Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Prüfung geometrischer Eigenschaften optischer Komponenten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

Optische Systeme, insbesondere mikrooptische Systeme, sind Bestandteil vieler Gerätschaften und können im erheblichen Maße zur Sicherheit, Gesundheit und

Komfort im täglichen Leben sowie in technischen Anwendungen beitragen. Beispiele hierfür sind die Handykamera, optische Koppler zur Kommunikation, Endoskope in der Medizintechnik sowie Sensorsysteme in Fahrzeugen, z.B. Personenkraftwagen. Die optische Funktion solcher Systeme kann jedoch nur sichergestellt werden, wenn die Eigenschaften der einzelnen Komponenten den Spezifikationen entsprechen. Die optischen Eigenschaften eines Bauteils werden im Wesentlichen durch die Geometrie und Beschaffenheit der zugehörigen Funktionsflächen und über den Brechungsindex auch durch den eingesetzten Werkstoff bestimmt. Insofern zeichnen sich innovative optische Komponenten vor allem durch Verbesserungen in den Werkstoffeigenschaften oder bzw. und durch neuartige Geometrien aus. Beide Möglichkeiten sind aus

messtechnischer Sicht in der Regel mit Herausforderungen verbunden, die häufig dazu führen, dass die spezifizierten Bauteileigenschaften mit hohem Aufwand geprüft werden müssen oder unter Umständen eine Prüfung im vorgegebenen Toleranzbereich gar nicht möglich ist.

In Bezug auf die Bauteilgeometrie sind die entscheidenden Kriterien einerseits die Form der optischen Funktionsflächen und andererseits ihre Position im Gesamtsystem. Beide Aspekte werden durch die Erfindung adressiert.

Mit Blick auf die Formprüfung anspruchsvoller optischer Funktionsflächen ergibt sich zum einen die Herausforderung, dass sich die mit fortschreitender Entwicklung stetig komplexer werdenden optischen Komponenten durch immer größere Flankensteilheiten auszeichnen. Die Flankensteilheit beschreibt die Neigung der Oberfläche im Vergleich zu einer zur optischen Achse senkrechten Ebene. Gerade bei mikrooptischen Asphären und Freiformlinsen, die gewöhnlich im Kunststoffspritzgussverfahren hergestellt werden, können teilweise erhebliche Flankensteilheiten von z.B. 20° bis 60° auftreten. Bereits Flankensteilheiten ab 20° stellen bestehende Messsysteme vor große

Flerausforderungen.

Aus dem Stand der Technik sind taktile Messsysteme zur Formprüfung bekannt, deren Anwendung jedoch Restriktionen im Zusammenspiel zwischen Messtaster und zu prüfender Oberfläche ausgesetzt sind. Die gesuchte Geometrieinformation wird durch die Relativbewegung einer über die Bauteiloberfläche gezogenen Tastspitze erfasst. In steilen Bereichen kann es dazu kommen, dass die Tastspitze die Prüflingsoberfläche nicht allein mit dem für die Messung maßgeblichen vorderen Ende sondern mit ihrer Flanke berührt und damit die Messung verfälscht wird. Dieser Fehler kann zwar im Messergebnis häufig direkt erkannt werden, begrenzt jedoch die Einsatzfähigkeit taktiler Verfahren zur Formprüfung auf Flankensteilheiten von ca. ± 25°.

Auch für aus dem Stand der Technik bekannte optische Verfahren existieren Grenzen für die maximal erfassbare Flankensteilheit, da die zur Messung genutzte Strahlung zurück zum Sensor geleitet werden muss. Die Kombination aus Durchmesser und Arbeitsabstand des Objektivs, d.h. dessen numerische Apertur, bestimmt, bei welcher maximalen Neigung der Prüflingsoberfläche der reflektierte Messstrahl zurück zum Sensor gelangen kann oder verloren geht. Wegen weiterer praktischer Restriktionen hinsichtlich Arbeitsabstand, Reflexionsgrad etc. sind selbst mit hochwertigen Objektiven Flankensteilheiten von lediglich ca. ±30° messbar.

Aufgrund der beschriebenen Problematik im Zusammenhang großen Flankensteilheiten wird in diversen Verfahrensvarianten eine Kinematik zur Verfügung gestellt, die eine möglichst orthogonale Ausrichtung zwischen Prüflingsoberfläche und der Tastspitze oder einem anderen Sensor bzw. - im Falle optischer Verfahren - der emittierten Strahlung ermöglicht. Dieser Ansatz ist seit langem bereits in konventionellen

Tastschnittgeräten integriert oder wird in Systemen genutzt, die optische Sensoren oder Objektive hochgenau zustellen und so auch sehr steile Geometrien erfassen können.

