EP3784980A1 - Verfahren sowie vorrichtung zur prüfung geometrischer eigenschaften optischer komponenten - Google Patents

Verfahren sowie vorrichtung zur prüfung geometrischer eigenschaften optischer komponenten

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EP3784980A1
EP3784980A1 EP19734666.1A EP19734666A EP3784980A1 EP 3784980 A1 EP3784980 A1 EP 3784980A1 EP 19734666 A EP19734666 A EP 19734666A EP 3784980 A1 EP3784980 A1 EP 3784980A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
functional
functional surface
oct
determined
Prior art date
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Pending
Application number
EP19734666.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Reik Krappig
Max Riediger
Niels König
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3784980A1 publication Critical patent/EP3784980A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/0209—Low-coherence interferometers
    • G01B9/02091—Tomographic interferometers, e.g. based on optical coherence
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2441—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using interferometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0242—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations
    • G01M11/025—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by determining the shape of the object to be tested
    • G—PHYSICS
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01M11/0242—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations
    • G01M11/0271—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by using interferometric methods

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for testing geometric properties of optical components according to the preamble of claim 1 or according to the preamble of claim 11.
  • Optical systems are part of many devices and can contribute significantly to safety, health and safety
  • Comfort in daily life as well as in technical applications contribute.
  • Examples include the mobile phone camera, optical couplers for communication, endoscopes in medical technology and sensor systems in vehicles, e.g. Passenger cars.
  • the optical function of such systems can only be ensured if the properties of the individual components meet the specifications.
  • the optical properties of a component are essentially determined by the geometry and nature of the associated functional surfaces and by the refractive index also by the material used.
  • innovative optical components are characterized above all by improvements in the material properties or or and by novel geometries. Both options are off
  • edge steepness describes the inclination of the surface compared to a plane perpendicular to the optical axis.
  • Tactile measuring systems for shape testing are known from the prior art, but their application is subject to restrictions in the interaction between probe and surface to be tested.
  • the desired geometry information is detected by the relative movement of a stylus tip pulled over the component surface. In steep areas, it may happen that the probe touches the specimen surface not only with the decisive for the measurement front end but with its edge and thus the measurement is falsified. Although this error can often be detected directly in the measurement result, it limits the usability of tactile methods for shape testing to edge steepnesses of approx. ⁇ 25 °.
  • Stylus instruments integrated or is used in systems that deliver optical sensors or lenses highly accurate and thus can capture even very steep geometries.
  • Chromatic confocal point sensors use chromatic aberration, ie the dependence of the focal length on the wavelength of the radiation
  • the deviation of the specimen surface is examined to a reference wavefront, which was previously generated with a correspondingly highly accurate lens (for example, DE 10 2017 217 372 A1). If these lenses are spherical, they can be used to test all spherical objects as well as those aspheres that deviate only slightly from the spherical shape, depending on the diameter of the specimen. For strongly aspherical specimens or free-form surfaces, the individual reference wavefront must be determined by means of a computer-generated
  • Confocal microscopy (e.g., EP 0 646 768 A2) utilizes a specially designed beam path in which only the radiation which is at the exact focal point of the objective used is returned to the sensor. If the vertical position of the objective is precisely adjusted by means of piezo actuators, the flea information of the relevant specimen surface can be detected.
  • Confocal microscopy allows a combined shape and roughness measurement
  • Production process and may be e.g. on the parallelism of the
  • Autocollimation telescope in the case of spherical surfaces
  • additional sensors for detecting the impact for aspherical surfaces
  • the orientation can not be detected at all. It is always an iterative process in which the individual functional areas are recorded successively.
  • the detection of such errors can be done both by checking the geometry and by checking the function.
  • the deviation of the center of curvature in the geometry test for example, via an autocollimator
  • wavefront sensors are frequently used, which use a microlens array to image the local slopes of the wavefront and thus the light-shaping properties of the optical system on a CCD camera (eg DE 103 48 509 A1).
  • the thus reconstructed wavefront can serve to provide more detailed information about the system properties.
  • the measured wavefront can be decomposed into its orthogonal polynomials, the so-called Zernike coefficients. With a manageable number of such coefficients The measured wavefront can be simulated in a good approximation.
  • the coma term of the wavefront correlates directly with the
  • Optical Coherence Tomography is a well-known variant of white-light interferometry that employs short-coherent light.
  • the short coherence length of the light is required for high axial resolution.
  • TD-OCT Time Domain OCT
  • FD-OCT Frequency Domain OCT
  • SD-OCT Spectrum Domain Optical Coherence Tomography
  • SD-OCT Spept Source Optical Coherence
  • Tomography are used, in which the radiation source is tunable.
  • the detector then uses a balanced photodetector (balanced photodetector).
  • the signal received is a
  • OCT has hitherto been used essentially in the medical field, e.g. for measuring soft tissue volume or in the field of ophthalmic diagnosis and treatment.
  • OCT distinguishes between A-Scan, B-Scan, and C-Scan.
  • an A-scan is understood to mean a measurement in the depth, in which no scanning movements of the measuring beam in lateral
  • a C-scan is a sequence of several adjacent B-scans to produce a volume scan of the object under investigation or a portion of the object.
  • a device for calibrating or evaluating the performance of a refraction platform which has a model eye and at least one reference element.
  • the model eye is formed by a front cap and a hemisphere covered by the cap, which cap is nearly transparent to light used when using the device.
  • the cap can e.g. be realized by a film, a vapor-deposited layer, injection molding or a contact lens.
  • the hemisphere is spaced from the cylindrical body by the variable thickness of a slot.
  • the slot may be used to insert further elements, e.g. an iris model, serve.
  • the cap, hemisphere and body are each made of different materials with different refractive indices.
  • the outer surface of the cap and the interface between the cap and hemisphere reflect incident light which enables measurement of the material thickness of the cap, e.g. by OCT measurement.
  • the thickness can be measured during a shape changing process or before and after. It is not revealed by means of OCT in addition to the
  • Thickness measurement also to obtain information about the shape and orientation of the interfaces involved.
  • From DE 103 92 656 B4 is an interferometer system for determining a
  • Interferometer is moved with a three-axis structure over the workpiece, wherein the reflected upon impact of a focal point of the workpiece surface radiation is evaluated.
  • the direction of movement of the measuring head relative to the workpiece is in various
  • Embodiments of the use of a plurality of spaced focal points of radiation of different frequencies proposed.
  • the document refers to the time domain (time domain) method used as optical coherence tomography. It is only the information about a
  • the measurement method does not provide volume information about the measured object, which obviously is not
  • EP 1 744 119 A1 discloses a method for analyzing the shape, dimension or topography of an object, the FD-OCT being used, using a tunable radiation source (SS-OCT).
