Die Erfindung betrifft Vorrichtung für das Vermessen der Topografie und/oder der Krümmung und/oder der Gradienten einer optisch wirksamen Fläche eines Gegenstands mit einer Einrichtung zum Anordnen des Gegenstands in einem Aufnahmebereich, in dem die Lage wenigstens eines Punktes auf der Fläche des Gegenstands in einem vorrichtungsfesten Koordinatensystem ermittelbar ist, mit einer Vielzahl von Punktlichtquellen, die Licht bereitstellen, das an der zu vermessenden Fläche eines in dem Aufnahmebereich angeordneten Gegenstands reflektiert wird, und mit wenigstens einer Kamera für das Erfassen einer Helligkeitsverteilung, die von dem an der zu vermessenden Fläche reflektierten Licht der Punktlichtquellen auf einem Bildsensor hervorgerufen wird.The invention relates to apparatus for measuring the topography and / or the curvature and / or the gradients of an optically active surface of an object with a device for arranging the object in a receiving area, in which the position of at least one point on the surface of the object in a device-fixed coordinate system can be determined, with a plurality of point light sources that provide light that is reflected at the surface to be measured of an object arranged in the receiving area, and at least one camera for detecting a brightness distribution, which reflected from the surface to be measured Light of the point light sources is caused on an image sensor.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der US 5 106 183 A bekannt. Dort wird vorgeschlagen, die Topografie der Oberfläche eines Gegenstands zu vermessen, indem auf der Oberfläche des Gegenstands hervorgerufene Reflexionen von Leuchtdioden, die auf der Innenseite eines Kugeloberflächenabschnitts angeordnet sind, mit einem Fotodetektor erfasst und einer Auswertung unterzogen werden.Such a device is known from US 5 106 183 A known. There, it is proposed to measure the topography of the surface of an object by detecting reflections of light-emitting diodes arranged on the inside of a spherical surface portion on the surface of the object with a photodetector and subjecting them to evaluation.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung für das Vermessen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche eines Gegenstands bereitzustellen und ein Verfahren für das Vermessen einer solchen Topografie anzugeben, mit dem sich unterschiedliche lokale Oberflächenkrümmungen mit hohe Auflösung präzise erfassen lassen.The object of the invention is to provide a device for measuring the topography of an optically effective surface of an object and to provide a method for measuring such a topography, with which different local surface curvatures can be precisely detected with high resolution.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung die lokalen Krümmungsverläufe von optisch wirksamen Flächen mit einer Genauigkeit von mehr als 210 dpt aufzulösen.In particular, it is an object of the invention to resolve the local curvature curves of optically active surfaces with an accuracy of more than 210 dpt.
Diese Aufgabe wird mit den Ansprüchen 1, 6, 8, 14 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved with claims 1, 6, 8, 14 and 15. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, in einer Vorrichtung der eingangs genannten Art die Punktlichtquellen auf der Mantelfläche eines Polyeders anzuordnen.According to the invention it is proposed to arrange the point light sources on the lateral surface of a polyhedron in a device of the type mentioned.
Unter einer Punktlichtquelle wird dabei eine Lichtquelle verstanden, deren Ausdehnung so gering ist, dass diese von einem innerhalb des Aufnahmebereichs liegenden Punkt aus gesehen im Wesentlichen punktförmig erscheint, d.h., die auf einen in dem Aufnahmebereich liegenden Punkt bezogen z.B. nur einen Raumwinkel ΩP der Größe ΩP ≤ 0,5% sr oder ΩP ≤ 0,3% sr oder ΩP ≤ 0,1% sr oder bevorzugt der Größe ΩP ≤ 0,05% sr abdeckt.In this case, a point light source is understood to mean a light source whose extent is so small that it appears substantially punctiform seen from a point located within the receiving area, that is to say that the reference to a point located in the receiving area relates only to a solid angle Ω P of magnitude Ω P ≤ 0.5% sr or Ω P ≤ 0.3% sr or Ω P ≤ 0.1% sr or preferably Ω P ≤ 0.05% sr.
Unter einem Polyeder wird dabei eine Teilmenge des dreidimensionalen Raumes verstanden, die ausschließlich von geraden Flächen, d.h. Ebenen begrenzt wird. Das Polyeder kann z.B. ein abgestumpfter Ikosaeder, ein Würfel, ein Dodekaeder, ein Ikosaeder, ein 7-Eck Kegelstumpf mit einem Zylinderaufbau, ein 6-Eck Kegelstumpf mit einem Zylinder-Zwischenbau oder ein 9-Eck Kegel mit einem zweiten Kegelstumpf anderer Steigung sein.A polyhedron is understood here to mean a subset of the three-dimensional space that is used exclusively by straight surfaces, i. Levels is limited. The polyhedron may e.g. a truncated icosahedron, a cube, a dodecahedron, an icosahedron, a 7-cornered truncated cone with a cylinder superstructure, a 6-cornered truncated cone with a cylinder interposition, or a 9-cornered cone with a second truncated cone of different pitch.
Die Punktlichtquellen sind dabei bevorzugt zumindest teilweise als Leuchtdioden ausgebildet. Eine Idee der Erfindung ist es insbesondere, für die Punktlichtquellen hier eine Leiterplatte oder eine mehrere Leiterplatten umfassende Tragestruktur vorzusehen. The point light sources are preferably at least partially formed as light-emitting diodes. One idea of the invention is in particular to provide a printed circuit board or a support structure comprising a plurality of printed circuit boards for the point light sources here.
Unter einer Leiterplatte, auch Platine genannt, wird dabei vorliegend eine als plattenförmiger Träger ausgebildete Flachbaugruppe für das Aufnehmen von elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen verstanden. Auf einer solchen Flachbaugruppe können diese Bauteile frei verdrahtet werden oder in einer bevorzugten Ausführungsform an in elektrisch isolierendem Material festhaftende, leitende Verbindungen angeschlossen werden. Der plattenförmige Träger der Flachbaugruppe ist z.B. aus dem Material FR2, FR3, CEM1, CEM3 oder FR4 hergestellt.In the present case, a printed circuit board, also referred to as a printed circuit board, is understood to be a printed circuit board designed as a plate-shaped carrier for receiving electrical and / or electronic components. On such a printed circuit board these components can be freely wired or connected in a preferred embodiment to firmly adhering in electrically insulating material, conductive connections. The plate-shaped support of the printed circuit board is e.g. made of the material FR2, FR3, CEM1, CEM3 or FR4.
Leuchtdioden in Form von SMDs werden üblicherweise in Bestückungsautomaten auf Leiterplatten montiert. Die gängigen Bestückungsautomaten ermöglichen dabei das definierte Positionieren von Leuchtdioden auf einer Leiterplatte mit einer Positioniergenauigkeit, die im Bereich von 0,001 mm bis 0,01 mm liegt und z.B. mit einem CAD-Programm exakt vorgegeben werden kann.Light-emitting diodes in the form of SMDs are usually mounted in assembly machines on printed circuit boards. The common placement machines allow the defined positioning of light-emitting diodes on a printed circuit board with a positioning accuracy which is in the range of 0.001 mm to 0.01 mm and, for. can be specified exactly with a CAD program.
Im Rahmen der Erfindung ist es grundsätzlich allerdings auch möglich, dass die Punktlichtquellen wenigstens teilweise als das in der Polyederoberfläche angeordnete Ende eines Lichtleiters ausgebildet sind.However, in principle it is also possible within the scope of the invention for the point light sources to be at least partially formed as the end of a light guide arranged in the polyhedron surface.
Die Erfindung schlägt insbesondere vor, dass die Punktlichtquellen auf der Mantelfläche wenigstens teilweise auf ein gemeinsames Zentrum aufweisenden konzentrischen Kreislinien liegen. Eine Idee der Erfindung ist es dabei auch, dass zueinander benachbarte Punktlichtquellen auf der Mantelfläche des Polyeders auf gekrümmten Kurven liegen, die von dem gemeinsamen Zentrum ausgehen.In particular, the invention proposes that the point light sources lie on the lateral surface at least partially on a common center having concentric circular lines. It is also an idea of the invention that point light sources adjacent to one another on the lateral surface of the polyhedron lie on curved curves which originate from the common center.
Für das Vermeiden von störenden Lichtreflexen ist es von Vorteil, wenn zwischen den Punktlichtquellen ein Licht in dem Wellenlängenbereich des Lichts der Punktlichtquellen absorbierendes Material angeordnet ist.For the avoidance of disturbing light reflections, it is advantageous if a light is arranged between the point light sources in the wavelength range of the light of the point light source absorbing material.
Eine Idee der Erfindung besteht auch darin, zwischen der Kamera und dem Aufnahmebereich eine Optikbaugruppe positiver oder negativer Brechkraft anzuordnen, die als Feldlinse wirkt und dazu dient, das Licht der Punktlichtquellen zu einem in dem Aufnahmebereich angeordneten Gegenstand zu lenken und das an dem Gegenstand reflektierte Licht der Kamera zuzuführen. An idea of the invention is also to arrange between the camera and the receiving area an optical assembly of positive or negative refractive power, which acts as a field lens and serves to direct the light of the point light sources to an object arranged in the receiving area and the light reflected on the object to feed the camera.
Die Erfinder haben erkannt, dass wenn die Punktlichtquellen von jedem innerhalb des Aufnahmebereichs liegenden Punkt aus gesehen über einen Raumwinkel Ω verteilt sind, der folgender Beziehung genügt: Ω ≥ π sr, vorzugsweise Ω ≥ 90% × 2π sr, optisch wirksame Flächen vermessen werden können, die um bis zu 45° in Bezug auf eine Vorzugsrichtung geneigt sind.The inventors have recognized that when the point light sources are distributed over a solid angle Ω, as viewed from each point within the recording area, the following relationship is satisfied: Ω ≥ π sr, preferably Ω ≥ 90% × 2π sr, optically effective areas can be measured which are inclined by up to 45 ° with respect to a preferred direction.
Ein Raumwinkel von 1 sr (Steradiant) umschließt auf der Fläche einer Kugel mit 1 m Radius eine Fläche von 1 m2. Der Raumwinkel einer gesamten Kugel beträgt deshalb 4π m2/m2 = 4π sr.A solid angle of 1 sr (steradian) encloses an area of 1 m 2 on the surface of a sphere with a radius of 1 m. The solid angle of an entire sphere is therefore 4π m 2 / m 2 = 4π sr.
