WO2020201190A1 - Prüfvorrichtung und verfahren zur vermessung der homogenität eines optischen elements - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a test device for measuring the
  • a beam path of the test device which contains an interferometer, a light source that emits monochromatic light that is coupled into the beam path via a beam splitter, an objective, a reference surface, the surface of the optical element to be tested or a Interferometric surface is assigned, and a
  • Interferometric surface includes reflected light.
  • the present invention further relates to a corresponding method for measuring the homogeneity of an optical element according to the principles of an interferometer and
  • Fizeau interferometer Fizeau interferometer
  • corresponding methods are usually used to determine the quality of a surface of an optical element.
  • Optical elements are usually made of ultra-pure and very high quality glasses, in particular quartz glasses. In recent years, however, the production of optical elements made of plastic has also been promoted. An injection molding process is very often used here.
  • the heated, liquid plastic is injected into a volume, a so-called cavity. After that there is an ejection and
  • Cooling process instead, during which the plastic solidifies. This is caused by both the injection and the cooling
  • Methods and arrangements for measuring the homogeneity of large glass blocks are known from the literature. The measurement is carried out interferometrically, partly in immersion (using oil), and by calculating several measurements. A reference surface and an interferometric surface are also used. The lateral resolution is high due to the possible number of camera pixels, and path differences of fractions of the wavelength can be measured.
  • all of these methods require samples ground flat ("wedges") and / or the arrangement of the sample in immersion, as well as a planar interferometric surface which is arranged behind the glass block. The measurement is therefore very complex overall.
  • Shack-Hartmann sensors are known from the literature for lenses in which at least one surface is curved (Su et al, Refractive index Variation in
  • the object of the present invention is therefore to provide a test device and a method for the high-precision measurement of the homogeneity of an optical element - not just individual areas but the entirety of the optical element - which is also particularly suitable for the high-precision measurement of
  • Plastic lenses or other injection molded components for refractive ocular Laser surgery which depends on the highest quality and early intervention in the event of production problems, is suitable and is also easy to handle.
  • the object of the invention is thus achieved by a test device for
  • the interferometer of the test device includes a light source that emits monochromatic light. Usually this is a laser light.
  • the beam emitted by the light source is coupled into the beam path via a beam splitter.
  • the interferometer of the test device further comprises an adaptable lens, which is mostly also exchangeable and is variable with regard to its individual lens elements and in its position in the beam path.
  • the interferometer also contains a reference surface, which is preferably the last surface in the beam path of the interferometer, and which is assigned to a surface of the optical element to be tested.
  • the aim is to generate interference between the light reflected from the reference surface and the light reflected from the surface of the optical element to be tested belonging to the reference surface, and to deduce defects in the optical element to be tested from the interference in the interference.
  • the interferometer of the test device also includes an analysis unit for analyzing the interference of the wavefronts of the light reflected from the reference surface and the associated surface of the optical element to be tested.
  • an analysis unit contains a device for data processing and preferably also an imaging device
  • such an analysis unit can be implemented using a CCD camera.
  • the optical element arranged in the beam path of the test device which is preferably a lens element, comprises one of the
  • Test device facing surface and a surface facing away from the test device.
  • the reference surface is now assigned to the surface of the optical element facing away from the test device.
  • the light enters the optical element to be tested through the surface of the optical element facing the test device passes through the volume of the optical element and on the surface of the optical element facing away from the test device (on its underside) is reflected.
  • the light then passes through the volume of the optical element again on its way back into the
  • the surface of the optical element to be tested facing away from the test device can therefore also be understood as an interferometric surface will.
  • the (optically effective) homogeneity is checked according to the invention, which is a summary homogeneity or
  • Total homogeneity acts, and into which the surface defects or defects or disturbances of the homogeneity of the two surfaces of the optical element and the volume are included.
  • the surface of the optical element to be tested facing away from the test device is “calculated” and shaped accordingly.