  • SS-OCT tunable radiation source
  • Embodiment illustrates the application of the tomography method for measuring surfaces in the interior of a depression. It is also disclosed that with this method it should be possible to examine several partially reflecting surfaces of a partially transparent object, without the relevant ones
  • Measuring system with a scanner unit known which is a SS-OCT system (Swept Source OCT), wherein the dimming time dA / dt of the light source to the desired maximum measurement depth and the frequency of the axial modulation of the scanner unit is adjusted. This is intended to compensate or at least minimize the influence of occurring axial modulations of the scanner device.
  • the measuring system is used to determine distances and to depict eye structures
  • the present invention is based on the technical problem of providing a method and a device for testing optical elements, which represent an alternative to the prior art and in particular the
  • optical coherence tomography be used to test geometric properties of plastic or glass optical elements, whereby a volume scan (C-scan) of the optical element to be tested is recorded.
  • OCT optical coherence tomography
  • Sensitivity of the OCT a small part of the specimen of backscattered light is sufficient to obtain a usable measurement signal.
  • specimens with a high edge steepness can be measured in particular, which can be realized only with great effort with the above-described alternative methods according to the prior art.
  • the process is fast and can characterize several functional surfaces with only one measurement within a few seconds.
  • a high-precision alignment of the test object with respect to the measuring system is eliminated.
  • Another advantage of the method is the relatively low technical complexity for realizing an OCT system. The measurement takes place in backscatter, so that the integration can be done comparatively space-saving, which is especially for
  • the method and the device according to the invention can e.g. advantageous for optical testing in the field of optical or micro-optical
  • Components e.g. Aspheres or free-form lenses, are used, in particular for attachment optics, e.g. with LED lighting optics.
  • attachment optics e.g. with LED lighting optics.
  • the method according to the invention and the device according to the invention can be easily incorporated into existing production processes, for example by integration in injection molding machines.
  • the method according to the invention can be carried out such that the shape of at least two functional surfaces of at least one optical element is tested. With the detection of the shape of multiple functional surfaces in only one measurement, the orientation of the at least two functional surfaces relative to one another is automatically determined.
  • the functional surfaces When testing at least two functional surfaces they may belong to the same optical element, preferably an optical lens.
  • the functional surfaces to be tested can also belong to different optical elements.
  • Functional surfaces may be the image of the rear functional surface due to the
  • Functional area are distorted.
  • this may preferably be taken into account by means of a software-based algorithm.
  • a full surface fit may be made to each of the front and back functional surfaces, i. to the complete or substantially complete functional area, e.g. adapted by using a mathematical model such as the aspheric equation or using Zernike polynomials, an area. Subsequently, the determination of inclination values or normal vectors on a variable number of support points can be carried out in order to be able to correct the distortion of the rear functional surface in accordance with the above-mentioned ray-tracing method.
  • the measured data of the functional surfaces determined in the manner described may be e.g. directly compared with the data of an object model, e.g.
  • test parameters are determined.
  • such test parameters may e.g. the center thickness, radii of curvature, aspheric coefficients, wedge angle or decentering.
  • the method according to the invention can be carried out so that the OCT is carried out in the frequency domain, i. FD-OCT (Frequency Domain Optical Coherence Tomography) is used.
  • FD-OCT Frequency Domain Optical Coherence Tomography
  • the measurement can be performed faster compared to a TD-OCT.
  • FD-OCT e.g. the SS-OCT or the SD-OCT are used.
  • FIG. 2 a representation for clarification of a triangulation method for
  • FIG. 4 shows an illustration for explaining the correction of the determined course of a second functional area.
  • Fig. 1 shows a possible measuring device with an SD-OCT.
  • two functional surfaces 2 and 3 of an optical element, namely a lens 1 are to be determined by means of a C-scan with respect to their shape and orientation.
  • the radiation for generating a measuring beam 4 comes from a
  • broadband radiation source 5 for short coherent radiation e.g. one
  • Superluminescent diode and is distributed via optical fiber 6 and a fiber coupler 7 in the measuring device.
  • the radiation passes as a reference path radiation 8 a reference path 9 with a reference mirror 10 and as a measuring beam 4 an object path 11 with scanner mirrors 12 and a scanner lens 13.
  • the scanner mirror 12 By means of the scanner mirror 12, the measuring beam 4 for performing a scanning movement in two lateral directions be guided over the lens 1.
  • the backscattered from the functional surfaces 2 and 3 radiation of the measuring beam 4 is combined in the fiber coupler 7 with the reference path radiation 8, so that it comes in a spectrometer 14 for interference.
  • the radiation is spectrally decomposed at an optical grating 15 and directed to a line scan camera 16.
  • the measuring device described and the beam guidance are generally known from the prior art for SD-OCT method.
  • alternative OCT methods can also be used.
  • the measuring beam 4 of the SD-OCT structure is directed onto the lens 1 to be examined in such a way that the two functional surfaces of the lens 1, hereinafter referred to as first functional surface 2 and second functional surface 3, are arranged one behind the other in the direction of radiation
  • Function surface 1 is designated the one on which the measuring beam 4 impinges first.
  • a C-scan is performed.
  • the resulting tomographic image can be used to contrast enhancement and noise filtering in general for others
  • the axial position of the local maxima can be determined with subpixel accuracy, e.g. about a Gauss fit.
  • Intensity maxima can be determined for both functional surfaces 2 and 3 forms, which can be stored and further processed, for example, as a point cloud.
  • the point cloud of the second functional surface 3 must be corrected, since the radiation component scattered back by the second functional surface 3 is refracted at the first functional surface 2.
  • ray tracing is used. For this, first the
  • Measuring beam 4 can be determined. This can be done for example by triangulation or local surface adaptation.
  • triangulation which is shown in Fig. 2 is a schematic for a small number of impact points P 0 to P 8 in the first functional surface 2, the point cloud triangles are clamped between the identified points Pi to P 8.
  • Normal vectors D 0 to D 7 of the triangles arranged around the mean point of impingement P 0 are calculated, and then, by means of interpolation, the normal vector N 0 at the central one
  • Impact point P 0 to determine The interpolation can take place via a weighted averaging of the surrounding normal vectors D 0 to D 7 .
  • the interpolation can take place via a weighted averaging of the surrounding normal vectors D 0 to D 7 .
  • Various approaches in connection with the curvature estimation of triangulated point clouds known see, for example, Günter Grosche, Viktor Ziegler,
  • Impact points P n of the point cloud determines the normal vectors N n . This results in curvatures and thus a surface course for the first functional surface 2.
  • an adaptation of mathematical surfaces to the point cloud can be carried out in the local environment of the impact points in order subsequently to determine the normal vector at the point of impact from the adapted surface.