Die bekannten Systeme haben eine Reihe von Nachteilen. So sind taktile Systeme bereits aufgrund der möglichen mechanischen Beeinträchtigung, z.B. durch Erzeugung sichtbarer und nicht erwünschter Furchen auf der Probenoberfläche, problematisch. Bei Einsatz von oftmals komplexen externen Kinematiken, zu denen Rotations-, Schwenk- und Drehachsen sowie Referenzspiegel gehören, ergibt sich für die

Messdatenerfassung eine Toleranzkette, die mit hohem gerätetechnischem Aufwand minimiert werden muss, damit Formmessungen mit hinreichend geringen

Unsicherheiten durchführbar sind. Dies hat in der Regel zur Folge, dass die

erforderlichen Messzeiten mindestens eine Minute betragen und daher für typische Zykluszeiten in der z.B. spritzgussbasierten Produktion optischer Komponenten ungeeignet sind.

Um unterschiedliche Funktionsflächen eines optischen Elements, z.B. beide Seiten einer Linse, für die Sensorik zugänglich zu machen, werden im Stand der Technik aufwendige Aufspann-Systeme eingesetzt, in denen der Prüfling gehalten wird und welche sich mit hoher Präzision wenden und positionieren lassen. Demgegenüber kann mit einem entsprechenden gerätetechnischen Aufwand auch ein aufeinander

eingemessenes Sensorpaar für die obere bzw. untere Fläche zur Verfügung gestellt und damit die Messzeiten verringert werden.

Im Folgenden werden bekannte, auf optischem Wege arbeitende Prüfverfahren für Funktionsflächen kurz dargestellt:

Chromatisch konfokale Punktsensoren nutzen mit der chromatischen Aberration, also der Abhängigkeit der Brennweite von der Wellenlänge der Strahlung, einen

Abbildungsfehler von Linsen, der in konventionellen optischen Systemen minimiert wird (z.B. DE10 2016 115 827 A1 ). Da Strahlung niedrigerer Wellenlänge (blau) kürzere Brennweiten hat, als Strahlung höherer Wellenlänge (rot) kann über ein

angeschlossenes Spektrometer die von der Prüflingsoberfläche zurückgeworfene Strahlung analysiert und so die gesuchte Höheninformation gemessen werden. Mittels einer lateralen Positionierung des Sensors über der Prüflingsoberfläche lässt sich eine flächige Prüfaussage generieren, wobei aufgrund von Einschränkungen für die laterale Auflösung Rauheitsmessungen nicht möglich sind. Optisch flächig messende Verfahren generieren die Prüf Information auf

unterschiedliche Weise. So wird bei der Formprüfinterferometrie die Abweichung der Prüflingsoberfläche zu einer Referenzwellenfront untersucht, welche vorher mit einem entsprechend hochgenauen Objektiv generiert wurde (z.B. DE 10 2017 217 372 A1 ). Sind diese Objektive sphärisch, können damit, abhängig vom Prüflingsdurchmesser, alle sphärischen Objekte sowie diejenigen Asphären geprüft werden, die nur leicht von der sphärischen Form abweichen. Für stark asphärische Prüflinge oder Freiformflächen muss die individuelle Referenzwellenfront mittels eines computergenerierten

Flologramms CGFI erzeugt werden.

Die Konfokalmikroskopie (z.B. EP 0 646 768 A2) nutzt einen speziell konstruierten Strahlengang aus, bei dem nur die Strahlung zurück zum Sensor gelangt, welche exakt im Fokuspunkt des genutzten Objektivs liegt. Wird die vertikale Position des Objektivs durch Piezo-Aktoren hochgenau verändert, kann so die Flöheninformation der betreffenden Prüflingsoberfläche erfasst werden.

Die hohe laterale Auflösung optisch flächig messender Verfahren und der

Konfokalmikroskopie erlaubt eine kombinierte Form- und Rauheitsmessung an

Teilbereichen der Prüflingsoberfläche. Zwar skaliert die laterale Auflösung

entgegengesetzt zum gewählten Messbereich, aber auch größere Flächen lassen sich durch das Aneinanderfügen (engl stitching) von Einzelmessungen erfassen. Dazu wird ein gewisser Überlappbereich der Einzelmessungen genutzt, der bis zu 20 % betragen kann. Insbesondere bei merkmalsarmen Oberflächen kommt es dabei trotzdem zu Stitching-Artefakten, also zu Berechnungsfehlern beim rechnerischen Ausrichten der einzelnen Messfelder, welche das Messergebnis unzulässig beeinträchtigen können.

