DE10260232A1 - Method for determining the shape of a surface for optical applications based on the distribution of illumination intensity - Google Patents

Abstract

The method involves illuminating a target surface (20) with light from a light source (10). The light passes along a light path (11) and is deflected via the surface (1) whose shape is to be determined, on to the target surface (20). The distribution of light intensity of the incident light on the target surface (20) is measured. The shape of at least part of the surface (1) to be measured is determined based on the light intensity distribution. Independent claims also cover a measuring device for carrying out the method and an apparatus for manufacturing an object for carrying out the method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Ermittlung der Form einer Oberfläche, insbesondere Verfahren zur Ermittlung der Form von Oberflächen für optische Anwendungen, und Messeinrichtungen zur Durchführung derartiger Verfahren.The present invention relates to Method for determining the shape of a surface, in particular method to determine the shape of surfaces for optical applications, and Measuring devices for implementation such procedures.

Herkömmliche Verfahren zur Vermessung der Form von Flächen (z. B. Oberflächen eines Probenkörpers) basieren typischerweise auf einer optisch-geometrischen Messung oder auf einer Phasenkontrastmessung. Bei beiden Prinzipien kann jeweils eine flächenhafte oder eine abtastende (scannende) Messung vorgesehen sein.Conventional methods for measuring the Form of surfaces (e.g. surfaces a specimen) are typically based on an optical-geometric measurement or on a phase contrast measurement. Both principles can one area each or a scanning (scanning) measurement can be provided.

Zur flächenhaften, optisch-geometrischen Messung wird beispielsweise ein Streifenmuster mit bekannter Geometrie auf die interessierende Oberfläche projiziert. Die geometrische Form der Oberfläche wird aus der Verzerrung der Streifen in der Abbildung des Musters auf der Oberfläche abgeleitet. Mit dieser Projektionstechnik können zwar große Fläche gemessen werden, die sogar Unstetigkeiten aufweisen oder matt sein können. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch die geringe Messgenauigkeit. Das Auflösungsvermögen ist durch die Ortsfrequenz des Streifenmusters begrenzt. Die Projektionstechnik wird daher nur für grobe Formbestimmungen verwendet.For areal, optical-geometric measurement For example, a stripe pattern with a known geometry the surface of interest projected. The geometric shape of the surface becomes the distortion the stripe in the illustration of the pattern is derived on the surface. With this projection technique you can great though Area measured that are even discontinuous or can be dull. On However, the main disadvantage is the low measuring accuracy. The Is resolving power limited by the spatial frequency of the stripe pattern. The projection technology is therefore only for rough shape determinations used.

Die abtastende, optisch-geometrischen Messung basiert beispielsweise auf einer Triangulation. Die Oberfläche wird mit einem Lichtstrahl abgetastet. An jedem Messort werden die Einfalls- und Reflektionswinkel des Lichtstrahls ermittelt und daraus die lokale Steigung der Oberfläche ermittelt. Die gesamte Form ergibt sich durch Zusammensetzung (Integration) der lo kalen Steigungen. Obwohl diese Technik eine erhöhte Genauigkeit der Winkelmessung und eine Vereinfachung des Messaufbaus ermöglicht, ist sie mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Bei abtastenden Verfahren gehen Justierungenauigkeiten zwischen den einzelnen Messorten generell direkt in das Messergebnis ein. Es müssen besondere Vorkehrungen zur Strahlzuordnung getroffen werden, um festzustellen, auf welchen Beleuchtungsstrahl ein konkret detektierter Reflektionsstrahl zurückgeht. Des Weiteren wird ein hoher Rechenaufwand benötigt, um die lokalen Messwerte zusammenzufassen. Die Triangulation wird in der Regel nur als eindimensionales Verfahren angewendet, sie ergibt nur Schnittlinien der untersuchten Oberfläche. Schließlich können systematische Fehler dadurch entstehen, dass aus lokalen Messwerten auf die Gesamtgeometrie geschlossen wird. Die lokalen Messwerte können jedoch durch kurzwellige Strukturen überlagert sein, die ggf. nicht erfasst werden. Schließlich reagiert die Reflektionsmessung besonders empfindlich auf Verunreinigungen oder unstetige Sprünge in der Oberfläche.The scanning, optical-geometric For example, measurement is based on triangulation. The surface will scanned with a light beam. The incidence and the angle of reflection of the light beam are determined and the local slope of the surface determined. The entire form results from composition (integration) the local slopes. Although this technique has increased accuracy enables angle measurement and simplifies measurement setup, it has a number of disadvantages. With scanning Procedures involve inaccuracies in adjustment between the individual measuring locations generally directly in the measurement result. There must be special arrangements beam mapping to determine which one Illumination beam returns a specifically detected reflection beam. Furthermore, a high computing effort is required to get the local measured values summarize. The triangulation is usually only one-dimensional Process applied, it only results in cutting lines of the examined Surface. Finally, systematic Errors arise from the fact that local measured values affect the overall geometry is closed. However, the local measured values can be determined by short-wave Structures superimposed that may not be recorded. Finally the reflection measurement reacts particularly sensitive to contamination or discontinuous jumps in the Surface.

Zur Phasenkontrastmessung wird die Oberfläche mit einer parallel Wellenfront bestrahlt. Durch Interferenz von einfallendem und reflektierten Licht kommt es in Abhängigkeit von der Oberflächenform zu auswertbaren lokalen Verstärkungen oder Auslöschungen im reflektierten Licht. Diese Technik ist auf die Detektion von Fehlern, die kleiner als λ/4 (λ: Wellenlänge des Lichtes) sind, in ebenen, reflektierenden Oberflächen beschränkt. Refraktive Oberflächen können nicht gemessen werden. Zur Messung an stärker gekrümmten Oberflächen bestehen die folgenden Möglichkeiten.For phase contrast measurement, the surface irradiated with a parallel wavefront. By interference from incident and reflected light it depends from the surface shape to evaluable local reinforcements or wipes in reflected light. This technique is based on the detection of Errors smaller than λ / 4 (λ: wavelength of the Light) are restricted in flat, reflecting surfaces. Refractive surfaces cannot be measured. For measurements on more curved surfaces the following options.

Zur flächenhaften Messung an gekrümmten Oberflächen wird die Wellenfront des einfallenden Lichtes durch ein diffraktives Element (Hologramm), das eine ideale Modellfläche repräsentiert, so verformt, dass das von der Oberfläche reflektierte Licht mit dem einfallenden Licht auswertbare Interferenzen bil det (siehe z. B. JP 2000097651 A , JP 2000097652 A ). Ein Nachteil der Phasenkontrastmessung besteht in den hohen Kosten des optischen Aufbaus (Nulloptik). Für jede Oberflächenform muss ein angepasstes diffraktives Element vorbereitet sein, dessen Herstellung mit hohen Kosten verbunden ist. Des Weiteren ist die Messung mit einem hohen Justieraufwand verbunden. Schließlich ist die Messgenauigkeit von der Genauigkeit der Herstellung und der Justierung des diffraktiven Elements abhängig, die Fehleranfälligkeit ist relativ hoch.For area measurement on curved surfaces, the wavefront of the incident light is deformed by a diffractive element (hologram), which represents an ideal model surface, so that the light reflected from the surface forms evaluable interferences with the incident light (see e.g. JP 2000097651 A . JP 2000097652 A ). A disadvantage of phase contrast measurement is the high cost of the optical setup (zero optics). An adapted diffractive element must be prepared for each surface shape, the production of which involves high costs. Furthermore, the measurement is associated with a high adjustment effort. Finally, the measurement accuracy depends on the accuracy of the manufacture and the adjustment of the diffractive element, the susceptibility to errors is relatively high.

