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Title:
TESTING DEVICE AND METHOD FOR MEASURING THE HOMOGENEITY OF AN OPTICAL ELEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/201190
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a testing device (1) for measuring the homogeneity of an optical element (10) in a beam path (5) of the testing device, the testing device containing an interferometer (2), which comprises a monochromatic light source (3), an adjustable objective (6), a reference surface (7) associated with a surface of the optical element to be tested or of an interferometry surface (16), and an analysis unit (8) for the interference of the wave fronts of the light reflected by the reference surface (7) and the associated surface of the optical element to be tested or of the interferometry surface. The invention further relates to a corresponding method. The problem addressed by the invention is that of providing a testing device and a method for the highly precise measurement of the homogeneity of an optical element - not merely individual surfaces but the entirety of the optical element, the method being suitable in particular also for the highly precise measurement of plastic lenses or other injection moulded components for refractive laser eye surgery. The problem is solved by a reference surface associated with the surface (11) of the optical element facing away from the testing device or of an interferometry surface in the beam path after the optical element being tested, preferably with the aid of a compensation element (9) for compensating the monochromatic aberration.

Inventors:
BÖHME BEATE (DE)
Application Number:
PCT/EP2020/058905
Publication Date:
October 08, 2020
Filing Date:
March 30, 2020
Export Citation:
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Assignee:
ZEISS CARL MEDITEC AG (DE)
International Classes:
G01B11/24; B29D11/00; G01B9/02; G01M11/02; G01N21/45
Foreign References:
US20030169430A12003-09-11
US7167251B12007-01-23
US20030002049A12003-01-02
GB1106246A1968-03-13
Other References:
SU ET AL.: "Refractive index variation in compression molding of precision glass optical components", APPLIED OPTICS, vol. 47, no. 10, 2008, XP001513151, DOI: 10.1364/AO.47.001662
Attorney, Agent or Firm:
RÖSSNER, Ulrike (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Prüfvorrichtung (1 ) zur Vermessung der Homogenität eines optischen Elements (10) mit einer der Prüfvorrichtung zugewandten Oberfläche (12) und einer der Prüfvorrichtung abgewandte Oberfläche (11 ) in einem Strahlengang (5) der

Prüfvorrichtung (1 ), die ein Interferometer (2) enthält, das

- eine Lichtquelle (3), die monochromatisches Licht, insbesondere Laserlicht, aussendet, das über einen Strahlteiler (4) in den Strahlengang (5)

eingekoppelt wird,

- ein anpassbares Objektiv (6),

- eine Referenzfläche (7), die einer Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements (10) zugeordnet ist, vorzugsweise als letzte Oberfläche im

Strahlengang (5) des Interferometers (2), und

- eine Analyseeinheit (8) für die Interferenz der Wellenfronten des von der Referenzfläche (7) und der zugeordneten Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements (10) reflektierten Lichts

umfasst,

dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche (7) der der Prüfvorrichtung abgewandten Oberfläche (11 ) des optischen Elements (10) zugeordnet ist.

2. Prüfvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , die weiterhin ein optisches

Kompensationselement (9) umfasst, das in den Strahlengang (5) zwischen

Interferometer und dem zu prüfenden optischen Element (10) anordenbar ist, wobei das optische Kompensationselement (9) eingerichtet ist, eine monochromatische Aberration durch die vorgegebene Geometrie des optischen Elements (10) zu kompensieren.

3. Prüfvorrichtung (1 ) zur Vermessung der Homogenität eines optischen Elements (10) mit einer der Prüfvorrichtung zugewandten Oberfläche (12) und einer der Prüfvorrichtung abgewandte Oberfläche (11 ) in einem Strahlengang (5) der

Prüfvorrichtung (1 ), die ein Interferometer (2) enthält, das - eine Lichtquelle (3), die monochromatisches Licht, insbesondere Laserlicht, aussendet, das über einen Strahlteiler (4) in den Strahlengang (5)

eingekoppelt wird,

- ein anpassbares Objektiv (6),

- eine Referenzfläche (7), vorzugsweise als letzte Oberfläche im Strahlengang (5) des Interferometers (2), und eine Interferometrie-Oberfläche (16) hinter dem zu prüfenden optischen Element (10), wobei die Referenzfläche (7) der Interferometrie-Oberfläche (16) zugeordnet ist, und

- eine Analyseeinheit (8) für die Interferenz der Wellenfronten des von der Referenzfläche (7) und der zugeordneten Interferometrie-Oberfläche (16) reflektierten Lichts

umfasst,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die Prüfvorrichtung (1 ) weiterhin ein optisches Kompensationselement (9) umfasst, das in den Strahlengang (5) zwischen dem zu prüfenden optischen Element (10) und der Interferometrie-Oberfläche (16) anordenbar ist, wobei das optische Kompensationselement (9) eingerichtet ist, eine

monochromatische Aberration durch die vorgegebene Geometrie des optischen Elements (10) zu kompensieren, und

- das zu prüfende optische Element (10) und das Kompensationselement (9) von dem von der Lichtquelle ausgesendeten Licht vor und nach seiner Reflektion an der Interferometrie-Oberfläche (10) durchlaufen wird.

4. Prüfvorrichtung (1 ) nach Anspruch 3, in der die Interferometrie-Oberfläche (16) durch eine der Prüfvorrichtung (1 ) abgewandte Oberfläche des

Kompensationselements (16) realisiert ist.

5. Prüfvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, deren optisches

Kompensationselement (9) nahe dem zu prüfenden optischen Element (10) im Strahlengang (5) anordenbar ist, derart, dass ein geometrisch geringstmöglicher Abstand zwischen dem optischen Kompensationselement (9) und dem zu prüfenden optischen Element (10) erreicht wird.

6. Prüfvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, deren optisches

Kompensationselement (9) die Form einer Plankonvexlinse aufweist für ein zu prüfendes optisches Element (10), das die Form einer Plankonkavlinse aufweist.

7. Prüfvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zu prüfende optische Element (10) ein Kontaktelement für die refraktive Laserchirurgie ist.

8. Prüfvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die weiterhin ein ideales optisches Referenzelement (10R) umfasst, das anstelle des zu prüfenden optischen Elements (10) im Strahlengang (5) der Prüfvorrichtung (1 ) anordenbar ist, und die ausgebildet ist, eine Referenz-Messung am idealen optischen

Referenzelement (10R) auszuführen, und die Referenz-Messung von einer anschließenden Messung des zu prüfenden optischen Elements (10) zu

subtrahieren.

9. Prüfvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in der das zu prüfende optische Element (10) mit einer definierten Abweichung nichtkonzentrisch zur Prüfvorrichtung (1 ) positionierbar ist.

10. Prüfvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die ausgebildet ist, niederfrequente Fehler der Homogenität zu subtrahieren, um hochfrequente Fehler der Homogenität erkennbar zu machen.

11. Prüfvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die ausgebildet ist, die Anteile von Fehlern der der Prüfvorrichtung zugewandten Oberfläche (12), der der Prüfvorrichtung abgewandten Oberfläche (11 ) und des Volumens (13) des optischen Elements des optischen Elements (10) an der Homogenität des optischen Elements (10) zu trennen.

12. Prüfvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei das zu prüfende optische Element (10) eine Kunststoff-Komponente und/oder eine Spritzguss- Komponente umfasst.

13. Verfahren zur Vermessung der Homogenität eines optischen Elements (10) nach den Prinzipien eines Interferometers (2), bei dem eine Interferenz der Wellenfronten reflektierten Lichts einer Referenzfläche (7) und einer zugehörigen Oberfläche (1 1 ) des zu prüfenden optischen Elements (10) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Referenzfläche (7) zugehörige Oberfläche (11 ) des zu prüfenden optischen Elements (10) so in einem Strahlengang (5) des -Interferometers (2) angeordnet wird, dass das zur Vermessung verwendete Licht das zu prüfende optische Element (10) durchlaufen muss, um an der zur Referenzfläche (7) zugehörigen Oberfläche (11 ) reflektiert zu werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, in dem eine monochromatische Aberration durch die vorgegebene Geometrie des zu prüfenden optischen Elements (10) kompensiert wird.