  • Fig. 4 illustrates how the n thus determined for each impact point P vector T n and the optical path length l n between the point of incidence P n of the measuring beam 4 on the first functional surface 2 and the apparent impact point Q n at the second Functional surface 3 using the following calculation, the actual, that is undistorted geometric position Q ' n of the point of impact of the measuring beam 4 on the second functional surface 3 can be determined.
  • Reflection law is therefore not made, since measuring principle, only the light rays contribute to the OCT signal, which penetrate in the same way in the scanner lens 13 of the OCT system on which they have leaked.
  • the points Q ' n can be directly compared with target data or it is adapted to the points Q' n a suitable model (eg Asphere equation or Zernike polynomials) from which then characteristic characteristics of the lens surface can be derived (For example, radius of curvature, aspheric coefficients, possibly form error).
  • suitable model eg Asphere equation or Zernike polynomials

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung geometrischer Eigenschaften optischer Elemente aus Kunststoff oder Glas mittels Interferometrie vorgeschlagen, bei denen optische Kohärenztomographie eingesetzt und ein Volumenscan des zu prüfenden optischen Elements aufgenommen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Ermittlung der Form einer in Einstrahlrichtung des Messstrahls (4) hinter einer ersten Funktionsfläche (2) angeordneten zweiten Funktionsfläche (3) die Strahlungsbrechung an der ersten Funktionsfläche (2) berücksichtigt, wobei an Auftreffpunkten (Pn) des Messstrahls (4) auf der ersten Funktionsfläche (2) die jeweiligen Normalenvektoren (Nn) oder die lokalen Krümmungen der ersten Funktionsfläche (2) bestimmt werden.

Description

Verfahren sowie Vorrichtung zur Prüfung geometrischer Eigenschaften optischer Komponenten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Prüfung geometrischer Eigenschaften optischer Komponenten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Optische Systeme, insbesondere mikrooptische Systeme, sind Bestandteil vieler Gerätschaften und können im erheblichen Maße zur Sicherheit, Gesundheit und
Komfort im täglichen Leben sowie in technischen Anwendungen beitragen. Beispiele hierfür sind die Handykamera, optische Koppler zur Kommunikation, Endoskope in der Medizintechnik sowie Sensorsysteme in Fahrzeugen, z.B. Personenkraftwagen. Die optische Funktion solcher Systeme kann jedoch nur sichergestellt werden, wenn die Eigenschaften der einzelnen Komponenten den Spezifikationen entsprechen. Die optischen Eigenschaften eines Bauteils werden im Wesentlichen durch die Geometrie und Beschaffenheit der zugehörigen Funktionsflächen und über den Brechungsindex auch durch den eingesetzten Werkstoff bestimmt. Insofern zeichnen sich innovative optische Komponenten vor allem durch Verbesserungen in den Werkstoffeigenschaften oder bzw. und durch neuartige Geometrien aus. Beide Möglichkeiten sind aus
messtechnischer Sicht in der Regel mit Herausforderungen verbunden, die häufig dazu führen, dass die spezifizierten Bauteileigenschaften mit hohem Aufwand geprüft werden müssen oder unter Umständen eine Prüfung im vorgegebenen Toleranzbereich gar nicht möglich ist.
In Bezug auf die Bauteilgeometrie sind die entscheidenden Kriterien einerseits die Form der optischen Funktionsflächen und andererseits ihre Position im Gesamtsystem. Beide Aspekte werden durch die Erfindung adressiert.
Mit Blick auf die Formprüfung anspruchsvoller optischer Funktionsflächen ergibt sich zum einen die Herausforderung, dass sich die mit fortschreitender Entwicklung stetig komplexer werdenden optischen Komponenten durch immer größere Flankensteilheiten auszeichnen. Die Flankensteilheit beschreibt die Neigung der Oberfläche im Vergleich zu einer zur optischen Achse senkrechten Ebene. Gerade bei mikrooptischen Asphären und Freiformlinsen, die gewöhnlich im Kunststoffspritzgussverfahren hergestellt werden, können teilweise erhebliche Flankensteilheiten von z.B. 20° bis 60° auftreten. Bereits Flankensteilheiten ab 20° stellen bestehende Messsysteme vor große
Flerausforderungen.
Aus dem Stand der Technik sind taktile Messsysteme zur Formprüfung bekannt, deren Anwendung jedoch Restriktionen im Zusammenspiel zwischen Messtaster und zu prüfender Oberfläche ausgesetzt sind. Die gesuchte Geometrieinformation wird durch die Relativbewegung einer über die Bauteiloberfläche gezogenen Tastspitze erfasst. In steilen Bereichen kann es dazu kommen, dass die Tastspitze die Prüflingsoberfläche nicht allein mit dem für die Messung maßgeblichen vorderen Ende sondern mit ihrer Flanke berührt und damit die Messung verfälscht wird. Dieser Fehler kann zwar im Messergebnis häufig direkt erkannt werden, begrenzt jedoch die Einsatzfähigkeit taktiler Verfahren zur Formprüfung auf Flankensteilheiten von ca. ± 25°.
Auch für aus dem Stand der Technik bekannte optische Verfahren existieren Grenzen für die maximal erfassbare Flankensteilheit, da die zur Messung genutzte Strahlung zurück zum Sensor geleitet werden muss. Die Kombination aus Durchmesser und Arbeitsabstand des Objektivs, d.h. dessen numerische Apertur, bestimmt, bei welcher maximalen Neigung der Prüflingsoberfläche der reflektierte Messstrahl zurück zum Sensor gelangen kann oder verloren geht. Wegen weiterer praktischer Restriktionen hinsichtlich Arbeitsabstand, Reflexionsgrad etc. sind selbst mit hochwertigen Objektiven Flankensteilheiten von lediglich ca. ±30° messbar.
Aufgrund der beschriebenen Problematik im Zusammenhang großen Flankensteilheiten wird in diversen Verfahrensvarianten eine Kinematik zur Verfügung gestellt, die eine möglichst orthogonale Ausrichtung zwischen Prüflingsoberfläche und der Tastspitze oder einem anderen Sensor bzw. - im Falle optischer Verfahren - der emittierten Strahlung ermöglicht. Dieser Ansatz ist seit langem bereits in konventionellen
Tastschnittgeräten integriert oder wird in Systemen genutzt, die optische Sensoren oder Objektive hochgenau zustellen und so auch sehr steile Geometrien erfassen können.