Indem die Position des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Lage der Punktlichtquellen in der Vorrichtung eingestellt werden kann, ist es möglich, den von einem jeden einzelnen Punkt in dem Aufnahmebereich gesehenen Raumwinkel zu variieren und das Auflösungsvermögen der Vorrichtung an die Krümmungen einer zu vermessenden optisch wirksamen Fläche anzupassen. Für das Einstellen der Position des Aufnahmebereichs ist es günstig, wenn dieser in Bezug auf die Kamera quer zu einer optischen Achse oder parallel zu der optischen Achse des optischen Abbildungssystems der Kamera verlagert werden kann.By being able to adjust the position of the pickup area with respect to the location of the point light sources in the device, it is possible to vary the solid angle seen by each individual point in the pickup area and the resolution of the device to the curvatures of an optically effective area to be measured adapt. For adjusting the position of the receiving area, it is favorable if it can be displaced with respect to the camera transversely to an optical axis or parallel to the optical axis of the optical imaging system of the camera.
Von Vorteil ist es, wenn die wenigstens eine Kamera ein optisches Abbildungssystem aufweist, das eine den Aufnahmebereich durchsetzende optische Achse hat.It is advantageous if the at least one camera has an optical imaging system which has an optical axis passing through the recording area.
Eine Idee der Erfindung besteht insbesondere darin, die Punktlichtquellen in der Vorrichtung so anzuordnen, dass deren Anzahl in einem Raumwinkelelement um einen auf der optischen Achse liegenden Punkt, das in einem Kugelkoordinatensystem, dessen Ursprung in dem Punkt liegt und das einen auf der optischen Achse liegenden zu der Kamera weisenden Nordpol hat, bei dem Polarwinkel θ und dem Azimutwinkel φ angeordnet ist, mit zunehmendem Polarwinkel θ abnimmt.An idea of the invention is, in particular, to arrange the point light sources in the device such that their number in a solid angle element is about a point lying on the optical axis, which lies in a spherical coordinate system whose origin lies in the point and one on the optical axis to the camera facing north pole, in which the polar angle θ and the azimuth angle φ is arranged decreases with increasing polar angle θ.
Außerdem ist es eine Idee der Erfindung, die Punktlichtquellen in der Vorrichtung so anzuordnen, dass die Anzahl der Punktlichtquellen in einem Raumwinkelelement um einen auf der optischen Achse liegenden Punkt, das in einem Kugelkoordinatensystem, dessen Ursprung in dem Punkt liegt und das einen auf der optischen Achse liegenden zu der Kamera weisenden Nordpol hat, bei dem Polarwinkel θ und dem Azimutwinkel φ angeordnet ist, von dem Azimutwinkel φ im Wesentlichen unabhängig ist.Moreover, it is an idea of the invention to arrange the point light sources in the device such that the number of point light sources in a solid angle element is about a point lying on the optical axis which is in a spherical coordinate system originating in the point and one on the optical Axis lying facing the camera to the north pole, is arranged at the polar angle θ and the azimuth angle φ, of the azimuth angle φ is substantially independent.
Für das Vermessen von symmetrischen optisch wirksamen Flächen ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Punktlichtquellen zu der optischen Achse asymmetrisch angeordnet sind.For the measurement of symmetrical optically active surfaces, it is particularly advantageous if the point light sources are arranged asymmetrically with respect to the optical axis.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung für das Vermessen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche eines Gegenstands kann auch wenigstens eine weitere Kamera aufweisen, die ein optisches Abbildungssystem mit einer den Aufnahmebereich durchsetzenden optischen Achse hat.A device according to the invention for measuring the topography of an optically active surface of an article may also have at least one further camera which has an optical imaging system with an optical axis passing through the recording region.
Von Vorteil ist es, in einer Vorrichtung für das Vermessen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche eines Gegenstands eine Messeinrichtung für das Ermitteln der Lage wenigstens eines Punktes auf der Fläche eines in der Einrichtung zum Positionieren angeordneten Gegenstands in einem vorrichtungsfesten Koordinatensystem vorzusehen. Damit ist es möglich, aus einer auf dem Bildsensor der Kamera in der Vorrichtung erfassten Helligkeitsverteilung die Topografie der zu vermessenden Fläche mittels Integration zu berechnen.It is advantageous in a device for measuring the topography of an optically active surface of an object to provide a measuring device for determining the position of at least one point on the surface of an object arranged in the device for positioning in a device-fixed coordinate system. This makes it possible to calculate the topography of the surface to be measured by integration from a brightness distribution recorded on the image sensor of the camera in the device.
Von Vorteil ist es insbesondere, wenn das Licht der Punktlichtquellen eine unterschiedliche, vorzugsweise einstellbare Wellenlängenzusammensetzung hat. Damit ist es möglich in der Vorrichtung optisch wirksame Flächen mit einem unterschiedlichen Reflexionsverhalten zu vermessen.It is particularly advantageous if the light of the point light sources has a different, preferably adjustable wavelength composition. This makes it possible to measure in the device optically effective surfaces with a different reflection behavior.
Um die Topografie einer optisch wirksamen Fläche eines Gegenstands zu vermessen, schlägt die Erfindung insbesondere folgende Schritte vor:
Ermitteln der Lage wenigstens eines Punktes auf der Fläche des Gegenstands. Bereitstellen von Licht aus einer Vielzahl von Punktlichtquellen, das an der zu vermessenden Fläche eines in dem Aufnahmebereich angeordneten Gegenstands reflektiert wird. Erfassen einer Helligkeitsverteilung, die von dem an der zu vermessenden Fläche reflektierten Licht der Punktlichtquellen auf einem Bildsensor hervorgerufen wird. Berechnen der Topografie der Fläche aus der erfassten Lage des wenigstens einen Punktes auf der Fläche des Gegenstands und aus der erfassten Helligkeitsverteilung. Indem dabei die Helligkeitsverteilung für aufeinanderfolgend aktivierte Gruppen von unterschiedlichen Punktlichtquellen erfasst wird, kann die Genauigkeit beim Erfassen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche gesteigert werden.In order to measure the topography of an optically effective surface of an object, the invention proposes in particular the following steps:
Determining the location of at least one point on the surface of the object. Providing light from a plurality of point light sources, which is reflected at the surface to be measured of an object arranged in the receiving area. Detecting a brightness distribution caused by the light of the point light sources reflected on the surface to be measured on an image sensor. Calculating the topography of the area from the detected location of the at least one point on the area of the object and from the detected brightness distribution. By detecting the brightness distribution for successively activated groups of different point light sources, the accuracy in detecting the topography of an optically effective area can be increased.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere für das Vermessen der Topografie von Brillengläsern in einer Brillenglas-Fertigungseinrichtung, die eine Freiformfläche aufweisen und lokale Oberflächennormalen haben, die in Bezug auf die optische Achse um bis zu 45° geneigt sind und die mittlere Krümmungsradien R haben, die in dem Bereich zwischen –1000mm ≤ R ≤ –50mm und +50mm ≤ R ≤ +1000mm liegen und dabei einen Glasdurchmesse von bis zu 80 mm haben.A device according to the invention is particularly suitable for measuring the topography of spectacle lenses in a spectacle lens manufacturing device, which have a free-form surface and local surface normal, with respect to the optical axis are inclined by up to 45 ° and the average radii of curvature R have in the range between -1000mm ≤ R ≤ -50mm and + 50mm ≤ R ≤ + 1000mm and thereby have a glass diameter of up to 80 mm.
Eine Idee der Erfindung ist es auch, mit einer vorstehend angegebenen Vorrichtung für das Vermessen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche eines Gegenstands die Topografie von Brillengläsern zu vermessen und die dabei erfassten Abweichungen gegenüber einer Sollform an eine Einrichtung für das Bearbeiten von Brillengläsern zu übermitteln. Die Sollform von entsprechenden Brillengläsern ist dabei vorteilhafter Weise in einer an dem Brillenglas oder einem Trägersystem für das Brillenglas angeordneten RFID-Einheit abgelegt oder in einer Permanentmarkierung auf dem Brillenglas abgespeichert.It is also an idea of the invention to measure the topography of spectacle lenses with a device for measuring the topography of an optically active surface of an object and transmit the deviations from a desired shape to a device for processing spectacle lenses. The desired shape of corresponding spectacle lenses is advantageously deposited in an RFID unit arranged on the spectacle lens or a carrier system for the spectacle lens or stored in a permanent marking on the spectacle lens.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.In the following the invention will be explained in more detail with reference to the embodiments schematically illustrated in the drawing.
Es zeigen:Show it:
1 eine Vorrichtung für das Vermessen der Topografie einer Brillenlinse mit Punktlichtquellen; 1 a device for measuring the topography of a spectacle lens with point light sources;
2 eine Teilansicht der Vorrichtung für das Vermessen der Topografie einer Brillenlinse; 2 a partial view of the device for measuring the topography of a spectacle lens;
3 ein Brillenglas in der Vorrichtung; 3 a spectacle lens in the device;
4 eine Gruppe von aktivierten Punktlichtquellen in der Vorrichtung; 4 a group of activated point light sources in the device;
5 bis 13 unterschiedliche Polyeder mit einer Mantelfläche für das Anordnen von Punktlichtquellen in einer Vorrichtung für das Vermessen der Topgrafie eines Gegenstands; 5 to 13 different polyhedra having a lateral surface for arranging point light sources in a device for measuring the topography of an object;
14 eine Vorrichtung für das Vermessen der Topografie der Hornhaut eines menschlichen Auges; 14 a device for measuring the topography of the cornea of a human eye;
15 ein Spektrum der Absorption und Eindringtiefe von Licht in Wasser und Oxyhämogloblin; 15 a spectrum of absorption and penetration of light in water and oxyhemogloblin;
16 eine Vorrichtung für das Vermessen der Topografie einer Brillenlinse mit einer Feldlinse; 16 a device for measuring the topography of a spectacle lens with a field lens;
17 eine Vorrichtung für das Vermessen der Topografie einer Oberfläche eines Gegenstands mit einer Einrichtung zum Positionieren; und 17 an apparatus for surveying the topography of a surface of an object with a means for positioning; and
18 eine Vorrichtung für das Vermessen der Topografie eines transparenten Gegenstands mit einer Einrichtung für das Unterdrücken von Rückreflexen. 18 a device for measuring the topography of a transparent article with a device for suppressing reflexes.
Die in der 1 gezeigte Vorrichtung 10 ist für das Vermessen der Topografie eines Gegenstands in Form eines Brillenglases 12 ausgelegt. Die Vorrichtung 10 hat einen Aufnahmebereich 14, in der das Brillenglas 12 auf einer Dreipunktauflage 16 angeordnet werden kann. Die Dreipunktauflage 16 ist eine Einrichtung zum Anordnen des Brillenglases 12 in dem Aufnahmebereich 14. Die Dreipunktauflage 16 hält das Brillenglas 12 an drei Punkten auf einer zu vermessenden optisch wirksamen Fläche 32. Die Position dieser drei Punkte ist in einem in Bezug auf die Vorrichtung 10 vorrichtungsfesten Koordinatensystem exakt bekannt.The in the 1 shown device 10 is for measuring the topography of an object in the form of a spectacle lens 12 designed. The device 10 has a reception area 14 in which the spectacle lens 12 on a three-point pad 16 can be arranged. The three-point pad 16 is a device for arranging the spectacle lens 12 in the recording area 14 , The three-point pad 16 holding the spectacle lens 12 at three points on an optically effective surface to be measured 32 , The position of these three points is in relation to the device 10 device-fixed coordinate system exactly known.
