CN109416245B

CN109416245B - 用于测量表面形貌的设备和方法以及校准方法

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Publication number: CN109416245B
Application number: CN201780035577.8A
Authority: CN
Inventors: L.奥姆洛尔; C.格拉泽纳普
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2021-01-01
Anticipated expiration: 2037-04-07
Also published as: WO2017174791A1; EP3462129A1; CN111595269A; EP3440427A1; EP3440427B1; CN111595269B; EP3462129B1; US20190049238A1; DE102016106535B4; US20210148699A1; MX2018012175A; CN109416245A; DE102016106535A1; US10935372B2

Abstract

本发明涉及用于测量物体（12）的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率的方法和设备（10）。该设备（10）能够实现以能够贴靠在该物体（12）上的接触部（17）将该物体（12）安排在接收范围（14）内。在该设备（10）中具有提供光的多个点光源（20），该光被反射到安排在该接收范围（14）内的物体的待测量的面（18）上。该设备（10）具有至少一个相机（34），该相机具有物镜组件（40）和图像传感器（46）用于采集亮度分布，该亮度分布在图像传感器（46）上由点光源（20）的反射到该待测量的面（18）上的光引起。

Description

用于测量表面形貌的设备和方法以及校准方法

本发明涉及用于测量物体、尤其眼镜镜片的光学有效面的形貌和/或梯度和/或曲率的方法和设备。此外，本发明涉及一种用于校准用于测量物体的光学有效面的形貌和/或梯度和/或曲率的设备的方法。

US 4,998,819公开了一种用于测量物体的形貌的设备，在其中借助大量安排在球表面区段的内侧上的发光二极管在物体的表面产生反射，这些反射通过光电探测器进行采集然后进行评估。

用于测量构成为眼镜镜片的物体的光学有效面的形貌和/或梯度和/或曲率的设备例如在DE 10 2013 208 091 A1和DE 10 2013 219 838 A1中进行了描述。为算出物体的空间结构，将其安排在夹持装置中。然后由大量点光源提供光，光反射到物体的光学有效面上。在用于测量形貌和/或梯度和/或曲率的设备中，通过相机采集由点光源的光引起的亮度分布并且借助计算机程序进行评估。该计算机程序针对每个借助相机采集的、物体表面上的点的光束和点光源的已知位置计算在该点上的表面法线并且由此通过积分和插补然后计算光学有效面的所需要的形貌。

从DE 10 2011 010 252 A1中已知一种具有可移动的图像传感器的相机，该图像传感器能够在相机的光轴的方向上移位。

US 2006/0017720 A1公布了一种用于测量光漫散射到的表面的***，其方式为借助扫描仪用光束扫描该表面，这些光束在该表面上产生模型，然后通过相机对该模型进行采集。通过评估模型的由待测量的表面形成的形状以及扫描仪与相机之间的相对位置，然后***就能够给出待测量的表面所需要的走向。

本发明的目的在于，提供一种设备和一种方法，用于以小的相对误差精确地局部测量物体的光学有效面的形貌和/或梯度和/或曲率，例如以仅在百分比范围内的或更小的相对误差。

尤其，本发明的目的在于，给出一种设备和一种方法，用于以至少10^-2dpt的绝对精度测量光学有效面的局部曲率走向。

此目的通过独立权利要求中给出的用于测量物体、尤其眼镜镜片的光学有效面的形貌和/或梯度和/或曲率的方法和设备实现，并且通过独立权利要求中给出的用于校准用于测量物体的光学有效面的形貌和/或梯度和/或曲率的设备的方法实现。

本发明的有利的实施方式在从属权利要求中给出。

在本发明的范围中，点光源应理解为这样的光源，即其范围如此小，即使得该光源从位于接收范围内的点看出去基本上呈现点状，也就是说，参考位于接收范围内的一个点，该光源例如仅覆盖住了尺寸Ω_P≤ 0.5% sr或Ω_P≤ 0.3% sr或Ω_P≤ 0.1% sr或优选尺寸Ω_P≤ 0.05% sr的立体角Ω_P。这样的点光源能够构成为发光二极管（LED），例如构成为所谓的SMD发光二极管。

然而在本发明的范围内中，点光源也能够构成为光导体的安排在多面体表面中的端部。但是在本发明的范围内中，点光源也能够为遮蔽屏中的孔，该孔对应有一个或多个背景光。在本发明的范围内中，点光源用于通过光点照亮待测量物体的光学有效面。

本发明基于这样的思想，即通过采集关于物体的表面多个点的位置的信息不仅可以非常精确地算出物体的表面的曲率，还能非常精确地算出其形貌，方法是在计算机单元中通过计算机程序使用算法处理采集到的位置。

在此本发明的一个主题思想是，使用迭代算法处理采集到的信息并且从而大大提高物体测量的测量精度。此外本发明的一个主题思想是，将使用迭代算法的计算转移到位于世界上任意地方的中央高性能计算机上（远程计算），以便以这种方式能够迅速地、即在数秒之内执行物体的光学有效面的形貌和/或梯度和/或曲率的测量。在本发明的范围内，在相应的算法中还能够使用外部的光线追踪程序，例如新思科技公司（690 EastMiddlefield Road, Mountain View, California 94043 USA）的CODE V®程序或者ZemaxLLC公司（10230 NE Points Dr. Suite 540, Kirkland, Washington (State) 98033,USA）的Zemax®程序。该措施使得尤其能够减少所需的计算时间。本发明的一个主题思想还在于，用于处理在物体的表面的大量点上采集到的信息的迭代算法还能够转移到显卡处理器（GPU）上。该措施同样导致计算时间减少。

通过将相机的图像传感器安排成可沿着穿过物镜组件的调节轴线线性移动式位移，能够实现，可通过测量测试对象非常精确地校准设备。

本发明因此尤其能够实现以至少10^-2 dpt的精度测量非球面的折射能力。此外，本发明还能够实现凹形的和凸形的自由曲面的形貌的测量。尤其地，本发明能够实现在直径最大为80 mm的物体尺寸的情况下平均半径介于-50 mm - -1000 mm和+50 mm - +1000 mm之间的非球面透镜的测量，以及局部和整体折射能力和形貌的测量。发明人已经证明，通过本发明可行的是，在使用上述远程计算时在不超过10秒的时间间隔内测量自由曲面。

根据本发明的在点光源中的用于测量物体的光学有效面的形貌和/或梯度和/或曲率的设备优选安排在邻接三维的半空间的二维超曲面上。

与三维的半空间邻接的二维超曲面能够例如为多面体的侧面。多面体在此应理解为三维空间的子集，该子集仅邻接平坦的面、即平面。多面体能够例如为是钝角二十面体、立方体、十二面体、二十面体、具有圆柱结构的7角截锥体、具有圆柱中间结构的6角截锥体或具有不同节距的第二截锥体的9角锥体。点光源在此优选至少部分地构成为发光二极管。本发明的一个主题思想还在于，针对点光源为支架结构设置一个或多个电路板。

在当前情况下，电路板、也称印刷电路板应理解为构成为板状载体的平面组件，用于容纳电气和/或电子部件。在这样的平面组件上，这些部件可以自由地布线或在优选的实施方式中连接至以电绝缘材料牢固粘附的导电连接中。该平面组件的板状载体可例如由材料FR2、FR3、CEM1、CEM3或FR4制成。

以SMD形式的发光二极管可以用自动贴装机安装在电路板上。在此，自动贴装机使得可以在电路板上按照定义以这样的定位精度定位发光二极管，即定位精度处于从0.001mm到0.01 mm的范围内并且例如可以使用CAD程序精确指定。

物镜组件以适宜的方式具有光轴，该光轴与调节轴线齐平。在此，物镜组件的光轴应理解为物镜组件的光学元件的折射光的面的曲率中心点的连接线。通常，光轴是光学组件的光学元件的对称轴线。