15. Verfahren zur Vermessung der Homogenität eines optischen Elements (10) nach den Prinzipien eines Interferometers (2), bei dem eine Interferenz der Wellenfronten reflektierten Lichts einer Referenzfläche (7) und einer Interferometrie-Oberfläche (16) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zu prüfende optische Element (10) so in einem Strahlengang (5) des Interferometers (2) angeordnet wird, dass das zur Vermessung verwendete Licht das zu prüfende optische Element (10) vor und nach seiner Reflektion an der Interferometrie-Oberfläche (10) durchläuft, und zudem eine durch die vorgegebene Geometrie des optischen Elements auftretende

monochromatische Aberration kompensiert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem zur Kompensation der

monochromatischen Aberration ein optisches Kompensationselement (9) im

Strahlengang (5) in geringstmöglichem Abstand zum zu prüfenden optischen

Element (10) angeordnet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem zunächst ein ideales optisches Referenzelement (10R) vermessen wird, dessen Daten als Referenz- Messung aufgenommen werden,

dann das zu prüfende optische Element (10) vermessen wird, dessen Daten als Messung des zu prüfenden optischen Elements (10) aufgenommen werden, und schließlich die Daten der Referenz-Messung von den Daten der Messung des zu prüfenden optischen Elements (10) subtrahiert werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, in dem das zu prüfende optische Element (10) mit einer definierten Abweichung nichtkonzentrisch zu einer

Prüfvorrichtung (1 ), die das Prinzip des Interferometers (2) verwirklicht, positioniert wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, in dem niederfrequente Fehler der Homogenität subtrahiert werden, um hochfrequente Fehler der Homogenität erkennbar zu machen.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, in dem die Anteile von Fehlern der beiden Oberflächen (11 , 12) und des Volumens (13) des optischen Elements (10) an der Homogenität des optischen Elements (10) dadurch getrennt werden, dass zwei weitere Messungen nach den Prinzipien der Interferometrie, insbesondere eines Fizeau-Interferometers (2), erfolgen, wobei

- in einer ersten zusätzlichen Messung eine erste neue Referenzfläche (7‘) einer ersten Oberfläche (12), die die ursprüngliche Lichteintritts-Oberfläche (12) des zu prüfenden optischen Elements (10) darstellt, zugeordnet wird, um die

Oberflächenfehler dieser ersten Oberfläche (12) darzustellen,

- in einer weiteren zusätzlichen Messung das zu prüfende optische Element (10) um 180° gedreht wird, und wiederum eine Referenzfläche (7“) einer zweiten Oberfläche (11 ) des zu prüfenden optischen Elements (10) zugeordnet wird, um die

Oberflächenfehler dieser zweiten Oberfläche (11 ) darzustellen,

- diese beiden zusätzlichen Messungen mit der ursprünglichen Messung verrechnet werden, um die Homogenität des Volumens 13 des zu prüfenden optischen

Elements (10) darzustellen.

Description:
Prüfvorrichtung und Verfahren zur Vermessung der Homogenität eines optischen Elements

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur Vermessung der

Homogenität eines optischen Elements in einem Strahlengang der Prüfvorrichtung, die ein Interferometer enthält, das eine Lichtquelle, die monochromatisches Licht aussendet, das über einen Strahlteiler in den Strahlengang eingekoppelt wird, ein Objektiv, eine Referenzfläche, die einer Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements oder einer Interferometrie-Oberfläche zugeordnet ist, und eine

Analyseeinheit für die Interferenz der Wellenfronten des von der Referenzfläche und der zugehörigen Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements oder der

Interferometrie-Oberfläche reflektierten Lichts umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren zur Vermessung der Homogenität eines optischen Elements nach den Prinzipien eines Interferometers und

insbesondere eines Fizeau-Interferometers: Fizeau-Interferometer und

entsprechende Verfahren werden üblicherweise für die Bestimmung der Qualität einer Oberfläche eines optischen Elements genutzt.

Optische Elemente werden in der Regel aus hochreinen und qualitativ sehr hochwertigen Gläsern, insbesondere Quarzgläsern gefertigt. In den letzten Jahren wurde jedoch auch die Herstellung von optischen Elementen aus Kunststoff vorangetrieben. Hierbei wird sehr häufig ein Spritzgussverfahren verwendet.

Beim Spritzgießen von optischen Elementen wird der erhitzte, flüssige Kunststoff in ein Volumen, eine sog. Kavität eingespritzt. Danach findet ein Auswurf- und

Abkühlprozess statt, während dessen sich der Kunststoff verfestigt. Hierbei entstehen sowohl durch das Einspritzen als auch durch die Abkühlung

Inhomogenitäten im Volumen der optischen Elemente, die eine räumliche Variation der Brechzahl bewirken. Durch den Einbau derartiger optischer Elemente in optische Systeme wird die Wellenfront einfallenden Lichtes deformiert, so dass die

Abbildungsqualität sinkt, und sich beispielsweise bei einem Einsatz in einem System, dass mit einer fokussierten Laserstrahlung arbeitet, der erzeugte Laser-Fokus vergrößert. Aus der Literatur sind Verfahren und Anordnungen zur Homogenitäts-Messung großer Glas-Blöcke bekannt. Die Messung erfolgt interferometrisch, teilweise in Immersion (unter Nutzung von Öl), und durch Verrechnung mehrerer Messungen. Weiterhin werden eine Referenz-Fläche und eine Interferometrie-Oberfläche verwendet. Die laterale Auflösung ist durch die mögliche Anzahl der Kamera-Pixel hoch, und es sind Wegunterschiede von Bruchteilen der Wellenlänge messbar. Alle diese Verfahren erfordern jedoch plan geschliffene Proben („Wedges") und/oder das Anordnen der Probe in Immersion, sowie eine planare Interferometrie-Oberfläche, die hinter dem Glas-Block angeordnet wird. Die Messung ist damit insgesamt sehr aufwendig.

Andererseits werden insbesondere bei nichtplanaren Elementen nur die Oberflächen der optischen Elemente, insbesondere von Linsen, vermessen. Für die Vermessung der Homogenität von Linsen in deren Volumen mit interferometrischer Genauigkeit ist keine Lösung bekannt.

Für Linsen, bei denen mindestens eine Fläche gekrümmt ist, sind aus der Literatur Shack-Hartmann-Sensoren bekannt (Su et al, Refractive index Variation in

compression molding of precision glass optical components, Applied Optics, Vol 47, No. 10, 2008). Hierbei wird eine Analyse der Variationen der Wellenfront gemacht, um daraus auf Variationen des Brechungsindex zu schließen. Dieses Messverfahren hat im Vergleich zur Interferometrie eine deutlich geringere Genauigkeit (d.h., der messbare minimale Wegunterschied ist deutlich höher) und eine geringere laterale Ortsauflösung, die durch die Anzahl der Linsen im Sensor begrenzt ist. Weiterhin ist auch hier Immersion notwendig, deren eigene Inhomogenitäten die Messung stören können, und die im Handling aufwendig ist. Zudem kann bei der Messung in

Transmission der Einfluss der Inhomogenitäten, die im Volumen liegen, nicht vom Einfluss der Inhomogenitäten der Oberfläche getrennt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Prüfvorrichtung und ein Verfahren zur hochpräzise Vermessung der Homogenität eines optischen Elements - nicht nur einzelner Flächen sondern der Gesamtheit des optischen Elements - bereitzustellen, das insbesondere auch für die hochpräzise Vermessung von

Kunststoff-Linsen bzw. anderen Spritzguss-Komponenten für die refraktive Augen- Laserchirurgie, bei denen es auf höchste Qualität und frühzeitiges Einschreiten bei aufkommenden Produktionsproblemen ankommt, geeignet ist, und zudem einfach zu handhaben ist.

Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Die abhängigen

Ansprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen.

Die Aufgabe der Erfindung wird also gelöst durch eine Prüfvorrichtung zur

Vermessung der Homogenität eines optischen Elements in einem Strahlengang der Prüfvorrichtung, die ein Interferometer enthält. Das Interferometer der Prüfvorrichtung umfasst dabei eine Lichtquelle, die monochromatisches Licht aussendet. In der Regel handelt es sich dabei um ein Laserlicht. Der von der Lichtquelle ausgesendete Strahl wird dabei über einen Strahlteiler in den Strahlengang eingekoppelt.

Das Interferometer der Prüfvorrichtung umfasst weiterhin ein anpassbares Objektiv, das zumeist auch austauschbar ist und bezüglich seiner Objektiv-Einzelelemente und in seiner Position im Strahlengang variabel ist.

Das Interferometer enthält weiterhin eine Referenzfläche, die vorzugsweise die letzte Oberfläche im Strahlengang des Interferometers ist, und die einer Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements zugeordnet ist. Ziel ist es, Interferenzen des von der Referenzfläche reflektierten Lichts mit dem von der zur Referenzfläche zugehörigen Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements reflektierten Licht zu erzeugen und aus Störungen der Interferenzen auf Fehler des zu prüfenden optischen Elements zu schließen.