Zur abtastenden Messung an gekrümmten Oberflächen erfolgen lokale Interferenzmessungen an lokalen Steigungsänderungen (sog. Stitching-Interferometrie, siehe z. B. DE 198 54 942 ). Die Gesamtform wird aus einer Vielzahl lokaler Messergebnisse zusammengesetzt. Diese Technik besitzt die oben genannten Nachteile scannender Verfahren. Des weiteren ist die Auflösung begrenzt. Bei starken Krümmungen kann es zur einer extremen Erhöhung der Bilderzahl kommen, die in praktisch interessierenden Rechenzeiten nicht mehr auswertbar sind. Schließlich sind Oberflächensprünge nicht eindeutig auflösbar, wenn diese größer als λ/4 sind.For the scanning measurement on curved surfaces, local interference measurements are carried out on local slope changes (so-called stitching interferometry, see e.g. DE 198 54 942 ). The overall shape is composed of a large number of local measurement results. This technique has the above-mentioned disadvantages of scanning methods. Furthermore, the resolution is limited. With strong curvatures, there can be an extreme increase in the number of images, which can no longer be evaluated in practical computing times. Finally, surface cracks cannot be clearly resolved if they are larger than λ / 4.

Die herkömmlichen Messverfahren unterliegen wegen der genannten Nachteile in Bezug auf die Auflösung, die auswertbare Geometrie des Probenkörpers, den Justieraufwand, den Geräteaufwand und die Universalität gravierenden praktischen Einschränkungen. Sie werden daher nur bei bestimmten Spezialaufgaben, z. B. bei der Vermessung von Flächen mit bestimmten Symmetrien angewendet.The conventional measuring methods are subject because of the disadvantages mentioned in terms of resolution that evaluable geometry of the specimen, the adjustment effort, the equipment costs and the universality serious practical restrictions. They are therefore only used for certain special tasks, e.g. B. at the Measurement of areas applied with certain symmetries.

Es ist bekannt, Oberflächen für optische Anwendungen für eine konkrete Aufgabe frei mit einer bestimmten Form auszustatten (Freiformflächen). Die Gestaltung von Freiformflächen z. B. für Beleuchtungszwecke mit einem Berechnungsverfahren, dem sog. Freiformflächenmassschneidern (sog. freeform surface tailoring, im folgenden auch: FST-Verfahren) wird von H. Ries et al. in „Optics & Photonics News" (2001, Bd. 12, S. 46–49) und in „J. Opt. Soc. Am. A" (Bd. 19, 2002, S. 590–595) beschrieben. Ein Lösungsansatz zum FST-Verfahren wird von M. Maes in "Mathematical Methods for Reflector Design" Philips Electronics, 1997, ISBN 90-74445-36-5, beschrieben. Mit dem FST-Verfahren wird die reflektierende oder brechende Fläche berechnet, die bei Beleuchtung mit Licht aus einer punktförmigen Lichtquelle auf einem zu beleuchtenden Gegenstand (z. B. auf einer Wand) eine gewünschte Beleuchtungsgeometrie (Bestrahlungsstärkeverteilung) erzeugt. Das FST-Verfahren basiert auf differentialgeometrischen Methoden, die die Umlenkung von Licht durch die Lage der Lichtquelle, die optische Fläche, die geometrischen Eigenschaften der Fläche und die gewünschte Bestrahlungsstärkeverteilung kombinieren. Die Anwendung des FST-Verfahren war bisher auf gestalterische Aufgaben in der nicht-abbildenden Optik beschränkt, bei denen in erster Linie auf die Realisierung einer komplizierten Beleuchtungsverteilung ankommt, wie z. B. auf die Gestaltung von Scheinwerferreflektoren, Raumleuchten etc..It is known to provide surfaces for optical applications with a specific shape for a specific task (free-form surfaces). The design of freeform surfaces such. B. for lighting purposes with a calculation method, the so-called free-form surface tailoring (so-called. Freeform surface tailoring, hereinafter also: FST method) is by H. Ries et al. in "Optics & Photonics News" (2001, Vol. 12, pp. 46-49) and in "J. Opt. Soc. Am. A" (Vol. 19, 2002, pp. 590-595). A lion Solution approach to the FST method is described by M. Maes in "Mathematical Methods for Reflector Design" Philips Electronics, 1997, ISBN 90-74445-36-5. The FST method is used to calculate the reflective or refractive surface which, when illuminated with light from a punctiform light source, generates a desired illumination geometry (e.g. irradiance distribution) on an object to be illuminated (e.g. on a wall). The FST method is based on differential geometric methods that combine the deflection of light through the position of the light source, the optical surface, the geometric properties of the surface and the desired irradiance distribution. The application of the FST method was previously limited to design tasks in non-imaging optics, which primarily involved the implementation of a complicated lighting distribution, such as. B. on the design of headlight reflectors, room lights etc.

Da Freiformflächen in der Regel keine vorbestimmte Regelmäßigkeit oder Symmetrie aufweisen, sind sie mit den oben genannten herkömmlichen Messtechniken in der Regel nicht mit ausreichender Genauigkeit messbar.Because freeform surfaces are generally not predetermined regularity or have symmetry, they are with the conventional measurement techniques mentioned above usually not measurable with sufficient accuracy.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Verfahren zur Ermittlung der Form einer Oberfläche anzugeben, mit denen die Nachteile herkömmlicher Techniken überwunden werden. Das Verfahren soll insbesondere universell einsetzbar und mit hoher Genauigkeit und praktikabler Messzeit durchführbar sein. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, verbesserte Messeinrichtungen zur Ermittlung der Form einer Oberfläche bereitzustellen, mit denen die Verfahren umsetzbar sind.The object of the invention is to provide improved methods for determining the shape of a surface, with which the disadvantages of conventional Techniques overcome become. The method should in particular be universally applicable and be feasible with high accuracy and practical measuring time. The object of the invention is also to improve measuring devices to determine the shape of a surface with which the procedures can be implemented.

Diese Aufgabe wird durch Verfahren und Messeinrichtungen mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 oder 11 gelöst. Vor teilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This task is accomplished through procedures and measuring devices with the features according to patent claims 1 or 11 solved. Before geous embodiments and applications of the invention result from the dependent claims.