  • the test device according to the invention can therefore be used to measure the homogeneity of the optical element in a simple manner in air.
  • the interferogram measured in the analysis unit of the interferometer thus contains both the errors of the two surfaces and of the volume and provides a summary of the homogeneity of the optical element.
  • Quartz glass can be applied to make a statement about the same way
  • Lens element spherical aberration
  • a device for data analysis is usually required in order to be able to interpret the interferogram and consequently to make a statement about the homogeneity of the optical element tested. Therefore, the additional task here is to improve the ability to interpret the interferogram and to enable a statement even without high-resolution automatic data analysis.
  • the test device further comprises an optical compensation element which can be arranged in the beam path between the interferometer and the optical element to be tested.
  • This optical compensation element is set up to compensate for a monochromatic aberration due to the predetermined geometry of the optical element.
  • This compensation element is actually arranged in the beam path when measuring the homogeneity of the optical element, but is in turn exchangeable for another compensation element if the geometry of the next optical element to be tested changes, and its position can be changed.
  • the optical compensation element will generally be a compensation lens if the optical element to be tested is a lens element.
  • An optical compensation element can also be a computer hologram (CGH). The compensation by means of the optical compensation element takes place in such a way that that which comes back from an ideal lens element to be checked
  • Wavefront is almost spherical.
  • the compensation element complements it In a certain way the optical element to be tested: a planoconcave lens as the optical element to be tested works with a planoconvex lens, a biconvex lens with a biconcave lens, etc. This has the advantage that these lens elements are much cheaper than a computer hologram.
  • the (monochromatic) aberration to be minimized, eliminated or changed is a spherical aberration when using a compensation lens to measure a lens element to be tested.
  • the wavefront coming back into the interferometer from an ideal lens element to be tested is approximately spherical.
  • Wavefronts of this spherical shape can be found out of tolerance in one step by mere visual inspection of the interferogram.
  • An alternative test device for measuring the homogeneity of an optical element in a beam path of the test device which contains an interferometer that emits a light source that emits monochromatic light, in particular laser light, which is coupled into the beam path via a beam splitter, an adjustable lens, a reference surface , preferably as the last surface in the beam path of the interferometer, and has an interferometric surface behind the optical element to be tested.
  • the reference area is the
  • test device Associated with interferometric surface.
  • the test device further comprises an analysis unit for the interference of the wavefronts of the light reflected from the reference surface and the associated interferometric surface.
  • this alternative test device further comprises an optical compensation element that can be arranged in the beam path between the optical element to be tested and the interferometric surface (and when measuring the homogeneity of the optical element also actually in the
  • Beam path is arranged), and which is set up to cause a monochromatic aberration due to the predetermined geometry of the optical element
  • Compensation element is traversed by the light emitted by the light source before and after its reflection on the interferometric surface. This provides both a summary homogeneity and an overall homogeneity of the The optical element to be tested is determined, in which the surface defects or defects or disturbances of the homogeneity of the two surfaces of the optical element and the volume enter, as well as the interference pattern, which allows a statement about this homogeneity, with the eye easily and reliably
  • the interferometric surface is implemented by a surface of the compensation element facing away from the test device.
  • the compensation element takes on two functions: The compensation of the
  • Test device facing away from the surface - on which the light passing through the optical element to be tested and the compensation element is reflected and sent back on the same path to be matched by the
  • the optical compensation element in the test device according to the invention can be arranged close to the optical element to be tested in the beam path in such a way that a geometrically smallest possible distance between the optical compensation element and the optical element to be tested is achieved: Then the two aberrations compensate each other on the surface of the optical element to be tested facing the test device and on the surface of the optical element to be tested facing
  • Compensation element almost exactly. This applies both to an arrangement of the compensation element between the interferometer and the optical element to be tested and also behind the optical element to be tested.
  • test device according to the invention is advantageous, the optical
  • Compensation element has the shape of a plano-convex lens, for an optical element to be tested, which has the shape of a plano-concave lens.