根据本发明的设备能够具有安排在接收范围与物镜组件之间的透镜、优选场透镜，该透镜的折射能力为正或为负。在当前情况下，场透镜这一概念应理解为聚光透镜，其作用在于使由点光源发出的光在待测量的物体的光学有效面上的参考表面法线的入射角变得更陡。从而可以实现，还能够以高精度确定待测量的物体的光学有效凹面的形貌。

有利的是，透镜、优选场透镜也具有与物镜组件的光轴齐平的光轴，即与透镜组件的光轴重合的对称轴线。以这种方式可行的是，以高精度测量物体的光学有效凹面。

为了校准根据本发明的用于测量物体的光学有效面的形貌和/或梯度和/或曲率的设备，确定球形接触部在参考相机的图像传感器的坐标系和成像尺寸中的位置以及相机的光学成像***的失真。在此尤其有利的是，在使用优化方法的情况下通过测量已知的几何形状的测试对象来算出该接触部的位置。成像尺寸能够通过测量该图像传感器上盘状的测试对象的亮度分布来确定。

还有利的是，图像传感器的调节轴线的走向在参考该图像传感器的坐标系中确定。尤其有利的是，在参考相机的图像传感器的坐标系中使用优化方法确定点光源的位置，也就是说使用这样一种方法，即在其中将目标函数最大化或最小化。

作为优化方法，在此例如能够使用这样一种优化方法，即其将目标函数最小化，借助该目标函数确定对象结构与测试对象已知的几何形状之间的偏差，其中通过***参数的变化来确定目标函数的最大值或最小值。***参数的这种变化能够例如通过梯度下降法来执行。

对于根据本发明的具有安排在接收范围与物镜组件之间的透镜、优选场透镜的设备而言，适宜的是，在第一步中确定点光源在透镜、优选场透镜上的反射并且然后在图像传感器上的关于测试对象所采集的亮度分布中抑制这些反射。

为了避免干扰性光反射，有利的是，在点光源之间安排一种材料，该材料吸收在由点光源发出的光的波长范围内的光。

本发明还包括一种方法，用于测量物体的光学有效面的形貌和/或梯度和/或曲率，该方法可以包括以下步骤：

i. 将该待测量的物体安排在接收范围内贴靠在该物体上的接触部上；

ii. 采集由光斑组合成的亮度分布，该亮度分布在图像传感器上由一个或多个点光源的反射到待测量的面上的光引起；

iii. 算出图像传感器上光斑的质心；

iv. 将该亮度分布与引起该亮度分布的点光源对应；

v. 确定由点光源发出的光在该物体上的反射位置；

vi. 计算由点光源发出的光的反射位置上的表面法线

；

vii. 通过面的由表面法线

确定的方向导数的积分计算物体的形貌；并且

viii. 迭代地重复第v步至第vii步直至达到收敛标准，也就是说一直重复迭代的第v步至第vii步，直至在两个连续的步骤中计算出的形貌的标准差小于规定的公差；并且

ix. 算出在参考图像传感器的坐标系的坐标系中物体的面上至少一个点的地点和/或位置。

本发明还包括一种计算机程序，其具有程序代码，用于校准用于测量物体的光学有效面的形貌和/或梯度和/或曲率的设备，以及还包括一种计算机程序，其具有程序代码，尤其用于执行上述方法中的第iii步至第ix步。

此外，本发明还涉及一种计算机，其具有处理器和存储器，在该存储器上存储有上述计算机程序。

本发明的优选实施方式在下面的第1至38条中再现：

1. 一种方法，用于测量物体（12）的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率，该方法包括以下步骤：

i. 将该物体安排在接收范围（14）内贴靠在该物体（12）上的接触部上；

ii. 采集由光斑（57）组合成的亮度分布（79），该亮度分布由一个或多个光点、优选点光源（20）的反射到该物体（12）的待测量的面（18）上的光引起；

iii. 算出光斑（57）的位置和/或地点、优选质心（58）；

iv. 将该亮度分布与引起该亮度分布的光点、优选点光源（20）对应；

v. 确定由这些光点、优选点光源（20）发出的光在该物体（12）上的反射位置；

vi. 计算对于由这些光点、优选点光源（20）发出的光的反射位置上的表面法线

；并且

vii. 通过表面法线

的积分计算该物体（12）的形貌；

viii. 迭代地重复第v步至第vii步直至达到收敛标准；并且

ix. 算出该物体（12）的待测量的面（18）上的至少一个点（50）在对设备而言固定的坐标系（78）中的位置和/或地点。

2. 一种设备（10），用于测量物体（12）的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率，该设备包括：

i. 装置（16），用于将该物体安排在接收范围（14）内贴靠在该物体（12）上的接触部上；

ii. 装置，用于采集由光斑（57）组合成的亮度分布（79），该亮度分布由一个或多个光点、优选点光源（20）的反射到该物体（12）的待测量的面（18）上的光引起；

iii. 装置，用于算出光斑（57）的位置和/或地点、优选质心（58）；并且

iv. 装置，用于算出该物体（12）的该面（18）上的至少一个点（50）在对设备而言固定的坐标系（78）中的位置和/或地点，该算出过程具有下列步骤：

第1步：

将该亮度分布与引起该亮度分布的光点、优选点光源（20）对应；

第2步：

确定由这些光点、优选点光源（20）发出的光在该物体（12）上的反射位置；

第3步：

计算对于由光点、优选点光源（20）发出的光的反射位置上的表面法线

；

第4步：

通过表面法线

的积分计算该物体（12）的形貌；并且

迭代地重复第1步至第4步直至达到收敛标准。

3. 根据第2条所述的设备，其中用于采集由光斑（57）组合成的亮度分布（79）的该装置具有带有物镜组件（40）和图像传感器（46）的至少一个相机（34），在该图像传感器上该亮度分布由反射到该面（18）上的光引起。

4. 一种设备（10），用于测量物体（12）的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率；其中具有至少一个相机（34），该相机具有物镜组件（40）和图像传感器（46）用于采集亮度分布，该亮度分布在图像传感器（46）上由反射到该面（18）上的光引起；并且该相机（34）的该图像传感器（46）沿着穿过该物镜组件（40）的调节轴线（52）能够线性移动式位移地安排。

5. 根据第3条或第4条所述的设备，其中该物镜组件（40）具有与该调节轴线（52）齐平的光轴（42）。

6. 根据第4条或第5条所述的设备，其中装置（16），用于将该待测量的物体（12）安排在接收范围（14）内贴靠在该物体（12）上的接触部上。

7. 根据第6条所述的设备，其中提供光的多个光点、优选点光源（20），该光被反射到安排在该接收范围内的物体（12）的该待测量的面（18）上。

8. 根据第3条或第7条所述的设备，其中计算机单元（56），其具有计算机程序和存储器，该计算机程序存储在该存储器中，其中该计算机程序使用算法根据通过该图像传感器（46）采集到的亮度分布计算该物体（12）的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率，该亮度分布在该图像传感器（46）上由光点、优选点光源（20）的反射到待测量的面（18）上的光引起。

9. 根据第2条、第3条、第7条或第8条之一所述的设备，其中点光源（20）安排在半空间上，优选安排在与三维的半空间邻接的二维超曲面（26）上或半球上。

10. 根据第3条或第6条至第9条之一所述的设备，其中通过安排在该接收范围（14）与该物镜组件（40）之间的透镜、优选场透镜（80），该透镜的折射能力为正或为负并且该透镜用于将光点（20）、优选点光源的光转向该物体（12）并将该反射到该物体（12）上的光引导至相机（34）。