Die Vorrichtung 10 hat eine Vielzahl von Punktlichtquellen 18 in Form von Leuchtdioden (LEDs), die bei Aktivieren Licht im ultravioletten Spektralbereich UV-Licht mit der Wellenlänge λ ≈ 365 nm emittieren. Diese Leuchtdioden sind als SMDs (surface mounted device) ausgebildet und auf Leiterplatten 20, 20‘, 20‘‘ angeordnet, die zu einer Trägerstruktur 19 zusammengefügt sind. The device 10 has a variety of point light sources 18 in the form of light-emitting diodes (LEDs), which emit UV light with a wavelength λ≈365 nm when activating light in the ultraviolet spectral range. These LEDs are designed as SMDs (surface mounted device) and printed circuit boards 20 . 20 ' . 20 '' arranged, leading to a support structure 19 are joined together.
In der Vorrichtung 10 sind die Punktlichtquellen 18 auf der Mantelfläche 22 eines Polyeders positioniert. Die aus den Leiterplatten 20, 20‘, 20‘‘ zusammengefügte Trägerstruktur 19 hat eine gekantete Form und weist deshalb eine große Schwingungsstabilität auf. In der Vorrichtung 10 begrenzt die Mantelfläche 22 einen dreidimensionalen Halbraum 23, der einen offenen Rand 25 hat. UV-Licht mit der Wellenlänge λ ≈ 365 nm wird in dem Glasmaterial handelsüblicher Brillengläser aus Kunststoff absorbiert. Damit wird erreicht, dass das Licht der Punktlichtquellen 18 an der der optisch wirksamen Fläche 20 eines Brillenglases 12 in dem Aufnahmebereich 14 gegenüberliegenden optisch wirksamen Fläche 50 keine Reflexionen hervorruft.In the device 10 are the point light sources 18 on the lateral surface 22 a polyhedron positioned. The from the printed circuit boards 20 . 20 ' . 20 '' assembled carrier structure 19 has a canted shape and therefore has a great vibration stability. In the device 10 limits the lateral surface 22 a three-dimensional half-space 23 that has an open border 25 Has. UV light with the wavelength λ ≈ 365 nm is absorbed in the glass material of commercially available plastic lenses. This ensures that the light of the point light sources 18 at the optically effective surface 20 of a spectacle lens 12 in the recording area 14 opposite optically effective surface 50 does not cause reflections.
Um in der Vorrichtung 10 Brillengläser aus Quarzglas zu vermessen, ist es erforderlich, dass die Punktlichtquellen 18 Licht generieren, für dessen Wellenlänge λ gilt: λ ≤ 300nm. Mit Licht dieser Wellenlänge lassen sich störende Reflexionen von der Rückseite eines Brillenglases unterbinden.To be in the device 10 To measure spectacle lenses made of quartz glass, it is necessary that the point light sources 18 Generate light whose wavelength λ applies: λ ≤ 300nm. With light of this wavelength disturbing reflections from the back of a spectacle lens can be prevented.
In der Vorrichtung 10 können grundsätzlich auch metallische Oberflächen sowie lackierte Oberflächen vermessen werden, wobei in diesem Fall das Licht der Punktlichtquellen günstiger Weise im sichtbaren Spektralbereich liegt. Für das Vermessen von rauen Oberflächen, für deren Rauheit Rz gilt: Rz > 1 µm ist es von Vorteil, wenn die Punktlichtquellen 18 Licht aussenden, das im infraroten Spektralbereich liegt, für das solche Oberflächen eine Spiegelwirkung haben.In the device 10 In principle, metallic surfaces and painted surfaces can also be measured, in which case the light of the point light sources is favorably situated in the visible spectral range. For measuring rough surfaces whose roughness Rz applies: Rz> 1 μm it is beneficial if the point light sources 18 Emit light that lies in the infrared spectral range, for which such surfaces have a mirror effect.
Die Vorrichtung 10 enthält eine Kamera 24 mit einem eine Blende 27, eine Objektivlinseneinheit 25 und ein UV-Sperrfilter 29 aufweisenden optischen Abbildungssystem 26. Das optische Abbildungssystem 26 hat eine den Aufnahmebereich 14 durchsetzende optische Achse 28. Die Kamera 24 ist auf der dem Aufnahmebereich 14 abgewandten Seite der Trägerstruktur 19 mit den Leiterplatten 20 angeordnet. Sie erfasst ein in dem Aufnahmebereich 14 angeordnetes Brillenglas 12 durch eine Ausnehmung 30 in der Leiterplatte 20 der Trägerstruktur 19.The device 10 contains a camera 24 with a an aperture 27 , an objective lens unit 25 and a UV blocking filter 29 having optical imaging system 26 , The optical imaging system 26 has a reception area 14 passing optical axis 28 , The camera 24 is on the reception area 14 opposite side of the support structure 19 with the circuit boards 20 arranged. It captures one in the reception area 14 arranged spectacle lens 12 through a recess 30 in the circuit board 20 the support structure 19 ,
Die Kamera 24 dient für das Erfassen einer Helligkeitsverteilung, die von dem an der zu vermessenden Fläche 32 reflektierten Licht der Punktlichtquellen 18 auf einem Bildsensor 34 hervorgerufen wird. Das Licht von einer Punktlichtquelle 18 gelangt mit dem Lichtstrahl 19 auf die Fläche 32 des in dem Aufnahmebereich 14 angeordneten Brillenglases 12. An dem Punkt 31 mit den Koordinaten (XS, YS, ZS) wird das Licht mit dem Einfallswinkel βE in Bezug auf die Oberflächennormale n → gemäß dem Reflexionsgesetz unter dem Ausfallswinkel βA = βE reflektiert.The camera 24 is used for detecting a brightness distribution that of the at the surface to be measured 32 reflected light of point light sources 18 on an image sensor 34 is caused. The light from a point light source 18 arrives with the light beam 19 on the surface 32 in the reception area 14 arranged spectacle lens 12 , At the point 31 With the coordinates (X S , Y S , Z S ), the light with the angle of incidence β E with respect to the surface normal n → in accordance with the law of reflection at the angle of reflection β A = β E is reflected.
Die Helligkeitsverteilung auf dem Bildsensor 34 enthält damit die Information der Neigung der Tangentialebenen an der zu vermessenden Fläche 32 des Brillenglases 12 an denjenigen Stellen, an denen das Licht der Punktlichtquellen 18 so reflektiert wird, dass es die Kamera 24 einfängt.The brightness distribution on the image sensor 34 contains the information of the inclination of the tangent planes on the surface to be measured 32 of the spectacle lens 12 in those places where the light of the point light sources 18 it is reflected so that it is the camera 24 captures.
Das Abbildungssystem 26 der Kamera 24 ist so eingestellt, dass eine auf dem Bildsensor 34 erfasste Helligkeitsverteilung durch die Ausnehmung 30 keine Vignettierung erfährt und die Schärfentiefe so groß ist, dass die Helligkeitsverteilungen für in der Vorrichtung 10 vermessene optisch wirksame Flächen von Brillengläsern 12, die unterschiedliche Oberflächentopografien haben, auf dem Bildsensor 34 aufgelöst werden können.The imaging system 26 the camera 24 is set so that one on the image sensor 34 recorded brightness distribution through the recess 30 no vignetting undergoes and the depth of field is so large that the brightness distributions for in the device 10 measured optically effective surfaces of spectacle lenses 12 that have different surface topographies on the image sensor 34 can be resolved.
Die Anordnung der Punktlichtquellen 18 auf der Trägerstruktur 19 in der Vorrichtung 10 gewährleistet, dass die Topografie einer optisch wirksamen Fläche 32 mit guter Auflösung vermessen werden kann, auch wenn diese in Bezug auf die optische Achse 28 der Kamera 24 unter einem Winkel von bis zu 45° geneigt ist. Das Licht der Punktlichtquellen 18 wird dann nämlich so reflektiert, dass es dem Bildsensor 34 in der Kamera 24 zugeführt wird.The arrangement of point light sources 18 on the support structure 19 in the device 10 Ensures that the topography of an optically effective surface 32 can be measured with good resolution, even if this in relation to the optical axis 28 the camera 24 inclined at an angle of up to 45 °. The light of the point light sources 18 is then reflected so that it is the image sensor 34 in the camera 24 is supplied.
Die Trägerstruktur 19 in der Vorrichtung 10 hat eine mit der optischen Achse 28 der Kamera 24 fluchtende Symmetrieachse. Ein für das Vermessen in dem Aufnahmebereich 14 angeordnetes Brillenglas 12 ist in der Vorrichtung 10 in Bezug auf die optische Achse 28 mechanisch zentriert. Es ist allerdings zu bemerken, dass ein Brillenglas 12 in der Vorrichtung 10 grundsätzlich auch in Bezug auf die optische Achse 28 mit einer Ablage angeordnet werden kann. Dies kann z.B. für Brillengläser von Vorteil sein, die keinerlei Rotationssymmetrie aufweisen.The support structure 19 in the device 10 has one with the optical axis 28 the camera 24 aligned symmetry axis. One for surveying in the reception area 14 arranged spectacle lens 12 is in the device 10 in terms of the optical axis 28 mechanically centered. It is to be noted, however, that a spectacle lens 12 in the device 10 basically also with respect to the optical axis 28 can be arranged with a shelf. This can be advantageous, for example, for spectacle lenses which have no rotational symmetry.