Wie bereits erwähnt, ist neben der Formprüfung die Prüfung der Orientierung von optischen Funktionsflächen zueinander, z.B. von den beiden Funktionsflächen einer Linse, ein weiterer wichtiger Aspekt. Trotz präziser Einzelflächen ist die Güte der Funktion der Linse entscheidend davon abhängig, wie die beiden Flächen zueinander orientiert sind. Dies gilt sowohl für die Funktionsflächen eines einzelnen optischen Elements (z. B. Vorder- und Rückseite einer Vorsatzoptik) als auch für die einzelnen Elemente eines mehrkomponentigen Systems. Mögliche Fehler in der Orientierung der Funktionsflächen zueinander können dabei in Dezentrierungen und Verkippungen bestehen. Bei der Dezentrierung ist die optische Achse der Funktionsfläche parallel zur Achse des Systems lateral versetzt, wohingegen sie bei der Verkippung um einen beliebigen Punkt verdreht ist. Diese Bauteilfehler hängen unmittelbar mit dem

Fierstellungsprozess zusammen und können z.B. auf die Achsparallelität der

Formwerkzeuge oder die Geradheit ihrer Führung zurückgeführt werden.

Informationen über die Orientierung von Funktionsflächen zueinander sind gemäß dem Stand der Technik messtechnisch nur mit erheblichem Aufwand zu erfassen, z.B. durch eine Prüfung der Orientierung der jeweiligen optischen Achse mittels eines

Autokollimationsfernrohrs (bei sphärischen Flächen) und erforderlichenfalls durch zusätzliche Sensorik zur Erfassung des Schlags (bei asphärischen Flächen). In manchen Fällen (z.B. Freiformflächen) kann die Orientierung auch gar nicht erfasst werden. Es handelt sich dabei stets um einen iterativen Prozess, bei dem die einzelnen Funktionsflächen sukzessive erfasst werden.

Die Erfassung derartiger Fehler kann sowohl über die Prüfung der Geometrie als auch über die Prüfung der Funktion geschehen.

Gemäß dem Stand der Technik wird in der Geometrieprüfung beispielsweise über einen Autokollimator die Abweichung des Krümmungsmittelpunktes einer

rotationssymmetrischen Fläche zur optischen Achse des Systems erfasst, um so etwaige Fehlpositionierungen dieser Fläche messen zu können (z.B. DE 10 2006 052 047 A1 ). Auch in mehrkomponentigen Systemen können so die einzelnen

Funktionsflächen und damit das Gesamtsystem sukzessiv charakterisiert werden.

Für die Funktionsprüfung kommen häufig Wellenfrontsensoren zum Einsatz, welche über ein Mikrolinsenarray die lokalen Steigungen der Wellenfront und damit die lichtformenden Eigenschaften des optischen Systems auf einer CCD-Kamera abbilden (z.B. DE 103 48 509 A1 ). Die so rekonstruierte Wellenfront kann dazu dienen, näheren Aufschluss über die Systemeigenschaften zu liefern. Flierzu kann beispielsweise die gemessene Wellenfront in ihre orthogonale Polynome, die sogenannten Zernike Koeffizienten zerlegt werden. Mit einer überschaubaren Anzahl solcher Koeffizienten kann die gemessene Wellenfront in guter Näherung nachgebildet werden. Der

Wesentliche Vorteil dieser Koeffizienten-Darstellung liegt aber in der Tatsache, dass bestimmte Koeffizienten Rückschlüsse auf bestimmte Systemzustände zulassen.

Beispielsweise korreliert der Koma-Term der Wellenfront unmittelbar mit der

Dezentrierung der Systemkomponenten. Diese Zusammenhänge sind z. T. linear und können genutzt werden, um Korrekturanweisungen für die Positionierung der

Komponenten zueinander zu berechnen und umzusetzen.

Die optische Kohärenztomografie (OCT, Optical Coherence Tomography) ist eine bekannte Variante der Weißlicht-Interferometrie, welche kurzkohärentes Licht einsetzt. Die kurze Kohärenzlänge des Lichts ist erforderlich für eine hohe axiale Auflösung. Man unterscheidet zwischen unterschiedlichen OCT-Verfahren. Zum einen ist die Time Domain OCT (TD-OCT) bekannt, bei der der optische Weg im Referenzarm des Interferometers in seiner Länge verändert werden muss. Nachteilig ist die dabei erforderliche Bewegung mechanischer Teile, welche Zeit kostet und die Gefahr von Kollisionen oder Vibrationen mit sich bringt. Ohne mechanische Bewegung kommt die Frequency Domain OCT (FD-OCT) aus, für die bevorzugt zwei Verfahrensalternativen genutzt werden. Bei der SD-OCT (Spectral Domain Optical Coherence Tomography) wird eine breitbandige Strahlungsquelle verwendet und am Detektor ein Spektrometer eingesetzt. Alternativ kann die SD-OCT (Swept Source Optical Coherence

Tomography) genutzt werden, bei der die Strahlungsquelle durchstimmbar ist. Als Detektor wird dann ein symmetrischer Photodetektor (balanced photodetector) verwendet. Bei beiden Alternativen wird über das empfangene Signal eine

Fouriertransformation durchgeführt.