11. 根据第10条所述的设备，其中该场透镜（80）具有与该物镜组件（40）的光轴（42）齐平的光轴。

12. 一种方法，用于测量物体（12）的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率，该方法包括提供至少一个相机（34）这一步骤，该相机具有物镜组件（40）和具有图像传感器（46）用于采集亮度分布，该亮度分布在图像传感器（46）上由反射到该待测量的面（18）上的光引起；以及该相机（34）的该图像传感器（46）沿着穿过该物镜组件（40）的调节轴线（52）移位这一步骤。

13. 一种设备（10），用于测量物体（12）的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率，其具有用于以能够贴靠在该物体（12）上的接触部（17）将该物体（12）安排在接收范围（14）内的装置；具有提供光的多个光点、优选点光源（20），该光被反射到安排在该接收范围（14）内的物体的该待测量的面（18）上；具有至少一个相机（34），该相机具有物镜组件（40）和图像传感器（46）用于采集亮度分布，该亮度分布在图像传感器（46）上由这些光点、优选点光源（20）的反射到该待测量的面（18）上的光引起；以及具有安排在该接收范围（14）与该物镜组件（40）之间的透镜、优选场透镜（80），该透镜的折射能力为正或为负，其中该透镜、优选场透镜（80）具有与该物镜组件（40）的光轴（42）齐平的光轴，其中使用优化方法来确定光点、优选点光源（20）的位置和/或地点。

14. 一种方法，用于测量物体（12）的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率，该方法包括以下步骤：

以能够贴靠在该物体（12）上的接触部（17）将该物体（12）安排在接收范围（14）内；

提供来自大量光点、优选点光源（20）的光，该光被反射到安排在该接收范围（14）内的物体的该待测量的面（18）上；

提供至少一个相机（34），该相机具有图像传感器（46）和物镜组件（40）；

提供安排在该接收范围（14）与该物镜组件（40）之间的透镜、优选场透镜（80），该透镜的折射能力为正或为负，其中该透镜、优选场透镜（80）具有与该物镜组件（40）的光轴（42）齐平的光轴；并且

采集亮度分布，该亮度分布在该图像传感器（46）上由光点、优选点光源（20）的反射到该待测量的面（18）上的光引起；并且使用优化方法进行光点、优选点光源（20）的位置和/或地点的确定。

15. 一种方法，用于校准测量物体（12）的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率的设备（10），

具有用于以能够贴靠在该物体（12）上的接触部（17）将该物体（12）安排在接收范围（14）内的装置；

具有提供光的多个光点、优选点光源（20），该光被反射到安排在该接收范围（14）内的物体的该待测量的面（18）上；

具有至少一个相机（34），该相机具有物镜组件（40）和图像传感器（46）用于采集亮度分布，该亮度分布在图像传感器（46）上由这些光点、优选点光源（20）的反射到该待测量的面（18）上的光引起；

具有安排在该接收范围（14）与该物镜组件（40）之间的透镜、优选场透镜（80），该透镜的折射能力为正或为负，并且其中确定该相机（34）的该光学成像***的成像尺寸和失真。

16. 根据第15条所述的方法，其中在参考该相机（34）的该图像传感器（46）的坐标系（78）中确定该接触部（17）的位置和/或地点。

17. 根据第16条所述的方法，其中在使用优化方法的情况下通过测量已知的几何形状的测试对象来确定该接触部（17）的位置和/或地点。

18. 根据第15条或第16条所述的方法，其中通过在该图像传感器（46）上测量盘状的测试对象（76）的亮度分布（79）来确定成像尺寸。

19. 根据第15条至第18条之一所述的方法，其中在参考该图像传感器（46）的坐标系（78）中确定该图像传感器（46）的调节轴线（52）的走向。

20. 根据第15条至第19条之一所述的方法，其中执行下列步骤：

确定光点、优选点光源（20）在该透镜、优选场透镜（80）上的反射；

抑制在该图像传感器（46）上针对测试对象采集到的亮度分布（79）中的这些反射。

21. 一种具有程序代码工具的计算机程序，该程序代码工具用于当该程序实施在计算机单元（56）上时执行根据第1、第12、第14条或第15至第20条之一所述的方法。

22. 一种设备（10），用于测量物体（12）的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率，其具有用于以能够贴靠在该物体（12）上的接触部（17）将该物体（12）安排在接收范围（14）内的装置；具有提供光的多个光点、优选点光源（20），该光被反射到安排在该接收范围（14）内的物体的该待测量的面（18）上；以及具有至少一个相机（34），该相机具有物镜组件（40）和图像传感器（46）用于采集亮度分布，该亮度分布在图像传感器（46）上由这些光点、优选点光源（20）的反射到该待测量的面（18）上的光引起；其中该相机（34）的该图像传感器（46）沿着穿过该物镜组件（40）的调节轴线（52）能够线性移动式位移地安排。

23. 根据第22条所述的设备，其中计算机单元（56），其具有计算机程序和存储器，该计算机程序存储在该存储器中，其中该计算机程序使用算法根据通过该图像传感器（46）采集到的亮度分布计算该物体（12）的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率，该亮度分布在该图像传感器（46）上由光点、优选点光源（20）的反射到待测量的面（18）上的光引起。

24. 根据第22条或第23条所述的设备，其中光点、优选点光源（20）安排在与三维的半空间邻接的二维超曲面（26）上和/或该物镜组件（40）具有与该调节轴线（52）齐平的光轴（42）。

25. 根据第22条至第24条之一所述的设备，其中安排在该接收范围（14）与该物镜组件（40）之间的透镜、优选场透镜（80），该透镜的折射能力为正或为负。

26. 根据第25条所述的设备，其中该透镜、优选场透镜（80）具有与该物镜组件（40）的光轴（42）齐平的光轴。

27. 一种方法，用于校准根据第22至第26条之一所述的用于测量物体的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率的设备（10），该方法包括以下步骤：

- 在参考该相机（34）的该图像传感器（46）的坐标系（78）中确定该接触部的位置和/或地点；并且

- 确定该相机（34）的该光学成像***的成像尺寸和失真。

28. 根据第27条所述的方法，其中在使用优化方法的情况下通过测量已知的几何形状的测试对象（76）来确定该接触部（17）的位置和/或地点。

29. 根据第27条或第28条所述的方法，其中通过在该图像传感器（46）上测量盘状的测试对象（76）的亮度分布（79）来确定成像尺寸。

30. 根据第27条至第29条之一所述的方法，其中在参考该图像传感器（46）的坐标系（78）中确定该图像传感器（46）的调节轴线（52）的走向。

31. 根据第26条至第30条之一所述的方法，其中在参考该相机（34）的该图像传感器（46）的坐标系（78）中使用优化方法来确定光点、优选点光源（20）的位置。

32. 一种方法，用于校准根据第25条或第26条之一所述的用于测量物体的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率的设备（10），该方法包括以下步骤：