Eine Anordnung der Referenzfläche am Ende des Strahlengangs hat den Vorteil, dass Einflüsse, die durch andere Elemente entstehen können, die sich im

Strahlengang zwischen dem zu prüfenden optischen Element und der

Referenzfläche befinden und zu weiteren Störungen der Interferenz führen können, minimiert werden. Aber natürlich ist die Anordnung der Referenzfläche auch an anderer Stelle im Strahlengang möglich, beispielsweise hinter dem Strahlteiler an der Stelle der Ein- bzw. Auskopplung des Lichts in bzw. aus dem Strahlengang. Schließlich umfasst das Interferometer der Prüfvorrichtung auch eine Analyseeinheit für die Analyse der Interferenz der Wellenfronten des von der Referenzfläche und der zugehörigen Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements reflektierten Lichts. Eine solche Analyseeinheit enthält eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung und vorzugsweise auch eine Abbildungsvorrichtung

wie einen Bildschirm. Beispielsweise kann eine solche Analyseeinheit mittels einer CCD-Kamera realisiert sein. In Kommunikation mit dieser kann aber eine weitere Vorrichtung zur Datenanalyse stehen, die aus den Abbildungen der Interferenz der Wellenfronten des von der Referenzfläche und der zugehörigen Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements reflektierten Lichts detailliertere Informationen - wie beispielsweise das Ausmaß und die Position von der Oberflächenfehler ermittelt.

Das sich im Strahlengang der Prüfvorrichtung angeordnete optische Element, bei dem es sich vorzugsweise um ein Linsenelement handelt, umfasst eine der

Prüfvorrichtung zugewandten Oberfläche und eine der Prüfvorrichtung abgewandte Oberfläche.

Erfindungsgemäß ist nun die Referenzfläche der der Prüfvorrichtung abgewandten Oberfläche des optischen Elements zugeordnet. Dies entspricht einem völlig anderem Prüfaufbau als sonst beispielsweise üblich in einem Fizeau-Interferometer: Da mit einem Fizeau-Interferometer Oberflächenfehler einer Oberfläche eines optischen Elements bestimmt werden sollen, ist die zu prüfende Oberfläche dort üblicherweise der Prüfvorrichtung zugewandt. Idealerweise stehen sich in der Fizeau-Interferometrie, aber auch in anderen Interferometrie-Anordnungen die Referenzfläche und die zu prüfende Oberfläche direkt gegenüber.

In der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung wird hingegen dafür gesorgt, dass das Licht in das zu prüfende optische Element durch die der Prüfvorrichtung zugewandte Oberfläche des optischen Elements eintritt, das Volumen des optischen Elements durchläuft und an der der Prüfvorrichtung abgewandten Oberfläche des optischen Elements (an deren Unterseite) reflektiert wird. Danach durchläuft das Licht das Volumen des optischen Elements nochmals auf seinem Weg zurück in das

Interferometer. Die der Prüfvorrichtung abgewandte Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements kann deshalb auch als Interferometrie-Oberfläche verstanden werden. Dadurch erfolgt erfindungsgemäße eine Prüfung der (optisch wirksamen) Homogenität, bei der es sich um eine summarische Homogenität bzw.

Gesamthomogenität handelt, und in die die Oberflächenfehler bzw. Fehler oder Störungen der Homogenität der beiden Oberflächen des optischen Elements sowie des Volumens eingehen.

Relativ banal ist dies, wenn es sich um ein zu prüfendes optisches Element mit planaren Oberflächen handelt. Schwieriger, aber dennoch zu präzisen Ergebnissen führend, wenn entweder die Interferenz durch entsprechende (i.d.R. automatische) Datenanalyse analysiert wird und/oder weitere Maßnahmen getroffen werden, um aus der Interferenz der reflektierten Strahlung der Referenzfläche und der der Prüfvorrichtung abgewandten Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements eine sichere Aussage zur Homogenität des optischen Elements treffen zu können, ist dies, wenn diese der Prüfvorrichtung abgewandte Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements nichtplanar ist. Die erfindungsgemäße Voraussetzung dafür ist eine Zuordnung der Referenzfläche zu dieser der Prüfvorrichtung abgewandten Oberfläche und damit eine entsprechende Ausgestaltung und Positionierung der Referenzfläche derart, dass Interferenzen der reflektierten Strahlung, also der Wellenfronten des an beiden Flächen reflektierten Lichts prinzipiell ermöglicht werden. Eine Referenzfläche einer gekrümmten, der Prüfvorrichtung abgewandten Oberfläche eines Linsenelements wird im Interferometer also ebenfalls gekrümmt sein. Das Referenzelement wird also in der Regel nach der idealen der

Prüfvorrichtung abgewandten Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements „berechnet“ und entsprechend geformt ausgebildet.

Mit der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung kann demzufolge die Vermessung der Homogenität des optischen Elements in einfacher Weise in Luft erfolgen. Das in der Analyseeinheit des Interferometers gemessene Interferogramm enthält damit sowohl die Fehler der beiden Oberflächen und des Volumens, und liefert in summarischer Art und Weise eine Aussage zur Homogenität des optischen Elements.

Eine solche Aussage zur Homogenität eines optischen Elements ist bei einer Herstellung solcher optischen Elemente aus Kunststoff, insbesondere bei einer Herstellung des optischen Elements mittels Spritzguss-Verfahrens von großer Hilfe, da hier im Herstellungsprozess bei Prozessproblemen ausgedehnte Störungen der Homogenität im Volumen des optischen Elements auftreten können, aber auch die Oberflächen entsprechende Fehler aufweisen können. Nichtsdestotrotz kann das Verfahren aber ebenso auf optische Elemente aus Glas, insbesondere aus

Quarzglas, angewendet werden, um in gleicher Weise eine Aussage über die

Homogenität und damit die Qualität des optischen Elements treffen zu können.

Bei Nutzung der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung tritt jedoch, wie schon angedeutet, zumeist eine so hohe Aberration auf (bei einem

Linsenelement: sphärische Aberration), dass die Interferogramme nur schwierig auswertbar sind, und in der Regel eine Vorrichtung zur Datenanalyse benötigt wird, um das Interferogramm interpretieren zu können und folglich eine Aussage über die Homogenität des geprüften optischen Elements zu treffen. Deshalb steht hier zudem die weitere Aufgabe, die Interpretationsfähigkeit des Interferogramms zu verbessern und eine Aussage auch ohne hochaufgelöste automatische Datenanalyse zu ermöglichen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen

Prüfvorrichtung umfasst diese weiterhin ein optisches Kompensationselement, das in den Strahlengang zwischen Interferometer und dem zu prüfenden optischen Element anordenbar ist. Dieses optische Kompensationselement ist eingerichtet, eine monochromatische Aberration durch die vorgegebene Geometrie des optischen Elements zu kompensieren. Dieses Kompensationelement ist bei Vermessung der Homogenität des optischen Elements auch tatsächlich im Strahlengang angeordnet, ist aber wiederum austauschbar gegen ein anderes Kompensationselement, wenn sich für ein nächstes zu prüfendes optisches Element die Geometrie ändert, und ist in seiner Position veränderbar.

Das optische Kompensationselement wird in der Regel eine Kompensationslinse sein, wenn das zu prüfende optische Element ein Linsenelement ist. Ein optisches Kompensationselement kann aber auch ein Computerhologramm (CGH) sein. Die Kompensation mittels des optischen Kompensationselements erfolgt dabei derart, dass die von einem idealen, zu prüfenden Linsenelement zurückkommende

Wellenfront annähernd sphärisch verläuft. Das Kompensationselement ergänzt damit in gewisser Weise das zu prüfende optische Element: Eine Plankonkavlinse als das zu prüfende optische Element arbeitet mit einer Plankonvexlinse, eine Bikonvexlinse mit einer Bikonkavlinse, etc. Dies hat den Vorteil, dass diese Linsenelemente sehr viel preiswerter als ein Computerhologramm sind.

Die zu minimierende bzw. zu beseitigende oder zu verändernde (monochromatische) Aberration ist beim Einsatz einer Kompensationslinse zur Vermessung eines zu prüfenden Linsenelements eine sphärische Aberration. Auf diese Weise ist die von einem idealen zu prüfenden Linsenelement ins Interferometer zurückkommende Wellenfront annähernd sphärisch. Linsenelemente mit einer Abweichung der

Wellenfront von dieser sphärischen Form können in einem Schritt durch bloße visuelle Kontrolle des Interferogramms als außer Toleranz gefunden werden.