Die OCT wird bislang im Wesentlichen im medizinischen Bereich eingesetzt, z.B. zur Vermessung von weichem Gewebevolumen oder auf dem Gebiet der ophthalmischen Diagnose und Behandlung. Im Allgemeinen wird bei der OCT zwischen A-Scan, B-Scan und C-Scan unterschieden. Im Folgenden wird unter einem A-Scan eine Messung in die Tiefe verstanden, bei der keine Scan-Bewegungen des Messstrahls in lateraler

Richtung durchgeführt werden. Beim B-Scan erfolgt eine laterale Scan-Bewegung des Messstrahls derart entlang einer Geraden, so dass eine Abfolge von A-Scans einen Schnitt durch die untersuchte Probe ergibt. Ein C-Scan ist eine Abfolge von mehreren nebeneinander liegenden B-Scans, so dass ein Volumenscan des untersuchten Objekts oder eines Teils des Objekts erzeugt wird.

Aus der DE 10 2009 006 306 A1 ist eine Vorrichtung zum Kalibrieren oder Bewerten der Leistung einer Refraktionsplattform bekannt, die ein Modell-Auge und mindestens ein Referenzelement aufweist. Das Modellauge ist durch eine vordere Kappe und eine von der Kappe abgedeckte Halbkugel gebildet, wobei die Kappe für Licht, welches bei Verwendung der Vorrichtung eingesetzt wird, nahezu transparent ist. Die Kappe kann z.B. durch einen Film, eine aufgedampfte Schicht, Spritzgießen oder eine Kontaktlinse realisiert sein. Die Halbkugel ist um die variable Dicke eines Schlitzes von einem zylindrischen Körper beabstandet. Der Schlitz kann zum Einfügen weiterer Elemente, z.B. einem Irismodell, dienen. Kappe, Halbkugel und Körper bestehen jeweils aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen. Die äußere Fläche der Kappe und die Grenzfläche zwischen Kappe und Halbkugel reflektieren eingestrahltes Licht, was die Messung der Materialdicke der Kappe ermöglicht, z.B. durch OCT- Messung. Die Dicke kann während eines formändernden Prozesses oder vorher und nachher gemessen werden. Es ist nicht offenbart, mittels OCT neben der

Dickenmessung auch Informationen über die Form und Orientierung der beteiligten Grenzflächen zu erlangen.

Aus der DE 103 92 656 B4 ist ein Interferometer-System zur Ermittlung einer

dreidimensionalen Werkstückoberfläche bekannt. Das mit Weißlicht arbeitende

Interferometer wird mit einem dreiachsigen Aufbau über dem Werkstück verfahren, wobei die bei Auftreffen eines Fokuspunkts von der Werkstückoberfläche reflektierte Strahlung ausgewertet wird. Um eine Aussage über die Richtung der Bewegung des Messkopfes relativ zum Werkstück treffen zu können, wird in diversen

Ausführungsformen der Einsatz mehrerer zueinander beabstandeter Fokuspunkte von Strahlung unterschiedlicher Frequenzen vorgeschlagen. In der Druckschrift wird das in der Zeit-Domäne (Time Domain) arbeitende angewendete Verfahren als optische Kohärenztomographie bezeichnet. Es wird lediglich die Information über eine

dreidimensional verlaufende Oberfläche ermittelt. Das Messverfahren bietet keine Volumeninformation über das vermessene Objekt, welches offensichtlich nicht

(teil-)transparent ist. Aus der EP 1 744 119 A1 ist ein Verfahren zur Analyse von Form, Dimension oder Topografie eines Objekts bekannt, wobei die FD-OCT eingesetzt wird und zwar unter Nutzung einer durchstimmbaren Strahlungsquelle (SS-OCT). In einem

Ausführungsbeispiel wird die Anwendung des Tomografie-Verfahrens zur Messung von Oberflächen im Inneren einer Vertiefung dargestellt. Es ist auch offenbart, dass es mit diesem Verfahren möglich sein soll, mehrere partiell reflektierende Oberflächen eines partiell transparenten Objekts zu untersuchen, ohne die diesbezügliche

Vorgehensweise näher darzustellen.