Eine Grundidee der Erfindung ist es, eine Bestrahlungsstärkeverteilung von Licht, das mit der zu vermessenden Fläche (Oberfläche, Probenfläche, Prüffläche) in Wechselwirkung getreten ist, auf einer Targetfläche zu messen und aus der Bestrahlungsstärkeverteilung die (geometrische) Form der Fläche zu ermitteln. Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, dass die Form der Oberfläche aus der geometrisch-optischen Funktion der Oberfläche ermittelt wird. Die Wellenfront des vorzugsweise von einer punktförmigen Lichtquelle ausgehenden Lichts wird an der gesuchten Oberfläche in charakteristischer Weise deformiert. Diese Deformation steht in eindeutigem Zusammenhang mit der gemessenen Bestrahlungsstärkeverteilung. Ohne Einsatz einer abbildenden Optik kann bereits mit einer einzigen flächenhaften, integralen Messung der Bestrahlungsstärkeverteilung (Helligkeitsmessung) die erforderliche Information zur Formermittlung für die gesamte Prüffläche gewonnen werden. Der Justieraufwand im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren ist erheblich vereinfacht. Da erfindungsgemäß eine Helligkeitsmessung erfolgt, sind zusätzliche Vorkehrungen zur Strahlzuordnung wie z. B. bei der Triangulation nicht erforderlich. Die Bestrahlungsstärkeverteilung kann mit einer relativ einfach aufgebauten Detektoreinrichtung erfasst werden. Im Unterschied zu herkömmlichen Interferenzverfahren erfolgt keine Phasenmessung, sondern eine praktikablere Intensitätsmessung. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die Form aus der Bestrahlungsstärkeverteilung mit einer extrem hohen Genauigkeit bis in den sub-μm- und nm-Bereich ermittelt werden kann.A basic idea of the invention is it, an irradiance distribution of light, which with the area to be measured (surface, sample area, test area) in Interaction has occurred, to measure on a target surface and from the irradiance distribution the (geometric) shape of the surface determine. This method has the advantage that the shape of the surface is determined from the geometric-optical function of the surface. The wavefront of preferably a point light source outgoing light is characteristic on the surface sought deformed. This deformation is clearly related with the measured irradiance distribution. Without any effort imaging optics can be done with a single areal integral measurement of the irradiance distribution (brightness measurement) the information needed to determine the shape of the whole Test area won become. The adjustment effort compared to the conventional Procedure is considerably simplified. Since a brightness measurement is carried out according to the invention, are additional Precautions for beam allocation such as B. in triangulation not mandatory. The irradiance distribution can be relative simply constructed detector device can be detected. The difference to conventional Interference is not a phase measurement, but a more practical one Intensity measurement. Surprisingly it has been found that the shape from the irradiance distribution determined with extremely high accuracy down to the sub-μm and nm range can be.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Ermittlung der Oberflächenform eine numerische Berechnung einer berechneten Oberfläche, die bei Beleuchtung unter den identischen Bedingungen wie bei der Messung die gemessene Bestrahlungsstärkeverteilung ergeben würde, wobei die Form der gesuchten Oberfläche gleich der geometrischen Form der berechneten Oberfläche ist. Als Berechnungsverfahren wird das oben genannte, an sich bekannte FST-Verfahren verwendet. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass zur Formermittlung an sich verfügbare Programme verwendbar sind. Des Weiteren kann die Formermittlung, die auf der Lösung eines Gleichungssystems basiert, mit erheblich höherer Geschwindigkeit als bspw. Optimierungsverfahren auf der Grundlage von Wahrscheinlichkeitsrechnungen erfolgen.According to a preferred embodiment of the The invention includes determining the surface shape using a numerical calculation a calculated surface, which when illuminated under the same conditions as the Measurement would give the measured irradiance distribution, where the shape of the surface you are looking for is the same the geometric shape of the calculated surface. As a calculation method the FST method known per se is used. This embodiment has the advantage that programs which are available per se can be used for determining the shape are. Furthermore, the shape determination based on the solution of a System of equations, at a much higher speed than, for example. Optimization process based on probability calculations respectively.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Ermittlung der Form der Oberfläche mindestens einen Vergleich der gemessenen Bestrahlungsstärkeverteilung mit mindestens einer Modell-Bestrahlungsstärkeverteilung umfassen, die einer vorbestimmten Modelloberfläche entspricht. Durch den Vergleich der gemessenen Bestrahlungsstärkeverteilung mit einem Referenzbild kann die Formermittlung erheblich vereinfacht werden. Das Verfahren kann einfach in einen Produktionsprozess zur Herstellung optischer Oberflächen integriert werden, z. B. wenn in oder nach einem Polierprozess nach großflächigen Verformungen im Prüfkörper gesucht wird.According to an alternative embodiment of the Invention can at least determine the shape of the surface a comparison of the measured irradiance distribution with at least a model irradiance distribution include, which corresponds to a predetermined model surface. By comparison the measured irradiance distribution With a reference image, the shape determination can be considerably simplified become. The process can be easily integrated into a production process Manufacture of optical surfaces be integrated, e.g. B. if in or after a polishing process large-area deformations searched in the test specimen becomes.

Wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Beleuchtung der Oberfläche mit monochromatischem Licht erfolgt, kann sich die Auswertung der Bestrahlungsstärkeverteilung wegen der Vermeidung von Dispersionseffekten vereinfachen.If according to another preferred embodiment the invention of illuminating the surface with monochromatic light the distribution of the irradiance can be evaluated simplify because of the avoidance of dispersion effects.

Es können aber auch mehrere Messphasen vorgesehen sein, in denen jeweils eine Beleuchtung mit monochromatischem Licht mit verschiedenen Wellenlängen erfolgt und mehrere Bestrahlungsstärkeverteilungen für die jeweiligen Wellenlängen ermittelt werden. Wenn die gesuchte geometrische Form der Oberfläche aus den verschiedenen Bestrahlungsstärkeverteilungen ermittelt wird, kann durch den zusätzlichen Freiheitsgrad Wellenlänge die Genauigkeit der Messung erhöht werden.However, several measurement phases can also be provided, in each of which illumination with monochromatic light with different wavelengths takes place and several irradiance distributions for the respective wavelengths are determined. If the desired geometric shape of the surface from the different irradiation distribution strength can be determined, the additional degree of freedom wavelength can increase the accuracy of the measurement.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können mehrere Messphasen vorgesehen sein, in denen jeweils eine Beleuchtung mit verschiedenen Lichtwegen erfolgt und mehrere Bestrahlungsstärkeverteilungen für die jeweiligen Lichtwege ermittelt werden. In diesem Fall kann ebenfalls eine Erhöhung der Messgenauigkeit erreicht werden.According to another preferred embodiment of the invention several measurement phases can be provided, in each of which an illumination with different light paths and multiple irradiance distributions for the respective light paths can be determined. In this case, too an increase the measurement accuracy can be achieved.

Weitere Vorteile können sich insbesondere für die Geschwindigkeit der Formermittlung ergeben, wenn bei der erfindungsgemäßen Messung von einer fast bekannten Fläche ausgegangen wird und die Ermittlung der Form der Oberfläche eine Detektion einer Verformung der Oberfläche im Vergleich zu einer Ziel- oder Referenzfläche umfasst.Other advantages can be especially for the speed of the shape determination result if in the measurement according to the invention of an almost known area is assumed and the determination of the shape of the surface one Detection of a deformation of the surface compared to a target or reference surface includes.

Wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Beleuchtung mit pulsförmigem Licht und eine zeitaufgelöste Messung der Bestrahlungsstärkeverteilung erfolgen, können vorteilhafterweise Streulichteffekte vermindert werden. Die Messung der Bestrahlungsstärkeverteilung kann unter Umgebungslichtbedingungen erfolgen. Die Erfindung ist in einen Produktionsprozess, z. B. in einen Poliervorgang integrierbar.If according to another embodiment the invention of lighting with pulsed light and a time-resolved measurement the irradiance distribution can take place scattered light effects are advantageously reduced. The measurement the irradiance distribution can be done under ambient light conditions. The invention is in a production process, e.g. B. can be integrated into a polishing process.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist es, dass keine Beschränkung etwa auf Spiegelflächen gegeben ist. Das Messverfahren ist sowohl mit reflektierenden als auch mit refraktiven Grenzflächen umsetzbar.A particular advantage of the invention it is that no limitation about given on mirror surfaces is. The measurement method is both with reflective and with refractive interfaces implemented.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Messeinrichtung zur Ermittlung der Form einer Oberfläche, mit einer Lichtquelle, von der ein Lichtweg, in dem die gesuchte Oberfläche angeordnet ist, zu einer Targetfläche führt, einer Detektoreinrich tung, die zur Messung einer Bestrahlungsstärkeverteilung des von der Lichtquelle auf der Targetfläche auftreffenden Lichtes eingerichtet ist, und einer Auswertungseinrichtung, die zur Ermittlung der Form der Oberfläche aus der Bestrahlungsstärkeverteilung eingerichtet ist. Die erfindungsgemäße Messeinrichtung besitzt im Vergleich zu den herkömmlichen Techniken einen erheblich vereinfachten Aufbau. Der Messfleck (Bestrahlungsstärkeverteilung auf der Targetfläche) ist wesentlich größer als die Lichtquelle und daher mit an sich verfügbaren Detektoren (z. B. einer CCD-Kamera) mit hoher Genauigkeit erfassbar.Another object of the invention is a measuring device for determining the shape of a surface with a light source, from which a light path in which the surface sought is arranged is to a target surface leads, a Detektoreinrich device for measuring an irradiance distribution of the set up by the light source on the target surface light is, and an evaluation device for determining the shape the surface set up from the irradiance distribution is. The measuring device according to the invention possesses compared to the conventional techniques a considerably simplified structure. The measurement spot (irradiance distribution on the target surface) is much larger than the light source and therefore with detectors available per se (e.g. one CCD camera) can be recorded with high accuracy.

Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält die Auswertungseinrichtung vorzugsweise eine Berechnungseinrichtung zur Durchführung des FST-Verfahrens oder eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich der gemessenen Bestrahlungsstärkeverteilung mit mindestens einer Modell-Bestrahlungsstärkeverteilung.To implement the method according to the invention contains the evaluation device preferably a calculation device to carry out of the FST method or a comparison device for comparison the measured irradiance distribution with at least one model irradiance distribution.

