Procedure according to Claim 1 , in which a wavefront sensor or an interferometer are used as the phase measuring device (16).

Procedure according to Claim 1 or 2 - at which the light point (32) is generated by means of the screen (26) one after the other at different positions within the display surface (28) and / or in different colors, and - at which the phase measuring device (16) is used for each position or Color of the light point (32) the spatial phase profile of the point light beam (30) emanating therefrom and transmitted through the optics (34) to be tested or reflected on the optics (34) to be tested is detected.

Method according to one of the Claims 1 until 3 wherein the point light bundle (30) is aligned in parallel by means of a collimator (6) connected upstream of the optics (34) to be tested.

Method according to one of the Claims 1 until 4th , in which the pupil of the optics to be tested (34) facing the phase measuring device (16) is imaged on the phase measuring device (16) by means of a Kepler telescope (10).

Testing device (2) for testing optics (34) with regard to at least one optical property, - With a light source (4) for generating a point light beam (30), the light source (4) being formed by a screen (26) or a digital projector, and - With a phase measuring device (16) for detecting the spatial phase distribution of the point light beam (30) transmitted through the optics to be tested (34) or reflected on the optics (34) to be tested.

Test device (2) according to Claim 6 , wherein the phase measuring device (16) is a wavefront sensor or an interferometer.

Test device (2) according to Claim 6 or 7th with a controller (18) which is set up to display a point of light (32) on a display surface (28) of the screen (26) in order to generate the point light beam (30).

Test device (2) according to Claim 8 wherein the controller (18) is set up to generate the light point (32) one after the other by means of the screen (26) at at least two different positions within the display area (28) and / or in different colors.

Test device (2) according to one of the Claims 6 until 9 , with a collimator (6) to the parallel direction of the point light beam (30) emanating from the light point (32).

Test device (2) according to one of the Claims 6 until 10 with a Kepler telescope (10) for mapping the pupil of the optics to be tested (34) facing the phase measuring device (16) onto the phase measuring device (16).

Use of a screen (26) or digital projector to generate a point light beam (30) which, for testing an optical system (34) with regard to at least one optical property, is transmitted via the optical system (34) to be tested to a phase measuring device (30) that detects the spatial phase profile of the point light beam (30). 16) is thrown.