Eine alternative Prüfvorrichtung zur Vermessung der Homogenität eines optischen Elements in einem Strahlengang der Prüfvorrichtung, die ein Interferometer enthält, das eine Lichtquelle, die monochromatisches Licht, insbesondere Laserlicht, aussendet, das über einen Strahlteiler in den Strahlengang eingekoppelt wird, ein anpassbares Objektiv, eine Referenzfläche, vorzugsweise als letzte Oberfläche im Strahlengang des Interferometers, und eine Interferometrie-Oberfläche hinter dem zu prüfenden optischen Element aufweist. Dabei ist die Referenzfläche der

Interferometrie-Oberfläche zugeordnet. Die Prüfvorrichtung umfasst weiterhin eine Analyseeinheit für die Interferenz der Wellenfronten des von der Referenzfläche und der zugeordneten Interferometrie-Oberfläche reflektierten Lichts.

Erfindungsgemäß umfasst diese alternative Prüfvorrichtung weiterhin ein optisches Kompensationselement, das in den Strahlengang zwischen dem zu prüfenden optischen Element und der Interferometrie-Oberfläche anordenbar ist (und bei Vermessung der Homogenität des optischen Elements auch tatsächlich im

Strahlengang angeordnet ist), und das eingerichtet ist, eine monochromatische Aberration durch die vorgegebene Geometrie des optischen Elements zu

kompensieren, derart, dass das zu prüfende optische Element und das

Kompensationselement von dem von der Lichtquelle ausgesendeten Licht vor und nach seiner Reflektion an der Interferometrie-Oberfläche durchlaufen wird. Damit wird sowohl eine summarische Homogenität bzw. Gesamthomogenität des zu prüfenden optischen Elements bestimmt, in die die Oberflächenfehler bzw. Fehler oder Störungen der Homogenität der beiden Oberflächen des optischen Elements sowie des Volumens eingehen, als auch das Interferenzbild, das eine Aussage zu dieser Homogenität erlaubt, mit einfach und zuverlässig mit dem Auge

„lesbar“ gemacht.

In dieser alternativen Prüfvorrichtung ist in einer einfachen Ausführungsform die Interferometrie-Oberfläche durch eine der Prüfvorrichtung abgewandte Oberfläche des Kompensationselements realisiert. In dieser Ausführungsform übernimmt also das Kompensationselement zwei Funktionen: Die Kompensation der

monochromatischen Aberration, die durch die Geometrie des zu prüfenden optischen Elements entsteht, und das Vorhalten einer Fläche - in Form der der

Prüfungsvorrichtung abgewandten Oberfläche -, an der das durch das zu prüfende optische Element und das Kompensationselement durchlaufende Licht reflektiert und auf demselben Wege wieder zurückgesendet wird, um mit dem von der

Referenzfläche reflektierten Licht zu interferieren.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn in der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung das optische Kompensationselement nahe dem zu prüfenden optischen Element im Strahlengang so anordenbar ist, dass ein geometrisch geringstmöglicher Abstand zwischen dem optischen Kompensationselement und dem zu prüfenden optischen Element erreicht wird: Dann kompensieren sich die beiden Aberrationen, die an der der Prüfvorrichtung zugewandten Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements und der dem zu prüfenden optischen Element zugewandten Oberfläche des

Kompensationselements annähernd exakt. Dies gilt sowohl für eine Anordnung des Kompensationselements zwischen dem Interferometer und dem zu prüfenden optischen Element als auch hinter dem zu prüfenden optischen Element.

Vorteilhaft ist eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung, deren optisches

Kompensationselement die Form einer Plankonvexlinse aufweist, für ein zu prüfendes optisches Element, das die Form einer Plankonkavlinse aufweist. Die konkave Oberfläche der zu prüfenden Plankonkavlinse ist dabei die der

Prüfvorrichtung abgewandte Oberfläche. Die planare Oberfläche der Plankonvexlinse als Kompensationselement wird dann auf der planaren Oberfläche der zu prüfenden Plankonkavlinse, die die der Prüfvorrichtung zugewandte Oberfläche ist, angeordnet.

Hierbei wird in bevorzugter Anordnung das Licht an der konkaven Oberfläche der zu prüfenden Plankonkavlinse reflektiert. Vorteilhaft, auch generell an einer solchen Anordnung in der Prüfvorrichtung, ist die Schaffung von Bauraum für Stellelemente und Probenhalter, da das zu prüfende optische Element das letzte Element im Strahlengang ist. Weiterhin erhöht die Nutzung der Plankonkavoberfläche der zu prüfenden Plankonkavlinse in Reflexion die Empfindlichkeit des Interferogramms gegenüber Fehlern dieser Fläche um den Faktor ca 3 gegenüber der Nutzung einer anderen Fläche als Interferometrie-Oberfläche.

In einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung ist das zu prüfende optische Element ein Kontaktelement für die refraktive Augen- Laserchirurgie. Ein Kontaktelement in der refraktiven Augenchirurgie, auch

Kontaktglas oder Patienteninterface genannt, ist dabei ein zentrales Element in einer Prozedur der refraktiven Augen-Laserchirurgie: Mit einem solchen Kontaktelement wird die relative Lage eines Patientenauges zu einem Laserapplikator während einer solchen chirurgischen Prozedur fixiert: Die (in der Regel konkave) Oberfläche wird dabei direkt auf das zu behandelnde Patientenauge aufgesetzt und beispielsweise mittels eines Unterdrucks fixiert. Damit ist das Kontaktelement das letzte optische Element in einem Strahlengang eines ophthalmologischen Laserchirurgie-Geräts.

Der Behandlungslaserstrahl wird sehr nahe dem Kontaktelement in der Hornhaut des Patientenauges geführt. (Optisch wirksame) Störungen der Homogenität haben an dieser Stelle einen besonders gravierenden Einfluss, weshalb die Homogenität des Kontaktelements in seinem Herstellungsprozess besonders sorgfältig, aber zugleich auf unkomplizierte Art und Weise geprüft werden muss. Insbesondere ist dies wichtig, wenn ein Spritzguss-Verfahren für die Herstellung eines solchen

Kontaktelements genutzt wird.

Von besonderen Vorteil ist eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung, die weiterhin ein ideales optisches Referenzelement umfasst, das anstelle des zu prüfenden optischen Elements im Strahlengang der Prüfvorrichtung anordenbar ist, und die ausgebildet ist, eine Referenz-Messung am idealen optischen Referenzelement auszuführen. Diese Referenz-Messung wird dann von einer anschließenden Messung des zu prüfenden optischen Elements subtrahiert.

Auf diese Weise kann eine Abweichung von einer idealen Homogenität ermittelt werden, und damit auch eine Entscheidungsvorlage zur Akzeptanz oder Ablehnung des geprüften optischen Elements zur Verfügung gestellt werden. Die Auswertung der Messung des zu prüfenden optischen Elements im Vergleich zum

Referenzelement erfolgt dabei in der Regel in der Analyseeinheit.

Eine einfache Auswertung ist insbesondere dann möglich, wenn in der

erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung das zu prüfende optische Element mit einer definierten Abweichung nichtkonzentrisch zur Prüfvorrichtung positionierbar ist. Ein so erzeugtes Interferenzbild, das in diesem Fall vorzugsweise regelmäßige gerade Streifen aufweist, ist besonders leicht auswertbar: Bei Abweichungen von einem „idealen optischen Element“ bzw. vom Referenzelement sind Störungen in der Linearität der Streifen, die aus Störungen der Homogenität des zu prüfenden optischen Elements resultieren, leicht erkennbar.

In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung, die dazu dient, die auftretenden Störungen der Homogenität des zu prüfenden optischen Elements nach ihren Ursachen weiter unterscheiden zu können und besonders kritische Störungen sofort zu erkennen, ist die Prüfvorrichtung ausgebildet, niederfrequente Fehler der Homogenität (also Inhomogenitäten des Volumens und/oder Oberflächenfehler) zu subtrahieren, um hochfrequente Fehler bzw. Störungen der Homogenität erkennbar zu machen.

Niederfrequente Fehler sind dabei die Zernike-Polynome niedriger Ordnung. Eine solche Analyse ist insbesondere von Vorteil, wenn Kontaktelemente für die refraktive Augen-Laserchirurgie geprüft werden sollen. Bei der Laserchirurgie bzw.

Lasertherapie am Auge liegt, wie oben bereits erwähnt, der Behandlungsfokus nahe am Kontaktelement bzw. Kontaktglas. Hier stören insbesondere hochfrequente Inhomogenitäten oder Oberflächenfehler. Deshalb werden dann insbesondere die Zernike-Polynome für Defokus, Astigmatismus, Koma und sphärische Aberration Z9 subtrahiert. Gleichzeitig können auf diese Weise Einflüsse einer ungenauen

Zentrierung von Kompensationselement und zu prüfendem optischen Element, in diesem Fall des Kontaktelements, eliminiert werden. Eine dahingehende Auswertung der Messung des zu prüfenden optischen Elements erfolgt dabei in der Regel wiederum in der Analyseeinheit.