Aus der DE 10 2010 032 138 A1 ist ein OCT-basiertes, ophthalmologisches

Messsystem mit einer Scanner-Einheit bekannt, welches ein SS-OCT-System (Swept Source OCT) ist, wobei die Durchstimmzeit dA /dt der Lichtquelle an die angestrebte maximale Messtiefe und die Frequenz der axialen Modulation der Scanner-Einheit angepasst ist. Hierdurch sollen der Einfluss auftretender axialer Modulationen der Scanner-Einrichtung kompensiert oder zumindest minimiert werden. Das Messsystem wird zur Bestimmung von Abständen und zur Abbildung von Augenstrukturen

eingesetzt. Es ist offenbart, dass das System auch auf anderen Gebieten als den Bereich der Ophthalmologie eingesetzt werden könnte, ohne jedoch ein konkretes Beispiel zu benennen.

Der hier betroffenen Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung optischer Elemente zur Verfügung zu stellen, die eine Alternative gegenüber dem Stand der Technik darstellen und insbesondere die

Möglichkeit einer vollständigen Charakterisierung eines optischen Elements in nur einer Messung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die

Merkmale des Anspruchs 1 bei einer Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den abhängigen

Ansprüchen. Somit wird vorgeschlagen, dass zur Prüfung geometrischer Eigenschaften optischer Elemente aus Kunststoff oder Glas optische Kohärenztomographie eingesetzt wird, wobei ein Volumenscan (C-Scan) des zu prüfenden optischen Elements aufgenommen wird.

Die optische Kohärenztomographie, im Folgenden kurz OCT genannt, ist sehr flexibel bezüglich der Geometrie des zu prüfenden optischen Elements. Durch die hohe

Sensitivität der OCT reicht ein geringer Teil am Prüfling zurückgestreuten Lichts aus, um ein verwertbares Messsignal zu erhalten. Dadurch können insbesondere auch Prüflinge mit hoher Flankensteilheit gemessen werden, was mit den eingangs dargestellten alternativen Verfahren nach dem Stand der Technik nur unter großem Aufwand realisiert werden kann. Weiterhin ist das Verfahren schnell und kann innerhalb weniger Sekunden mehrere Funktionsflächen mit nur einer Messung charakterisieren. Darüber hinaus entfällt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine hochpräzise Ausrichtung des Prüflings gegenüber dem Messsystem. Einen weiteren Vorteil des Verfahrens stellt der vergleichsweise geringe technische Aufwand zur Realisierung eines OCT-Systems dar. Die Messung erfolgt in Rückstreuung, so dass die Integration vergleichsweise platzsparend erfolgen kann, was insbesondere für

maschinenintegrierte oder automatisierte Applikationen Vorteile bietet. Die Umsetzung von optischen Wegstrecken mit Hilfe von optischen Fasern ermöglicht einen im

Vergleich zur Stand der Technik robusten und gleichzeitig flexibel einsetzbaren und kompakten Aufbau mit einer möglichst geringen Anzahl beweglicher Teile.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können z.B. vorteilhaft zur Optikprüfung im Bereich der optischen oder mikrooptischen

Komponenten, wie z.B. Asphären oder Freiformlinsen, eingesetzt werden, insbesondere auch für Vorsatzoptiken, z.B. bei LED-Beleuchtungsoptiken. Insbesondere bei der replikativen Fertigung besteht ein Bedarf nach einem schnellen Prüfungsverfahren, welches für verschiedenste Geometrien ohne spezielle Anpassung verwertbare

Ergebnisse liefert. Durch die relativ kompakte Bauweise von OCT-Messeinrichtungen und durch den möglichen Einsatz von Faseroptik können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung in bestehende Produktionsprozesse, z.B. durch Integration in Spritzgussanlagen, leicht eingefügt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgeführt werden, dass die Form mindestens zweier Funktionsflächen mindestens eines optischen Elements geprüft wird. Mit der Erfassung der Form mehrerer Funktionsflächen in nur einer Messung ist automatisch auch die Ausrichtung der mindestens zwei Funktionsflächen relativ zueinander bestimmt.

Die kombinierte Erfassung sowohl der Form als auch der Ausrichtung der

Funktionsflächen zueinander ermöglicht eine vollständige messtechnische

Charakterisierung optischer Elemente in geometrischer Hinsicht in nur einer Messung. Durch die Eigenschaften der tomographischen Erfassung beider Funktionsflächen ermöglicht das neue Verfahren also, nicht nur enorme Flankensteilheiten zu detektieren sondern gleichzeitig auch die Orientierung der Funktionsflächen zu charakterisieren.