In der Vorrichtung 10 ist der Durchmesser der Öffnung des Randes 25 des Halbraumes 23 in etwa 5-mal bis 7-mal so groß wie der Durchmesser des Bildfeldes BF. Der maximale Ablenkwinkel γ = βA + βE für einen Lichtstrahl 35 von einer Punktlichtquelle 18, der in der Vorrichtung 10 mit der Kamera 24 erfasst werden kann, ist bestimmt durch den minimalen Krümmungsradius Rmin einer Fläche 20 und der Größe der Bildfeldes BF der Kamera 24: In the device 10 is the diameter of the opening of the edge 25 of the half-space 23 in about 5 times to 7 times as large as the diameter of the image field BF. The maximum deflection angle γ = β A + β E for a light beam 35 from a point light source 18 who is in the device 10 with the camera 24 can be detected is determined by the minimum radius of curvature R min of a surface 20 and the size of the BF field of view of the camera 24 :
Dies bedeutet z.B., dass abhängig von der Größe des Bildfeldes BF in der Vorrichtung 10 insbesondere die Topografie von Flächen mit folgendem minimalen Krümmungsradius Rmin erfasst werden kann: BF (mm) Rmin (mm)
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10 7
30 21
50 35
100 71
This means, for example, that depending on the size of the image field BF in the device 10 In particular, the topography of areas with the following minimum radius of curvature R min can be detected: BF (mm) R min (mm)
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50 35
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Die Rechnereinheit 36 ist eine Einrichtung für das Aktivieren von unterschiedlichen Punktlichtquellen 18 und das Erfassen der Helligkeitsverteilung für die Punktlichtquellen 18. Für das Auswerten einer mit dem Bildsensor 34 in der Kamera 24 erfassten Helligkeitsverteilung gibt es in der Vorrichtung 10 eine Rechnereinheit 36 mit einem Computerprogramm. Das Computerprogramm berechnet für einen mit der Kamera 24 auf dem Bildsensor 34 erfassten Lichtstrahl 35‘ von einem Punkt P auf der optisch wirksamen Fläche 20 des in dem Aufnahmebereich 16 angeordneten Brillenglases 12 und den bekannten Positionen der Punktlichtquellen 18 in der Vorrichtung 10 die Oberflächennormale nP an diesem Punkt. Durch Integration und Interpolation wird dann anhand der bekannten Koordinaten der Punkte der Fläche 20 in der Dreipunktauflage 16 für die zu der Fläche 20 in der Vorrichtung 10 aufgrund von Reflexionen des Lichts der Punktlichtquellen 18 an dieser Fläche erfassten Oberflächennormalen nP in einer Rechnereinheit 36 die Topografie der Fläche 20 berechnet. Das hierzu hierfür verwendete Computerprogramm in der Rechnereinheit 36 ermöglicht dabei auch das Berechnen der lokalen Brechkräfte der optisch wirksamen Fläche 20 aus den ermittelten Oberflächennormalen nP bzw. aus der berechneten Topografie.The computer unit 36 is a device for activating different point light sources 18 and detecting the brightness distribution for the point light sources 18 , For evaluating one with the image sensor 34 in the camera 24 detected brightness distribution exists in the device 10 a computer unit 36 with a computer program. The computer program calculates for one with the camera 24 on the image sensor 34 detected light beam 35 ' from a point P on the optically effective surface 20 in the reception area 16 arranged spectacle lens 12 and the known positions of the point light sources 18 in the device 10 the surface normals n P at this point. By integration and interpolation then becomes on the basis of the known coordinates of the points of the surface 20 in the three-point edition 16 for the to the area 20 in the device 10 due to reflections of the light of the point light sources 18 surface normals n P detected in this area in a computer unit 36 the topography of the area 20 calculated. The computer program used for this purpose in the computer unit 36 also allows the calculation of the local refractive powers of the optical effective area 20 from the determined surface normals n P or from the calculated topography.
Auf der Trägerstruktur 19 mit den Leiterplatten 20 sind etwa 2000 Punktlichtquellen 18 in Form von Leuchtdioden angeordnet. Es sei bemerkt, dass die entsprechenden Punktlichtquellen 18 nicht zwingend als Leuchtdioden ausgebildet sein müssen, sondern grundsätzlich auch z.B. als das Ende eines Lichtleiters gestaltet sein können, in den das Licht einer Lichtquelle eingekoppelt wird. Darüber hinaus sei bemerkt, dass die Trägerstruktur für die Punktlichtquellen in der Vorrichtung 10 insbesondere auch eine Lochmaske sein kann, der eine oder mehrere Hintergrundbeleuchtungen zugeordnet sind. On the support structure 19 with the circuit boards 20 are about 2000 point light sources 18 arranged in the form of light-emitting diodes. It should be noted that the corresponding point light sources 18 not necessarily have to be designed as light-emitting diodes, but in principle, for example, can be designed as the end of a light guide, in which the light of a light source is coupled. In addition, it should be noted that the support structure for the point light sources in the device 10 In particular, a shadow mask may be associated with one or more backlights.
Die Punktlichtquellen 18 auf der Trägerstruktur 19 sind ungleichmäßig verteilt. Sie definieren ein Gitternetz mit dem Ort der Punktlichtquellen 18 entsprechenden Gitterpunkten, das zu der optischen Achse 28 der Kamera 24 asymmetrisch ist. D.h., das Gitternetz der Punktlichtquellen 18 hat keinerlei Symmetrie in Bezug auf die optische Achse 28. Es ist weder spiegelsymmetrisch zu der Achse 28 noch kann es durch Rotation um einen Drehwinkel ω < 2π um die Achse 28 weder in sich selbst noch teilweise in sich selbst überführt werden. Damit kann die Gesamtgenauigkeit der Messergebnisse für eine in der Vorrichtung 10 erfasste Topografie einer optisch wirksamen Fläche 20 erhöht werden, da sich auf diese Weise durch eine Apparatekonstante bedingte räumliche Eigenfrequenzen einer auf dem Bildsensor 26 der Kamera 24 hervorgerufenen Helligkeitsverteilung unterdrücken lassen.The point light sources 18 on the support structure 19 are distributed unevenly. You define a grid with the location of the point light sources 18 corresponding grid points, that to the optical axis 28 the camera 24 is asymmetric. That is, the grid of point light sources 18 has no symmetry with respect to the optical axis 28 , It is neither mirror symmetric to the axis 28 nor can it rotate around an angle of rotation ω <2π around the axis 28 be translated neither in themselves nor partially in themselves. Thus, the overall accuracy of the measurement results for one in the device 10 recorded topography of an optically effective surface 20 be increased because in this way due to an apparatus constant related spatial natural frequencies on the image sensor 26 the camera 24 suppress the brightness distribution caused.
Die 2 zeigt eine Teilansicht der Vorrichtung 10. Auf den Leiterplatten 20, 20` der Trägerstruktur sind die Punktlichtquellen 18 jeweils auf konzentrischen Kreislinien 38 angeordnet. Die Kreislinien 38 einer einzelnen Leiterplatte 20 weisen dabei ein gemeinsames Zentrum 40 auf. In Bezug auf das gemeinsame Zentrum 40 der Kreislinien 38 für die Anordnung der Punktlichtquellen 18 auf einer Leiterplatte 20 liegen hier zueinander benachbart angeordnete Punktlichtquellen 18‘, 18‘‘, die auf verschiedenen Kreislinien 38‘, 38‘‘ positioniert sind, auf einer Geraden 42, die von dem gemeinsamen Zentrum 40 der Kreislinien 38 eine Ablage A hat.The 2 shows a partial view of the device 10 , On the circuit boards 20 , 20 'of the support structure are the point light sources 18 each on concentric circles 38 arranged. The circular lines 38 a single circuit board 20 have a common center 40 on. In terms of the common center 40 the circular lines 38 for the arrangement of the point light sources 18 on a circuit board 20 lie here adjacent to each other arranged point light sources 18 ' . 18 '' on different circles 38 ' . 38 '' are positioned on a straight line 42 from the common center 40 the circular lines 38 a tray A has.
Die 1 zeigt, dass die Anzahl der Punktlichtquellen 18 in einem Raumwinkelelement 44 der Einheitskugel mit den Raumwinkelkoordinaten θ (Polarwinkel), φ (Azimutwinkel) in einem Kugelkoordinatensystem 47, dessen Ursprung in dem Punkt 46 auf der optischen Achse 28 der Kamera 24 liegt und das einen auf der optischen Achse 28 liegenden zu der Kamera 24 weisenden Nordpol 48 hat, mit zunehmendem Polarwinkel θ abnimmt.The 1 shows that the number of point light sources 18 in a solid angle element 44 the unit sphere with the solid angle coordinates θ (polar angle), φ (azimuth angle) in a spherical coordinate system 47 whose origin is in the point 46 on the optical axis 28 the camera 24 lies and the one on the optical axis 28 lying to the camera 24 pointing north pole 48 has decreases with increasing polar angle θ.
Demgegenüber ist die Anzahl der Punktlichtquellen 18 in einem Raumwinkelelement 44 um einen auf der optischen Achse 28 liegenden Punkt 46, das in einem Kugelkoordinatensystem 48, dessen Ursprung in dem Punkt 46 liegt und das einen auf der optischen Achse 28 liegenden zu der Kamera 24 weisenden Nordpol 48 hat, das bei dem Polarwinkel θ und dem Azimutwinkel φ angeordnet ist, von dem Azimutwinkel φ im Wesentlichen unabhängig.In contrast, the number of point light sources 18 in a solid angle element 44 one on the optical axis 28 lying point 46 that in a spherical coordinate system 48 whose origin is in the point 46 lies and the one on the optical axis 28 lying to the camera 24 pointing north pole 48 has, which is arranged at the polar angle θ and the azimuth angle φ, substantially independent of the azimuth angle φ.
Die 3 zeigt das Brillenglas 12 in dem Bildfeld 43 der Vorrichtung 10 in einer Draufsicht. Um in der Vorrichtung 10 die Oberflächennormalen an N2 zueinander äquidistant angeordneten Stützstellen 50 einer in dem Aufnahmebereich 14 angeordneten optisch wirksamen Fläche 32 eines Brillenglases 12 mit dem Krümmungsradius R zu bestimmen, ist es erforderlich, dass das durch die Zentralprojektion der an der Trägerstruktur 19 aufgenommenen Punktlichtquellen 18 auf eine um den Punkt 46 auf dem Brillenglas 12 aufgespannten Hemisphäre 49 mit dem Radius RH den folgenden stand d(θ) haben: The 3 shows the lens 12 in the image field 43 the device 10 in a top view. To be in the device 10 the surface normal to N 2 to each other equidistantly arranged support points 50 one in the receiving area 14 arranged optically active surface 32 of a spectacle lens 12 with the radius of curvature R, it is necessary that the central projection of the at the support structure 19 recorded point light sources 18 on one to the point 46 on the spectacle lens 12 spanned hemisphere 49 with the radius R H the following stands for d (θ):
In der Vorrichtung 10 ist die Anordnung der Punktlichtquellen 18 auf eine vorgegebene Anzahl von Stützstellen abgestimmt, indem in dem Inneren der Hemisphäre der Abstand d(θ) reduziert ist und nach außen kontinuierlich zunimmt. In the device 10 is the arrangement of point light sources 18 tuned to a predetermined number of nodes by the distance d (θ) is reduced in the interior of the hemisphere and continuously increases to the outside.
Mit einer dem in der vorstehenden Formelbeziehung angegebenen Abstand d(θ) entsprechenden Beabstandung von Punktlichtquellen 18 in der Vorrichtung 10 kann so gegenüber einer äquidistanten Anordnung von Punktlichtquellen 18 die Topografie einer gekrümmten optisch wirksamen Fläche 20 eines Brillenglases 12, die einen vorgegebenen minimalen Krümmungsradius Rmin hat, mit einer um etwa 80% verringerten Anzahl von Punktlichtquellen vermessen werden, ohne dass eine geforderte Mindest-Stützstellendichte dabei unterschritten wird.With a spacing d (θ) corresponding to the distance d (θ) given in the above formula relationship, the spacing of point light sources 18 in the device 10 can thus be compared to an equidistant arrangement of point light sources 18 the topography of a curved optically effective surface 20 of a spectacle lens 12 , which has a predetermined minimum radius of curvature R min , are measured with a reduced by about 80% number of point light sources without a required minimum support point density is exceeded.