Gemäß weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist die Messeinrichtung mit einer Stelleinrichtung ausgestattet, mit der die Positionen der Lichtquelle, der gesuchten Oberfläche und/oder der Targetfläche relativ zur Detektoreinrichtung (und/oder die Positionen der Lichtquelle, der Oberfläche und der Targetfläche relativ zueinander) verstellbar sind. Die Stelleinrichtung ermöglicht insbesondere die oben genannte Messung mit mehreren Messphasen mit verschiedenen Lichtwegen.According to further advantageous embodiments the invention is the measuring device with an adjusting device equipped with the positions of the light source, the sought Surface and / or the target area relative to the detector device (and / or the positions of the light source, the surface and the target area relative to each other) are adjustable. The actuating device enables in particular the above measurement with multiple measurement phases with different Light paths.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Fertigung eines Objektes, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet und/oder mit einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung ausgestattet ist.Another object of the invention is a device for manufacturing an object, which is used to carry out the inventive method set up and / or equipped with a measuring device according to the invention is.

Die Erfindung besitzt die folgenden weiteren Vorteile. Durch das Messverfahren ist der Anwendungsbereich hochgenauer Freiformflächen erweitert worden. Das Messverfahren ist zur weiteren Genauigkeitssteigerung mit den herkömmlichen Techniken kom binierbar. Die Orte der Messung der Bestrahlungsstärkeverteilung und der Auswertung der Messung können räumlich getrennt sein. Des Weiteren werden Beschränkungen herkömmlicher Verfahren in Bezug auf die Größe der zu vermessenden Oberflächen überwunden. Erfindungsgemäß können Oberflächen mit Dimensionen bis in die Größenordnung einiger 10 cm (z. B. bis zu 80 cm) oder darüber bis in den Bereich mehrerer Meter (z. B. für Teleskopoptiken) vermessen werden.The invention has the following other advantages. Due to the measuring method, the scope is high-precision free-form surfaces been expanded. The measuring method is for further accuracy increase with the conventional Techniques can be combined. The locations of the measurement of the irradiance distribution and the evaluation of the measurement spatial be separated. Furthermore, restrictions are becoming more conventional Procedures related to the size of the surmounting surfaces. According to the invention, surfaces with Dimensions up to the order of magnitude some 10 cm (e.g. up to 80 cm) or above in the range of several Meters (e.g. for Telescope optics) are measured.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:More details and advantages the invention will become apparent from the description of the accompanying drawings seen. Show it:

1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung für Reflektionsmessungen, 1 : a schematic representation of an embodiment of a measuring device according to the invention for reflection measurements,

2: eine schematische Illustration des erfindungsgemäßen Messprinzips, 2 : a schematic illustration of the measuring principle according to the invention,

3: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung für Reflektionsmessungen, 3 : a schematic representation of a further embodiment of a measuring device according to the invention for reflection measurements,

4: eine schematische Darstellungen einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messeinrichtungen für Durchlichtmessungen, 4 : a schematic representation of an embodiment of a measuring device according to the invention for transmitted light measurements,

5: ein Flussdiagramm zur Illustration von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens, 5 a flowchart to illustrate steps of the method according to the invention,

6: eine beispielhafte Auswahl verschiedener Oberflächen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmbar sind, 6 : an exemplary selection of different surfaces that can be determined using the method according to the invention,

7: Illustrationen von Bestrahlungsstärkeverteilungen, die Oberflächen gemäß 6 erzeugen, und 7 : Illustrations of irradiance distributions that match surfaces 6 generate, and

8: eine schematische Illustration einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung. 8th : a schematic illustration of an embodiment of a manufacturing device according to the invention.

Eine erfindungsgemäße Messeinrichtung 100 umfasst gemäß 1 eine Lichtquelle 10, eine Targetfläche 20, eine Detektoreinrichtung 30 und eine Auswertungseinrichtung 40. Ein Lichtweg 11 führt von der Lichtquelle 10 über eine optische Oberfläche 1, deren Form zumindest in einem Teilbereich gemessen werden soll, zur Targetfläche 20.A measuring device according to the invention 100 includes according to 1 a light source 10 , a target surface 20 , a detector device 30 and an evaluation device 40 , A path of light 11 leads from the light source 10 over an optical surface 1 whose shape is at least in a sub-area to be measured, to the target area 20 ,

Die Lichtquelle 10 ist vorzugsweise eine Punktlichtquelle, d. h. eine Lichtquelle mit einer minimalen Ausdehnung, die insbesondere relativ zur Dimension der Oberfläche 1 vernachlässigbar gering ist. Die Punktlichtquelle erzeugt eine Wellenfront mit einer minimalen Phasenraumausdehnung. Diese Bedingung kann insbesondere durch eine monomodale Lichtquelle erfüllt werden, z. B. einen Monomodelaser, eine Laserdiode, ggf. gekoppelt mit einer Monomode-Faser, oder eine Quelle mit einer Lochblende (einhole), die eine oder wenige Strahlungsmoden passieren lässt. Es kann beispielsweise das Licht einer Quecksilberdampflampe mit einem Leuchtdurchmesser von 0.5 mm auf eine Lochblende gebündelt werden, dessen Durchmesser etwa der verwendeten Wellenlänge entspricht. Je nach den praktischen Bedingungen kann die Lichtquelle 10 zur Emission von Licht im UV-, VIS- oder IR-Bereich eingerichtet sein. Die Spannungsversorgung der Lichtquelle 10 kann in die Auswertungseinrichtung 40 integriert sein.The light source 10 is preferably a point light source, ie a light source with a minimal extent, which is in particular relative to the dimension of the surface 1 is negligible. The point light source generates a wavefront with a minimal phase space expansion. This condition can be met in particular by a monomodal light source, e.g. B. a single-mode laser, a laser diode, possibly coupled with a single-mode fiber, or a source with a pinhole (single hole) that allows one or a few radiation modes to pass. For example, the light from a mercury vapor lamp with a luminous diameter of 0.5 mm can be focused on a pinhole whose diameter corresponds approximately to the wavelength used. Depending on the practical conditions, the light source 10 be set up to emit light in the UV, VIS or IR range. The power supply of the light source 10 can in the evaluation facility 40 be integrated.

Die Lichtquelle 10 kann mit einer Maske, z. B. einer groben Lochmaske ausgestattet sein, die für Justierzwecke in den Lichtweg 11 geschoben werden kann. Mit der Maske können Punkte auf der Oberfläche 1 und der Targetfläche 20 eindeutig einander zugeordnet werden. Die Anzahl und Abstände der Löcher in der Lochmaske werden in Abhängigkeit vom konkreten Anwendungsfall gewählt.The light source 10 can with a mask, e.g. B. a coarse shadow mask, which is used for adjustment purposes in the light path 11 can be pushed. With the mask you can make dots on the surface 1 and the target area 20 clearly assigned to each other. The number and spacing of the holes in the shadow mask are selected depending on the specific application.

Die Oberfläche 1 ist bei diesem Beispiel die reflektierende Oberfläche eines Prüfkörpers (optisches Bauteil, hier nicht dargestellt), z. B. eine Freiformfläche für Beleuchtungszwecke oder ein optischer Spiegel. Die Oberfläche 1 besitzt allgemein eine glatte, stufenlose, mathematisch stetige Kontur vorzugsweise mit optischer Oberflächenqualität. Allgemein ist die optische Qualität der Oberfläche 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhigkeit geringer ist als die Wellenlänge des Lichtes, das mit dem optischen Bauteil reflektiert, und lokal eine spekulare Reflektion (oder Brechung) des Lichtes ohne Strahlaufweitung erfolgt. Wenn die Auswertung der gemessenen Bestrahlungsstärke mit dem FST-Verfahren erfolgt, muss die Oberfläche 1 vorteilhafterweise keinen umlaufenden, lichtundurchlässigen Rand besitzen. Der Prüfkörper ist nicht zwingend ein optisches Bauteil. Die Erfindung ist auch bei der Ermittlung von Oberflächen anderer fester Körper, z. B. von Werkzeugoberflächen anwendbar.The surface 1 is the reflective surface of a test specimen (optical component, not shown here), z. B. a free-form surface for lighting purposes or an optical mirror. The surface 1 generally has a smooth, stepless, mathematically continuous contour, preferably with an optical surface quality. General is the optical quality of the surface 1 characterized in that the roughness is less than the wavelength of the light which reflects with the optical component, and locally a specular reflection (or refraction) of the light takes place without beam expansion. If the measured irradiance is evaluated using the FST method, the surface must be 1 advantageously have no peripheral, opaque edge. The test specimen is not necessarily an optical component. The invention is also useful in the detection of surfaces of other solid bodies, e.g. B. applicable from tool surfaces.