Die bekannten Systeme haben eine Reihe von Nachteilen. So sind taktile Systeme bereits aufgrund der möglichen mechanischen Beeinträchtigung, z.B. durch Erzeugung sichtbarer und nicht erwünschter Furchen auf der Probenoberfläche, problematisch. Bei Einsatz von oftmals komplexen externen Kinematiken, zu denen Rotations-, Schwenk- und Drehachsen sowie Referenzspiegel gehören, ergibt sich für die
Messdatenerfassung eine Toleranzkette, die mit hohem gerätetechnischem Aufwand minimiert werden muss, damit Formmessungen mit hinreichend geringen
Unsicherheiten durchführbar sind. Dies hat in der Regel zur Folge, dass die
erforderlichen Messzeiten mindestens eine Minute betragen und daher für typische Zykluszeiten in der z.B. spritzgussbasierten Produktion optischer Komponenten ungeeignet sind.
Um unterschiedliche Funktionsflächen eines optischen Elements, z.B. beide Seiten einer Linse, für die Sensorik zugänglich zu machen, werden im Stand der Technik aufwendige Aufspann-Systeme eingesetzt, in denen der Prüfling gehalten wird und welche sich mit hoher Präzision wenden und positionieren lassen. Demgegenüber kann mit einem entsprechenden gerätetechnischen Aufwand auch ein aufeinander
eingemessenes Sensorpaar für die obere bzw. untere Fläche zur Verfügung gestellt und damit die Messzeiten verringert werden.
Im Folgenden werden bekannte, auf optischem Wege arbeitende Prüfverfahren für Funktionsflächen kurz dargestellt:
Chromatisch konfokale Punktsensoren nutzen mit der chromatischen Aberration, also der Abhängigkeit der Brennweite von der Wellenlänge der Strahlung, einen
Abbildungsfehler von Linsen, der in konventionellen optischen Systemen minimiert wird (z.B. DE10 2016 115 827 A1 ). Da Strahlung niedrigerer Wellenlänge (blau) kürzere Brennweiten hat, als Strahlung höherer Wellenlänge (rot) kann über ein
angeschlossenes Spektrometer die von der Prüflingsoberfläche zurückgeworfene Strahlung analysiert und so die gesuchte Höheninformation gemessen werden. Mittels einer lateralen Positionierung des Sensors über der Prüflingsoberfläche lässt sich eine flächige Prüfaussage generieren, wobei aufgrund von Einschränkungen für die laterale Auflösung Rauheitsmessungen nicht möglich sind. Optisch flächig messende Verfahren generieren die Prüf Information auf
unterschiedliche Weise. So wird bei der Formprüfinterferometrie die Abweichung der Prüflingsoberfläche zu einer Referenzwellenfront untersucht, welche vorher mit einem entsprechend hochgenauen Objektiv generiert wurde (z.B. DE 10 2017 217 372 A1 ). Sind diese Objektive sphärisch, können damit, abhängig vom Prüflingsdurchmesser, alle sphärischen Objekte sowie diejenigen Asphären geprüft werden, die nur leicht von der sphärischen Form abweichen. Für stark asphärische Prüflinge oder Freiformflächen muss die individuelle Referenzwellenfront mittels eines computergenerierten
Flologramms CGFI erzeugt werden.
Die Konfokalmikroskopie (z.B. EP 0 646 768 A2) nutzt einen speziell konstruierten Strahlengang aus, bei dem nur die Strahlung zurück zum Sensor gelangt, welche exakt im Fokuspunkt des genutzten Objektivs liegt. Wird die vertikale Position des Objektivs durch Piezo-Aktoren hochgenau verändert, kann so die Flöheninformation der betreffenden Prüflingsoberfläche erfasst werden.
Die hohe laterale Auflösung optisch flächig messender Verfahren und der
Konfokalmikroskopie erlaubt eine kombinierte Form- und Rauheitsmessung an
Teilbereichen der Prüflingsoberfläche. Zwar skaliert die laterale Auflösung
entgegengesetzt zum gewählten Messbereich, aber auch größere Flächen lassen sich durch das Aneinanderfügen (engl stitching) von Einzelmessungen erfassen. Dazu wird ein gewisser Überlappbereich der Einzelmessungen genutzt, der bis zu 20 % betragen kann. Insbesondere bei merkmalsarmen Oberflächen kommt es dabei trotzdem zu Stitching-Artefakten, also zu Berechnungsfehlern beim rechnerischen Ausrichten der einzelnen Messfelder, welche das Messergebnis unzulässig beeinträchtigen können.
Wie bereits erwähnt, ist neben der Formprüfung die Prüfung der Orientierung von optischen Funktionsflächen zueinander, z.B. von den beiden Funktionsflächen einer Linse, ein weiterer wichtiger Aspekt. Trotz präziser Einzelflächen ist die Güte der Funktion der Linse entscheidend davon abhängig, wie die beiden Flächen zueinander orientiert sind. Dies gilt sowohl für die Funktionsflächen eines einzelnen optischen Elements (z. B. Vorder- und Rückseite einer Vorsatzoptik) als auch für die einzelnen Elemente eines mehrkomponentigen Systems. Mögliche Fehler in der Orientierung der Funktionsflächen zueinander können dabei in Dezentrierungen und Verkippungen bestehen. Bei der Dezentrierung ist die optische Achse der Funktionsfläche parallel zur Achse des Systems lateral versetzt, wohingegen sie bei der Verkippung um einen beliebigen Punkt verdreht ist. Diese Bauteilfehler hängen unmittelbar mit dem
Fierstellungsprozess zusammen und können z.B. auf die Achsparallelität der
Formwerkzeuge oder die Geradheit ihrer Führung zurückgeführt werden.
Informationen über die Orientierung von Funktionsflächen zueinander sind gemäß dem Stand der Technik messtechnisch nur mit erheblichem Aufwand zu erfassen, z.B. durch eine Prüfung der Orientierung der jeweiligen optischen Achse mittels eines
Autokollimationsfernrohrs (bei sphärischen Flächen) und erforderlichenfalls durch zusätzliche Sensorik zur Erfassung des Schlags (bei asphärischen Flächen). In manchen Fällen (z.B. Freiformflächen) kann die Orientierung auch gar nicht erfasst werden. Es handelt sich dabei stets um einen iterativen Prozess, bei dem die einzelnen Funktionsflächen sukzessive erfasst werden.
Die Erfassung derartiger Fehler kann sowohl über die Prüfung der Geometrie als auch über die Prüfung der Funktion geschehen.
Gemäß dem Stand der Technik wird in der Geometrieprüfung beispielsweise über einen Autokollimator die Abweichung des Krümmungsmittelpunktes einer
rotationssymmetrischen Fläche zur optischen Achse des Systems erfasst, um so etwaige Fehlpositionierungen dieser Fläche messen zu können (z.B. DE 10 2006 052 047 A1 ). Auch in mehrkomponentigen Systemen können so die einzelnen
Funktionsflächen und damit das Gesamtsystem sukzessiv charakterisiert werden.