D.h. z.B., dass in einer Vorrichtung 10, die für das Vermessen der optisch wirksamen Fläche von Brillengläsern ausgelegt ist, deren Krümmungsradien in einem Bereich zwischen 350mm und 35mm liegen und die in dem Inneren eines Durchmessers von 50mm, also bei einem Bildfeld von BF = 50mm mit einem mittleren Stützstellenabstand a vermessen werden sollen, der den Betrag von 2mm unterschreitet, der auf eine um den optischen Mittelpunkt 46 des Brillenglases aufgespannten Hemisphäre minimale Abstand der Punktlichtquellen mit dem Radius R = 300 mm bezogene Abstand d(θ) so gewählt werden kann, dass die Punktlichtquellen auf lediglich 69 Kreisringen mit einem unterschiedlichen Polarwinkel angeordnet werden müssen.Ie that in a device 10 , which is designed for measuring the optically effective surface of spectacle lenses whose radii of curvature lie in a range between 350mm and 35mm and which are to be measured in the interior of a diameter of 50mm, ie at an image field of BF = 50mm with a mean interpolation distance a which falls below the amount of 2mm, the one around the optical center 46 of the spectacle lens spanned hemisphere minimum distance of the point light sources with the radius R = 300 mm related distance d (θ) can be selected so that the point light sources must be arranged on only 69 annuli with a different polar angle.
Mit Punktlichtquellen 18, die der vorstehenden Abstandsbeziehung genügen, können deshalb in der Vorrichtung 10 unterschiedlich gekrümmte optisch wirksame Flächen von Brillengläsern 12, die einen gleichen mittleren Krümmungsradius R haben, an einer gleichbleibenden Anzahl von Stützstellen bzw. bei einer konstanten Stützstellendichte so vermessen werden. Eine solche Anordnung der Punktlichtquellen 18 gewährleistet auch, dass in der Vorrichtung 10 unterschiedlich gekrümmte optisch wirksame Flächen, deren Krümmung einen minimalen Krümmungsradius Rmin nicht unterschreitet, vermessen werden können, ohne dass dabei ein durch die Anordnung der Punktlichtquellen 18 in der Vorrichtung 10 vorgegebener minimaler Stützstellenabstand BF/N nicht unterschritten wird. With point light sources 18 , which satisfy the above distance relationship, therefore, in the device 10 differently curved optically effective surfaces of spectacle lenses 12 , which have a same average radius of curvature R, are measured at a constant number of support points or at a constant support point density so. Such an arrangement of the point light sources 18 also ensures that in the device 10 differently curved optically effective surfaces, the curvature of which does not fall below a minimum radius of curvature R min , can be measured without being affected by the arrangement of the point light sources 18 in the device 10 specified minimum interpolation distance BF / N is not fallen below.
In der Vorrichtung 10 sind die Punktlichtquellen 18 von jedem innerhalb des Aufnahmebereichs 14 liegenden Punkt aus gesehen über einen Raumwinkel Ω verteilt, der folgender Beziehung genügt: Ω ≥ Π sr, vorzugsweise Ω ≥ 1.8 π sr.In the device 10 are the point light sources 18 from everyone within the reception area 14 lying point distributed over a solid angle Ω, satisfies the following relationship: Ω ≥ Π sr, preferably Ω ≥ 1.8 π sr.
In einer alternativen, modifizierten Ausführungsform der Vorrichtung 10 ist der Aufnahmebereich 14 in Bezug auf die Anordnung der an der Trägerstruktur 19 aufgenommenen Punktlichtquellen 18 verlagerbar ausgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, den Raumwinkel Ω zu variieren, über den die Punktlichtquellen 18 von innerhalb des Aufnahmebereichs 14 liegenden Punkten aus gesehen, verteilt sind.In an alternative, modified embodiment of the device 10 is the recording area 14 with respect to the arrangement of the support structure 19 recorded point light sources 18 displaced executed. In this way it is possible to vary the solid angle Ω over which the point light sources 18 from within the reception area 14 lying points, are distributed.
Die 4 zeigt eine Gruppe 51 von aktivierten Punktlichtquellen 18 in der Vorrichtung 10. Abhängig von der Topografie der optisch wirksamen Fläche 20 des Brillenglases 12 werden die auf der Trägerstruktur 19 angeordneten Punktlichtquellen 18 mit einem unterschiedlichen Abbildungsmaßstab auf dem Bildsensor 26 der Kamera 24 abgebildet. Wenn die Fläche 20 einen geringen Krümmungsradius hat, werden die entsprechenden Punktlichtquellen mit einem Abbildungsmaßstab erfasst, der kleiner ist als der Abbildungsmaßstab für den Fall einer optisch wirksamen Fläche 20, die einen entsprechend größeren Krümmungsradius aufweist. Je nach dem Fokuszustand der Kamera 24 und deren Auflösung kann es dann vorkommen, dass sich die Intensitätsverteilungen von zwei an der Trägerstruktur 19 zueinander benachbart angeordneten Punktlichtquellen 18 auf dem Bildsensor 26 überlappen, so diese auch mittels Bildverarbeitung und Signalauswertung nicht mehr zuverlässig voneinander getrennt werden können. The 4 shows a group 51 of activated point light sources 18 in the device 10 , Depending on the topography of the optically effective surface 20 of the spectacle lens 12 be on the support structure 19 arranged point light sources 18 with a different magnification on the image sensor 26 the camera 24 displayed. If the area 20 has a small radius of curvature, the corresponding point light sources are detected at a magnification which is smaller than the magnification for the case of an optically effective area 20 having a correspondingly larger radius of curvature. Depending on the focus state of the camera 24 and their resolution may then occur that the intensity distributions of two on the support structure 19 adjacent to each other arranged point light sources 18 on the image sensor 26 overlap, so they can no longer be reliably separated from each other by means of image processing and signal evaluation.
Um das Zuordnen von einzelnen Bereichen der auf dem Bildsensor 26 der Kamera 24 erfassten Helligkeitsverteilung zu den Punktlichtquellen 18 der Vorrichtung 10 zu erleichtern, ist es von Vorteil, die Punktlichtquellen 18 für das Vermessen der Fläche 20 von einem Brillenglas aufeinanderfolgend in unterschiedlichen Gruppen zu aktivieren. Bevorzugt bestehen diese Gruppen aus Punktlichtquellen, die auf einer Leiterplatte 20, 20‘ auf einem gemeinsamen Ring in Form einer Kreislinie 38 liegen, oder aus Punktlichtquellen 18, die auf einer das gemeinsame Zentrum 40 der Kreislinien 38 durchsetzenden Arm in Form einer Bogenlinie 52 positioniert sind.To assign individual areas of the image sensor 26 the camera 24 recorded brightness distribution to the point light sources 18 the device 10 To facilitate, it is beneficial to the point light sources 18 for measuring the area 20 to activate one eyeglass successively in different groups. Preferably, these groups consist of point light sources on a circuit board 20 . 20 ' on a common ring in the form of a circle 38 lie, or from point light sources 18 on a common center 40 the circular lines 38 piercing arm in the form of a bow line 52 are positioned.
D.h., die Punktlichtquellen 18 werden in Gruppen von Ringen und Armen aktiviert. So können z.B. nur die Punktlichtquellen 18 auf jedem zweiten oder jedem vierten Ring und/oder Arm eingeschaltet werden. Dadurch ist es möglich ein Überlappen der Intensitätsverteilungen zu vermeiden. Um in der Vorrichtung 10 trotzdem alle Punktlichtquellen 18 zu nutzen, werden darin die zueinander benachbart angeordneten Punktlichtquellen nacheinander eingeschaltet und es wird dann jeweils ein separates Bild auf dem Bildsensor 26 der Kamera 24 erfasst. Wenn etwa nur jede vierte Punktlichtquelle 18 in der Anordnung der Punktlichtquellen 18 gleichzeitig aktiviert wird, bedarf es einer Aufnahmesequenz mit vier Aufnahmen, um die in der Vorrichtung 10 erfassbare vollständige Information der Helligkeitsverteilung des Lichts von allen Punktlichtquellen 18 zu erhalten, die Reflektionen von Licht an der zu vermessenden optisch wirksamen Fläche 20 eines Brillenglases 12 hervorrufen.That is, the point light sources 18 are activated in groups of rings and arms. For example, only the point light sources 18 on every other or every fourth ring and / or arm. This makes it possible to avoid overlapping the intensity distributions. To be in the device 10 nevertheless all point light sources 18 to use it, the point light sources arranged adjacent to one another are switched on one after the other and then in each case a separate image is formed on the image sensor 26 the camera 24 detected. If only every fourth point light source 18 in the arrangement of point light sources 18 is activated simultaneously, it requires a recording sequence with four shots to those in the device 10 detectable complete information of the brightness distribution of the light from all point light sources 18 to obtain the reflections of light at the optically effective surface to be measured 20 of a spectacle lens 12 cause.
Es sei bemerkt, dass die an der Trägerstruktur 19 aufgenommenen Punktlichtquellen 18 in der Vorrichtung 10 alternativ oder zusätzlich auch in einem nach Längenkreisen und Breitenkreisen getrennten Organisationprinzip einer auf den optischen Mittelpunkt 49 eines in dem Aufnahmebereich 14 angeordneten Brillenglases 12 bezogenen Hemisphäre 51 angesteuert werden können. Dieses Organisationsprinzip für das alternierende Ansteuern von Punktlichtquellen 18 in der Vorrichtung 10 ist vorteilhaft, wenn die zu vermessende optisch wirksame Fläche 20 keine bevorzugte Raumrichtung hat, in welche sie die von den Punktlichtquellen 19 erzeugten Lichtstrahlen reflektiert, wie das z.B. bei einem Flachspiegel der Fall ist. Dieses Organisationsprinzip für das Ansteuern der Punktlichtquellen 19 vereinfacht ein Adressieren der einzelnen Punktlichtquellen 18 für die Steuerung. It should be noted that the on the support structure 19 recorded point light sources 18 in the device 10 alternatively or additionally, in an organization principle separated into longitudinal circles and latitude circles, one at the optical center 49 one in the receiving area 14 arranged spectacle lens 12 related hemisphere 51 can be controlled. This organization principle for the alternating driving of point light sources 18 in the device 10 is advantageous if the optically effective surface to be measured 20 has no preferred spatial direction, in which they from the point light sources 19 reflected light rays, as is the case for example with a flat mirror. This organization principle for driving the point light sources 19 simplifies addressing of the individual point light sources 18 for the controller.