Bei der Prüfung mindestens zweier Funktionsflächen können diese zum selben optischen Element, vorzugsweise einer optischen Linse, gehören. Die zu prüfenden Funktionsflächen können aber auch zu unterschiedlichen optischen Elementen gehören.

Bei der Prüfung zweier in Einstrahlrichtung hintereinander angeordneter

Funktionsflächen kann die Abbildung der hinteren Funktionsfläche aufgrund der

Brechungseigenschaften des Materials des optischen Elements an der vorderen

Funktionsfläche verzerrt werden. Bei bekannten Brechungseigenschaften des optischen Elements kann dieses vorzugsweise mittels eines softwaregestützten Algorithmus berücksichtigt werden. Entsprechendes gilt bei der Untersuchung von drei oder mehr hintereinander angeordneter Funktionsflächen, nämlich durch Berücksichtigung der Brechung an jedem Übergang zwischen Materialien unterschiedlicher

Brechungsindizes.

Die Berücksichtigung der Brechungseigenschaften für die Ermittlung der Form der hinteren Funktionsfläche kann für jeden A-Scan des Volumenscans (C-Scans) unter Berücksichtigung benachbarter A-Scans separat mit Hilfe von Strahlverfolgung

(Raytracing) erfolgen. Dazu kann zunächst der Normalenvektor auf der dem Messsystem zugewandten Funktionsfläche am Auftreffpunkt des Messstrahls bestimmt werden. Dies kann z.B. mittels Triangulationsverfahren oder lokaler Flächenanpassung geschehen. Anschließend wird mit dem Einfallsvektor des Messstrahls, dem

scheinbaren Abstand zwischen vorderer und hinterer Funktionsfläche im A-Scan und den Brechungsindizes der die vordere Funktionsfläche umschließenden Materialien unter Zuhilfenahme des Snelliusschen Brechungsgesetzes der geometrische Ort der hinteren Funktionsfläche im Koordinatensystem der Messdaten ermittelt.

Alternativ kann eine umfassende Flächenanpassung jeweils an die vordere und hintere Funktionsfläche durchgeführt werden, d.h. an die vollständige oder im Wesentlichen vollständige Funktionsfläche wird, z.B. mittels Verwendung eines mathematischen Modells wie der Asphärengleichung oder unter Einsatz von Zernikepolynomen, eine Fläche angepasst. Anschließend kann die Bestimmung von Neigungswerten oder Normalenvektoren auf variabler Anzahl an Stützstellen erfolgen, um die Verzerrung der hinteren Funktionsfläche entsprechend oben genanntem Strahlverfolgungs-Verfahren korrigieren zu können.

Die auf die beschriebene Weise ermittelten Messdaten der Funktionsflächen können z.B. direkt mit den Daten eines Objekt-Modells verglichen werden, um z.B.

Abweichungen des Prüflings von Solldaten festzustellen, oder es können

charakteristische Prüfgrößen ermittelt werden. Im Fall einer Linse können solche Prüfgrößen z.B. die Mittendicke, Krümmungsradien, Asphärenkoeffizienten, Keilwinkel oder Dezentrierung sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere so ausgeführt werden, dass die OCT im Frequenzbereich ausgeführt, d.h. FD-OCT (Frequency Domain Optical Coherence Tomography) eingesetzt wird. Damit kann eine Veränderung der Länge des Referenzarms des Interferometers vermieden werden. Zudem kann die Messung gegenüber einer TD-OCT schneller durchgeführt werden. Als Variante der FD-OCT können z.B. die SS-OCT oder die SD-OCT eingesetzt werden.

Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Verfahrens anhand von Figuren dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 : einen aus dem Stand der Technik bekannten Messaufbau mit einem SD-OCT,

Fig. 2: eine Darstellung zur Verdeutlichung eines Triangulationsverfahrens zur

Ermittlung eines Normalenvektors N,

Fig. 3: den Strahlverlauf eines an einer ersten Funktionsfläche gebrochenen

Messstrahls und

Fig. 4: eine Darstellung zur Erläuterung zur Korrektur des ermittelten Verlaufs einer zweiten Funktionsfläche.