Gleichermaßen können auch alle Zernike-Polynome von Z1 bis Z16 subtrahiert werden, um noch hochfrequentere Inhomogenitäten zu extrahieren.

Eine bevorzugte erfindungsgemäße Prüfvorrichtung ist ausgebildet, die Anteile von Störungen bzw. Fehlern der der Prüfvorrichtung zugewandten Oberfläche, der der Prüfvorrichtung abgewandten Oberfläche und des Volumens des optischen Elements des optischen Elements an der Flomogenität des optischen Elements zu trennen.

Wenn also die Prüfung der Homogenität eines zu prüfenden optischen Elements eine zu große Abweichung ergibt - so dass, beispielsweise bei wiederholtem Auftreten einer solchen Abweichung, die Herstellung solcher optischer Elemente, insbesondere von den oben beschriebenen Kontaktelementen, unterbrochen werden muss - ist es zur schnellen Ursachenfindung von großem Vorteil, wenn auf einfache Art und Weise die Anteile von Störungen bzw. Fehlern der der Prüfvorrichtung zugewandten Oberfläche, der der Prüfvorrichtung abgewandten Oberfläche und des Volumens des optischen Elements des optischen Elements an der Homogenität des optischen Elements getrennt werden können, um den Schritt (oder die Schritte!) im

Herstellungsverfahren des zu prüfenden optischen Elements, der zu diesen

Störungen beiträgt, schnell zu identifizieren.

Wie schon erwähnt ist besonders beim Einsatz von Kunststoffen und/oder eines Spritzguss-Verfahrens für die Herstellung des zu prüfenden optischen Elements eine schnelle und exakte Prüfung dieser optischen Elemente nötig. Eine

erfindungsgemäße Prüfvorrichtung ist also insbesondere dann von Vorteil, wenn sie eingerichtet ist, ein optisches Element zu prüfen, dass mindestens Kunststoff- Komponente und/oder mindestens eine Spritzguss-Komponente umfasst. Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Vermessung der Homogenität eines optischen Elements nach den Prinzipien eines Interferometers, bei dem eine Interferenz der Wellenfronten reflektierten Lichts einer Referenzfläche und einer zugehörigen Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Referenzfläche zugehörige Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements so in einem Strahlengang des Interferometers angeordnet wird, dass das zur Vermessung verwendete Licht das zu prüfende optische Element durchlaufen muss, um an der zur Referenzfläche zugehörigen Oberfläche reflektiert zu werden. Dieses zu prüfende optisches Element kann dabei, bei Verwendung einer entsprechenden Referenzfläche wie bereits oben beschrieben, nichtplanare Oberflächen aufweisen, wenn ein dadurch entstehendes Interferenzbild mittels automatischer Datenanalyse analysiert wird und/oder weitere Maßnahmen getroffen werden, um das Interferenzbild mit bloßem Auge„lesbar“ zu machen.

Deshalb ist das erfindungsgemäße Verfahren auch für gekrümmte Flächen wie die von Linsenelementen geeignet.

Anstelle einer Vermessung einer Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements zur Feststellung von Oberflächenfehlern dieser einen Oberfläche, wie bislang beispielsweise in der Fizeau-Interferometrie üblich, wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Aussage zur Homogenität des optischen Elements in summarischer Art und Weise getroffen, denn da das Licht das zu prüfende optische Element durchläuft, um dann an der (Unterseite der) zur Referenzfläche zugehörigen

Oberfläche reflektiert zu werden, werden Fehler bzw. Störungen der beiden

Oberflächen und des gesamten Volumens des zu prüfenden optischen Elements „aktiv“ und im Interferogramm dieses zu prüfenden optischen Elements mit der Referenzfläche sichtbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist deshalb geeignet, mittels einer einzigen, einfachen Messung eine Aussage zur Homogenität des zu prüfenden optischen Elements zu liefern, wie das insbesondere nach der Herstellung solcher optischen Elemente aus Kunststoff, insbesondere bei einer Herstellung des optischen Elements mittels Spritzguss-Verfahrens erforderlich ist, aber selbst bei optischen Elementen aus Glas, insbesondere Quarzglas, hilfreich ist. Es handelt sich um ein kontaktloses Verfahren zur Vermessung in Luft (also ohne Immersion), so dass das optische Element in einem automatischen Prozess gewechselt, zentriert, und gemessen werden kann. Auf diese Weise ist

beispielsweise in einer automatisierten Produktion solcher Elemente, beispielsweise von Linsenelementen und insbesondere von Kontaktelementen für die refraktive Laserchirurgie eine 100%-Prüfung mit hoher Geschwindigkeit und moderatem

Aufwand möglich, ohne diese zu zerstören.

Die Auswertung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten

Interferogramme ist meist wegen sehr hoher Aberrationen und der Unfähigkeit des menschlichen Auges, diese in diesem Zustand zu interpretieren, schwierig. Sie sollten in diesem Fall gestützt durch eine automatische Datenanalyse erfolgen, um eine verlässliche Aussage über die Homogenität des geprüften optischen Elements zu treffen. Eine Vereinfachung der Interpretationsfähigkeit des Interferogramms, um eine verlässliche Aussage auch ohne automatische Datenanalyse zu ermöglichen, ist deshalb weiterhin wünschenswert.

In einem besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren wird deshalb eine monochromatische Aberration durch die vorgegebene Geometrie des zu prüfenden optischen Elements kompensiert. Eine solche Kompensation erfolgt üblicherweise durch ein Einführen eines Kompensationselements in den Strahlengang zwischen der Prüfvorrichtung und dem zu prüfenden optischen Element, besonders vorteilhaft einer Kompensationslinse, wenn das zu prüfende optische Element ein

Linsenelement ist. Es ist aber auch möglich, eine Kompensation mittels eines entsprechenden Computerhologramms (CGH) zu erreichen. Ziel einer solchen Kompensation ist es, dass die von einem idealen (störungs- bzw. fehlerfreien), zu prüfenden Linsenelement zurückkommende Wellenfront auf demselben Wege zurückläuft, den die ausgesendete Wellenfront bis zur Reflektion gelaufen ist.

Das Kompensationselement ergänzt damit jeweils das zu prüfende optische Element: Eine Plankonkavlinse als das zu prüfende optische Element arbeitet mit einer

Plankonvexlinse, eine Doppelkonvexlinse mit einer Doppelkonkavlinse, etc. Auf diese Weise ist beispielsweise die von einem idealen zu prüfenden Linsenelement zurückkommende Wellenfront annähernd sphärisch. Linsenelemente mit einer Abweichung der Wellenfront von dieser sphärischen Form können in einem Schritt durch bloße visuelle Kontrolle des Interferogramms als außer Toleranz gefunden werden.

In einem alternativen Verfahren zur Vermessung der Homogenität eines optischen Elements nach den Prinzipien eines Interferometers, bei dem eine Interferenz der Wellenfronten reflektierten Lichts einer Referenzfläche und einer Interferometrie- Oberfläche erzeugt wird, wird das zu prüfende optische Element so in einem

Strahlengang des Interferometers angeordnet, dass das zur Vermessung verwendete Licht das zu prüfende optische Element vor und nach seiner Reflektion an der Interferometrie-Oberfläche durchläuft, und zudem eine durch die vorgegebene Geometrie des optischen Elements auftretende monochromatische Aberration kompensiert wird. Dies kann auf rechnerische Art und Weise durch ein

Computerhologramm (CGH) oder körperlich durch den Einsatz eines

Kompensationselements erfolgen, das bei der Nutzung einer Interferometrie- Oberfläche im Strahlengang hinter dem zu prüfenden optischen Element zwischen optischem Element und Interferometrie-Oberfläche im Strahlengang angeordnet wird.

Vorteilhaft ist es, in einem erfindungsgemäßen Verfahren ein optisches

Kompensationselement zur Kompensation der monochromatischen Aberration im Strahlengang in geringstmöglichem Abstand zum zu prüfenden optischen Element anzuordnen, damit eine annähernd perfekte Kompensation der beiden Aberrationen an der Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements, durch die das Licht in das zu prüfende optische Element eintritt und auf dem Rückweg auch wieder austritt, und an der dem zu prüfenden optischen Element zugewandten Oberfläche des

Kompensationselements erzielt werden kann.

Weiterhin vereinfacht es ein erfindungsgemäßes Verfahren, wenn zunächst ein ideales optisches Referenzelement vermessen wird, dessen Daten als Referenz- Messung aufgenommen (also registriert, gespeichert und/oder graphisch dargestellt) werden, dann das zu prüfende optische Element vermessen wird, dessen Daten als Messung des zu prüfenden optischen Elements aufgenommen werden, und schließlich die Daten der Referenz-Messung von den Daten der Messung des zu prüfenden optischen Elements subtrahiert werden. Dies erlaubt es, eine Abweichung von einer idealen Homogenität zu ermitteln und darzustellen, und in einfacher Weise über eine Akzeptanz oder Ablehnung des geprüften optischen Elements zu entscheiden.