- 在参考该相机（34）的该图像传感器（46）的坐标系（78）中确定该接触部（17）的位置；并且

- 确定该相机（34）的该光学成像***的成像尺寸和失真。

33. 根据第32条所述的方法，其中在使用优化方法的情况下通过测量已知的几何形状的测试对象来确定该接触部（17）的位置。

34. 根据第32条或第33条所述的方法，其中通过在该图像传感器（46）上测量盘状的测试对象（76）的亮度分布（79）来确定成像尺寸。

35. 根据第32条至第43条之一所述的方法，其中在参考该图像传感器（46）的坐标系（78）中确定该图像传感器（46）的调节轴线（52）的走向。

36. 根据第32条至第35条之一所述的方法，包括以下步骤：

37. 一种方法，用于测量物体（12）的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率，该方法包括以下步骤：

i. 将该待测量的物体安排在接收范围（14）内贴靠在该物体（12）上的接触部上；

ii. 采集由光斑（57）组合成的亮度分布（79），该亮度分布在图像传感器（46）上由一个或多个光点、优选点光源（20）的反射到待测量的面（18）上的光引起；

iii. 算出在该图像传感器（46）上光斑（57）的位置和/或地点，优选算出在该图像传感器（46）上光斑的质心（58）；

v. 确定由光点、优选点光源（20）发出的光在该物体（12）上的反射位置；

vi. 计算对于由光点、优选点光源（20）发出的光的反射位置上的表面法线

；并且

vii. 通过表面法线

的积分计算该物体（12）的形貌；

viii. 迭代地重复第v步至第vii步直至达到收敛标准；并且

ix. 算出该物体（12）的面（18）上的至少一个点（50）在对设备而言固定的坐标系（78）中的位置。

38. 一种具有程序代码的计算机程序，用于采用根据第27至第36条之一所述的方法、或采用用以执行在第37条中给定的方法中的第iii步至第ix步的程序代码校准用于测量根据第22至第26条之一所述构成的物体（12）的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率的设备（10）。

下面借助在附图中以示例性的方式示出的实施例进一步解释本发明。

附图示出：

图1示出了用于通过点光源测量呈眼镜镜片形式的物体的形貌和/或梯度和/或曲率的第一设备；

图2示出了设备中的相机的图像传感器上的亮度分布；

图3示出了制造公差对设备的仪表常数的影响；

图4和图5示出了在图像传感器上采集到的呈眼镜镜片形式的物体上的光的反射点与设备中的点光源的位置之间的空间关系；

图6a和图6b示出了在图像传感器上采集到的反射点针对设备中来自不同点光源的光的对应；

图7示出了算出物体的待测量的光学有效面在设备中的接触部上的接触点；

图8a示出了安排在设备中的盘状测试对象的图像，用于确定机器参数或仪表常数；

图8b示出了使用设备的图像传感器采集到的在球面上的点光源的光的反射的亮度分布，用于确定设备的机器参数或仪表常数；

图8c示出了设备中白色圆盘的图像，用于确定设备的机器参数或仪表常数；

图9示出了用于测量呈眼镜镜片形式的物体的形貌的第二设备；

图10示出了制造公差对设备的仪表常数的影响；

图11和图12示出了在设备中的图像传感器上采集到的针对待测量的物体上的光的反射点与点光源的位置和/或地点之间的空间关系。

在图1中示出的设备10设计用于测量以眼镜镜片形式的物体12的形貌和/或梯度和/或曲率。设备10具有接收范围14，在该接收范围内物体12能够安排在三点支撑件16上。三点支撑件16是用于将物体12安排在接收范围14中的装置。三点支撑件16将物体12保持在待测量的光学有效面18上的三个点上的球形接触部17上。

设备10具有大量以发光二极管（LED）形式的点光源20，这些发光二极管在激活在紫外线光谱范围内的光时发出具有波长λ ≈ 365 nm的UV光。这些发光二极管构成为SMD（surface mounted device，表面贴装设备）并且安排在电路板22、22'、22''上，这些电路板组合成支架结构24。在带有电路板22、22'、22''的支架结构24上有约2000个点光源20。

在设备10中，点光源20定位在以多面体的侧面形式的超曲面26上。由电路板22、22'、22''组合而成的支架结构24具有斜切的形状并且因此具有大的振动稳定性。在设备10中，超曲面26限定三维的半空间28，该三维的半空间具有开放的边缘30。具有波长λ ≈ 365nm的UV光在常见的塑料制眼镜镜片的镜片材料中被吸收。因此实现，光学有效面32（该光学有效面与接收范围14中以眼镜镜片形式的物体12的光学有效面18相对而置）上的点光源20的光不会引起干扰光学有效面18的测量的反射。

为在设备10中测量石英玻璃制的眼镜镜片，借助点光源20产生光，对于其波长λ适用：λ ≤ 300 nm。利用该波长的光能够禁止来自以眼镜镜片的形式的物体12背面的点光源20的光的干扰性反射。

在设备10中，原则上还能够测量金属表面和喷漆表面，其中在这种情况下点光源20的光的波长以适宜的方式处于可见光谱范围内。对于测量粗糙表面，其粗糙度Rz符合：

Rz > 1 µm，

有利的是，点光源20发射波长处于红外线光谱范围内的光，因为粗糙的表面对于这种光具有镜面效果。

设备10包含具有光学成像***36的相机34，该光学成像***具有光圈38、带物镜的物镜组件40和UV阻隔过滤器41。光学成像***36具有穿过接收范围14的光轴42。相机34安排在带有电路板22、22'、22''的支架结构24的背离接收范围14的一侧。该相机通过支架结构24的电路板22中的凹口44采集定位在接收范围14内的以眼镜镜片形式的物体12。

相机34用于采集亮度分布，该亮度分布由点光源20的反射到待测量的表面18上的光在图像传感器46上引起。点光源20的光通过光束48到达安排在接收范围14中的以眼镜镜片的形式的物体12的表面18上。在具有坐标(X_S,Y_S,Z_S)的点50上，光以入射角β_E关于表面法线

按照反射定律以出射角β_A = β_E进行反射。该光然后作为光束48'进入相机34。

图像传感器46上的亮度分布因此包含了在下面所述的位置上在以眼镜镜片形式的物体12的待测量的表面18上的切面的倾斜度的信息，即在这些位置上点光源20的光如此进行反射，即使得相机34捕捉到了光。

相机34的成像***36如此设置，即使得在图像传感器46上采集到的亮度分布通过凹口44而不经历渐晕且景深如此大，即使得对于具有不同的表面形貌的以眼镜镜片形式的物体12的在设备10中测量的光学有效面而言亮度分布能够在图像传感器46上瓦解。在此，图像传感器46能够在相机34中沿着穿过物镜组件40的调节轴线52按照双箭头54线性移动式位移。

设备10中的支架结构24上的点光源20的安排确保了，能够测量具有高分辨率的光学有效面18的形貌，即使该光学有效面关于相机34的成像***36的光轴42以最大达45°的角弯曲。点光源20的光那么也就是会如此被反射，即使得光通过支架结构24中的凹口44被引导至相机34中的图像传感器46。

计算机单元56是用于激活不同点光源20的装置。该计算机单元用于采集由点光源20的反射到光学有效面18上的光在相机34的图像传感器46上引起的亮度分布。

图2示出了图像传感器46上的这样的亮度分布。该亮度分布具有带作为其几何中心的质心58的大量光斑57，这些光斑在图像传感器46的平面中的位置(x,y)包含了物体12的光学有效面18的形貌和/或梯度和/或曲率的信息。

为了评估使用相机34中的图像传感器46采集到的亮度分布，设备10中的计算机单元56包含计算机程序，该计算机程序保存在计算机单元56的存储器中。该计算机程序利用计算机单元56的处理器针对通过相机34在图像传感器46上采集到的光束48'根据设备10的在校准程序中算出的机器参数计算在该点处的

表面法线，该光束从安排在接收范围14中的物体12的光学有效面18上的点50发出。通过积分和插补，然后在迭代法程序中借助表面18的至少一个点的已知坐标和使用图像传感器46采集的亮度分布计算表面18的形貌。为此，计算机单元56中的计算机程序使用取决于设备10的仪表常数或机器参数的计算算法。在此，计算机单元56中的计算机程序也可实现物体12的计算出的形貌中的光学有效面18的局部折射能力的计算以及光学有效面18的曲率和梯度的计算。

图1示出了，在球面坐标系62中具有立体角坐标θ（极角）、

（方位角）的单位球的立体角元件60中的点光源20的数量随着极角θ的增大而减小，该球面坐标系的原点位于三点支撑件16的对称中心64中并且具有指向相机34的北极68。