Für die Funktionsprüfung kommen häufig Wellenfrontsensoren zum Einsatz, welche über ein Mikrolinsenarray die lokalen Steigungen der Wellenfront und damit die lichtformenden Eigenschaften des optischen Systems auf einer CCD-Kamera abbilden (z.B. DE 103 48 509 A1 ). Die so rekonstruierte Wellenfront kann dazu dienen, näheren Aufschluss über die Systemeigenschaften zu liefern. Flierzu kann beispielsweise die gemessene Wellenfront in ihre orthogonale Polynome, die sogenannten Zernike Koeffizienten zerlegt werden. Mit einer überschaubaren Anzahl solcher Koeffizienten kann die gemessene Wellenfront in guter Näherung nachgebildet werden. Der
Wesentliche Vorteil dieser Koeffizienten-Darstellung liegt aber in der Tatsache, dass bestimmte Koeffizienten Rückschlüsse auf bestimmte Systemzustände zulassen.
Beispielsweise korreliert der Koma-Term der Wellenfront unmittelbar mit der
Dezentrierung der Systemkomponenten. Diese Zusammenhänge sind z. T. linear und können genutzt werden, um Korrekturanweisungen für die Positionierung der
Komponenten zueinander zu berechnen und umzusetzen.
Die optische Kohärenztomografie (OCT, Optical Coherence Tomography) ist eine bekannte Variante der Weißlicht-Interferometrie, welche kurzkohärentes Licht einsetzt. Die kurze Kohärenzlänge des Lichts ist erforderlich für eine hohe axiale Auflösung. Man unterscheidet zwischen unterschiedlichen OCT-Verfahren. Zum einen ist die Time Domain OCT (TD-OCT) bekannt, bei der der optische Weg im Referenzarm des Interferometers in seiner Länge verändert werden muss. Nachteilig ist die dabei erforderliche Bewegung mechanischer Teile, welche Zeit kostet und die Gefahr von Kollisionen oder Vibrationen mit sich bringt. Ohne mechanische Bewegung kommt die Frequency Domain OCT (FD-OCT) aus, für die bevorzugt zwei Verfahrensalternativen genutzt werden. Bei der SD-OCT (Spectral Domain Optical Coherence Tomography) wird eine breitbandige Strahlungsquelle verwendet und am Detektor ein Spektrometer eingesetzt. Alternativ kann die SD-OCT (Swept Source Optical Coherence
Tomography) genutzt werden, bei der die Strahlungsquelle durchstimmbar ist. Als Detektor wird dann ein symmetrischer Photodetektor (balanced photodetector) verwendet. Bei beiden Alternativen wird über das empfangene Signal eine
Fouriertransformation durchgeführt.
Die OCT wird bislang im Wesentlichen im medizinischen Bereich eingesetzt, z.B. zur Vermessung von weichem Gewebevolumen oder auf dem Gebiet der ophthalmischen Diagnose und Behandlung. Im Allgemeinen wird bei der OCT zwischen A-Scan, B-Scan und C-Scan unterschieden. Im Folgenden wird unter einem A-Scan eine Messung in die Tiefe verstanden, bei der keine Scan-Bewegungen des Messstrahls in lateraler
Richtung durchgeführt werden. Beim B-Scan erfolgt eine laterale Scan-Bewegung des Messstrahls derart entlang einer Geraden, so dass eine Abfolge von A-Scans einen Schnitt durch die untersuchte Probe ergibt. Ein C-Scan ist eine Abfolge von mehreren nebeneinander liegenden B-Scans, so dass ein Volumenscan des untersuchten Objekts oder eines Teils des Objekts erzeugt wird.
Aus der DE 10 2009 006 306 A1 ist eine Vorrichtung zum Kalibrieren oder Bewerten der Leistung einer Refraktionsplattform bekannt, die ein Modell-Auge und mindestens ein Referenzelement aufweist. Das Modellauge ist durch eine vordere Kappe und eine von der Kappe abgedeckte Halbkugel gebildet, wobei die Kappe für Licht, welches bei Verwendung der Vorrichtung eingesetzt wird, nahezu transparent ist. Die Kappe kann z.B. durch einen Film, eine aufgedampfte Schicht, Spritzgießen oder eine Kontaktlinse realisiert sein. Die Halbkugel ist um die variable Dicke eines Schlitzes von einem zylindrischen Körper beabstandet. Der Schlitz kann zum Einfügen weiterer Elemente, z.B. einem Irismodell, dienen. Kappe, Halbkugel und Körper bestehen jeweils aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen. Die äußere Fläche der Kappe und die Grenzfläche zwischen Kappe und Halbkugel reflektieren eingestrahltes Licht, was die Messung der Materialdicke der Kappe ermöglicht, z.B. durch OCT- Messung. Die Dicke kann während eines formändernden Prozesses oder vorher und nachher gemessen werden. Es ist nicht offenbart, mittels OCT neben der
Dickenmessung auch Informationen über die Form und Orientierung der beteiligten Grenzflächen zu erlangen.
Aus der DE 103 92 656 B4 ist ein Interferometer-System zur Ermittlung einer
dreidimensionalen Werkstückoberfläche bekannt. Das mit Weißlicht arbeitende
Interferometer wird mit einem dreiachsigen Aufbau über dem Werkstück verfahren, wobei die bei Auftreffen eines Fokuspunkts von der Werkstückoberfläche reflektierte Strahlung ausgewertet wird. Um eine Aussage über die Richtung der Bewegung des Messkopfes relativ zum Werkstück treffen zu können, wird in diversen
Ausführungsformen der Einsatz mehrerer zueinander beabstandeter Fokuspunkte von Strahlung unterschiedlicher Frequenzen vorgeschlagen. In der Druckschrift wird das in der Zeit-Domäne (Time Domain) arbeitende angewendete Verfahren als optische Kohärenztomographie bezeichnet. Es wird lediglich die Information über eine
dreidimensional verlaufende Oberfläche ermittelt. Das Messverfahren bietet keine Volumeninformation über das vermessene Objekt, welches offensichtlich nicht
(teil-)transparent ist. Aus der EP 1 744 119 A1 ist ein Verfahren zur Analyse von Form, Dimension oder Topografie eines Objekts bekannt, wobei die FD-OCT eingesetzt wird und zwar unter Nutzung einer durchstimmbaren Strahlungsquelle (SS-OCT). In einem
Ausführungsbeispiel wird die Anwendung des Tomografie-Verfahrens zur Messung von Oberflächen im Inneren einer Vertiefung dargestellt. Es ist auch offenbart, dass es mit diesem Verfahren möglich sein soll, mehrere partiell reflektierende Oberflächen eines partiell transparenten Objekts zu untersuchen, ohne die diesbezügliche
Vorgehensweise näher darzustellen.