Um bei einer vorgegebenen Dynamik des Bildsensors 26 in der Kamera 24 die Intensität der von einer optisch wirksamen Fläche 20 eines in der Vorrichtung 10 angeordneten Brillenglases 12 reflektierten Lichtstrahles der Punktlichtquelle 18 für unterschiedliche Reflektionseigenschaften der optisch wirksamen Fläche einstellen zu können, ist es möglich, die Intensität des Lichts der Punktlichtquellen 18 mittels Pulslängen und/oder Pulsweitenmodulation mittels der Rechnereinheit 36 bei Bedarf zu variieren. At a given dynamic of the image sensor 26 in the camera 24 the intensity of an optically active surface 20 one in the device 10 arranged spectacle lens 12 reflected light beam of the point light source 18 For different reflection properties of the optically effective surface to be able to adjust the intensity of the light of the point light sources 18 by means of pulse lengths and / or pulse width modulation by means of the computer unit 36 to vary if necessary.
Um die Vorrichtung 10 für das Vermessen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche 20 zu kalibrieren, wird in dieser bevorzugt die Helligkeitsverteilung auf dem Bildsensor 26 der Kamera 24 zu verschiedenen Kalibrierobjekten erfasst, z.B. von Kalibrierobjekten in der Form von polierten Sphären, die einen genau bekannten unterschiedlichen Radius haben. To the device 10 for measuring the topography of an optically effective surface 20 To calibrate, in this preferred, the brightness distribution on the image sensor 26 the camera 24 to different calibration objects, eg calibration objects in the form of polished spheres, which have a precisely known different radius.
Für das Vermessen in der Vorrichtung 10 der optisch wirksamen Fläche 50 auf der Rückseite des Brillenglases 12, muss das Brillenglas in der Dreipunktauflage 16 grundsätzlich umgedreht werden.For measuring in the device 10 the optically effective surface 50 on the back of the lens 12 , must have the lens in the three-point pad 16 basically turned around.
In einer modifizierten Ausführungsform für die Vorrichtung 10 ist deshalb vorgesehen, dass der Aufnahmebereich 14 mit der Dreipunktauflage 16 in der Richtung der optischen Achse 28 der Kamera 24 verlagert werden kann. Indem der Abstand D des Aufnahmebereichs 14 von der Kamera 24 verändert wird, ist es möglich, die Anordnung von einem Brillenglas 12 für das Vermessen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche in der Vorrichtung 10 auf die Oberflächenkrümmung der zu vermessenden Fläche abzustimmen.In a modified embodiment for the device 10 is therefore provided that the receiving area 14 with the three-point support 16 in the direction of the optical axis 28 the camera 24 can be relocated. By the distance D of the receiving area 14 from the camera 24 is changed, it is possible the arrangement of a spectacle lens 12 for measuring the topography of an optically effective area in the device 10 to match the surface curvature of the surface to be measured.
Wenn die zu vermessende Fläche bei einem Brillenglas große Krümmungsradien aufweist, ist es z.B. von Vorteil, wenn sich das Brillenglas 12 mit einem großen Abstand von der Kamera 24, gegebenenfalls außerhalb des von der Trägerstruktur 19 aufgespannten Halbraumes befindet.If the surface to be measured in a spectacle lens has large radii of curvature, it is for example advantageous if the spectacle lens 12 with a big distance from the camera 24 , optionally outside of the support structure 19 clamped half space is located.
Wenn die zu vermessende optisch wirksame Fläche bei dem Brillenglas 12 dagegen vergleichsweise kleine Krümmungsradien hat, ist es günstig, wenn das entsprechende Brillenglas weit innerhalb des von der Trägerstruktur 19 definierten Halbraumes 23 positioniert ist.If the optically effective area to be measured at the spectacle lens 12 on the other hand has comparatively small radii of curvature, it is advantageous if the corresponding spectacle lens is far within that of the support structure 19 defined half space 23 is positioned.
Es sei bemerkt, dass in einer modifizierten Ausführungsform der Vorrichtung 10 zwei oder auch mehrere Kameras vorgesehen sein können, um die Reflektionen des Lichts der Punktlichtquellen an einer optisch wirksamen Fläche eines Gegenstands in unterschiedlichen Blickrichtungen zu erfassen. Diese Maßnahme ermöglicht insbesondere das genaue Bestimmen der räumlichen Position von ausgewählten Punkten auf der optisch wirksamen Fläche des Gegenstands.It should be noted that in a modified embodiment of the device 10 two or more cameras may be provided to detect the reflections of the light of the point light sources on an optically active surface of an object in different directions. In particular, this measure makes it possible to accurately determine the spatial position of selected points on the optically effective surface of the object.
Darüber hinaus sei bemerkt, dass das Messprinzip der Vorrichtung 10 grundsätzlich auch ermöglicht, die beiden optisch wirksamen Flächen auf der vorder- und Rückseite bei einem Brillenglas 12 gleichzeitig zu vermessen. Hierfür wir die in der 1 gezeigte Vorrichtung 10 um eine weitere, eine Vielzahl von Punktlichtquellen aufnehmende Trägerstruktur mit Punktlichtquellen ergänzt und mit einer weiteren Kamera für das Erfassen der Helligkeitsverteilung von dem auf der Rückseite des Brillenglases reflektierten Licht der entsprechenden Punktlichtquellen versehen. Die Punktlichtquellen sind hier für das Vermessen von optisch wirksamen Flächen eines Gegenstands, wie z.B. eines Brillenglases auf einer Mantelfläche angeordnet, die einen geschlossenen Vollraum umgibt, in dem der entsprechende Gegenstand angeordnet wird. In addition, it should be noted that the measuring principle of the device 10 basically also allows the two optically active surfaces on the front and back of a spectacle lens 12 to measure at the same time. For this we in the 1 shown device 10 by a further, a plurality of point light sources receiving support structure supplemented with point light sources and provided with a further camera for detecting the brightness distribution of the reflected light on the back of the lens of the corresponding point light sources. The point light sources are here arranged for the measurement of optically active surfaces of an object, such as a spectacle lens on a lateral surface, which surrounds a closed full space in which the corresponding object is arranged.
Die 5 bis 13 zeigen Beispiele für Polyeder, die eine für das Aufnehmen von Punktlichtquellen in einer Vorrichtung für das Vermessen der Topografie eines Gegenstands geeignete Mantelfläche haben.The 5 to 13 show examples of polyhedra having a lateral surface suitable for receiving point light sources in a device for measuring the topography of an object.
Das in der 5 gezeigte Polyeder 100 ist aus 7 regelmäßigen 5-Ecken gebildet, die an 10 miteinander verbundene regelmäßige 6-Ecke angefügt sind. Die Mantelfläche des Polyeders 100 begrenzt einen Vollraum. Das Polyeder 102 in der 6 ist eine Pyramide mit einer Mantelfläche 103, die einen Halbraum begrenzt, der einen offenen Rand 101 hat. Das Polyeder 104 in der 8 ist als ein abgestumpfter Ikosaeder mit einer einen Vollraum begrenzenden Mantelfläche ausgeführt. Die 7 zeigt ein als Würfel ausgebildetes Polyeder 106 mit einer Mantelfläche, die einen Vollraum begrenzt. In der 9 ist ein Polyeder 108 in Form eines Dodekaeders mit einer Mantelfläche gezeigt, die ebenfalls einen Vollraum begrenzt. In der 10 ist als Polyeder ein Ikosaeder 110 abgebildet. Die 11 zeigt als Polyeder 112 einen 7-Eck Kegelstumpf mit einem Zylinderaufbau. Das Polyeder 112 hat eine Mantelfläche, die einen geöffneten Halbraum mit dem Rand 113 umgibt. In der 12 ist als ein Polyeder 114 ein 6-Eck Kegelstumpf mit einem Zylinder-Zwischenbau und einem geöffneten Halbraum, der einen Rand 115 aufweist, gezeigt. Die 13 zeigt als Polyeder 116 einen 9-Eck Kegel mit einem zweiten Kegelstumpf anderer Steigung, dessen Mantelfläche einen Vollraum definiert.That in the 5 shown polyhedra 100 is made up of 7 regular 5-corners that are attached 10 interconnected regular 6-corner are attached. The lateral surface of the polyhedron 100 limits a full room. The polyhedron 102 in the 6 is a pyramid with a lateral surface 103 that delimits a half-space that has an open border 101 Has. The polyhedron 104 in the 8th is designed as a truncated icosahedron with a full-space limiting lateral surface. The 7 shows a trained as a cube polyhedron 106 with a lateral surface that limits a full room. In the 9 is a polyhedron 108 shown in the form of a dodecahedron with a lateral surface, which also limits a full room. In the 10 is an icosahedron as a polyhedron 110 displayed. The 11 shows as polyhedra 112 a 7-corner truncated cone with a cylinder construction. The polyhedron 112 has a lateral surface, which has an open half-space with the edge 113 surrounds. In the 12 is as a polyhedron 114 a 6-corner truncated cone with a cylinder intermediate construction and an open half-space, one edge 115 has shown. The 13 shows as polyhedra 116 a 9-corner cone with a second truncated cone of other pitch, whose lateral surface defines a full space.
Die 14 zeigt eine Vorrichtung 210 für das Vermessen der Topografie von Strukturen an einem menschlichen Auges 202. Funktion und Aufbau der Vorrichtung 200 entsprechen grundsätzlich dem Aufbau der vorstehend anhand der 1 bis 4 beschriebenen Vorrichtung 10. Soweit die Baugruppen der Vorrichtung 200 den Baugruppen der Vorrichtung 10 entsprechen, sind diese in der 14 mit um die Zahl 200 erhöhten Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht.The 14 shows a device 210 for surveying the topography of structures on a human eye 202 , Function and structure of the device 200 basically correspond to the structure of the above based on the 1 to 4 described device 10 , As far as the components of the device 200 the assemblies of the device 10 These are in the 14 with around the number 200 increased numbers indicated as reference numerals.
Die Vorrichtung 210 hat einen Aufnahmebereich 214 für das Anordnen des Auges 202 eines Patienten. Die Vorrichtung 210 enthält eine Referenziereinrichtung (nicht gezeigt), die es ermöglicht, die Lage des Scheitelpunkts 203 der Hornhaut 205 des Auges 202 in Bezug auf ein zu der Kamera 224 festes Koordinatensystem 207 zu erfassen. Eine solche Referenziereinrichtung kann z.B. ein OCT-System enthalten, wie es etwa in der EP 1 918 754 B1 in den Absätzen [0004] bis [0007] unter Hinweis auf die US 5,321,501 und die WO 2006/10544 A1 beschrieben ist, auf die hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird. The device 210 has a reception area 214 for arranging the eye 202 a patient. The device 210 includes a reference device (not shown) that allows the location of the vertex 203 the cornea 205 of the eye 202 in relation to one to the camera 224 fixed coordinate system 207 capture. A Such referencing may include, for example, an OCT system, as it is in the EP 1 918 754 B1 in paragraphs [0004] to [0007] with reference to the US 5,321,501 and the WO 2006/10544 A1 is described, to which reference is hereby fully made.