与此相对地，围绕三点支撑件16的对称中心64的立体角元件60中的点光源20的数量在已给定极角θ的情况下基本上不受方位角

的影响。

为了在设备10中确定具有曲率半径R的物体12的安排在接收范围14中的光学有效面32的在以N²相互等距离安排的支撑点66处的表面法线，要求，通过容纳在支架结构24上的点光源20的中央投影在围绕三点支撑件16的对称中心64夹紧的具有半径

的半球69上具有下列间距

：

在设备10中，通过以下方式使点光源20的安排与规定的支撑点的数量协调，即距离

在半球69的内部减小并且向外则持续增加。

在设备10中，从每个位于接收范围14内部的点看出去，点光源20分布在立体角Ω上，该立体角满足以下关系：Ω ≥ Π sr，优选Ω ≥ 1.8 π sr。

在设备10的一种替选的改进的实施方式中，接收范围14关于容纳在支架结构19上的点光源20的安排可位移地实施。以这种方式可以改变立体角Ω，从位于接收范围14内部的点看出去点光源20分布在该立体角上。

为了能够借助计算机单元56中的计算机程序精确地计算以眼镜镜片形式的物体12的光学有效面18的形貌，关于设备10必须已知以机器参数、即设备10的仪表常数形式的下列实施的设备尺寸：

- 图像传感器46的感光面的尺寸和感光的传感器像素的间距；

- 相机34的光学成像尺寸；

- 相机34的图像传感器46关于相机34的光学成像***36的光轴42的空间位置和/或地点；

- 相机34的光学成像***36的失真；

- 相机的横向位移；

- 每个点光源20在参考相机34的图像传感器46的对设备而言固定的坐标系78中的位置、即坐标；并且

- 在参考相机34的图像传感器46的对设备而言固定的坐标系78中的球形接触部的中心和半径的坐标。

即使是对于具有基本相同的结构型式的设备10，由于装入其中的单个组件的不同特性以及由于制造公差，上述仪表常数也可能在每个单独的设备10中具有不同的值。

因此对于在图1中示出的用于测量以眼镜镜片形式的物体12的形貌的设备10，在由此能够相应地精确测量物体12的光学有效面的形貌和/或梯度和/或曲率前，必须在校准程序中确定这些仪表常数。

图3示出了制造公差对设备10的不同仪表常数的影响。相机34的光学成像***36的光轴42相对于图像传感器46的中心70偏移地安排在显微镜可见的刻度盘上。支架结构24的对称轴线72通常不同于相机34的光学成像***36的光轴42和三点支撑件16的对称轴线74。点光源20以间距h从电路板22的表面发出光。带有凹口44的电路板22安排在与相机34的光学成像***36的光圈38保持间距d处。图像传感器46定位在与相机34的光学成像***36的光圈38保持间距z处。三点支撑件16的对称中心64与相机34的光学成像***36的光圈38的平面具有间距a。

精确了解仪表常数是必要的，这样才能使用用于测量以眼镜镜片的形式的物体12的形貌的设备实现高的测量精确度。

因此，了解图像传感器46的感光面的尺寸和感光的传感器像素彼此的间距是必要的，以便能够了解在以眼镜镜片的形式的物体12的光学有效面18上的点50的位置上和/或地点中相机34的成像***36的成像尺寸，在该眼镜镜片上反射入射在物体12上的光束48。

了解相机34的光学成像***36的失真是必要的，以便能够对于使用图像传感器46采集到的光点给定成像尺寸。

了解球形接触部在参考相机34的图像传感器46的对设备而言固定的坐标系78中的位置、即坐标是有必要的，以便能够在物体12容纳在三点支撑件16中时给定以眼镜镜片的形式的物体12的光学有效面18上的点50的坐标。

了解每个点光源20在参考相机34的图像传感器46的对设备而言固定的坐标系78中的位置、即坐标以及了解相机34的图像传感器46关于相机34的光学成像***36的光轴42的空间位置和/或地点是必要的，以便能够借助三角测量法了解以眼镜镜片形式的物体的光学有效面18上的反射点的精确位置和/或地点。

下面借助图4和图5解释以眼镜镜片的形式的物体12的光学有效面18的形貌的精确计算。

设备的计算机单元56中的计算机程序利用算法来计算以眼镜镜片的形式的物体12的光学有效面18的形貌，借助该算法执行以下步骤：

第1步：确定图像传感器46的感光面上亮度分布中的单个光斑57的质心58。

第2步：将在图像传感器46的感光面上亮度分布中的光斑57的质心58对应至某个特定点光源20。

第3步：针对每个质心58确定反射在物体12的光学有效面18上的点50。

第4步：针对每个质心58计算物体12的光学有效面18上的表面法线

。

第5步：通过表面法线

的积分，也就是说通过表面18的通过表面法线

确定的方向导数的积分计算形貌，例如作为光学有效面18的形状和/或箭头高度s。

第6步：通过对表面法线

进行微分，即通过推导出表面法线

的矢量的条目来计算物体12的光学有效面18的局部曲率。

第6步之后的步骤：迭代地重复第4步至第6步直至达到收敛标准。

收敛标准意味着，一直重复迭代的第4步至第6步，直至在两个连续的步骤中计算出的形貌的标准差小于规定的公差。

为了确定单个点光源20的由相机34采集出的图像的位置和/或地点，将质心58计算为由点光源20的光在图像传感器46上引起的单个光斑57的强度分布的强度的重点。在此，光斑57通过像素相邻度定义，该像素相邻度通过手动或自动计算出的滤波器给出。然后通过将每个（x,y）位置传播到最近的中心来进行重心计算，同时考虑梯度上升或均值漂移。为了缩短为此所需的计算时间，对图像传感器46的信号进行滤波，以便使图像传感器46的图像信号摆脱干扰噪声和不重要的背景信号。然后这产生图像传感器46的感光面的平面中的单个点光源20的图像的（X,Y）坐标。

对此坐标的估计在此能够子像素精确地进行。对于2000个点光源和具有4百万像素的相机，由此得出为大约4000000/4000 = 1000 / 1的有利的数据简化。在根据图像数据估计质心之后，使（X,Y）位置与点光源20对应。

由于物体12的光学有效面18上的反射，由图像传感器46的感光面上的点光源20引起的亮度分布通常是失真的。然而，光斑57的位置和/或地点保持在由支架结构24上的点光源20的安排限定的网格复合结构中。通过用点光源20的特殊序列或组照亮设备10中的物体12，这些点光源由单个点光源20或还由关于相机34紧邻的点光源20的环形成，可以进行图像传感器46的感光面上的至少一个强度分布与某个特定点光源20的直接对应。从该点光源20开始，然后基于其相邻关系与后续点光源20对应，从而得出原点列表。

图6a和图6b解释了使用计算机单元56中的计算机程序借助在这些光斑57之间隐藏的点光源20对图像传感器46上单个光斑57的对应。这种对应逐步进行。在此，计算机程序在每个对应步骤中都会使用点光源20的一个列表，这些点光源已激活并且位于已知的网格复合结构中。利用图6a中所示的网格复合结构75，在图6b中示出的在图像传感器46上观察到的光斑57与相邻的点光源20彼此对应。这能够例如按照所谓的原点列表来开始。但是，对此替选地还可行的是，按照点光源20的列表进行对应，这些点光源已经经过对应并且同样是通过原点列表开始的。在对相邻点光源进行对应这一步骤之后，然后所有新对应的点光源20被加入已激活的点光源20的列表中，其中该列表的原有条目被复制进已对应的点光源20的列表中。在此，注意确保两个列表中没有相同的点光源20。这就导致点光源20的二维网格上对应的空间扩展并且甚至允许在网格的单个网格点上没有点光源时对点光源20进行对应。