Aus der DE 10 2010 032 138 A1 ist ein OCT-basiertes, ophthalmologisches
Messsystem mit einer Scanner-Einheit bekannt, welches ein SS-OCT-System (Swept Source OCT) ist, wobei die Durchstimmzeit dA /dt der Lichtquelle an die angestrebte maximale Messtiefe und die Frequenz der axialen Modulation der Scanner-Einheit angepasst ist. Hierdurch sollen der Einfluss auftretender axialer Modulationen der Scanner-Einrichtung kompensiert oder zumindest minimiert werden. Das Messsystem wird zur Bestimmung von Abständen und zur Abbildung von Augenstrukturen
eingesetzt. Es ist offenbart, dass das System auch auf anderen Gebieten als den Bereich der Ophthalmologie eingesetzt werden könnte, ohne jedoch ein konkretes Beispiel zu benennen.
Der hier betroffenen Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung optischer Elemente zur Verfügung zu stellen, die eine Alternative gegenüber dem Stand der Technik darstellen und insbesondere die
Möglichkeit einer vollständigen Charakterisierung eines optischen Elements in nur einer Messung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die
Merkmale des Anspruchs 1 bei einer Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen. Somit wird vorgeschlagen, dass zur Prüfung geometrischer Eigenschaften optischer Elemente aus Kunststoff oder Glas optische Kohärenztomographie eingesetzt wird, wobei ein Volumenscan (C-Scan) des zu prüfenden optischen Elements aufgenommen wird.
Die optische Kohärenztomographie, im Folgenden kurz OCT genannt, ist sehr flexibel bezüglich der Geometrie des zu prüfenden optischen Elements. Durch die hohe
Sensitivität der OCT reicht ein geringer Teil am Prüfling zurückgestreuten Lichts aus, um ein verwertbares Messsignal zu erhalten. Dadurch können insbesondere auch Prüflinge mit hoher Flankensteilheit gemessen werden, was mit den eingangs dargestellten alternativen Verfahren nach dem Stand der Technik nur unter großem Aufwand realisiert werden kann. Weiterhin ist das Verfahren schnell und kann innerhalb weniger Sekunden mehrere Funktionsflächen mit nur einer Messung charakterisieren. Darüber hinaus entfällt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine hochpräzise Ausrichtung des Prüflings gegenüber dem Messsystem. Einen weiteren Vorteil des Verfahrens stellt der vergleichsweise geringe technische Aufwand zur Realisierung eines OCT-Systems dar. Die Messung erfolgt in Rückstreuung, so dass die Integration vergleichsweise platzsparend erfolgen kann, was insbesondere für
maschinenintegrierte oder automatisierte Applikationen Vorteile bietet. Die Umsetzung von optischen Wegstrecken mit Hilfe von optischen Fasern ermöglicht einen im
Vergleich zur Stand der Technik robusten und gleichzeitig flexibel einsetzbaren und kompakten Aufbau mit einer möglichst geringen Anzahl beweglicher Teile.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können z.B. vorteilhaft zur Optikprüfung im Bereich der optischen oder mikrooptischen
Komponenten, wie z.B. Asphären oder Freiformlinsen, eingesetzt werden, insbesondere auch für Vorsatzoptiken, z.B. bei LED-Beleuchtungsoptiken. Insbesondere bei der replikativen Fertigung besteht ein Bedarf nach einem schnellen Prüfungsverfahren, welches für verschiedenste Geometrien ohne spezielle Anpassung verwertbare
Ergebnisse liefert. Durch die relativ kompakte Bauweise von OCT-Messeinrichtungen und durch den möglichen Einsatz von Faseroptik können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung in bestehende Produktionsprozesse, z.B. durch Integration in Spritzgussanlagen, leicht eingefügt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgeführt werden, dass die Form mindestens zweier Funktionsflächen mindestens eines optischen Elements geprüft wird. Mit der Erfassung der Form mehrerer Funktionsflächen in nur einer Messung ist automatisch auch die Ausrichtung der mindestens zwei Funktionsflächen relativ zueinander bestimmt.
Die kombinierte Erfassung sowohl der Form als auch der Ausrichtung der
Funktionsflächen zueinander ermöglicht eine vollständige messtechnische
Charakterisierung optischer Elemente in geometrischer Hinsicht in nur einer Messung. Durch die Eigenschaften der tomographischen Erfassung beider Funktionsflächen ermöglicht das neue Verfahren also, nicht nur enorme Flankensteilheiten zu detektieren sondern gleichzeitig auch die Orientierung der Funktionsflächen zu charakterisieren.
Bei der Prüfung mindestens zweier Funktionsflächen können diese zum selben optischen Element, vorzugsweise einer optischen Linse, gehören. Die zu prüfenden Funktionsflächen können aber auch zu unterschiedlichen optischen Elementen gehören.
Bei der Prüfung zweier in Einstrahlrichtung hintereinander angeordneter
Funktionsflächen kann die Abbildung der hinteren Funktionsfläche aufgrund der
Brechungseigenschaften des Materials des optischen Elements an der vorderen
Funktionsfläche verzerrt werden. Bei bekannten Brechungseigenschaften des optischen Elements kann dieses vorzugsweise mittels eines softwaregestützten Algorithmus berücksichtigt werden. Entsprechendes gilt bei der Untersuchung von drei oder mehr hintereinander angeordneter Funktionsflächen, nämlich durch Berücksichtigung der Brechung an jedem Übergang zwischen Materialien unterschiedlicher
Brechungsindizes.
Die Berücksichtigung der Brechungseigenschaften für die Ermittlung der Form der hinteren Funktionsfläche kann für jeden A-Scan des Volumenscans (C-Scans) unter Berücksichtigung benachbarter A-Scans separat mit Hilfe von Strahlverfolgung
(Raytracing) erfolgen. Dazu kann zunächst der Normalenvektor auf der dem Messsystem zugewandten Funktionsfläche am Auftreffpunkt des Messstrahls bestimmt werden. Dies kann z.B. mittels Triangulationsverfahren oder lokaler Flächenanpassung geschehen. Anschließend wird mit dem Einfallsvektor des Messstrahls, dem
scheinbaren Abstand zwischen vorderer und hinterer Funktionsfläche im A-Scan und den Brechungsindizes der die vordere Funktionsfläche umschließenden Materialien unter Zuhilfenahme des Snelliusschen Brechungsgesetzes der geometrische Ort der hinteren Funktionsfläche im Koordinatensystem der Messdaten ermittelt.
Alternativ kann eine umfassende Flächenanpassung jeweils an die vordere und hintere Funktionsfläche durchgeführt werden, d.h. an die vollständige oder im Wesentlichen vollständige Funktionsfläche wird, z.B. mittels Verwendung eines mathematischen Modells wie der Asphärengleichung oder unter Einsatz von Zernikepolynomen, eine Fläche angepasst. Anschließend kann die Bestimmung von Neigungswerten oder Normalenvektoren auf variabler Anzahl an Stützstellen erfolgen, um die Verzerrung der hinteren Funktionsfläche entsprechend oben genanntem Strahlverfolgungs-Verfahren korrigieren zu können.