Anders als in der Vorrichtung 10 sind die Punktlichtquellen 218 in der Vorrichtung 210 auf einer als Hemisphäre 219 ausgebildeten Trägerstruktur positioniert. Zu bemerken ist allerdings, dass die Vorrichtung 210 in einer alternativen Ausführungsform grundsätzlich auch eine Trägerstruktur für das Aufnehmen von Punktlichtquellen 218 aufweisen kann, an der die Punktlichtquellen auf der Mantelfläche eines Polyeders angeordnet sind.Unlike in the device 10 are the point light sources 218 in the device 210 on a hemisphere 219 positioned carrier structure. It should be noted, however, that the device 210 In an alternative embodiment, in principle, a support structure for receiving point light sources 218 may have, at which the point light sources are arranged on the lateral surface of a polyhedron.
Die Punktlichtquellen 218 sind für das Erzeugen von Licht in voneinander getrennten unterschiedlichen schmalbandigen Wellenlängenbereichen ausgelegt, z.B. einem Wellenlängenbereich bei der Wellenlänge λ1 = 400nm, der Wellenlänge λ2 = 488 nm, der Wellenlänge λ3 = 514nm, der Wellenlänge λ4 = 632nm, der der Wellenlänge λ5 = 1150nm und/oder der Wellenlänge λ6 = 3390nm.The point light sources 218 are designed for generating light in separate different narrow-band wavelength ranges, for example a wavelength range at the wavelength λ 1 = 400 nm, the wavelength λ 2 = 488 nm, the wavelength λ 3 = 514 nm, the wavelength λ 4 = 632 nm, the wavelength λ 5 = 1150nm and / or the wavelength λ 6 = 3390nm.
Die 15 zeigt mit den Kurven 211 und 213 das wellenlängenabhängige Spektrum der Absorption A (λ) und der Eindringtiefe P (λ) von Licht in die Substanzen Wasser und Oxyhämoglobin. Wie aus der 15 zu sehen ist, liegen die vorstehend angegebenen Wellenlängenbereiche in der Nähe von lokalen Extrema der Kurven 207 und 209. Mit der Vorrichtung 210 ist es damit möglich, nicht nur die Topografie der Hornhaut 205 des Auges 202 eines Patienten zu vermesse, sondern auch Strukturen 211 zu erfassen, die in dem Inneren des Auges 202 liegen.The 15 shows with the curves 211 and 213 the wavelength-dependent spectrum of the absorption A (λ) and the penetration depth P (λ) of light into the substances water and oxyhemoglobin. Like from the 15 As can be seen, the wavelength ranges given above are close to local extremes of the curves 207 and 209 , With the device 210 is it possible, not just the topography of the cornea? 205 of the eye 202 to measure a patient, but also structures 211 to capture that in the interior of the eye 202 lie.
Mit einer geeigneten Auswahl der Wellenlänge des mittels der Punktlichtquellen 218 erzeugten Lichts ist es möglich, optisch wirksame Flächen von Grenzschichten zu vermessen, die sich in dem Inneren eines Messobjekts befinden.With an appropriate choice of the wavelength of the point light sources 218 generated light, it is possible to measure optically effective areas of boundary layers, which are located in the interior of a measurement object.
Wellenlängen von Licht im kurzwelligen Bereich eignen sich z.B. für das Vermessen der Oberfläche der Kornea (Hornhaut). Mit Licht einer Wellenlänge, bei der die Kornea transparent, das Kammerwasser jedoch intransparent ist, können dagegen Strukturen in dem Inneren eines menschlichen Auges oder dem Auge eines Tiers vermessen werden, weil wie in der 15 zu sehen ist, die Absorptionskante von Wasser im infraroten Spektralbereich liegt.Wavelengths of light in the short-wave range are suitable, for example, for measuring the surface of the cornea (cornea). On the other hand, with light of a wavelength in which the cornea is transparent, but the aqueous humor is non-transparent, structures in the interior of a human eye or an animal's eye can be measured because, as in US Pat 15 it can be seen that the absorption edge of water lies in the infrared spectral range.
Für das Vermessen entsprechender Strukturen mit unterschiedlichen Wellenlängen von Licht ist es von Vorteil, wenn der Bildsensor 234 der Kamera 224 in dem Wellenlängenbereich 350 nm bis 1050 nm eine gute Empfindlichkeit hat.For measuring corresponding structures with different wavelengths of light, it is advantageous if the image sensor 234 the camera 224 in the wavelength range 350 nm to 1050 nm has a good sensitivity.
Die 16 zeigt eine Vorrichtung 310 für das Vermessen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche 320 eines Brillenglases 312. Funktion und Aufbau der Vorrichtung 300 entsprechen grundsätzlich dem Aufbau der vorstehend anhand der 1 bis 4 beschriebenen Vorrichtung 10. Soweit die Baugruppen der Vorrichtung 310 den Baugruppen der Vorrichtung 10 entsprechen, sind diese in der 16 mit um die Zahl 300 erhöhten Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht.The 16 shows a device 310 for measuring the topography of an optically effective surface 320 of a spectacle lens 312 , Function and structure of the device 300 basically correspond to the structure of the above based on the 1 to 4 described device 10 , As far as the components of the device 310 the assemblies of the device 10 These are in the 16 with around the number 300 increased numbers indicated as reference numerals.
Anders als in der Vorrichtung 10 sind die Punktlichtquellen 318 in der Vorrichtung 310 auf einer als Hemisphäre 319 ausgebildeten Trägerstruktur positioniert. Zu bemerken ist allerdings, dass die Vorrichtung 310 in einer alternativen Ausführungsform grundsätzlich auch eine Trägerstruktur für das Aufnehmen von Punktlichtquellen 318 aufweisen kann, an der die Punktlichtquellen auf der Mantelfläche eines Polyeders angeordnet sind.Unlike in the device 10 are the point light sources 318 in the device 310 on a hemisphere 319 positioned carrier structure. It should be noted, however, that the device 310 In an alternative embodiment, in principle, a support structure for receiving point light sources 318 may have, at which the point light sources are arranged on the lateral surface of a polyhedron.
Die Vorrichtung 310 enthält eine zwischen dem Aufnahmebereich 314 und der Kamera 324 angeordnete Optikbaugruppe positiver Brechkraft in Form einer Feldlinse 316, die dazu dient, das Licht der Punktlichtquellen 318 zu einem in dem Aufnahmebereich angeordneten Gegenstand 312 zu lenken und das an dem Gegenstand 312 reflektierte Licht der Kamera 324 zuzuführen.The device 310 contains one between the recording area 314 and the camera 324 arranged optical assembly of positive power in the form of a field lens 316 , which serves the light of point light sources 318 to an object arranged in the receiving area 312 to direct and to the object 312 reflected light of the camera 324 supply.
Diese Maßnahme ermöglicht das Erfassen der Topografie einer konkav gekrümmten optisch wirksamen Fläche 320 von Gegenständen wie z.B. Brillengläsern 312 mit einer großen Anzahl von Stützstellen.This measure makes it possible to detect the topography of a concavely curved, optically effective surface 320 of objects such as spectacle lenses 312 with a large number of support points.
Die 17 zeigt eine Vorrichtung 410 für das Vermessen der Topografie eine optisch wirksamen Fläche 420 eines Gegenstands 412. Funktion und Aufbau der Vorrichtung 400 entsprechen grundsätzlich dem Aufbau der vorstehend anhand der 1 bis 4 beschriebenen Vorrichtung 10. Soweit die Baugruppen der Vorrichtung 410 den Baugruppen der Vorrichtung 10 entsprechen, sind diese in der 17 mit um die Zahl 400 erhöhten Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht.The 17 shows a device 410 for measuring the topography an optically effective surface 420 of an object 412 , Function and structure of the device 400 basically correspond to the structure of the above based on the 1 to 4 described device 10 , As far as the components of the device 410 the assemblies of the device 10 These are in the 17 with around the number 400 increased numbers indicated as reference numerals.
Anders als in der Vorrichtung 10 sind die Punktlichtquellen 418 in der Vorrichtung 310 auf einer als Hemisphäre 419 ausgebildeten Trägerstruktur positioniert. Zu bemerken ist allerdings, dass die Vorrichtung 410 in einer alternativen Ausführungsform grundsätzlich auch eine Trägerstruktur für das Aufnehmen von Punktlichtquellen 418 aufweisen kann, an der die Punktlichtquellen auf der Mantelfläche eines Polyeders angeordnet sind.Unlike in the device 10 are the point light sources 418 in the device 310 on a hemisphere 419 positioned carrier structure. It should be noted, however, that the device 410 In an alternative embodiment, in principle, a support structure for receiving point light sources 418 may have, at which the point light sources are arranged on the lateral surface of a polyhedron.
Für das Vermessen ist der Gegenstand 412 in der Vorrichtung 410 in einer Einrichtung 470 zum Positionieren angeordnet. For measuring is the object 412 in the device 410 in a facility 470 arranged for positioning.
Mit der Einrichtung 470 kann der Gegenstand in den drei Raumrichtungen X, Y und Z des Koordinatensystems 471 in Bezug auf die Kamera 424 verlagert werden. Die Vorrichtung 410 enthält eine Messeinrichtung 472 für das Ermitteln der Lage wenigstens eines Punktes 474 auf der Fläche eines Gegenstands in einem vorrichtungsfesten Koordinatensystem 476. Die Messeinrichtung 470 enthält hierzu bevorzugt laufzeitbasiertes optisches Abstandsmesssystem. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die Lage eines in der Vorrichtung 410 für das Vermessen angeordneten Gegenstands 412 mittels Laserlicht-Triangulation durch auswerten von chromatischen Längsfehlern, astigmatischen Effekten und oder einer Schärfentiefe zu erfassen. Eine Messeinrichtung 472 für das Ermitteln der Lage eines in der Vorrichtung 410 für das Vermessen angeordneten Gegenstands 412 kann auch ein Messsystem enthalten, das auf dem Gegenstand 412 oder einem Halter für diesen Gegenstand aufgebrachte Zielmarken lokalisiert und deren Lage ermittelt, d.h. deren Positionen vermisst. Diese Zielmarken können z.B. als Permanentgravuren ausgebildet sein, z.B. als Permanentgravuren in einem zu vermessenden Brillenglas, die ein Koordinatensystem für den betreffenden Gegenstand definieren. Solche Zielmarken können allerdings auch Markierungen auf einem Trägersystem sein, z.B. einem Linsenhalter, um damit die exakte Position einer in dem Halter angeordneten Brillenlinse zu erfassen. With the device 470 can the object in the three spatial directions X, Y and Z of the coordinate system 471 in relation to the camera 424 be relocated. The device 410 contains a measuring device 472 for determining the location of at least one point 474 on the surface of an object in a device-fixed coordinate system 476 , The measuring device 470 For this purpose, preferably contains time-based optical distance measuring system. Alternatively or additionally, it is also possible, the location of one in the device 410 for measuring arranged object 412 detect by means of laser light triangulation by evaluating longitudinal chromatic aberrations, astigmatic effects and or a depth of field. A measuring device 472 for determining the location of one in the device 410 for measuring arranged object 412 may also contain a measuring system that is on the object 412 or a holder for this object applied target marks located and determines their location, ie their positions missing. These target marks can be designed, for example, as permanent engravings, for example as permanent engravings in a spectacle lens to be measured, which define a coordinate system for the relevant object. However, such targets may also be markings on a carrier system, for example a lens holder, in order to detect the exact position of a spectacle lens arranged in the holder.