对于对应至已激活的点光源20的光斑57，紧邻的光斑必须对应于相邻的点光源20。为此，如图6a所示，以简单的欧氏距离为基础作为相邻关系。各个已激活的点光源20然后形成局部坐标系的原点。每个相邻点在此对应于一个矢量，该矢量必须与参考的相应矢量对应。这种对应通过最小化矢量点积的总和来进行，该最小化符合对应的最小的总角度畸变。这种最小化可例如通过使用所谓的匈牙利算法借助Kuhn-Munkres算法来进行。

但是，为此替选地还可行的是，通过记录图像序列来执行图像传感器46上的光斑与点光源20的相应对应。在此，按照组或单个地控制点光源20，并且借助图像传感器46摄制一系列图像。然后通过分析相应的图像序列来进行对应。在此，所有点光源20可以全部通过其序列代码、也就是说例如字母顺序来连续编号。但是也可行的是，为此仅局部地为点光源配备代码。那么这就是上述算法的一种变型，该算法对应点光源20。在此应注意的是，用于局部对应的相应规定能够在空间上或时间上可变。

对于全部可能的光斑与设备10中的所有点光源20的明确的全局对应，序列中的

log₂[点光源的数量]

个单个图像是必要的。如果用于测量形貌的设备10包含例如48个点光源20，那么对于全局对应需要十一个单个图像并且对于局部对应需要三个单个图像。

考虑到成像尺寸和可选的失真修正，那么使用计算机单元56的计算机程序针对每个质心58计算射入的光束i。在此，在考虑失真后将相机34的成像***36的镜头塑造成厚的透镜。入射的光束那么描述如下：

在此以眼镜镜片形式的物体12的光学有效面18作为数值模型面给出，该模型面由先前的分析迭代定义，或通过作为平面的开始定义。因此，反射的位置由光束与该面的交点给出，并且通过根据参数m的优化以数值形式确定。在此，光束点i(m)至面的欧氏距离最小化。离面最近的点那么通过最近的插补进行计算。

根据反射方程式，反射面的表面法线

结果如下：

在此，

即是将点光源20与入射光束所击中的物体12的光学有效面18上的点50连接起来的方向，其中适用：

并且

通过将试样的表面参数化为面函数z(xs,ys)，针对表面法线

得出：

此方程式那么直接根据以眼镜镜片形式的物体12的光学有效面18、即物体的表面的导数

和

解出。因此获得了位置(xs,ys)处的表面的导数，这些位置然而由于物体12上的表面的失真而通常不规则地分布。对于积分，那么首先在规则的极坐标网格上对导数进行插值，这使得该方法对于缺少单个点而言是稳健的。在极坐标网格上，x、y导数因此被转换为极坐标导数，即根据微积分的链规则转换半径r和角度

的导数。然后通过导数矩阵A描述极坐标网格上的数值极化导数，其对应于所谓的N点有限差分法。在此，在实现诺依曼边界条件中边界点被建模为单侧导数。除导数矩阵之外，这里还定义了辅助条件矩阵C，该辅助条件矩阵描述了在支撑点处试样的测得高度和极坐标条件z(0,

)=z(0)。表面z的形貌那么从线性方程组的答案中得出：

替选地，积分还可通过局部基础函数的拟合来进行。在此，面被建模成基础函数的线性组合，例如建模成双调和样条的线性组合。

这种线性组合的导数那么即是基础函数的导数的线性组合。这导致了一种线性的方程组，该方程组可在加权线性组合之后解出。在此也须如上所述考虑接触部的辅助条件。最终的面最后是算出的权重与基础函数的线性组合。

表面的局部曲率那么通过直接来自表面坡度

和

的微分几何关系来计算。例如高斯曲率K：

以眼镜镜片形式的物体12的光学有效面18的形貌最后以迭代方法算出。在用标准形状、例如具有预定义的半径的平面或球体初始化z之后，计算导数并通过积分重新确定形貌。一直重复这些步骤，直至特定的形貌变化得小于终止标准。该方法的收敛通过以下方式确保，即以眼镜镜片形式的物体12的主平面与相机34的成像***36的距离a大，使得在这种情况下适用巴拿赫不动点定理。

在计算单元56中精确计算物体12的光学有效面18的形貌需要准确了解试样的表面上的某个点在参考相机34的图像传感器46的坐标系中的位置。

如下面参考图7解释的那样，为此以眼镜镜片形式的物体12与三点支撑件16的球形接触部17的接触点在计算机单元56中如下算出：

在第一步中，物体12的光学有效面18在三点支撑件16的球形接触部的范围内局部建模成球体的面。

因此，该球体的面与相应的球形接触部的球体的面的接触点根据已知的半径并根据球形接触部的已知的中心来确定。

图像传感器46的感光面的尺寸的机器参数和安排在其上的感光传感器像素的距离从关于图像传感器或相机中的图像传感器的常见制造商信息中得出。

为算出下列机器参数或仪表常数：

- 相机34的光学成像尺寸；

- 相机34的光学成像***36的失真；

- 相机34的图像传感器46的横向位移；

- 在参考相机34的图像传感器46的对设备而言固定的坐标系78中的球形接触部的中心和半径的坐标；

设备10以校准模式运行。

详细来说，为此执行下列步骤：

尺寸

为算出相机34的光学成像的尺寸，通过设备10测量以盘状的测试对象76的形式在图8a中示出的校准盘。该测试对象76是一块黑化的金属板，在该金属板中装有定义的明确已知的模型。为进行测量，该测试对象76被放入设备10的三点支撑件16中。然后通过相机34摄制测试对象76的不同图像，其中相机34的图像传感器46的位置根据双箭头54在调节轴52的方向上进行位移。在此，根据相机34的图像传感器46的位置，图像传感器46上的测试对象76的模型的图像由于成像尺寸与位移相关联的变化而改变。

失真

为算出相机34的光学成像***36的失真，从已知的关于图像传感器46的感光面的尺寸和安排在其上的感光传感器像素的距离的信息中确定成像尺寸、像距和沿着图像传感器46的调节轴52的图像传感器的不同位置的物距。

替选地或附加地，还可行的是，以计算形式评估出盘状的测试对象76的图像与盘状的测试对象76的已知的实际的形状之间的局部偏差，以便以这种方式确定针对成像镜头的失真修正，方法是针对相机34的图像传感器46的每个传感器像素计算修正矢量。该修正矢量那么使得可以从关于用相机34摄制的物体12的图像数据中推导出相应真实的空间坐标。

此外，替选地或附加地还可行的是，从在沿着图像传感器46的调节轴线52的不同位置处由相机34摄制的盘状测试对象76的图像中推导出图像传感器46相对于相机34的成像***36的光轴42的精确位置。

图像传感器的横向位移、放大和失真

为算出相机34的图像传感器46相对于光轴42的横向位移，再次采集在沿着调节轴线52的图像传感器46的不同位置处盘状的测试对像76的多个图像。根据观察到的相互对应的点、斑或图像区域对于图像传感器46的实际位移的回归，然后直接确定相机34的光学成像***36的光轴42、光学成像***36的放大尺寸和失真。在此充分利用这一情况：当图像传感器46的调节轴线52精确地平行于相机34的光轴42时，从图像中提取的、相互对应的点线性地围绕定义的点排列，该定义的点对应于光轴42与图像传感器46的平面的交点。

应注意的是，相机34的图像传感器46的调节轴线52不一定与相机34的光学成像***36的光轴42精确地重合。这种情况导致在图像传感器46发生位移以及由此带来的散焦时，图像传感器46的平面中的亮度分布的光斑57的x、y漂移。然而这种漂移能够通过测量设备10的采用三点支撑件16的顶点或外接圆中心点的形式的所谓的定标点来确定。上述定标点的特点在于，在测量设备10中的具有不同曲率的球形物体时，相机34的光学成像***36的相同的焦点设置使得亮度分布的光斑57始终径向对称地围绕该点排列。通过图像传感器46的图像数据的相应回归，因此可以以与上述的算出成像尺寸相同的方式确定期望的定标点。