  • the concave surface of the plano-concave lens to be tested is that of the
  • the planar surface of the plano-convex lens as a compensation element is then arranged on the planar surface of the planoconcave lens to be tested, which is the surface facing the test device.
  • the light is reflected on the concave surface of the plano-concave lens to be tested. It is advantageous, also generally in such an arrangement in the test device, to create installation space for adjusting elements and specimen holders, since the optical element to be tested is the last element in the beam path. Furthermore, the use of the planoconcave surface of the planoconcave lens to be tested in reflection increases the sensitivity of the interferogram to errors in this area by a factor of about 3 compared to the use of another area as an interferometric surface.
  • the optical element to be tested is a contact element for refractive laser eye surgery.
  • Called contact glass or patient interface it is a central element in a procedure of refractive laser eye surgery: With such a contact element, the relative position of a patient's eye to a laser applicator is fixed during such a surgical procedure: The (usually concave) surface is directly placed on the patient's eye to be treated and fixed, for example, by means of a negative pressure. The contact element is thus the last optical element in a beam path of an ophthalmic laser surgery device.
  • the treatment laser beam is guided very close to the contact element in the cornea of the patient's eye. (Optically effective) disturbances of the homogeneity have a particularly serious influence at this point, which is why the homogeneity of the contact element in its manufacturing process must be checked particularly carefully, but at the same time in an uncomplicated manner. This is especially important when using an injection molding process for the manufacture of one
  • a test device is of particular advantage, which further comprises an ideal optical reference element that can be arranged in the beam path of the test device instead of the optical element to be tested, and which is designed to carry out a reference measurement on the ideal optical reference element. This reference measurement is then subtracted from a subsequent measurement of the optical element to be tested.
  • the reference element usually takes place in the analysis unit.
  • the optical element to be tested can be positioned non-concentrically to the test device with a defined deviation.
  • An interference image generated in this way which in this case preferably has regular straight stripes, is particularly easy to evaluate: If there are deviations from an "ideal optical element" or from the reference element, there are disturbances in the linearity of the stripes, which result from disturbances in the homogeneity of the optical to be checked Elements result, easily recognizable.
  • the test device which serves to be able to further differentiate the occurring defects in the homogeneity of the optical element to be tested according to their causes and to recognize particularly critical defects immediately
  • the test device is designed to detect low-frequency defects in the homogeneity (i.e. inhomogeneities in the volume and / or surface defects) in order to make high-frequency defects or disturbances of the homogeneity recognizable.
  • Low-frequency errors are the low-order Zernike polynomials. Such an analysis is particularly advantageous when contact elements for refractive laser eye surgery are to be tested. In laser surgery or
  • a preferred test device according to the invention is designed to separate the portions of disturbances or defects of the surface facing the test device, the surface facing away from the test device and the volume of the optical element of the optical element in the homogeneity of the optical element.
  • the test device according to the invention is therefore particularly advantageous when it is set up to test an optical element that comprises at least a plastic component and / or at least one injection-molded component.
  • the object of the invention is also achieved by a method for measuring the homogeneity of an optical element according to the principles of an interferometer, in which an interference of the wavefronts of reflected light of a reference surface and an associated surface of the optical element to be tested is generated, characterized in that the surface of the optical element to be tested belonging to the reference surface is arranged in a beam path of the interferometer in such a way that the light used for the measurement must pass through the optical element to be tested in order to be reflected on the surface belonging to the reference surface.
  • This optical element to be tested can have non-planar surfaces when using a corresponding reference surface as already described above, if a resulting interference image is analyzed by means of automatic data analysis and / or further measures are taken to make the interference image “readable” with the naked eye do.
  • the method according to the invention is therefore also suitable for curved surfaces such as that of lens elements.