Von Vorteil ist des Weiteren ein erfindungsgemäßes Verfahren, in dem das zu prüfende optische Element mit einer definierten Abweichung nichtkonzentrisch zu einer Prüfvorrichtung, die das Prinzip des Interferometers verwirklicht, positioniert wird.

Das kann eine definierte parallele Verschiebung der optischen Achse des zu prüfenden optischen Elements zur optischen Achse einer Prüfvorrichtung sein oder eine andere Abweichung von der Konzentrizität. Ziel ist es, ein Interferenzbild der Interferenz der Wellenfronten von zu prüfendem optischen Element und

Referenzelement leicht auswertbar zu machen, also beispielsweise ein

Interferenzbild von regelmäßigen geraden Streifen zu erzeugen, die bei Abweichung von einem idealen optischen Element / Referenzelement Störungen in der Linearität der Streifen aufweisen.

Auch gestaltet es eine Auswertung der vermessenen Homogenität eines optischen Elements einfacher und präziser, wenn in einem erfindungsgemäßen Verfahren niederfrequente Fehler der Homogenität subtrahiert werden, um hochfrequente Fehler der Homogenität erkennbar zu machen.

Niederfrequente Fehler sind, wie schon erwähnt, die Zernike-Polynome niedriger Ordnung. Werden diese Fehler subtrahiert, so macht dies besonders störende hochfrequente Inhomogenitäten oder Oberflächenfehler sichtbar. Gleichzeitig können auf diese Weise Einflüsse einer ungenauen Zentrierung von Kompensationselement und zu prüfendem optischen Element, in diesem Fall des Kontaktelements, eliminiert werden.

Treten größere Fehler bzw. Störungen der Homogenität des optischen Elements auf, so ist es von besonderen Vorteil, das erfindungsgemäße Verfahren dadurch zu ergänzen, dass die Anteile der beiden Oberflächen und des Volumens des optischen Elements an der Homogenität des optischen Elements voneinander getrennt werden können, indem zwei weitere (also zusätzliche) Messungen nach den ursprünglichen Prinzipien der Interferometrie, insbesondere eines Fizeau-Interferometers, erfolgen:

- In einer ersten zusätzlichen Messung wird eine erste neue Referenzfläche einer ersten Oberfläche, die die ursprüngliche Lichteintritts-Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements darstellt, zugeordnet, um die Oberflächenfehler dieser ersten Oberfläche darzustellen. Das zur Vermessung verwendete Licht trifft in diesem Fall dann auf diese erste Oberfläche des optischen Elements und wird dort reflektiert.

Das an dieser ersten Oberfläche reflektierte Licht, das geeignet ist, mit dem an der Referenzfläche reflektierten Licht zu interferieren, durchläuft damit nicht mehr das Volumen des zu prüfenden optischen Elements.

- In einer weiteren zusätzlichen Messung wird das zu prüfende optische Element um 180° gedreht, und es wird wiederum eine Referenzfläche einer zweiten Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements zugeordnet (die prinzipiell der Referenzfläche der Vermessung der summarischen Homogenität des zu prüfenden optischen Elements entspricht, die mit dem grundsätzlichen, das Volumen und die Oberflächen des optischen Elements gleichzeitig charakterisierenden Verfahren erfolgte), um die Oberflächenfehler dieser zweiten Oberfläche darzustellen. Auch hier trifft das zur Vermessung verwendete Licht dann auf diese zweite Oberfläche des optischen Elements und wird dort reflektiert. Es durchläuft ebenfalls nicht mehr das Volumen des zu prüfenden optischen Elements, um mit dem an der Referenzfläche

reflektierten Licht zu interferieren.

- Anschließend werden diese beiden zusätzlichen Messungen mit der ursprünglichen Messung verrechnet, um die Homogenität des Volumens des zu prüfenden optischen Elements darzustellen.

Wenn also statt einer schnellen Vermessung der Homogenität die Genauigkeit der Messung wichtig ist, und die Einflüsse von Fehlern bzw. Störungen im Volumen des zu prüfenden optischen Elements und Oberflächenfehlern des zu prüfenden optischen Elements getrennt benötigt werden, können diese durch die hier beschriebenen zusätzlichen Verfahrensschritte auf einfache Weise ermittelt werden. Die vorliegende Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt:

- die Fig. 1 a ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Prüfvorrichtung;

- die Fig. 2a ein mittels der ersten Prüfvorrichtung erzeugtes Interferogramm;

- die Fig. 1 b ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Prüfvorrichtung;

- die Fig. 2b ein mittels der zweiten Prüfvorrichtung erzeugtes Interferogramm;

- die Fig. 1 c ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Prüfvorrichtung;

- die Fig. 1 d ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Prüfvorrichtung;

- die Fig. 3 ein zu prüfendes optisches Element;

- die Fig. 4a bis 4c verschiedene Konstellationen jeweils von einem zu prüfenden optischen Element und seinem Kompensationselement;

- die Fig. 5a und 5b die Nutzung einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung für die Trennung der zur Flomogenität des zu prüfenden optischen Elements beitragenden Anteile;

- die Fig. 6a bis 6c verschiedene Typen von optischen Elementen und ihren

Kompensationselementen.

In der Fig. 1 a ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Prüfvorrichtung 1 zur Vermessung der Homogenität eines optischen Elements 10 dargestellt. Die Prüfvorrichtung 1 enthält ein Interferometer 2, das eine Lichtquelle 3, die monochromatisches Licht in Form eines Laserstrahls aussendet, der über einen Strahlteiler 4 in den Strahlengang 5 des Interferometers 2 eingekoppelt wird, ein Objektiv 6, das anpassbar und austauschbar ist und eine Referenzfläche 7 enthält, die hier als letzte Oberfläche im Strahlengang 5 des Interferometers 2 angeordnet ist und die einer Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements 10 zugeordnet ist, und eine Analyseeinheit 8 in Form einer CCD-Kamera für die Interferenz der

Wellenfronten des von der Referenzfläche 7 und der zugehörigen Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements 10 reflektierten Lichts umfasst. Die Positionen der Lichtquelle 3 und der Analyseeinheit 9 sind dabei austauschbar. Es ist also

äquivalent, wenn die von der Referenzfläche 7 und der Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements 10 zurückgesendeten interferierenden Wellenfronten durch den Strahlteiler 7 hindurch zur Analyseeinheit 8 geführt werden, oder aber über den Strahlteiler 7 auf eine Analyseeinheit 8 abgelenkt werden, nachdem die Lichtquelle 3 das Laserlicht durch den Strahlteiler 4 hindurch auf das zu prüfende optische

Element 10 ausgesendet hat. Das Interferometer kann weitere Elemente,

insbesondere auch Phasenschieber zur Bewegung von Optiken und Optiken zur Abbildung der interferierenden Wellenfronten auf die CCD-Kamera enthalten.

Das zu prüfende optische Element 10 ist im vorliegenden Fall ein Kontaktelement für die refraktive Chirurgie, also ein spezielles plankonkaves Linsenelement aus

Kunststoff, das mit höchster Präzision bezüglich seiner optischen Homogenität hergestellt werden muss, und das mittels eines Spritzgussverfahrens erzeugt wird. Das optische Element 10 umfasst in dieser Anordnung im Strahlengang 5 der Prüfvorrichtung 1 eine der Prüfvorrichtung 1 , und hierbei insbesondere dem

Interferometer 2, zugewandte Oberfläche 12 und einer der Prüfvorrichtung 1 abgewandte Oberfläche 11. Die Referenzfläche 7 ist erfindungsgemäß der der Prüfvorrichtung abgewandten Oberfläche 11 des optischen Elements 10 zugeordnet. In konkreten Fall bedeutet das, dass die Referenzfläche 7 in Abstimmung mit der konkaven der Prüfvorrichtung 1 abgewandten Oberfläche 11 des zu prüfenden Linsenelements 10 ebenfalls konkav gewölbt ist. Der von der Lichtquelle 3 des Interferometers 6 ausgesendete Laserstrahl durchläuft deshalb die der

Prüfvorrichtung 1 zugewandte Oberfläche 12 des zu prüfenden Linsenelements 10, weiterhin das Volumen 13 des Linsenelements 10, wird an der Unterseite der der Prüfvorrichtung 1 abgewandten Seite 11 des Linsenelements 10 reflektiert, durchläuft wiederum das Volumen 13 und die der Prüfvorrichtung 1 zugewandte Oberfläche 12 des zu prüfenden Linsenelements 10 um mit dem an der Referenzfläche 7

reflektiertem Teil des Laserstrahls zu interferieren. Die zurücklaufenden,

interferierenden Wellenfronten werden durch den Strahlteiler 4 hindurch auf die Analyseeinheit 9, also die CCD-Kamera gelenkt und führen hier zu einem