在此，定标点的游移可明确地归因到传感器平面的漂移。所以，与图像传感器46的位移相关联的漂移可以作为图像传感器46在调节轴线52上的位置的函数、即Z坐标算出，然后得到补偿。在此，定标点在由相机34假定地采集的图像中被确定为以点光源20的模型的中心点形式的极限值，该图像对应于在设备10中测量的半径为0的球体。

设备10的上述仪表常数在计算机单元56中优选通过优化方法确定，该优化方法基于对多个球形的、具有不同半径的测试体的测量。

每个点光源的位置

设备10中每个点光源20的位置借助对由相机34采集的图像的评估、通过点光源20的光在具有已知的几何形状的测试体上的反射的亮度分布79根据优化方法算出。

图8b示出了例如使用设备10的图像传感器46采集到的在球面上的点光源20的光的反射的亮度分布79，用于确定设备10的机器参数或仪表常数。在此利用以下情况：在测量具有不同半径的测试体时，点光源20的位置分别对于不同的测试体是相同的，这些点光源的光产生由图像传感器46采集的亮度分布。该边界条件在优化方法中用于以根据不同测试体的亮度分布计算设备10中的点光源20的优化位置。

在此优化方法的一种改进的构造方案中，点光源20的位置的边界条件补充有其他边界条件，通过这些边界条件考虑针对点光源20的支架结构24的几何形状。

如果例如支架结构24为半球，则适用，所有点光源20位于一个球形支承上。如果支架结构24为带有畸形的半球，则会导致，所有点光源20位于一个带干扰轮廓的椭圆表面或球形表面上，这些干扰轮廓可例如通过泽尔尼克多项式来描述。

如果最后支架结构24为多面体并且点光源20为安排在电路板上的LED，则意味着，点光源20的相应组的点光源20位于共同的平面上，其中能够充分利用这一情况：电路板的SMD贴装的制造过程使得LED的定位的最大偏差 < 0.1 mm。如果多面体例如由16个分别带五个自由度和三个支撑点的电路板（PCB）制成，则那么仅须使用相应的优化方法再确定89个自由参数，也就是说例如在2000个LED的情况下为约6000个自由度。

中心的坐标和球形接触部的半径

为确定接触部参数、即支撑球的中心在以相机34的图像传感器46的坐标系的形式的对设备而言固定的坐标系中的坐标，首先通过相机34摄制一张安排在设备10的三点支撑件16中的白色圆盘的图像81，如图8c所示。该白色圆盘在此通过所有点光源20照亮。然后借助图像处理通过计算确定设备10中三点支撑件16的球形接触部的中心和半径。相应的摄制的图像81包含为此所需的信息。球形接触部17在图像81中在透视投影下成像为椭圆，从该椭圆中然后根据已知的半径和已知的成像尺寸确定球中心的参数。

还可行的是，以上述用于算出每个点光源20的位置的优化方法一并记录在x、y、z或仅在z中作为自由参数的球面中心。由于该措施提高了相应的优化方法的自由度数，这导致该方法收敛得稍微慢一些。

然而应注意的是，使用上述优化方法，原则上还能够通过两种不同的测试体确定设备10的以位置、即在参考相机34的图像传感器46的坐标系78中球形接触部的坐标的形式，以及以位置、即在参考相机34的图像传感器46的坐标系78中每个点光源20的坐标的形式，以及以相机34的图像传感器46参考相机34的光学成像***36的光轴42的空间位置和/或地点的形式的仪表常数或机器参数。

还应注意的是，其中还存在针对算出支撑点的可能性，即使用坐标测量机测量设备10中的三点支撑件16。为此，将整个测量***放置在坐标测量设备的基座上。因此能够确定支撑点的坐标以及多面体的平面的地点或半球的地点和/或位置。

在一种简化的方式中，在坐标测量机上仅测量三点支撑件16。因此三个支撑点彼此的相对位置和/或地点已知。

事先借助外部的测量方法确定的作为准确的和稳定的所有相对尺寸减少了优化方法中的开放参数的数量，并且从而提高了其稳定性。

还应注意的是，可以在使用已知的试样的情况下以优化方法确定相应的支撑点。

此外应注意的是，接触点的期望坐标也可以通过集成到设备10中的另一测量***来确定，该测量***包含例如探针。为了相对于图像传感器46参考以眼镜镜片形式的物体12上的点，此外原则上还可行的是，利用支架中的测量设备算出物体12的位置，该支架与设备10相匹配并且确切地已知其空间尺寸。因此，当在设备10中安排用于以眼镜镜片形式的物体12的支架时，可以推断出物体12上相应的点的位置，也就是说其在参考相机34的图像传感器46的坐标系78中的坐标。

图9示出了第二设备10'，用于以点光源20测量以眼镜镜片形式的物体12的形貌。只要设备10'的组件和元件对应于上述设备10的组件和元件，就可以通过相同的数字作为附图标记对其进行标记。设备10'具有半球形式的支架结构24。

对于构成为眼镜镜片的半径大致等于支架结构24的半球的半径的物体12，所有反射光束r均击中一个点。因此，在此仅非常少的点光源20在相机34的图像传感器46上成像。这就导致，使用在图1中示出的用于测量以眼镜镜片形式的物体12的形貌的设备10原则上无法或可能无法精确地测量这样的眼镜镜片。

与此相反，在图9中示出的用于测量以眼镜镜片形式的物体12的形貌的设备10'也能够测量这样的眼镜镜片，即其具有大致对应于支架结构24的半球的半径的半径。只要设备10'的组件和元件对应于图1中的设备10的组件和元件，就可以通过相同的数字作为附图标记对其进行标记。

设备10'包含紧贴在接收范围14上安排的场透镜80，该场透镜使点光源20反射到物体12的光学有效面18上的光转向相机34的方向。

为了能够借助计算机单元56中的计算机程序精确地计算物体12的光学有效面18的形貌，关于设备10'必须除了上面的关于设备10的来自图1所描述的设备尺寸外，还以机器参数形式、即仪表常数形式

- 图像传感器46的感光面的尺寸和感光的传感器像素的间距；

- 相机34的光学成像尺寸；

- 相机34的光学成像***36的失真；

- 相机34的横向位移；

作为其他设备尺寸而已知的确切位置、地点和形式，即尤其场透镜80的半径和厚度。

场透镜80在点光源20发出的光反射到以眼镜镜片形式的物体12的光学有效面18上之前和之后使其折射。由此实现由点光源20发出的光在待测量的物体12的光学有效面18上的参考表面法线的入射角通常变得更陡。从而可以实现，还能够以高精度确定待测量的物体12的光学有效凹面的形貌。

图10示出了制造公差对设备10'的不同仪表常数的影响。相机34的光学成像***36的光轴42在此相对于图像传感器46的中心70偏移地安排在显微镜可见的刻度盘上。支架结构24的对称轴线72通常不同于相机34的光学成像***36的光轴42和三点支撑件16的对称轴线74。点光源20以间距h从电路板22的表面发出光。凹口44安排在与相机34的光学成像***36的光圈38保持间距d处。图像传感器46定位在与相机34的光学成像***36的光圈38保持间距z处。三点支撑件16的对称中心64与相机34的光学成像***36的光圈38的平面具有间距a。