Die 18 zeigt eine weitere Vorrichtung 510 für das Vermessen der Topografie einer optisch wirksamen Fläche 520 eines Brillenglases 512. Funktion und Aufbau der Vorrichtung 500 entsprechen grundsätzlich dem Aufbau der vorstehend anhand der 1 bis 4 beschriebenen Vorrichtung 10. Soweit die Baugruppen der Vorrichtung 510 den Baugruppen der Vorrichtung 10 entsprechen, sind diese in der 17 mit um die Zahl 500 erhöhten Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht.The 18 shows another device 510 for measuring the topography of an optically effective surface 520 of a spectacle lens 512 , Function and structure of the device 500 basically correspond to the structure of the above based on the 1 to 4 described device 10 , As far as the components of the device 510 the assemblies of the device 10 These are in the 17 with around the number 500 increased numbers indicated as reference numerals.
Die Vorrichtung 510 enthält eine Einrichtung 580 für das Unterdrücken von Rückreflexen, die das Licht der Punktlichtquellen 518 an der optisch wirksamen Fläche 550 hervorruft. Hierfür ist der Abschnitt des Brillenglases 512 mit der Fläche 550 zum Zwecke des sogenannten Indexmatchings durch eine Membran 582 getrennt in ein Immersionsmedium 584 eingetaucht, z.B. Immersionsmedium in Form eines flüssigen Gemisches aus Wasser und Öl, das einen an die Brechzahl des Brillenglases angepassten Brechungsindex hat. Die Brechzahl der Membran 582 und die Brechzahl des Immersionsmediums sind dabei vorzugsweise identisch.The device 510 contains a device 580 for suppressing backflashes that are the light of point light sources 518 at the optically effective surface 550 causes. This is the section of the lens 512 with the area 550 for the purpose of so-called index matching through a membrane 582 separated into an immersion medium 584 immersed, for example, immersion medium in the form of a liquid mixture of water and oil, which has a refractive index adapted to the refractive index of the spectacle lens. The refractive index of the membrane 582 and the refractive index of the immersion medium are preferably identical.
Zur besseren optischen Ankoppelung der Membran 582 an das Brillenglas 512 ist es von Vorteil, wenn die Membran mit einer leicht flüchtigen und rückstandsfrei verdampfbaren Flüssigkeit benetzt wird, weil auf diese Weise störende Lufteinschlüsse vermieden werden können.For better optical coupling of the membrane 582 to the lens 512 It is advantageous if the membrane is wetted with a volatile and residue-free vaporizable liquid, because in this way disturbing air bubbles can be avoided.
Es sei bemerkt, dass sich die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen grundsätzlich für das Vermessen der Topografie der Oberfläche von beliebigen Messobjekten eignen, deren Oberfläche einen Reflexionsgrad R > 50% für das Licht der Punktlichtquellen hat. Entsprechende Messobjekte können insbesondere sein: Optische Elemente in Form von Linsen, Optiken, Sphären und Asphären, Brillengläser, Gleitsichtgläser, metallische Bauteile mit einer glänzenden, insbesondere polierten Oberfläche, lackierte Bauteile sowie Kunststoffbauteile. Darüber hinaus kann mit einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung grundsätzlich auch die Topografie eines menschlichen oder tierischen Auges vermessen werden.It should be noted that the devices described above are basically suitable for measuring the topography of the surface of any measurement objects whose surface has a reflectance R> 50% for the light of the point light sources. Corresponding measuring objects can be in particular: optical elements in the form of lenses, optics, spheres and aspheres, spectacle lenses, progressive lenses, metallic components with a shiny, in particular polished surface, painted components and plastic components. In addition, with a device described above, in principle, the topography of a human or animal eye can be measured.
Zusammenfassend sind insbesondere folgende bevorzugte Merkmale der Erfindung festzuhalten: Eine Vorrichtung 10 für das Vermessen der Topografie und/oder des Gradienten und/oder der Krümmung einer optisch wirksamen Fläche 20 eines Gegenstands 12 hat eine Einrichtung 16 zum Anordnen des Gegenstands in einem Aufnahmebereich 14, in dem die Lage wenigstens eines Punktes auf der Fläche 20 des Gegenstands 12 in einem vorrichtungsfesten Koordinatensystem ermittelbar ist. Die Vorrichtung 10 enthält eine Vielzahl von Punktlichtquellen 18, die Licht bereitstellen, das an der zu vermessenden Fläche 20 eines in dem Aufnahmebereich 14 angeordneten Gegenstands 12 reflektiert wird. Die Vorrichtung 10 weist wenigstens eine Kamera 24 für das Erfassen einer Helligkeitsverteilung auf, die von dem an der zu vermessenden Fläche reflektierten Licht der Punktlichtquellen 18 auf einem Bildsensor 34 hervorgerufen wird. Die Punktlichtquellen sind 18 auf der Mantelfläche 22 eines Polyeders angeordnet.In summary, the following preferred features of the invention are to be noted in particular: A device 10 for measuring the topography and / or the gradient and / or the curvature of an optically effective surface 20 of an object 12 has a facility 16 for placing the article in a receiving area 14 in which the location of at least one point on the surface 20 of the object 12 can be determined in a device-fixed coordinate system. The device 10 contains a variety of point light sources 18 that provide light to the area to be measured 20 one in the receiving area 14 arranged object 12 is reflected. The device 10 has at least one camera 24 for detecting a brightness distribution, which differs from the light of the point light sources reflected at the surface to be measured 18 on an image sensor 34 is caused. The point light sources are 18 on the lateral surface 22 a polyhedron arranged.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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10 10
-
Vorrichtungcontraption
-
1212
-
Brillenglas lens
-
1414
-
Aufnahmebereich reception area
-
1616
-
Dreipunktauflage Three-point support
-
18, 18‘, 18‘‘18, 18 ', 18' '
-
Punktlichtquellen Point light sources
-
1919
-
Trägerstruktur support structure
-
20, 20‘, 20‘‘20, 20 ', 20' '
-
Leiterplatte circuit board
-
2222
-
Mantelfläche lateral surface
-
23 23
-
Halbraumhalf space
-
2424
-
Kamera camera
-
2525
-
Rand edge
-
2626
-
Abbildungssystem, Bildsensor Imaging system, image sensor
-
2727
-
Blende cover
-
2828
-
Optische Achse Optical axis
-
2929
-
Sperrfilter cut filter
-
3030
-
Ausnehmung recess
-
3131
-
Punkt Point
-
32 32
-
Brillenglasfläche, Fläche Lens surface, surface
-
3333
-
Koordinatensystem coordinate system
-
3434
-
Bildsensor image sensor
-
35, 35‘35, 35 '
-
Lichtstrahl beam of light
-
3636
-
Rechnereinheit computer unit
-
38, 38‘, 38‘‘38, 38 ', 38' '
-
Kreislinie circle line
-
4040
-
Zentrum center
-
4242
-
Gerade Just
-
4343
-
Bildfeld (BF) Image field (BF)
-
4444
-
Raumwinkelelement Solid angle
-
4646
-
Punkt Point
-
4747
-
Kugelkoordinatensystem Spherical coordinate system
-
4848
-
Nordpol, Koordinatensystem North Pole, coordinate system
-
4949
-
Hemisphäre hemisphere
-
5050
-
Stützstellen, Fläche Support points, surface
-
5151
-
Gruppe group
-
5252
-
Bogenlinie bow line
-
100100
-
Abgestumpfter Ikosaeder Blunted icosahedron
-
102, 103, 106102, 103, 106
-
Polyeder polyhedron
-
108108
-
Dodekaeder dodecahedron
-
110110
-
Ikosaeder icosahedron
-
113, 115113, 115
-
Rand edge
-
114, 116 114, 116
-
Polyeder polyhedron
-
200, 210200, 210
-
Vorrichtung contraption
-
202202
-
Auge eye
-
203 203
-
Scheitelpunktvertex
-
205205
-
Hornhaut cornea
-
207, 209207, 209
-
Koordinatensystem, Kurve Coordinate system, curve
-
211, 213211, 213
-
Kurve Curve
-
214214
-
Aufnahmebereich reception area
-
218218
-
Punktlichtquellen Point light sources
-
219219
-
Hemisphäre hemisphere
-
224224
-
Kamera camera
-
300, 310300, 310
-
Vorrichtung contraption
-
312312
-
Brillenglases, Gegenstand Spectacle lens, object
-
314314
-
Aufnahmebereich reception area
-
318318
-
Punktlichtquelle Point light source
-
319 319
-
Hemisphäre hemisphere
-
320320
-
Fläche area
-
324 324
-
Kamera camera
-
316316
-
Feldlinse field lens
-
400 400
-
Vorrichtung contraption
-
410 410
-
Vorrichtung contraption
-
412412
-
Gegenstand object
-
418418
-
Punktlichtquelle Point light source
-
419419
-
Hemisphäre hemisphere
-
420420
-
Fläche area
-
424424
-
Kamera camera
-
470470
-
Einrichtung Facility
-
471471
-
Koordinateneinrichtungssystem Coordinate furniture system
-
472472
-
Messeinrichtung measuring device
-
474 474
-
PunktPoint
-
476476
-
Koordinatensystem coordinate system
-
500, 510500, 510
-
Vorrichtung contraption
-
512512
-
Brillenglas lens
-
518518
-
Punktlichtquellen Point light sources
-
520520
-
Fläche area
-
550550
-
Fläche area
-
580580
-
Einrichtung Facility
-
582582
-
Membran membrane
-
584584
-
Immersionsmedium Immersion medium
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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US 5106183 A [0002] US 5106183 A [0002]
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EP 1918754 B1 [0082] EP 1918754 B1 [0082]
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US 5321501 [0082] US 5,321,101 [0082]
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WO 2006/10544 A1 [0082] WO 2006/10544 A1 [0082]