Interferogramm 14. Ein entsprechendes Interferogramm 14, das mittels der ersten erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 1 bei der Vermessung des plankonkaven Linsenelements 10 erzeugt wird, ist in der Fig. 2a gezeigt. Erkennbar ist das Auftreten einer hohen sphärischen Aberration, so dass das Interferenzbild im Interferogramm 14 mit bloßem Auge nicht oder nur durch einen äußerst geübten Betrachter beurteilt werden kann. In diesem Fall kann es zumeist nur sicher durch eine automatische Datenanalyse ausgewertet werden. Bei sehr hoher sphärischer Aberration erreichen die Interferenzringe in einem Teil des Interferogramms eine so hohe Ortsfrequenz, dass sie auch mit einer üblichen CCD-Kamera nicht mehr detektierbar (auflösbar) sind: , Eine automatische Datenanalyse ist nicht mehr möglich, wenn hierzu keine entsprechend hohe

Auflösung des Interferenzbildes möglich ist, also beispielsweise die CCD-Kamera eine zu geringe Pixelzahl aufweist. Es muss dann ein sehr großer Aufwand getrieben werden, um eine entsprechende Auflösung, also eine entsprechende Pixelzahl, zu erreichen.

Die Fig. 1 b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Prüfvorrichtung 1. Bis auf ein Detail entspricht dieses zweite Ausführungsbeispiel dem Aufbau des ersten, oben beschriebenen, Ausführungsbeispiel der

erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 1 : Es umfasst zusätzlich ein optisches

Kompensationselement 9, das in den Strahlengang 5 zwischen der Referenzfläche 7 und dem zu prüfenden optischen Element 10 anordenbar ist (und hier angeordnet ist): Das optische Kompensationselement 9 ist, wie das Objektiv 6 und auch die Referenzfläche 7 so austauschbar, dass ein jeweils zum prüfenden optischen Element 10 passendes Kompensationselement 9 im Strahlengang angeordnet werden kann.

Dieses optische Kompensationselement 9 kompensiert eine oder mehrere

monochromatische Aberrationen durch die vorgegebene Geometrie der der

Prüfvorrichtung zugewandten Oberfläche 12 des optischen Elements 10. Im vorliegenden Fall dieses Ausführungsbeispiels, in dem ein plankonkaves

Linsenelement 10 zu vermessen ist, ist das optische Kompensationselement 9 eine Plankonvexlinse. In der Fig. 2b ist nun ein mittels der zweiten Prüfvorrichtung 1 erzeugtes Interferogramm 14 dargestellt. Durch eine zusätzliche leichte Abweichung von der Konzentrizität zwischen der Prüfvorrichtung 1 und dem zu prüfenden optischen Element 10, hier also dem plankonkaven Linsenelement, entsteht für ein ideales optisches Element 10 (also ein optisches Element ohne Fehler bzw. Störungen) ein Interferenzbild von regelmäßigen geraden Streifen. Bei Abweichungen von einem idealen optischen Element bzw. Referenzelement, also beim Auftreten von Fehlern bzw. Störungen (wie beispielsweise Verspannungen, die ebenfalls optisch wirksam sind) sind im Interferenzbild Abweichungen 15 von der Linearität der

Interferenzstreifen erkennbar.

Um die Vermessung der Homogenität noch besser auswertbar zu machen, kann auch in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel zunächst eine Referenz- Messung an einem idealen optischen Element, hier also einem idealen

Linsenelement 10R, durchgeführt werden - mit derselben Plankonvex-Linse als Kompensationselement 9, die anschließend für die Vermessung des zu prüfenden Linsenelements 10 genutzt wird. Danach wird das ideale Linsenelement 10R durch das zu prüfende Linsenelement 10 ersetzt, gleichermaßen vermessen, und beide Messungen werden voneinander subtrahiert.

Die Fig. 1 c zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Prüfvorrichtung 1als Alternative zum zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem

Ausführungsbeispiel ist das Kompensationselement 9 direkt hinter dem zu prüfenden optischen Element 10 im Strahlengang 5 angeordnet, so dass sich die der

Prüfvorrichtung abgewandte Oberfläche 11 des zu prüfenden optischen Elements 10 und die der Prüfvorrichtung zugewandte Oberfläche des Kompensationselements 9 über die gesamte Fläche berühren. Zudem bildet die der Prüfvorrichtung abgewandte Oberfläche 16 des Kompensationselements 9 die Interferometrie-Oberfläche, zu der die Referenzfläche 7 zugeordnet ist. Da eine solche der Prüfvorrichtung abgewandte Oberfläche 16 des Kompensationselements 9 in der Regel frei wählbar ist, wird diese vorteilhaft so ausgeführt sein, dass eine planare Referenzfläche 7 eingesetzt werden kann. Wenn das zu prüfende optische Element 10 eine planare Oberfläche 12 enthält, wird die Oberfläche 16 des Kompensationselements besonders vorteilhaft ebenfalls planar ausgeführt. Das zu prüfende optische Element ist hinter der Prüfvorrichtung 1 so im Strahlengang 5 angeordnet, dass es vom zur Vermessung des optischen Elements verwendeten Licht durchlaufen wird, wie dies auch noch für das

Kompensationselement 9 der Fall ist, um an der der Prüfvorrichtung 1 abgewandten Oberfläche 16 des Kompensationselements 9, also der Interferometrie-Oberfläche, reflektiert zu werden. Dabei wird das zu prüfende optische Element 10 wie auch das Kompensationselement 9 so vom Licht durchlaufen, dass es zu keinen weiteren über eine Analyseeinheit 8 detektierbaren Interferenzen kommt als zwischen den

Wellenfronten des an der Interferometrie-Oberfläche 16 und der Referenzfläche 7 reflektieren Lichts. Diese Interferenzen geben Aufschluss über die Homogenität des zu prüfenden optischen Elements 10, da das Licht dieses Element auf seinem Weg zur Interferometrie-Oberfläche (hin und zurück) durchlaufen hat. Störungen und Fehler im Volumen 13 oder der Oberflächen 11 , 12 des optischen Elements 10 machen sich in entsprechenden Unregelmäßigkeiten 15 im Interferogramm 14, wie schon in Fig. 2b gezeigt, bemerkbar und sind aufgrund des Einsatzes des

Kompensationselements 9 gut sichtbar.

Die Fig. 1 d zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Prüfvorrichtung 1 , des prinzipiell dem dritten Ausführungsbeispiel in Anordnung und Funktion entspricht mit dem einzigen Unterschied, dass hier die Referenzfläche 7 hinter dem Strahlteiler 4 angeordnet ist. Dennoch werden in der Analyseeinheit völlig vergleichbare Interferenzen zwischen dem an der der Prüfvorrichtung 1 abgewandten Oberfläche 16, also der Interferometrie-Oberfläche, reflektierten Licht und dem an der Referenzfläche 7 reflektierten Licht sichtbar.

In der Fig. 3 ist ein zu prüfendes optisches Element 10 dargestellt, hier ein

plankonkaves Linsenelement mit zwei Oberflächen 11 , 12 und dem Volumen 13. Tritt nun das von einer Prüfvorrichtung 1 ausgesendete Licht durch eine erste Oberfläche 12 in das plankonkave Linsenelement 10 ein, durchläuft dieses und wird an der zweiten Oberfläche 11 reflektiert, so ergibt sich im Ergebnis ein Wellenfehler W, der eine Funktion der Flächenkoordinaten x, y senkrecht zur optischen Achse des zu prüfenden optischen Elements ist, also W(x, y) oder aber W(r, cp), wenn eine

Beschreibung in Kreiskoordinaten r, cp erfolgt: W = A(n-1 ) + Bn + t An

Dabei ist des Weiteren:

A, B: die jeweilige Abweichung der ersten 12 bzw. zweiten Oberfläche 11 von einer idealen Oberfläche. A und B sind ebenfalls eine Funktion der

Flächenkoordinaten x, y (bzw. der Kreiskoordinaten r, cp);

t: der jeweilige Laufweg (optische Weg), der je nach Position senkrecht bzw. nicht senkrecht durch das Linsenelement 10 verläuft;

n: die Brechzahl;

An: die Schwankungen der Brechzahl (ebenfalls für die jeweiligen

Koordinaten), die ein Ausdruck von Abweichungen von der Homogenität im Volumen durch entsprechende Störungen im Volumen sind.