  • the method according to the invention makes a statement about the homogeneity of the optical element in a summarized manner, because that Light passes through the optical element to be tested, and then on the (underside of) associated with the reference surface
  • the method according to the invention is therefore suitable for providing information on the homogeneity of the optical element to be tested by means of a single, simple measurement, as is necessary in particular after the production of such optical elements from plastic, in particular when the optical element is produced by means of an injection molding process , but is helpful even with optical elements made of glass, especially quartz glass. It is a contactless method for measuring in air (i.e. without immersion), so that the optical element can be changed, centered and measured in an automatic process. That way is
  • Interferograms are usually difficult because of very high aberrations and the inability of the human eye to interpret them in this state. In this case, they should be supported by an automatic data analysis in order to make a reliable statement about the homogeneity of the tested optical element. A simplification of the ability to interpret the interferogram in order to enable a reliable statement even without automatic data analysis is therefore still desirable.
  • a monochromatic aberration is therefore compensated for by the predetermined geometry of the optical element to be tested.
  • Such compensation is usually carried out by introducing a compensation element into the beam path between the test device and the optical element to be tested, particularly advantageously a compensation lens if the optical element to be tested is on
  • Lens element is.
  • CGH computer hologram
  • a plano-concave lens as the optical element to be tested works with a
  • Plano-convex lens a double-convex lens with a double-concave lens, etc.
  • the wavefront returning from an ideal lens element to be tested is approximately spherical.
  • Lens elements with a Deviations of the wavefront from this spherical shape can be found to be out of tolerance in one step simply by visually checking the interferogram.
  • the optical element to be tested is thus in one
  • Compensation element take place, which is arranged when using an interferometric surface in the beam path behind the optical element to be tested between the optical element and interferometric surface in the beam path.
  • Compensation element to compensate for the monochromatic aberration in the beam path to be arranged as close as possible to the optical element to be tested, so that an almost perfect compensation of the two aberrations on the surface of the optical element to be tested through which the light enters the optical element to be tested and on the way back also emerges again, and on the surface of the facing the optical element to be tested
  • an ideal optical reference element is measured, the data of which is recorded as a reference measurement (i.e. registered, stored and / or displayed graphically), then the optical element to be tested is measured, the data of which is measured as a measurement of the optical element to be tested are recorded, and finally the data of the reference measurement are subtracted from the data of the measurement of the optical element to be tested.
  • a reference measurement i.e. registered, stored and / or displayed graphically
  • a method according to the invention is advantageous in which the optical element to be tested is positioned with a defined deviation non-concentrically to a test device which realizes the principle of the interferometer.
  • This can be a defined parallel shift of the optical axis of the optical element to be tested relative to the optical axis of a test device or another deviation from concentricity.
  • the aim is to create an interference image of the interference of the wavefronts of the optical element to be tested and
  • low-frequency errors are the low-order Zernike polynomials. If these errors are subtracted, this makes particularly disturbing high-frequency inhomogeneities or surface errors visible. At the same time, influences of inaccurate centering of the compensation element and the optical element to be tested, in this case the contact element, can be eliminated.
  • a first new reference surface is assigned to a first surface, which represents the original light-entry surface of the optical element to be tested, in order to represent the surface defects of this first surface.
  • the light used for measurement then hits this first surface of the optical element and is reflected there.
  • the light reflected on this first surface which is suitable for interfering with the light reflected on the reference surface, no longer passes through the volume of the optical element to be tested.
  • the optical element to be tested is rotated by 180 °, and a reference surface is again assigned to a second surface of the optical element to be tested (which in principle corresponds to the reference surface of the measurement of the overall homogeneity of the optical element to be tested, which was carried out with the fundamental method simultaneously characterizing the volume and the surfaces of the optical element) in order to show the surface defects of this second surface.