Die Oberfläche 1 z. B. eines optischen Bauteils kann eine dielektrische Beschichtung (z. B. eine Vergütungsschicht) tragen, ohne dass dies die Durchführung der erfindungsgemäßen Formmessung beeinträchtigt, da die dielektrischen Beschichtungen in der Regel eine Dicke kleiner als die Wellenlänge besitzen und die Wirkung des Snell'schen Gesetzes oder des Reflektionsgesetzes nicht beeinflussen. Des Weiteren kann die Oberfläche 1 eine mehrdimensionale optische Funktion dahingehend besitzen, dass nicht nur die Richtung, sondern auch die Polarisation, Farbe etc. des durchgehenden oder reflektierten Lichtes beeinflusst wird. Es kann beispielsweise eine anisotrope Reflektion erfolgen.The surface 1 z. B. an optical component can wear a dielectric coating (z. B. a coating layer) without this impairing the implementation of the shape measurement according to the invention, since the dielectric coatings usually have a thickness smaller than the wavelength and the effect of Snell's Law or the law of reflection. Furthermore, the surface 1 have a multi-dimensional optical function in such a way that not only the direction, but also the polarization, color etc. of the transmitted or reflected light is influenced. Anisotropic reflection can take place, for example.

Die Targetfläche 20 wird mit dem Licht der Lichtquelle 10, das durch die Oberfläche 1 modifiziert worden ist, mit einer charakteristischen Bestrahlungsstärkeverteilung beleuchtet. Die Targetfläche 20 ist beispielsweise ein Schirm, ein photographischer Film oder ein Teil der Detektoreinrichtung (siehe 3) und besitzt vorzugsweise eine ebene Oberfläche. Alternativ kann eine geeignet gekrümmte Targetfläche vorgesehen sein, um die Anforderungen an den Lichtweg zu erfüllen (siehe unten).The target area 20 becomes with the light of the light source 10 that through the surface 1 has been modified, illuminated with a characteristic irradiance distribution. The target area 20 is, for example, a screen, a photographic film or part of the detector device (see 3 ) and preferably has a flat surface. Alternatively, a suitably curved target surface can be provided to meet the requirements for the light path (see below).

Der Schirm bildet vorzugsweise eine Lambert'sche Fläche, wie sie z. B. durch weißes Papier oder eine MgO-Schicht gegeben ist. Die Dimension des Schirmes wird in Abhängigkeit vom konkreten Anwendungsfall gewählt.The screen preferably forms one Lambertian surface, like they z. B. by white Paper or an MgO layer is given. The dimension of the umbrella becomes dependent chosen by the specific application.

Der Lichtweg 11 wird durch die Ausbreitung des Lichtes gebildet, das von der Lichtquelle 10 mit einer bestimmten Richtungscharakteristik ausgeht, an der Oberfläche 1 reflektiert wird und nach der Reflektion mit einer durch die Oberflächenform modifizierten Richtungscharakteristik auf die Targetfläche 20 fällt. Der Lichtweg 11 wird durch eine geeignete Positionierung der Lichtquelle 10, Oberfläche 1 und Targetfläche 20 so aufgespannt, dass ein eineindeutiger Zusammenhang zwischen jedem Punkt auf der Oberfläche 1 und einem zugehörigen Zielpunkt auf der Targetfläche 20 besteht. Strahlen, die von verschiedenen Punkten der Oberfläche 1 reflektiert wurden, dürfen sich in der Targetfläche nicht schneiden. Die Beleuchtung der Targetfläche erfolgt abbildungsfrei, d. h. ohne Erzeugung eines Bildes der Lichtquelle oder einer Kaustik.The light path 11 is formed by the spread of light from the light source 10 with a certain directional characteristic, on the surface 1 is reflected and after the reflection with a directional characteristic modified by the surface shape on the target surface 20 falls. The light path 11 by positioning the light source appropriately 10 , Surface 1 and target area 20 so stretched that there is a clear connection between every point on the surface 1 and an associated target point on the target surface 20 consists. Rays from different points on the surface 1 reflected, must not intersect in the target area. The target surface is illuminated without any image, ie without generating an image of the light source or a caustic.

Die Beleuchtung ohne eine Kaustik bedeutet, dass auf die Targetfläche ausschließlich Licht fällt, das von der Oberfläche 1 ausgeht. Licht, das von der Lichtquelle 10 ausgeht, fällt nicht direkt auf die Targetfläche.Illumination without caustics means that only light from the surface falls on the target surface 1 emanates. Light coming from the light source 10 does not fall directly on the target surface.

Die Erfüllung dieser Anforderungen kann je nach den räumlichen Bedingungen der konkreten Messaufgabe und der gewünschten Messgenauigkeit (Zahl und Dichte der Messpunkte auf der Targetfläche) durch eine geeignete Positionierung der Teile gewählt werden. Zur Positionierung wird auf Erfahrungswerte zurückgegriffen, oder es ist ggf. ein Vorversuch mit einem Test verschiedener Relativpositionen vorgesehen.Meeting these requirements can vary depending on the spatial Conditions of the specific measurement task and the desired one Measuring accuracy (number and density of measuring points on the target surface) a suitable positioning of the parts can be selected. For positioning experience is used, or it may be a preliminary test with a test of different relative positions intended.

Zur Messung einer Bestrahlungsstärkeverteilung des von der Lichtquelle auf der auf der Targetfläche auftreffenden Lichtes ist die Detektoreinrichtung 30 vorgesehen. Diese ist beispielsweise als Kamera oberhalb der Targetfläche angeordnet. Es kann eine kalibrierte Digitalkamera verwendet werden, die mit der Auswertungseinrichtung 40 verbunden ist. Die Kamera kann relativ zur Targetfläche geneigt angeordnet sein. Die entsprechende Verzerrung der Bestrahlungsstärkeverteilung kann bei der Auswertung rechnerisch kompensiert werden, wenn die Relativpositionen von Kamera und Targetfläche und die Reflektionscharakteristik der Targetfläche bekannt sind. Alternativ kann die Kamera unterhalb der Targetfläche angeordnet sein (gestrichelt gezeigt), falls diese einen halbtransparenten Schirm umfasst.The detector device is used to measure an irradiance distribution of the light from the light source on the light incident on the target surface 30 intended. This is arranged, for example, as a camera above the target area. A calibrated digital camera can be used with the evaluation device 40 connected is. The camera can be arranged inclined relative to the target surface. The corresponding distortion of the irradiance distribution can be compensated for in the calculation if the Re relative positions of the camera and target surface and the reflection characteristics of the target surface are known. Alternatively, the camera can be arranged below the target area (shown in dashed lines) if it comprises a semi-transparent screen.

Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform kann die Detektoreinrichtung 30 eine photometrische Messeinrichtung sein, mit der beispielsweise die Schwärzungsverteilung eines als Targetfläche belichteten und entwickelten photographischen Filmes gemessen wird. Diese Gestaltung besitzt den Vorteil, dass die Messung der Bestrahlungsstärkeverteilung vom Messaufbau räumlich getrennt durchgeführt werden kann.According to a modified embodiment, the detector device 30 be a photometric measuring device with which, for example, the density distribution of a photographic film exposed and developed as a target surface is measured. This design has the advantage that the measurement of the irradiance distribution can be carried out spatially separated from the measurement setup.