Das Ergebnis beschreibt die Abweichung der Homogenität des zu prüfenden optischen Elements 10, hier also des Linsenelements, das als Kontaktelement für die Augen-Laserchirurgie genutzt werden soll, von einem idealen Referenzelement. Die Einflüsse der Abweichungen A, B beider Oberflächen 11 , 12 und des Volumens 13 An des zu prüfenden optischen Elements 10 werden summarisch gemessen. Der Einfluß der Abweichung B der rechten Fläche 11 , die bei einem Einsatz in der Augen-Laserchirurgie an ein Patientenauge grenzt, und die in der Benutzung am kritischsten ist, ist jedoch bei einer Messung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren am größten. Dies gilt insbesondere für die erfindungsgemäße Anordnung nach Figure 1 a oder 1 b, bei der diese Fläche 11 in Reflexion benutzt wird.

In den Fig. 4a bis 4c sind verschiedene Konstellationen jeweils von einem zu prüfenden optischen Element 10, hier ein plankonkaves Linsenelement, und seinem Kompensationselement 9 dargestellt. Sie zeigen, dass es besonders vorteilhaft ist, das Kompensationselement 9, hier eine plankonvexe Kompensationslinse, möglichst nah am zu prüfenden optischen Element 10 anzuordnen, wie in der Fig. 4c gezeigt, weil sich die sphärischen Aberrationen, die an den beiden Planflächen entstehen, annähernd exakt kompensieren, und an den anderen Oberflächen keine Fehler hinzukommen. Ein Restfehler kann damit auf ca. 1/20-tel Wellenlängen reduziert werden, und hat somit einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Auswertung. In der Fig. 4a hingegen, in der ohne Kompensationselement 9 gearbeitet wird, verbleibt der Fehler der Planfläche des zu prüfenden optischen Elements 10, als dem

plankonkaven Linsenelement. Hat das Kompensationselement 9 einen größeren Abstand vom zu prüfenden optischen Element 10 wie in der Fig. 4b gezeigt, so verbleibt ebenfalls ein signifikanter Fehler.

Die Geometrie und Anordnung von Kompensationselement 9 und zu prüfendem optischen Element 10 muss so ausgestaltet sein, dass ein möglichst senkrechter Einfall in die der Prüfvorrichtung 1 abgewandten Oberfläche 11 des optischen Elements 10, an dem die einfallende Strahlung reflektiert werden soll, erfolgt, damit die Strahlung denselben Weg zurück nimmt.

Idealerweise haben bei sphärisch ausgestalteten Linsenelementen 10 die Krümmung der Oberfläche, an der die einfallende Strahlung reflektiert werden soll und die Krümmung des dazugehörigen Kompensationselements 9 einen gemeinsamen Mittelpunkt.

Die Fig. 5a und 5b zeigen die Nutzung einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 1 für die Trennung der zu Störungen der Homogenität des zu prüfenden optischen Elements 10 beitragenden Anteile der beiden Oberflächen und des Volumens des optischen Elements 10. Hierfür erfolgen zwei weitere (also zusätzliche) Messungen nach den ursprünglichen Prinzipien des Fizeau-Interferometers:

In einer ersten, in der Fig. 5a gezeigten, zusätzlichen Messung wird eine erste neue Referenzfläche 7‘ einer ersten Oberfläche 12, die die ursprüngliche Lichteintritts- Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements 10 darstellt, zugeordnet, um die Oberflächenfehler dieser ersten Oberfläche 12 darzustellen. Das zur Vermessung verwendete Licht trifft in diesem Fall dann auf diese erste Oberfläche des optischen Elements und wird dort reflektiert, um mit dem an der Referenzfläche reflektiertem Licht zu interferieren. Es durchläuft damit nicht mehr das Volumen 13 des zu prüfenden optischen Elements 10.

- In einer weiteren, in der Fig. 5b gezeigten, zusätzlichen Messung wird das zu prüfende optische Element 10 um 180° gedreht, und es wird wiederum eine Referenzfläche 7“ zugeordnet, die die Referenzfläche einer zweiten Oberfläche 1 1 des zu prüfenden optischen Elements 10 ist (und die prinzipiell der Referenzfläche 7 entspricht, die bei der Vermessung der summarischen Homogenität des Volumens 13 und der beiden Oberflächen 11 , 12 im Grundverfahren verwendet wurde), um die Oberflächenfehler dieser zweiten Oberfläche 11 darzustellen. Auch hier trifft das zur Vermessung verwendete Licht dann auf diese zweite Oberfläche 11 des optischen Elements und wird dort reflektiert, um mit dem an der Referenzfläche reflektiertem Licht zu interferieren. Es durchläuft ebenfalls nicht mehr das Volumen 13 des zu prüfenden optischen Elements 10.

- Anschließend werden diese beiden zusätzlichen Messungen von der

ursprünglichen Messung (wie im Grundverfahren erzielt) subtrahiert, um die

Homogenität des Volumens 13 des zu prüfenden optischen Elements 10

darzustellen.

Für eine höhere Genauigkeit kann die Subtraktion der Messungen zusätzliche Skalierungen enthalten, die die in Figure 3 dargestellten optischen Wege

berücksichtigen, und/oder die Brechzahl enthalten.

Wenn also statt einer schnellen Vermessung der (summarischen) Homogenität die Genauigkeit der Messung wichtig ist, und die Einflüsse von Fehlern bzw. Störungen im Volumen des zu prüfenden optischen Elements und von Oberflächenfehlern des zu prüfenden optischen Elements getrennt benötigt werden, kann dies durch die hier beschriebenen zusätzlichen Verfahrensschritte auf einfache Weise ermittelt werden.

Die Anordnungen der Fig. 5a und 5b für die zusätzlichen Vermessungen der

Oberflächenfehler der beiden Oberflächen 11 , 12 des optischen Elements 10 entsprechen dabei klassischen Anordnungen der Interferometrie. Wie hier gezeigt, wird bei der Vermessung eines plankonkaven Linsenelements 10 für die Messung der planare Oberfläche 12 eine plane Fläche als Referenzfläche 7‘, und für die sphärische (konkave) Oberfläche 11 eine sphärische Referenzfläche 7“ verwendet.

In der oben angegebenen Gleichung für W können damit A und B eingesetzt werden, und es ergibt sich nach Umstellung der Gleichung die Homogenität des Volumens. In einem alternativen Interferometer kann die Referenzfläche auch, wie in Figure 1 d dargestellt, nach dem Strahlteiler angeordnet sein. Die Fig. 6a bis 6c zeigen schließlich verschiedene Typen von zu prüfenden optischen Elementen 10 und ihren Kompensationselementen 9 in einem Strahlengang 5 einer Prüfvorrichtung 1.

Für die Vermessung der Flomogenität verschiedener üblicher anderer

Linsenelemente 10 werden diese mit ähnlichen Kompensationslinsen 9 angeordnet: Für eine Bikonvex-, eine Plankonvex, und eine Menisken-förmige Linse ist dies in den Fig. 6a bis 6c dargestellt. Alle zu prüfenden Linsenelemente 10 und

Kompensationslinsen 9 sind, wie schon oben beschrieben, so angeordnet, dass sie möglichst nahe beieinander oder im Idealfall miteinander in Kontakt sind. Weiterhin ist die zweite Fläche der Kompensationslinse 9 derart angeordnet, dass sie näherungsweise konzentrisch zur zweiten Fläche des zu prüfenden Linsenelements 10 ist, so dass das Licht an ihr nicht gebrochen und umgelenkt wird. Die beiden Linsen aus Fig. 6a und 6c können statt der Linsen 9, 10 in der Anordnung gemäß Fig. 1 b benutzt werden. Die beiden Linsen aus Fig. 6b können in der Anordnung gemäß Fig. 1 c, 1 d benutzt werden. Hier besteht der Vorteil, dass das Licht vom Interferometer an der der Prüfvorrichtung abgewandten Oberfläche des optischen Elementes (10) reflektiert wird, so dass diese Fläche einen dominanten Anteil am Interferogramm hat. Wenn die Interferometrie-Fläche alternativ im

Kompensationselement liegen soll, dann kann die Funktion der Linsen 9 und 10 in Fig. 6a, 6b, 6c auch vertauscht sein.

Die vorstehend genannten und in verschiedenen Ausführungsbeispielen erläuterten Merkmale der Erfindung sind dabei nicht nur in den beispielhaft angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder allein einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Eine auf Verfahrensmerkmale bezogene Beschreibung einer Vorrichtung gilt bezüglich dieser Merkmale analog für das entsprechende Verfahren, während Verfahrensmerkmale entsprechend funktionelle Merkmale der beschriebenen Vorrichtung darstellen.