Die auf die beschriebene Weise ermittelten Messdaten der Funktionsflächen können z.B. direkt mit den Daten eines Objekt-Modells verglichen werden, um z.B.
Abweichungen des Prüflings von Solldaten festzustellen, oder es können
charakteristische Prüfgrößen ermittelt werden. Im Fall einer Linse können solche Prüfgrößen z.B. die Mittendicke, Krümmungsradien, Asphärenkoeffizienten, Keilwinkel oder Dezentrierung sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere so ausgeführt werden, dass die OCT im Frequenzbereich ausgeführt, d.h. FD-OCT (Frequency Domain Optical Coherence Tomography) eingesetzt wird. Damit kann eine Veränderung der Länge des Referenzarms des Interferometers vermieden werden. Zudem kann die Messung gegenüber einer TD-OCT schneller durchgeführt werden. Als Variante der FD-OCT können z.B. die SS-OCT oder die SD-OCT eingesetzt werden.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens anhand von Figuren dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 : einen aus dem Stand der Technik bekannten Messaufbau mit einem SD-OCT,
Fig. 2: eine Darstellung zur Verdeutlichung eines Triangulationsverfahrens zur
Ermittlung eines Normalenvektors N,
Fig. 3: den Strahlverlauf eines an einer ersten Funktionsfläche gebrochenen
Messstrahls und
Fig. 4: eine Darstellung zur Erläuterung zur Korrektur des ermittelten Verlaufs einer zweiten Funktionsfläche.
Fig. 1 zeigt eine mögliche Messeinrichtung mit einem SD-OCT. Mit dem beispielhaften Verfahren sollen zwei Funktionsflächen 2 und 3 eines optischen Elements, nämlich einer Linse 1 , mittels eines C-Scans hinsichtlich ihrer Form und Ausrichtung ermittelt werden. Die Strahlung zur Erzeugung eines Messstrahls 4 entstammt einer
breitbandigen Strahlungsquelle 5 für kurzkohärente Strahlung, z.B. einer
Superlumineszenzdiode, und wird über Lichtleiter 6 und einen Faserkoppler 7 in der Messeinrichtung verteilt. Die Strahlung durchläuft als Referenzpfadstrahlung 8 einen Referenzpfad 9 mit einem Referenzspiegel 10 und als Messstrahl 4 einen Objektpfad 11 mit Scanner-Spiegeln 12 und einem Scanner-Objektiv 13. Mittels der Scanner- Spiegel 12 kann der Messstrahl 4 zur Ausführung einer Scanbewegung in zwei lateralen Richtungen über die Linse 1 geführt werden. Die von den Funktionsflächen 2 und 3 zurückgestreute Strahlung des Messstrahls 4 wird im Faserkoppler 7 mit der Referenzpfadstrahlung 8 vereinigt, so dass es in einem Spektrometer 14 zur Interferenz kommt. Im Spektrometer 14 wird die Strahlung an einem optischen Gitter 15 spektral zerlegt und auf eine Zeilenkamera 16 gerichtet.
Die beschriebene Messeinrichtung und die Strahlführung sind allgemein aus dem Stand der Technik für SD-OCT -Verfahren bekannt. Für das erfinderische Verfahren können auch alternative OCT-Verfahren eingesetzt werden. Wie dargestellt wird der Messstrahl 4 des SD-OCT-Aufbaus derart auf die zu untersuchende Linse 1 gerichtet, dass die beiden Funktionsflächen der Linse 1 , im Folgenden als erste Funktionsfläche 2 und zweite Funktionsfläche 3 bezeichnet, in Strahlungsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei als erste Funktionsfläche 1 diejenige bezeichnet wird, auf die der Messstrahl 4 zuerst auftrifft.
Es wird ein C-Scan durchgeführt. Die dabei entstehende tomographische Aufnahme kann zur Kontraststeigerung und Rauschfilterung mit im Allgemeinen für andere
Anwendungen bekannten Methoden nachbearbeitet werden, z.B. mittels Gauß-Filter oder Histogrammspreizung. Anschließend wird ermittelt von welchen Orten der untersuchten Linse Strahlung zurückgestreut wurde, die zu lokalen Intensitätsmaxima der in der Messeinrichtung erzeugten Interferenzen geführt hat. Die Verteilung der Intensitätsmaxima enthält nun Informationen über die Funktionsflächen 2 und 3 der Linse 1. Ggf. kann zur Verbesserung der Präzision die axiale Position der lokalen Maxima subpixelgenau bestimmt werden, z.B. über einen Gauß-Fit. Aus den
Intensitätsmaxima können für beide Funktionsflächen 2 und 3 Formen ermittelt werden, die beispielsweise als Punktewolke gespeichert und weiterverarbeitet werden können.
Die Punktewolke der zweiten Funktionsfläche 3 muss allerdings korrigiert werden, da der von der zweiten Funktionsfläche 3 zurückgestreute Strahlungsanteil an der ersten Funktionsfläche 2 gebrochen wird. Zur Korrektur der Daten der zweiten Funktionsfläche 3 wird Strahlverfolgung (Raytracing) verwendet. Dazu muss zunächst der
Normalenvektor N auf der ersten Funktionsfläche 2 am Auftreffpunkten P des
Messstrahls 4 bestimmt werden. Dies kann z.B. mittels Triangulationsverfahren oder lokaler Flächenanpassung geschehen. Beim Triangulationsverfahren, welches in Fig. 2 schematisch für eine geringe Anzahl von Auftreffpunkten P0 bis P8 an der ersten Funktionsfläche 2 dargestellt ist, werden zwischen den festgestellten Punkten Pi bis P8 der Punktewolke Dreiecke aufgespannt. Normalenvektoren D0 bis D7 der um den mittleren Auftreffpunkt P0 herum angeordneten Dreiecke werden berechnet, um anschließend daraus mittels Interpolation den Normalenvektor N0 am zentralen
Auftreffpunkt P0 zu ermitteln. Die Interpolation kann über eine gewichtete Mittelung der umgebenden Normalenvektoren D0 bis D7 erfolgen. Hierfür sind aus dem Stand der Technik diverse Ansätze im Zusammenhang mit der Krümmungsabschätzung an triangulierten Punktwolken bekannt (siehe z.B. Günter Grosche, Viktor Ziegler,
Eberhard Zeidler, Dorothea Ziegler:„ Teubner - Taschenbuch der Mathematik, Teil 2“,
8. Ausgabe, Springer-Verlag (2013), S. 103). Auf diese Weise werden zu allen
Auftreffpunkten Pn der Punktewolke die Normalenvektoren Nn bestimmt. Hieraus ergeben sich Krümmungen und damit ein Flächenverlauf für die erste Funktionsfläche 2.