  • the light used for the measurement then hits this second surface of the optical element and is reflected there. It also no longer passes through the volume of the optical element to be tested in order to match that on the reference surface
  • FIG. 1a shows a first embodiment of an inventive
  • 2a shows an interferogram generated by means of the first test device
  • FIG. 1 b shows a second embodiment of an inventive
  • FIG. 2b shows an interferogram generated by means of the second test device
  • FIG. 1c shows a third embodiment of an inventive
  • FIG. 1 d shows a fourth embodiment of an inventive
  • 5a and 5b show the use of a test device according to the invention for the separation of the components that contribute to the homogeneity of the optical element to be tested;
  • FIGS. 6a to 6c show various types of optical elements and their
  • Fig. 1 a is a first embodiment of an inventive
  • Test device 1 for measuring the homogeneity of an optical element 10 is shown.
  • the test device 1 contains an interferometer 2 which has a light source 3 which emits monochromatic light in the form of a laser beam which is coupled into the beam path 5 of the interferometer 2 via a beam splitter 4, an objective 6 which is adaptable and exchangeable and a reference surface 7 contains, which is arranged here as the last surface in the beam path 5 of the interferometer 2 and which is assigned to a surface of the optical element 10 to be tested, and an analysis unit 8 in the form of a CCD camera for the interference of the
  • the interferometer can contain further elements,
  • phase shifters for moving optics and optics for imaging the interfering wave fronts on the CCD camera are also included.
  • the optical element 10 to be tested is a contact element for refractive surgery, that is to say a special plano-concave lens element
  • the optical element 10 in the beam path 5 of the test device 1 comprises one of the test device 1, and here in particular the
  • reference surface 7 is assigned to surface 11 of optical element 10 facing away from testing device.
  • the laser beam emitted by the light source 3 of the interferometer 6 therefore passes through the
  • Interfering wave fronts are directed through the beam splitter 4 to the analysis unit 9, that is to say the CCD camera, and lead to a
  • Interferogram 14 A corresponding interferogram 14, which is generated by means of the first test device 1 according to the invention when measuring the plano-concave lens element 10, is shown in FIG. 2a.
  • the occurrence of a high spherical aberration can be recognized, so that the interference image in the interferogram 14 cannot be assessed with the naked eye or can only be assessed by an extremely experienced observer. In this case, it can usually only be reliably evaluated using automatic data analysis.
  • the interference rings in part of the interferogram reach such a high spatial frequency that they can no longer be detected (resolved) even with a conventional CCD camera: Automatic data analysis is no longer possible if it is not correspondingly high
  • Fig. 1 b shows a second embodiment of an inventive
  • Test device 1 Except for one detail, this second embodiment corresponds to the structure of the first embodiment of FIG.
  • Test device 1 according to the invention: It additionally comprises an optical one
  • Compensation element 9 which can be arranged in the beam path 5 between the reference surface 7 and the optical element 10 to be tested (and is arranged here):
  • the optical compensation element 9, like the objective 6 and also the reference surface 7, can be exchanged in such a way that a checking optical element 10 suitable compensation element 9 can be arranged in the beam path.
  • This optical compensation element 9 compensates for one or more
  • Test device facing surface 12 of the optical element 10. in the present case of this embodiment, in which a plano-concave
  • Lens element 10 is to be measured, the optical compensation element 9 is a planoconvex lens.
  • An interferogram 14 generated by means of the second test device 1 is now shown in FIG. 2b.
  • a reference measurement on an ideal optical element in this case an ideal one, can also be performed in the exemplary embodiment described here
  • Lens element 10R with the same planoconvex lens as compensation element 9, which is then used for measuring the lens element 10 to be tested. Thereafter, the ideal lens element 10R is replaced by the lens element 10 to be tested, similarly measured, and both measurements are subtracted from each other.