Die Detektoreinrichtung 30 ist mit der Auswertungseinrichtung 40 verbunden. Die Verbindung dient der Übertragung von Daten, die die gemessene Bestrahlungsstärkeverteilung repräsentieren. Es kann auch umgekehrt eine Datenübertragung zu der Detektoreinrichtung 30 vorgesehen sein, beispielsweise um die Kamera zu kalibrieren. Mit der Auswertungseinrichtung 40 wird die Form der optischen Oberfläche aus der Bestrahlungsstärkeverteilung ermittelt. Hierzu enthält die Auswertungseinrichtung 40 gemäß der o. g. ersten Ausführungsform eine Berechnungseinrichtung zur Anwendung des FST-Verfahrens auf die gemessene Bestrahlungsstärkeverteilung. Die Form einer berechneten Oberfläche, die für die gegebene Lage der Lichtquelle und der Targetfläche die gemessene Bestrahlungsstärkeverteilung ergibt, ist dann die gesuchte reale Oberfläche. Gemäß der o. g. zweiten Ausführungsform enthält die Auswertungseinrichtung 40 eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich der gemessenen Bestrahlungsstärkeverteilung mit einer Modell-Bestrahlungsstärkeverteilung. Die Auswertungseinrichtung 40 kann zur Durchführung von beiden Auswertungsverfahren ausgebildet sein.The detector device 30 is with the evaluation facility 40 connected. The connection is used for the transmission of data which represent the measured irradiance distribution. Conversely, data can also be transmitted to the detector device 30 be provided, for example to calibrate the camera. With the evaluation device 40 the shape of the optical surface is determined from the irradiance distribution. For this purpose, the evaluation device contains 40 according to the above-mentioned first embodiment, a calculation device for applying the FST method to the measured irradiance distribution. The shape of a calculated surface, which gives the measured irradiance distribution for the given position of the light source and the target surface, is then the real surface sought. According to the above-mentioned second embodiment, the evaluation device contains 40 a comparison device for comparing the measured irradiance distribution with a model irradiance distribution. The evaluation facility 40 can be designed to carry out both evaluation methods.

Die Auswertungseinrichtung 40 kann mit der Lichtquelle 10 verbunden sein (siehe 1). Diese Verbindung dient der Übertragung von Kalibrierungsdaten, Steuerdaten und/oder der Versorgungsspannung an die Lichtquelle 10, und/oder der Übertragung von Daten, die den Betriebszustand der Lichtquelle 10 charakterisieren, an die Auswertungseinrichtung 40. Weitere Datenverarbeitungseinrichtungen, wie z. B. Speicherschaltkreise, Berechnungsschaltkreise und Anzeigeeinrichtungen, können ebenfalls Teil der Auswertungseinrichtung 40 oder gesondert vorgesehen sein.The evaluation facility 40 can with the light source 10 be connected (see 1 ). This connection is used to transmit calibration data, control data and / or the supply voltage to the light source 10 , and / or the transmission of data relating to the operating state of the light source 10 characterize to the evaluation device 40 , Other data processing devices, such as. B. memory circuits, calculation circuits and display devices can also be part of the evaluation device 40 or be provided separately.

In 1 bezieht sich das Bezugszeichen 50 auf eine Stelleinrichtung, die mindestens eine verstellbare Halterung 51 und/oder 52 aufweist, mit der die Positionen der Lichtquelle 10, des Prüfkörpers mit der Oberfläche 1 und/oder der Targetfläche 20 relativ zur Detektoreinrichtung 30 oder relativ zueinander verstellbar sind. Die Halterungen 51, 52 sind beispielsweise jeweils mit einem piezoelektrischen Antrieb ausgestattet, der eine Bewegung in alle Raumrichtungen und in Verkippen ermöglicht. Neben der Justierung ermöglicht die Stellein richtung 50 eine Messung mit mehreren Messphasen, in denen jeweils eine Beleuchtung mit verschiedenen Lichtwegen erfolgt und mehrere Bestrahlungsstärkeverteilungen für die jeweiligen Lichtwege ermittelt werden. Die Form der Oberfläche kann dann mit erhöhter Genauigkeit aus den verschiedenen Bestrahlungsstärkeverteilungen ermittelt werden.In 1 refers to the reference symbol 50 on an actuator, the at least one adjustable bracket 51 and or 52 with which the positions of the light source 10 , of the test specimen with the surface 1 and / or the target surface 20 relative to the detector device 30 or are adjustable relative to each other. The brackets 51 . 52 are each equipped with a piezoelectric drive, for example, which enables movement in all spatial directions and tilting. In addition to the adjustment, the actuating device enables 50 a measurement with several measurement phases, in each of which an illumination with different light paths takes place and several irradiance distributions are determined for the respective light paths. The shape of the surface can then be determined with increased accuracy from the different irradiance distributions.

2 illustriert das Messprinzip, das beim erfindungsgemäßen Verfahren ausgenutzt wird. Zwischen der lokalen Krümmung (und Neigung) der mit Licht bestrahlten Oberfläche 1 und der Bestrahlungsstärke am entsprechenden Messpunkt der Targetfläche 20 besteht ein eindeutiger Zusammenhang. Die. Neigung bestimmt die Richtung der von der Oberfläche reflektierten Strahlung, die Krümmung bestimmt die Helligkeit auf der Targetfläche. Gemäß dem Teilbild (a) erhöht eine negative Krümmung die Intensität auf der Targetfläche, während gemäß dem Teilbild (c) eine positive Krümmung die Intensität verringert. Bei einem lokal ebenen Abschnitt ergibt sich eine im Wesentlichen konstante Intensität. Dieser qualitative Zusammenhang wird beim FST-Verfahren durch Anwendung differentialgeometrischen Methoden quantitativ ausgewertet. Aus den o. g. Publikationen, deren Inhalt hiermit vollständig in die vorliegende Beschreibung einbezogen wird, ist der Ablauf der FST-Rechnung an sich bekannt, so dass hier auf Einzelheiten nicht eingegangen wird. 2 illustrates the measuring principle used in the method according to the invention. Between the local curvature (and slope) of the surface exposed to light 1 and the irradiance at the corresponding measuring point on the target surface 20 there is a clear connection. The. Tilt determines the direction of the radiation reflected from the surface, the curvature determines the brightness on the target surface. According to partial image (a), a negative curvature increases the intensity on the target surface, while according to partial image (c) a positive curvature reduces the intensity. A locally flat section results in an essentially constant intensity. This qualitative relationship is quantitatively evaluated in the FST method using differential geometric methods. The sequence of the FST calculation is known per se from the abovementioned publications, the content of which is hereby fully incorporated into the present description, so that details are not discussed here.

Die in 3 gezeigte abgewandelte Ausführungsform der Messeinrichtung 100 mit Reflektionsmessung ist im Wesentlichen analog zu der Ausführungsform gemäß 1 aufgebaut. Gleiche Komponenten, die oben beschrieben wurden, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu der obigen Beschreibung bildet gemäß 3 das lichtempfindliche Bauteil, z. B. eine CCD-Matrix, der Detektoreinrichtung 30 die Targetfläche 20. Abweichend von der Illustration kann die Detektoreinrichtung 30 mit einer Optik ausgestattet sein, die die ausgedehnten Wellenfronten von der Oberfläche 1 auf das lichtempfindliche Bauteil, der Detektoreinrichtung 30 abbilden.In the 3 Modified embodiment of the measuring device shown 100 with reflection measurement is essentially analogous to the embodiment according to 1 built up. Identical components which have been described above are provided with the same reference symbols. In contrast to the above description, according to 3 the photosensitive component, e.g. B. a CCD matrix, the detector device 30 the target area 20 , Deviating from the illustration, the detector device can 30 be equipped with an optic that expands the extended wave fronts from the surface 1 on the light-sensitive component, the detector device 30 depict.