下面借助图11和图12解释以眼镜镜片的形式的物体12的光学有效面18的形貌的精确计算。

在此，设备的计算机单元56中的计算机程序再次利用算法来计算物体12的光学有效面18的形貌，借助该算法执行以下步骤：

第1步：确定图像传感器46的感光面上亮度分布中的单个强度分布的质心58。

第2步：将在图像传感器46的感光面上强度分布的质心58对应至某个点光源20。

第3步：针对每个质心58确定物体12的光学有效面18上的反射的位置。

。

第5步：通过表面法线

的积分，也就是说通过表面18的通过表面法线

确定的方向导数的积分计算形貌，例如作为光学有效面18的形状和/或作为箭头高度s。

第6步：通过对表面法线

进行微分，即通过推导出表面法线

的矢量的条目来计算物体12的光学有效面18的局部曲率。

第6步之后的步骤：迭代地重复第4步至第6步直至达到收敛标准，也就是说一直重复这些步骤，直至在两个连续的步骤中计算出的形貌的标准差小于规定的公差。

为确定以眼镜镜片形式的物体12的光学有效面18上的反射位置，设备10'的计算机单元56中的计算机程序在此在使用斯涅尔定律的情况下以所谓的标准光线追踪方法计算以眼镜镜片形式的物体12的光学有效面18上的入射光束以及然后该入射光束与物体12的交点。因此借助于计算机程序算出对准目标，利用该对准目标找到反射光束的方向，该反射光束击中相应的点光源20。然后在优化程序中算出该对准目标，该优化程序使点光源20到场透镜80的出射光束的距离最小化。这种优化能够带来多种解决方案，其中计算机程序选择与临近点最类似的那一种。

然后相应的对准目标提供反射光束的方向并且从而提供试样上的反射角，或相应的入射光束i的击中点50处的表面法线

。在当前情况下，然后以与没有场透镜80的情况下相同的方法计算以眼镜镜片形式的物体12的光学有效面18。场透镜80因此仅对表面法线

的计算至关重要。

应当注意，上述设备原则上适用于测量任何测量对象的表面的形貌，其表面对于点光源的光具有反射率R > 50％。相应的测量对象尤其能够为：透镜、镜片、球体和非球体、眼镜镜片、渐进镜片、具有发光的、尤其抛光表面的金属部件、涂漆部件和塑料部件形式的光学元件。此外，使用上述设备原则上还能够测量人眼或动物眼部的形貌。

总而言之，应尤其注意本发明的以下优选的特征：本发明涉及一种方法和一种设备10，用于测量物体12的光学有效面18的形貌和/或梯度和/或曲率。该设备10能够实现以能够贴靠在该物体12上的接触部17将该物体12安排在接收范围14内。在此，在接收范围14中物体的面18上至少一个点的位置和/或地点在对设备而言固定的坐标系78中是可算出的。在该设备10中具有大量提供光的点光源20，该光被反射到安排在该接收范围14内的物体的该待测量的面18上。该设备10具有至少一个相机34，该相机具有物镜组件40和图像传感器46用于采集亮度分布，该亮度分布由点光源20的反射到该待测量的面18上的光在图像传感器46上引起。

附图标记清单：

10、10' 设备

12 物体

14 接收范围

16 三点支撑件

17 接触部

18 光学有效面

19 支架结构

20 点光源、光点

22、22'、22'' 电路板

24 支架结构

26 超曲面

28 半空间

30 边缘

32 光学有效面

34 相机

36 成像***

38 光圈

40 物镜组件

41 UV阻隔过滤器

42 光轴

44 凹口

46 图像传感器

48、48' 光束

50 点

52 调节轴线

54 双箭头

56 计算机单元

57 光斑

58 质心

60 立体角元件

62 球坐标系

64 对称中心

66 支撑点

68 北极

69 半球

70 中心

72 对称轴线

74 对称轴线

75 网格复合结构

76 测试对象

78 坐标系

79 亮度分布

80 透镜、场透镜

81 图像

Claims

1.一种用于测量物体（12）的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率的方法，该方法包括以下步骤：

i. 采集由光斑（57）组合成的亮度分布（79），该亮度分布由一个或多个光点（20）的在该物体（12）的待测量的面（18）上反射的光引起；

ii. 将该亮度分布与引起该亮度分布的光点（20）对应；

其特征在于

iii. 给定第一形貌；

iv. 确定由这些光点（20）发出的光在该物体（12）上的反射位置；

v. 计算由这些光点（20）发出的光的反射位置上的表面法线

；并且

vi. 通过局部基础函数的拟合来计算该物体（12）的另一形貌，其方式为将光学有效面建模成基础函数的线性组合；

vii. 迭代地重复第iv步至第vi步直至达到收敛标准；并且

viii. 算出该物体（12）的待测量的面（18）上的至少一个点（50）在对设备而言固定的坐标系（78）中的位置和/或地点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由这些光点（20）发出的光在该物体（12）上的反射位置根据由该亮度分布的该光斑（57）的质心（58）算出的光束与形貌的交点来确定。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于使用优化方法确定光点（20）的位置和/或地点。

4.一种用于测量物体（12）的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率的设备（10），该设备包括：

i. 用于将该物体安排在接收范围（14）内贴靠在该物体（12）上的接触部上的装置（16）；

ii. 多个点光源（20），用于照亮该物体（12）的该光学有效面（18），以及用于采集由光斑（57）组合成的亮度分布（79）的装置，该亮度分布由用于照亮该物体（12）的该光学有效面（18）的点光源（20）的在该物体（12）的该光学有效面（18）上反射的光引起；

iii. 用于算出光斑（57）的位置和/或地点的装置；

其特征在于

iv. 用于算出该物体（12）的该面（18）上的至少一个点（50）在对设备而言固定的坐标系（78）中的位置和/或地点的装置，该算出过程具有下列步骤：

第1步：

将该亮度分布与引起该亮度分布的点光源（20）对应并且给定第一形貌；

第2步：

确定由点光源（20）发出的光在该物体（12）上的反射位置；

第3步：

计算由这些点光源（20）发出的光的反射位置上的表面法线

；

第4步：

通过局部基础函数的拟合来计算该物体（12）的另一形貌，其方式为将光学有效面建模成基础函数的线性组合；并且

迭代地重复第2步至第4步直至达到收敛标准。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，由这些点光源（20）发出的光在该物体（12）上的反射位置根据由该亮度分布的该光斑（57）的质心（58）算出的光束与形貌的交点来确定。

6.根据权利要求4或5所述的设备，其特征在于，用于采集由光斑（57）组合成的亮度分布（79）的该装置具有带有物镜组件（40）和图像传感器（46）的至少一个相机（34），在该图像传感器上该亮度分布由在该面（18）上反射的光引起。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，该物镜组件（40）具有与调节轴线（52）齐平的光轴（42）。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括提供光的多个点光源（20），该光在安排在该接收范围内的物体（12）的待测量的面（18）上被反射。

9.根据权利要求7至8之一所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括计算机单元（56），其具有计算机程序和存储器，该计算机程序存储在该存储器上，其中该计算机程序使用算法根据使用该图像传感器（46）采集到的亮度分布计算该物体（12）的光学有效面（18）的形貌和/或梯度和/或曲率，该亮度分布在该图像传感器（46）上由点光源（20）的在待测量的面（18）上反射的光引起。

10.根据权利要求7至8之一所述的设备，其特征在于，这些点光源（20）安排在三维的半空间上。

11.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括安排在该接收范围（14）与该物镜组件（40）之间的透镜（80），该透镜的折射能力为正或为负。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，该透镜（80）具有与该物镜组件（40）的光轴（42）齐平的光轴。

13.根据权利要求4或5所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括一种计算机，该计算机具有用于使用优化方法确定点光源（20）的位置的计算机程序。

14.一种计算机可读的存储介质，在该存储介质上存储有具有程序代码工具的计算机程序，该程序代码工具被设立用于当在计算机单元（56）上实施该程序时执行根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的方法。