  • Fig. 1c shows a third embodiment of an inventive
  • Test device 1 as an alternative to the second embodiment. In this case
  • the compensation element 9 is arranged directly behind the optical element 10 to be tested in the beam path 5, so that the
  • the surface 16 of the compensation element 9 facing away from the test device forms the interferometric surface to which the reference surface 7 is assigned. Since such a surface 16 of the compensation element 9 facing away from the testing device can generally be freely selected, it will advantageously be designed so that a planar reference surface 7 can be used. If the optical element 10 to be tested contains a planar surface 12, the surface 16 of the compensation element is particularly advantageously also made planar.
  • the optical element to be tested is arranged behind the test device 1 in the beam path 5 so that the light used to measure the optical element passes through it, as is also the case for the
  • Compensation element 9 is the case in order to be reflected on the surface 16 of the compensation element 9 facing away from the test device 1, that is to say the interferometric surface.
  • the optical element 10 to be tested and also the compensation element 9 are traversed by the light in such a way that there are no further interferences that can be detected via an analysis unit 8 than between the
  • Wavefronts of the light reflect on the interferometric surface 16 and the reference surface 7. These interferences provide information about the homogeneity of the optical element 10 to be tested, since the light has passed through this element on its way to the interferometric surface (there and back). Disturbances and errors in the volume 13 or the surfaces 11, 12 of the optical element 10 become noticeable in corresponding irregularities 15 in the interferogram 14, as already shown in FIG. 2b, and are due to the use of the
  • Fig. 1 d shows a fourth embodiment of an inventive
  • Test device 1 which in principle corresponds to the third exemplary embodiment in arrangement and function, with the only difference that here the reference surface 7 is arranged behind the beam splitter 4. Nevertheless, completely comparable interferences between the light reflected on the surface 16 facing away from the test device 1, that is to say the interferometric surface, and the light reflected on the reference surface 7 are visible in the analysis unit.
  • FIG. 3 an optical element 10 to be tested is shown, here a
  • Plano-concave lens element with two surfaces 11, 12 and the volume 13. If the light emitted by a test device 1 now enters the plano-concave lens element 10 through a first surface 12, passes through this and is reflected on the second surface 11, the result is the result a wave error W, which is a function of the surface coordinates x, y perpendicular to the optical axis of the optical element to be tested, i.e. W (x, y) or W (r, cp), if a
  • A, B the respective deviation of the first 12 and second surface 11 from an ideal surface.
  • a and B are also a function of
  • t the respective path (optical path) which, depending on the position, runs vertically or not vertically through the lens element 10;
  • n the refractive index
  • Coordinates which are an expression of deviations from the homogeneity in the volume due to corresponding disturbances in the volume.
  • the result describes the deviation of the homogeneity of the optical element 10 to be tested, in this case the lens element which is to be used as a contact element for laser eye surgery, from an ideal reference element.
  • the influences of the deviations A, B of both surfaces 11, 12 and of the volume 13 An of the optical element 10 to be tested are measured in summary.
  • the influence of the deviation B of the right surface 11, which is adjacent to a patient's eye when used in laser eye surgery and which is most critical in use, is greatest when measured with the method according to the invention. This applies in particular to the arrangement according to the invention according to Figure 1 a or 1 b, in which this surface 11 is used in reflection.
  • FIGS. 4 a to 4 c different constellations of an optical element 10 to be tested, here a plano-concave lens element, and its compensation element 9 are shown. They show that it is particularly advantageous to arrange the compensation element 9, here a plano-convex compensation lens, as close as possible to the optical element 10 to be tested, as shown in FIG. 4c, because the spherical aberrations that arise on the two flat surfaces are approximately compensate exactly, and no errors occur on the other surfaces. A residual error can thus be reduced to approx. 1 / 20th wavelength, and thus has a negligible influence on the evaluation.
  • the 4a on the other hand, in which work is carried out without a compensation element 9, the error of the plane surface of the optical element 10 to be tested remains as that
  • the geometry and arrangement of the compensation element 9 and the optical element 10 to be tested must be designed in such a way that the most perpendicular possible incidence into the surface 11 of the optical element 10 facing away from the test device 1, on which the incident radiation is to be reflected, occurs so that the radiation takes the same route back.