4 zeigt die Messeinrichtung 100 zur erfindungsgemäßen Formmessung an einer refraktiven Oberfläche. Komponenten, die Teilen der Ausführungsform gemäß 1 entsprechen, sind wiederum mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Prüfkörper 2 ist ein lichtdurchlässiges optisches Bauteil, z. B. eine asphärische Linse. Da der Lichtweg 11 durch das Bauteil hindurchführt, wird die Wellenfront sowohl durch die erste Oberfläche 3 als auch durch die eigentlich interessierende Oberfläche 1 modifiziert. Um die erfindungsgemäße Formermittlung mittels FST-Verfahren oder Vergleich durchzuführen, muss die Form der ersten Oberfläche 3 (oder jeder weiteren, im Lichtweg angeordneten brechenden Oberfläche) bekannt sein. Bei der numerischen Auswertung der Bestrahlungsstärkeverteilung können generell die Einflüsse bekannter Oberflächen im Lichtweg 11 (auch bei der Reflektionsmessung gemäß 1) als Eigenschaften des Strahlungsfeldes der Lichtquelle aufgefasst und berücksichtigt werden. 4 shows the measuring device 100 for shape measurement according to the invention on a refractive surface. Components according to the embodiment 1 correspond, are again provided with the same reference numerals. The test specimen 2 is a translucent optical component, e.g. B. an aspherical lens. Because the light path 11 passes through the component, the wavefront passes through both the first surface 3 as well as the surface of interest 1 modified. In order to carry out the shape determination according to the invention by means of the FST method or comparison, the shape of the first surface must be 3 (or any other refractive surface arranged in the light path). In the numerical evaluation of the irradiance distribution, the influences of known surfaces can generally light path 11 (also with the reflection measurement according to 1 ) are understood and taken into account as properties of the radiation field of the light source.

5 illustriert wesentliche Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. Weitere Schritte, wie z. B. die Ausrichtung der Oberfläche im Lichtweg o. dgl., die je nach der konkreten Anwendung vorgesehen sind, werden nicht gezeigt. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise mit einer der beschriebenen Messeinrichtungen erfolgt von der Lichtquelle 10 über die Oberfläche 1 eine Beleuchtung der Targetfläche 20 (Schritt 1). Mit der Detektoreinrichtung 30 wird die Bestrahlungsstärkeverteilung des auftreffenden Lichtes auf der Targetfläche 20 gemessen (Schritt 2). Die geometrische Form mindestens eines Teilbereiches der Oberfläche 1 wird aus der gemessenen Bestrahlungsstärkeverteilung ermittelt (Schritt 3). Wenn das Umgebungslicht abgeschirmt ist, können die Beleuchtung und Messung kontinuierlich erfolgen. Zur Unterdrückung von Feh lern durch Rauschen und/oder zur Abschirmung von Umgebungslicht kann eine phasensensitive Messung (Log-In-Technik) erfolgen. Es kann insbesondere eine Lichtquelle mit Pulsbetrieb (z. B. fs-Laser) verwendet werden und eine zeitaufgelöste Messung der Bestrahlungsstärke vorgesehen sein. 5 illustrates essential steps of the method according to the invention. Further steps, such as B. the alignment of the surface in the light path or the like, which are provided depending on the specific application, are not shown. To carry out the method according to the invention, preferably using one of the measuring devices described, the light source is used 10 over the surface 1 illumination of the target area 20 (Step 1). With the detector device 30 becomes the irradiance distribution of the incident light on the target surface 20 measured (step 2). The geometric shape of at least a portion of the surface 1 is determined from the measured irradiance distribution (step 3). When the ambient light is shielded, the lighting and measurement can be done continuously. A phase-sensitive measurement (log-in technique) can be used to suppress errors due to noise and / or to shield ambient light. In particular, a light source with pulse operation (e.g. fs laser) can be used and a time-resolved measurement of the irradiance can be provided.

Insbesondere die Messung unter Umgebungslicht mit Log-In-Technik ermöglicht es, das erfindungsgemäße Verfahren in einem Regelkreis in ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Oberfläche zu integrieren. Ein Poliervorgang z. B. zur Herstellung eines asphärischen Bauteils (Linse oder Spiegel) wird solange wiederholt, bis die gemessene Bestrahlungsstärkeverteilung einem gewünschten Referenzwert entspricht.Especially the measurement under ambient light with log-in technology allows it, the inventive method in a control loop in a process for producing an optical surface to integrate. A polishing process e.g. B. to produce an aspherical Component (lens or mirror) is repeated until the measured irradiance distribution a desired reference value equivalent.

Die 6 und 7 zeigen beispielhaft die Durchführung des Verfahrens an vier Oberflächen. Gemäß 6 werden jeweils von der Lichtquelle 10 Prüfkörper 2 mit der Oberfläche 1 hin zur Targetfläche 20 durchleuchtet (Detektoreinrichtung nicht gezeigt). Die Prüfkörper 2 umfassen optische Linsen mit einer konkaven sphärischen Oberfläche auf der Seite der Lichtquelle 10 und der Oberfläche 1, die ermittelt werden soll, auf der Seite der Targetfläche 20. Die Lichtquelle 10 befindet sich im Mittelpunkt der unteren konkaven Oberfläche. Die Oberfläche 1 ist eine astigmatische Asphäre (A), eine konische Asphäre (B), eine Sphäre (C) oder eine plane Oberfläche (D). Die konische Asphäre B besitzt die gleiche Krümmung im Zentrum wie die Sphäre (C). Die Asphäre C besitzt in einer Richtung (y-Richtung) die gleiche Krümmung im Zentrum wie die Sphäre (C).The 6 and 7 show an example of the implementation of the process on four surfaces. According to 6 are each from the light source 10 specimen 2 with the surface 1 towards the target area 20 X-rayed (detector device not shown). The test specimens 2 comprise optical lenses with a concave spherical surface on the light source side 10 and the surface 1 to be determined on the side of the target surface 20 , The light source 10 is at the center of the lower concave surface. The surface 1 is an astigmatic asphere (A), a conical asphere (B), a sphere (C) or a flat surface (D). The conical asphere B has the same curvature in the center as the sphere (C). The asphere C has the same curvature in the center in one direction (y-direction) as the sphere (C).

7 illustriert die entsprechenden Bestrahlungsstärkeverteilungen (Simulationsergebnisse) auf der Targetfläche 20 als Helligkeitsbilder (linker Teil) oder als Schwärzungsprofile (rechter Teil). Bereits an den relativ einfachen Beispiel-Oberflächen zeigen sich die deutlich unterschiedlichen Bestrah lungsstärkeverteilungen, aus denen die jeweilige Oberfläche beispielsweise mit dem FST-Verfahren berechenbar ist. 7 illustrates the corresponding irradiance distributions (simulation results) on the target surface 20 as brightness images (left part) or as blackening profiles (right part). Already on the relatively simple example surfaces, the clearly different irradiance distributions can be seen, from which the respective surface can be calculated using the FST method, for example.

In 8 ist beispielhaft eine Fertigungseinrichtung 200 gezeigt, die erfindungsgemäß zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens und/oder mit einer Messeinrichtung 100 ausgestattet ist. Die Messeinrichtung 100 ist entsprechend den oben beschriebenen Merkmalen der Erfindung aufgebaut. Die Fertigungseinrichtung 200 ist eine Maschine zur Herstellung oder Bearbeitung des Prüfkörpers 2 (Objekt mit fester Oberfläche, Werkstück), z. B. eine an sich bekannte Schleifmaschine zur Fertigung optischer Bauteile.In 8th is an example of a manufacturing facility 200 shown that according to the invention for performing the method described and / or with a measuring device 100 Is provided. The measuring device 100 is constructed in accordance with the features of the invention described above. The manufacturing facility 200 is a machine for the production or processing of the test specimen 2 (Object with a solid surface, workpiece), e.g. B. a known grinding machine for manufacturing optical components.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist, insbesondere zur Erhöhung der Genauigkeit wie folgt modifizierbar. Die Modifizierungen stellen Kombinationen der Erfindung mit den o. g. herkömmlichen Messprinzipien dar. Erstens kann eine Ringprojektion durch einen Blendenring im Lichtweg vorgesehen sein, um den Rand einer zu erfassenden Oberfläche, z. B. einer Linse, festzulegen. Es können ein oder mehrere Blendenringe oder ein im Durchmesser verstellbarer Blendenring verwendet werden. Zweitens können mehrere kohärente Lichtquellen verwendet werden, um zusätzlich interferometrische Effekte auszuwerten. Schließlich könnte zur Genauigkeitserhöhung eine Kombination mit dem Stitching-Verfahren vorgesehen sein.The method according to the invention is, in particular to increase the accuracy can be modified as follows. Make the modifications Combinations of the invention with the above. conventional measuring principles. First, a ring projection can be made through an aperture ring in the light path be provided to the edge of a surface to be detected, for. B. a lens. There can be one or more aperture rings or a diaphragm ring with adjustable diameter can be used. Second, you can several coherent Light sources are used to additionally evaluate interferometric effects. Finally could to increase accuracy a combination with the stitching method can be provided.