Alternativ zum beschriebenen Triangulationsverfahren kann in der lokalen Umgebung der Auftreffpunkte eine Anpassung mathematischer Flächen an die Punktewolke durchgeführt werden, um anschließend den Normalenvektor am Auftreffpunkt aus der angepassten Fläche zu ermitteln.
Der bekannte Verlauf der Funktionsfläche 2 wird nun eingesetzt, um unter
Berücksichtigung der an ihr gegebenen Brechung des Messstrahls 4 die hierdurch verzerrt ermittelte Form der zweiten Funktionsfläche zu korrigieren. Mit Hilfe des
Snelliusschen Brechungsgesetzes wird unter Ausnutzung bekannter Größen, nämlich der Richtung des einfallenden Messstrahls 4, in Fig. 3 mit dem Vektorzeichen / versehen, den Brechungsindizes nj und nt der die erste Funktionsfläche 2
umschließenden Materialien, nämlich im Beispiel der Linse 1 Luft und Glas oder Kunststoff, und dem zuvor berechneten Normalenvektor JV der Vektor T der Ausbreitung des Messstrahls nach Durchstoßen der ersten Funktionsfläche 2 ermittelt (siehe Fig. 4). Die hierfür geeignete Formel lautet:
Fig. 4 verdeutlicht, wie mit dem so für jeden Auftreffpunkt Pn ermittelten Vektor Tn und der optischen Weglänge ln zwischen dem Auftreffpunkt Pn des Messstrahls 4 an der ersten Funktionsfläche 2 und dem scheinbaren Auftreffpunkt Qn an der zweiten Funktionsfläche 3 unter Einsatz der folgenden Rechnung die tatsächliche, das heißt unverzerrte geometrische Position Q‘n des Auftreffpunkts des Messstrahls 4 auf der zweiten Funktionsfläche 3 bestimmt werden kann.
Auf diese Weise kann durch Rekonstruktion der Strahlungsverläufe an sämtlichen Punkten Pn die tatsächliche Form und Position der zweiten Funktionsfläche 3 berechnet werden, welche durch die Menge der Punkte Q’n repräsentiert wird. Für die
Rekonstruktion der Strahlungsverläufe wird nicht das von den Funktionsflächen reflektierte Licht sondern das zurückgeworfene Streulicht detektiert, da
messprinzipbedingt nur die Lichtstrahlen zum OCT-Signal beitragen, die auf dem gleichen Weg in das Scanner-Objektiv 13 des OCT-Systems eindringen, auf dem sie ausgetreten sind. Eine Verfolgung des Messstrahls 4 unter Einsatz des
Reflexionsgesetzes wird also nicht vorgenommen, da messprinzipbedingt nur die Lichtstrahlen zum OCT-Signal beitragen, die auf dem gleichen Weg in das Scanner- Objektiv 13 des OCT-Systems eindringen, auf dem sie ausgetreten sind.
Für die gewünschte Information über die Form der hinteren Funktionsfläche 3 muss diese nicht trianguliert werden. Nach der Verzerrungs-Korrektur können die Punkte Q‘n z.B. direkt mit Solldaten verglichen werden oder es wird an die Punkte Q‘n ein geeignetes Modell angepasst (z.B. Asphärengleichung oder Zernike-Polynome), aus welchem dann z.B. charakteristische Kenngrößen der Linsenfläche abgeleitet werden können (beispielsweise Krümmungsradius, Asphärenkoeffizienten, ggf. Formfehler).
Da mit der durchgeführten Messung beide Funktionsflächen 2 und 3 in Ihrer Form bestimmt wurden, ist auch ihre relative Ausrichtung zueinander bekannt. Bezugszeichenliste
1 Linse
2 Erste Funktionsfläche
3 Zweite Funktionsfläche
4 Messstrahl
5 Strahlungsquelle
6 Lichtleiter
7 Faserkoppler
8 Referenzpfadstrahlung
9 Referenzpfad
10 Referenzspiegel
11 Objektpfad
12 Scanner-Spiegel
13 Scanner-Objektiv
14 Spektrometer
15 optisches Gitter
16 Zeilenkamera
Pn Auftreffpunkte des Messstrahls auf erste Funktionsfläche
Dn Normalenvektoren Dreiecke
Nn Normalenvektor Auftreffpunkt Pn
Qn Auftreffpunkte des Messstrahls auf zweite Funktionsfläche (verzerrt)
Q‘n Auftreffpunkte des Messstrahls auf zweite Funktionsfläche (unverzerrt)

Claims

Verfahren sowie Vorrichtung zur Prüfung geometrischer Eigenschaften optischer Komponenten Patentansprüche
1. Verfahren zur Prüfung geometrischer Eigenschaften optischer Elemente aus Kunststoff oder Glas mittels Interferometrie,
bei dem optische Kohärenztomographie eingesetzt und ein Volumenscan des zu prüfenden optischen Elements aufgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Form mindestens zweier Funktionsflächen (2, 3) mindestens eines optischen Elements geprüft wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der mindestens zwei Funktionsflächen (2) relativ zueinander ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Funktionsflächen vorzugsweise zum selben optischen Element, vorzugsweise einer optischen Linse (1 ), gehören.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der jeweiligen Form mindestens einer der Funktionsflächen (2, 3) eine in Einstrahlrichtung eines Messstrahls (4) gesehen vor dieser Funktionsfläche (2, 3) gegebene Brechung der Strahlung berücksichtigt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlverfolgung eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Form einer in Einstrahlrichtung des Messstrahls (4) hinter einer ersten Funktionsfläche (2) angeordneten zweiten Funktionsfläche (3) die Strahlungsbrechung an der ersten Funktionsfläche (2) berücksichtigt wird, wobei an Auftreffpunkten (Pn) des Messstrahls (4) auf der ersten Funktionsfläche (2) die jeweiligen Normalenvektoren (Nn) oder die lokalen Krümmungen der ersten Funktionsfläche (2) bestimmt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Normalenvektoren (Nn) mittels eines Triangulationsverfahrens bestimmt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen
Krümmungen der ersten Funktionsfläche (2) mittels Flächenanpassung ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass FD-OCT (Frequency Domain Optical Coherence Tomography), bevorzugt SS-OCT (Swept Source Optical Coherence Tomography) oder SD-OCT (Spectral Domain Optical Coherence Tomography), eingesetzt wird.
11. Vorrichtung zur Prüfung geometrischer Eigenschaften optischer Elemente aus Kunststoff oder Glas mittels einer interferometrisch arbeitenden Messeinrichtung, wobei die Messeinrichtung eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.
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