Fig. 1 zeigt eine mögliche Messeinrichtung mit einem SD-OCT. Mit dem beispielhaften Verfahren sollen zwei Funktionsflächen 2 und 3 eines optischen Elements, nämlich einer Linse 1 , mittels eines C-Scans hinsichtlich ihrer Form und Ausrichtung ermittelt werden. Die Strahlung zur Erzeugung eines Messstrahls 4 entstammt einer

breitbandigen Strahlungsquelle 5 für kurzkohärente Strahlung, z.B. einer

Superlumineszenzdiode, und wird über Lichtleiter 6 und einen Faserkoppler 7 in der Messeinrichtung verteilt. Die Strahlung durchläuft als Referenzpfadstrahlung 8 einen Referenzpfad 9 mit einem Referenzspiegel 10 und als Messstrahl 4 einen Objektpfad 11 mit Scanner-Spiegeln 12 und einem Scanner-Objektiv 13. Mittels der Scanner- Spiegel 12 kann der Messstrahl 4 zur Ausführung einer Scanbewegung in zwei lateralen Richtungen über die Linse 1 geführt werden. Die von den Funktionsflächen 2 und 3 zurückgestreute Strahlung des Messstrahls 4 wird im Faserkoppler 7 mit der Referenzpfadstrahlung 8 vereinigt, so dass es in einem Spektrometer 14 zur Interferenz kommt. Im Spektrometer 14 wird die Strahlung an einem optischen Gitter 15 spektral zerlegt und auf eine Zeilenkamera 16 gerichtet.

Die beschriebene Messeinrichtung und die Strahlführung sind allgemein aus dem Stand der Technik für SD-OCT -Verfahren bekannt. Für das erfinderische Verfahren können auch alternative OCT-Verfahren eingesetzt werden. Wie dargestellt wird der Messstrahl 4 des SD-OCT-Aufbaus derart auf die zu untersuchende Linse 1 gerichtet, dass die beiden Funktionsflächen der Linse 1 , im Folgenden als erste Funktionsfläche 2 und zweite Funktionsfläche 3 bezeichnet, in Strahlungsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei als erste Funktionsfläche 1 diejenige bezeichnet wird, auf die der Messstrahl 4 zuerst auftrifft.

Es wird ein C-Scan durchgeführt. Die dabei entstehende tomographische Aufnahme kann zur Kontraststeigerung und Rauschfilterung mit im Allgemeinen für andere

Anwendungen bekannten Methoden nachbearbeitet werden, z.B. mittels Gauß-Filter oder Histogrammspreizung. Anschließend wird ermittelt von welchen Orten der untersuchten Linse Strahlung zurückgestreut wurde, die zu lokalen Intensitätsmaxima der in der Messeinrichtung erzeugten Interferenzen geführt hat. Die Verteilung der Intensitätsmaxima enthält nun Informationen über die Funktionsflächen 2 und 3 der Linse 1. Ggf. kann zur Verbesserung der Präzision die axiale Position der lokalen Maxima subpixelgenau bestimmt werden, z.B. über einen Gauß-Fit. Aus den

Intensitätsmaxima können für beide Funktionsflächen 2 und 3 Formen ermittelt werden, die beispielsweise als Punktewolke gespeichert und weiterverarbeitet werden können.

Die Punktewolke der zweiten Funktionsfläche 3 muss allerdings korrigiert werden, da der von der zweiten Funktionsfläche 3 zurückgestreute Strahlungsanteil an der ersten Funktionsfläche 2 gebrochen wird. Zur Korrektur der Daten der zweiten Funktionsfläche 3 wird Strahlverfolgung (Raytracing) verwendet. Dazu muss zunächst der

Normalenvektor N auf der ersten Funktionsfläche 2 am Auftreffpunkten P des

Messstrahls 4 bestimmt werden. Dies kann z.B. mittels Triangulationsverfahren oder lokaler Flächenanpassung geschehen. Beim Triangulationsverfahren, welches in Fig. 2 schematisch für eine geringe Anzahl von Auftreffpunkten P ₀ bis P ₈ an der ersten Funktionsfläche 2 dargestellt ist, werden zwischen den festgestellten Punkten Pi bis P ₈ der Punktewolke Dreiecke aufgespannt. Normalenvektoren D ₀ bis D ₇ der um den mittleren Auftreffpunkt P ₀ herum angeordneten Dreiecke werden berechnet, um anschließend daraus mittels Interpolation den Normalenvektor N ₀ am zentralen

Auftreffpunkt P ₀ zu ermitteln. Die Interpolation kann über eine gewichtete Mittelung der umgebenden Normalenvektoren D ₀ bis D ₇ erfolgen. Hierfür sind aus dem Stand der Technik diverse Ansätze im Zusammenhang mit der Krümmungsabschätzung an triangulierten Punktwolken bekannt (siehe z.B. Günter Grosche, Viktor Ziegler,

Eberhard Zeidler, Dorothea Ziegler:„ Teubner - Taschenbuch der Mathematik, Teil 2“,

8. Ausgabe, Springer-Verlag (2013), S. 103). Auf diese Weise werden zu allen

Auftreffpunkten P _n der Punktewolke die Normalenvektoren N _n bestimmt. Hieraus ergeben sich Krümmungen und damit ein Flächenverlauf für die erste Funktionsfläche 2.