Claims (16)

Verfahren zur Ermittlung der Form einer Oberfläche (1), mit den Schritten: – Beleuchtung einer Targetfläche (20) mit Licht, das auf einem Lichtweg (11) von einer Lichtquelle (10) über die Oberfläche (1) auf die Targetfläche (20) gelenkt wird, – Messung einer Bestrahlungsstärkeverteilung des auftreffenden Lichtes auf der Targetfläche (20), und – Bestimmung der Form mindestens eines Teilbereiches der Oberfläche (1) aus der Bestrahlungsstärkeverteilung.Method for determining the shape of a surface ( 1 ), with the steps: - Illumination of a target surface ( 20 ) with light that is on a light path ( 11 ) from a light source ( 10 ) over the surface ( 1 ) on the target surface ( 20 ) is steered - measurement of an irradiance distribution of the incident light on the target surface ( 20 ), and - determining the shape of at least a portion of the surface ( 1 ) from the irradiance distribution. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bestimmung der Form der Oberfläche (1) eine Berechnung einer berechneten Oberfläche umfasst, die bei Beleuchtung mit der Lichtquelle die gemessene Bestrahlungsstärkeverteilung ergeben würde, wobei die Form der Oberfläche (1) gleich der Form der berechneten Oberfläche ist.The method of claim 1, wherein determining the shape of the surface ( 1 ) comprises a calculation of a calculated surface, which would result in the measured irradiance distribution when illuminated with the light source, the shape of the surface ( 1 ) is equal to the shape of the calculated surface. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bestimmung der Form der Oberfläche (1) mindestens einen Vergleich der gemessenen Bestrahlungsstärkeverteilung mit mindestens einer Modell Bestrahlungsstärkeverteilung umfasst, die einer vorbestimmten Modelloberfläche entspricht.The method of claim 1, wherein determining the shape of the surface ( 1 ) comprises at least a comparison of the measured irradiance distribution with at least one model irradiance distribution that corresponds to a predetermined model surface. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beleuchtung mit monochromatischem Licht erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the lighting with monochro matic light occurs. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Messphasen vorgesehen sind, in denen jeweils eine Beleuchtung mit monochromatischem Licht mit verschiedenen Wellenlängen erfolgt und mehrere Bestrahlungsstärkeverteilungen für die jeweiligen Wellenlängen ermittelt werden, wobei die Form der Oberfläche (1) aus den verschiedenen Bestrahlungsstärkeverteilungen ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, in which a plurality of measurement phases are provided, in each of which illumination with monochromatic light with different wavelengths takes place and a plurality of irradiance distributions for the respective wavelengths are determined, the shape of the surface ( 1 ) is determined from the different irradiance distributions. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Messphasen vorgesehen sind, in denen jeweils eine Beleuchtung mit verschiedenen Lichtwegen erfolgt und mehrere Bestrahlungsstärkeverteilungen für die jeweiligen Lichtwege ermittelt werden, wobei die Form der Oberfläche (1) aus den verschiedenen Bestrahlungsstärkeverteilungen ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, in which a plurality of measurement phases are provided, in each of which an illumination with different light paths takes place and a plurality of irradiance distributions for the respective light paths are determined, the shape of the surface ( 1 ) is determined from the different irradiance distributions. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bestimmung der Form der Oberfläche (1) eine Detektion einer vorbestimmten Verformung der Oberfläche (1) umfasst.Method according to one of the preceding claims, in which the determination of the shape of the surface ( 1 ) detection of a predetermined deformation of the surface ( 1 ) includes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beleuchtung mit pulsförmigem Licht erfolgt und eine zeitaufgelöste Messung der Bestrahlungsstärkeverteilung erfolgt.Method according to one of the preceding claims, which the lighting with pulsed There is light and a time-resolved measurement of the irradiance distribution he follows. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Oberfläche (1) eine spiegelnde Reflektorfläche umfasst, deren Form ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the surface ( 1 ) includes a reflective reflector surface, the shape of which is determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Oberfläche (1) eine Oberfläche eines lichtdurchlässigen Körpers (2) umfasst, deren Form ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 8, in which the surface ( 1 ) a surface of a translucent body ( 2 ), whose shape is determined. Messeinrichtung (100) zur Ermittlung der Form einer Oberfläche (1), die umfasst: – eine Lichtquelle (10), von der ein Lichtweg (11), in dem die Oberfläche (1) angeordnet ist, zu einer Targetfläche (20) führt, – eine Detektoreinrichtung (30), die zur Messung einer Bestrahlungsstärkeverteilung des von der Lichtquelle (10) auf der Targetfläche (20) auftreffenden Lichtes eingerichtet ist, und – eine Auswertungseinrichtung (40), die zur Ermittlung der Form der Oberfläche (1) aus der Bestrahlungsstärkeverteilung eingerichtet ist.Measuring device ( 100 ) to determine the shape of a surface ( 1 ), which includes: - a light source ( 10 ), from which a light path ( 11 ) in which the surface ( 1 ) is arranged to a target surface ( 20 ) leads - a detector device ( 30 ) used to measure an irradiance distribution of the light source ( 10 ) on the target surface ( 20 ) incident light is set up, and - an evaluation device ( 40 ) used to determine the shape of the surface ( 1 ) is set up from the irradiance distribution. Messeinrichtung nach Anspruch 11, bei der die Auswertungseinrichtung (40) eine Berechnungseinrichtung zur Berechnung einer berechneten Oberfläche, die bei Beleuchtung mit der Lichtquelle die gemessene Bestrahlungsstärkeverteilung ergeben würde, oder eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich der gemessenen Bestrahlungsstärkeverteilung mit mindestens einer Modell-Bestrahlungsstärkeverteilung umfasst, die einer vorbestimmten Modelloberfläche entspricht.Measuring device according to claim 11, wherein the evaluation device ( 40 ) includes a calculation device for calculating a calculated surface, which would result in the measured irradiance distribution when illuminated with the light source, or a comparison device for comparing the measured irradiance distribution with at least one model irradiance distribution, which corresponds to a predetermined model surface. Messeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, bei der die Lichtquelle (10) zur Emission von monochromatischem Licht eingerichtet ist.Measuring device according to claim 11 or 12, wherein the light source ( 10 ) is set up to emit monochromatic light. Messeinrichtung nach Anspruch 11 oder 13, bei der die Lichtquelle (10) zur Emission von pulsförmigem Licht eingerichtet ist und mit der Detektoreinrichtung (30) und der Auswertungseinrichtung (40) die Bestrahlungsstärkeverteilung zeitaufgelöst erfassbar ist.Measuring device according to claim 11 or 13, wherein the light source ( 10 ) is set up for the emission of pulsed light and with the detector device ( 30 ) and the evaluation facility ( 40 ) the irradiance distribution can be recorded in a time-resolved manner. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der eine Stelleinrichtung mit mindestens einer verstellbaren Halterung (51, 52) vorgesehen ist, mit der die Positionen der Lichtquelle (10), der Oberfläche und/oder der Targetfläche (20) relativ zur Detektoreinrichtung (30) oder relativ zueinander verstellbar sind.Measuring device according to one of claims 11 to 14, in which an adjusting device with at least one adjustable holder ( 51 . 52 ) is provided with which the positions of the light source ( 10 ), the surface and / or the target surface ( 20 ) relative to the detector device ( 30 ) or are adjustable relative to each other. Vorrichtung zur Fertigung eines Objektes, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und/oder mit einer Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15 ausgestattet ist.Device for manufacturing an object, which is used for execution of a method according to one of claims 1 to 14 and / or with a Measuring device according to one of claims 11 to 15 equipped is.