  • the curvature of the surface on which the incident radiation is to be reflected and the curvature of the associated compensation element 9 ideally have a common center point.
  • FIG. 5a and 5b show the use of a test device 1 according to the invention for the separation of the portions of the two surfaces and the volume of the optical element 10 that contribute to disturbances in the homogeneity of the optical element 10 to be tested.
  • two further (i.e. additional) measurements are performed the original principles of the Fizeau interferometer:
  • a first new reference surface 7 ‘is assigned to a first surface 12, which represents the original light entry surface of the optical element 10 to be tested, in order to represent the surface defects of this first surface 12.
  • the light used for the measurement then hits this first surface of the optical element in this case and is reflected there in order to interfere with the light reflected on the reference surface. It no longer passes through the volume 13 of the optical element 10 to be tested.
  • the optical element 10 to be tested is rotated by 180 °, and it becomes a Reference area 7 ", which is the reference area of a second surface 11 of the optical element 10 to be tested (and which in principle corresponds to the reference area 7 that was used in the measurement of the overall homogeneity of the volume 13 and the two surfaces 11, 12 in the basic method ) to show the surface defects of this second surface 11.
  • the light used for the measurement then hits this second surface 11 of the optical element and is reflected there in order to interfere with the light reflected on the reference surface. It also no longer passes through the volume 13 of the optical element 10 to be tested.
  • the subtraction of the measurements can contain additional scalings, which the optical paths shown in Figure 3
  • FIGS. 6a to 6c show different types of optical elements 10 to be tested and their compensation elements 9 in a beam path 5 of a test device 1.
  • Lens elements 10 are arranged with similar compensation lenses 9: this is shown in FIGS. 6a to 6c for a biconvex, a planoconvex and a meniscus-shaped lens. All lens elements to be tested 10 and
  • compensation lenses 9 are arranged such that they are as close to one another as possible or, ideally, are in contact with one another. Furthermore, the second surface of the compensation lens 9 is arranged in such a way that it is approximately concentric to the second surface of the lens element 10 to be tested, so that the light is not refracted and deflected on it.
  • the two lenses from FIGS. 6a and 6c can be used instead of the lenses 9, 10 in the arrangement according to FIG. 1b.
  • the two lenses from FIG. 6b can be used in the arrangement according to FIGS. 1c, 1d.
  • the advantage here is that the light from the interferometer is reflected on the surface of the optical element (10) facing away from the test device, so that this surface has a dominant part in the interferogram. Alternatively, if the interferometric surface is in
  • the function of the lenses 9 and 10 in FIGS. 6a, 6b, 6c can also be interchanged.
  • a description of a device based on method features applies analogously to the corresponding method with regard to these features, while method features correspondingly represent functional features of the device described.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung (1) zur Vermessung der Homogenität eines optischen Elements (10) in einem Strahlengang (5) der Prüfvorrichtung, die ein Interferometer (2) enthält, das eine monochromatisch Lichtquelle (3), ein anpassbares Objektiv (6), eine Referenzfläche (7), die einer Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements oder einer Interferometrie-Oberfläche (16) zugeordnet ist, und eine Analyseeinheit (8) für die Interferenz der Wellenfronten des von der Referenzfläche (7) und der zugehörigen Oberfläche des zu prüfenden optischen Elements oder der Interferometrie-Oberfläche reflektierten Lichts umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren. Ihre Aufgabe ist es, eine Prüfvorrichtung und ein Verfahren zur hochpräzisen 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 geeignet ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Referenzfläche die der der Prüfvorrichtung abgewandten Oberfläche (11) des optischen Elements oder einer Interferometrie-Oberfläche im Strahlengang hinter dem zu prüfenden optischen Element zugeordnet ist, bevorzugt unter Zuhilfenahme eines Kompensationselements (9) zur Kompensation der monochromatischen Aberration.

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.

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.
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