Alternativ zum beschriebenen Triangulationsverfahren kann in der lokalen Umgebung der Auftreffpunkte eine Anpassung mathematischer Flächen an die Punktewolke durchgeführt werden, um anschließend den Normalenvektor am Auftreffpunkt aus der angepassten Fläche zu ermitteln.

Der bekannte Verlauf der Funktionsfläche 2 wird nun eingesetzt, um unter

Berücksichtigung der an ihr gegebenen Brechung des Messstrahls 4 die hierdurch verzerrt ermittelte Form der zweiten Funktionsfläche zu korrigieren. Mit Hilfe des

Snelliusschen Brechungsgesetzes wird unter Ausnutzung bekannter Größen, nämlich der Richtung des einfallenden Messstrahls 4, in Fig. 3 mit dem Vektorzeichen / versehen, den Brechungsindizes nj und n _t der die erste Funktionsfläche 2

umschließenden Materialien, nämlich im Beispiel der Linse 1 Luft und Glas oder Kunststoff, und dem zuvor berechneten Normalenvektor JV der Vektor T der Ausbreitung des Messstrahls nach Durchstoßen der ersten Funktionsfläche 2 ermittelt (siehe Fig. 4). Die hierfür geeignete Formel lautet:

Fig. 4 verdeutlicht, wie mit dem so für jeden Auftreffpunkt P _n ermittelten Vektor T _n und der optischen Weglänge l _n zwischen dem Auftreffpunkt P _n des Messstrahls 4 an der ersten Funktionsfläche 2 und dem scheinbaren Auftreffpunkt Q _n an der zweiten Funktionsfläche 3 unter Einsatz der folgenden Rechnung die tatsächliche, das heißt unverzerrte geometrische Position Q‘ _n des Auftreffpunkts des Messstrahls 4 auf der zweiten Funktionsfläche 3 bestimmt werden kann.

Auf diese Weise kann durch Rekonstruktion der Strahlungsverläufe an sämtlichen Punkten P _n die tatsächliche Form und Position der zweiten Funktionsfläche 3 berechnet werden, welche durch die Menge der Punkte Q’ _n repräsentiert wird. Für die

Rekonstruktion der Strahlungsverläufe wird nicht das von den Funktionsflächen reflektierte Licht sondern das zurückgeworfene Streulicht detektiert, da

messprinzipbedingt nur die Lichtstrahlen zum OCT-Signal beitragen, die auf dem gleichen Weg in das Scanner-Objektiv 13 des OCT-Systems eindringen, auf dem sie ausgetreten sind. Eine Verfolgung des Messstrahls 4 unter Einsatz des

Reflexionsgesetzes wird also nicht vorgenommen, da messprinzipbedingt nur die Lichtstrahlen zum OCT-Signal beitragen, die auf dem gleichen Weg in das Scanner- Objektiv 13 des OCT-Systems eindringen, auf dem sie ausgetreten sind.

Für die gewünschte Information über die Form der hinteren Funktionsfläche 3 muss diese nicht trianguliert werden. Nach der Verzerrungs-Korrektur können die Punkte Q‘ _n z.B. direkt mit Solldaten verglichen werden oder es wird an die Punkte Q‘ _n ein geeignetes Modell angepasst (z.B. Asphärengleichung oder Zernike-Polynome), aus welchem dann z.B. charakteristische Kenngrößen der Linsenfläche abgeleitet werden können (beispielsweise Krümmungsradius, Asphärenkoeffizienten, ggf. Formfehler).

Da mit der durchgeführten Messung beide Funktionsflächen 2 und 3 in Ihrer Form bestimmt wurden, ist auch ihre relative Ausrichtung zueinander bekannt. Bezugszeichenliste

1 Linse

2 Erste Funktionsfläche

3 Zweite Funktionsfläche

4 Messstrahl

5 Strahlungsquelle

6 Lichtleiter

7 Faserkoppler

8 Referenzpfadstrahlung

9 Referenzpfad

10 Referenzspiegel

11 Objektpfad

12 Scanner-Spiegel

13 Scanner-Objektiv

14 Spektrometer

15 optisches Gitter

16 Zeilenkamera

P _n Auftreffpunkte des Messstrahls auf erste Funktionsfläche

D _n Normalenvektoren Dreiecke

N _n Normalenvektor Auftreffpunkt P _n

Q _n Auftreffpunkte des Messstrahls auf zweite Funktionsfläche (verzerrt)

Q‘ _n Auftreffpunkte des Messstrahls auf zweite Funktionsfläche (unverzerrt)