Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines neuartigen Messverfahrens zur Erfassung der Geometrie asphärischer refraktiver Optiken. Diese finden aufgrund ihrer überlegenen Abbildungseigenschaften zunehmend Anwendung in der industriellen Praxis. Wie anhand einer Diskussion des Stands der Technik gezeigt wird, stehen eine Reihe etablierter Messverfahren zur Verfügung. Dennoch ist keines davon in der Lage, die Geometrie optisch in Transmission zu messen, obwohl dies bei einer refraktiven Optik unter messtechnischen Gesichtspunkten deutlich günstiger wäre als die übliche getrennte Messung der Vorder- und Rückfläche in Reflexion.

Mit dem ursprünglich für reflektierende Objekte entwickelten deflektometrischen Messverfahren der aktiven Rasterreflexions-Photogrammetrie wird eine Messtechnik identifiziert, welche erhebliches Potenzial zur Weiterentwicklung birgt. Dieses Verfahren ermöglicht eine eindeutige räumliche Bestimmung der ein- und austretenden Lichtstrahlen an einer refraktiven Optik. Eine Messung der Geometrie ist damit jedoch zunächst nicht möglich, da die Mehrdeutigkeit im Strahlverlauf innerhalb des Prüflings eine Rekonstruktion der Oberflächen verhindert.

Auf Grundlage der gewonnenen Messdaten können jedoch die Oberflächen einer refraktiven Optik modellbasiert iterativ bestimmt werden. Die Geometrie und räumliche Lage des Prüflings werden dabei durch ein Oberflächenmodell beschrieben, dessen Parameter im Rahmen eines Optimierungsprozesses schrittweise angepasst werden. Mit Hilfe von Simulationen konnte das Potenzial des auf mehrere Kameraansichten erweiterten Messverfahrens nachgewiesen werden. Eine experimentelle Umsetzung scheiterte jedoch bislang an Konvergenzproblemen bei der Rekonstruktion der Objektgeometrie, welche durch die in den Messdaten vorhandenen Abweichungen hervorgerufen werden.

Zur Minimierung dieser Abweichungen werden in der Arbeit zwei Ansätze verfolgt. Zum einen ist deutlich geworden, dass LCD-Monitore als Komponenten innerhalb von deflektometrischen Messsystemen immer noch nicht hinreichend genau verstanden sind. Es wird daher eine umfangreiche Studie zum Einsatz von LCD-Monitoren unter messtechnischen Aspekten durchgeführt und eine deutliche Überlegenheit der IPS-Technologie demonstriert. Zum anderen besteht bisher keine Möglichkeit, die zufälligen Abweichungen bei der Phasenauswertung zuverlässig vorherzusagen. Ein Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen ist aber zwingend notwendig, wenn das Messsystem hinsichtlich der erreichbaren Auflösung optimiert werden soll. Es wird daher ein Vorhersagemodell entwickelt, welches die stochastischen Phasenabweichungen jedes einzelnen Messpunkts, direkt aus den aufgezeichneten Bildern, berechnen kann.

Auf Grundlage dieser Ergebnisse erfolgt anschließend eine Auswahl optimal geeigneter Komponenten. Außerdem werden verschiedene Ansätze für die geometrische Anordnung im Rahmen des gesamten Messsystems diskutiert und eine hinsichtlich Abweichungsfortpflanzung optimierte Systemgeometrie gewählt. Neben den Verbesserungen an der Hardware erfolgt auch eine Optimierung der Messsoftware. Zum einen wird ein Verfahren implementiert, welches automatisch die optimale Streifenbreite des Sinusmusters für die Phasenmessung bestimmt und zum anderen werden einige Kalibrier- und Auswerteroutinen für die modellbasierte Rekonstruktion überarbeitet. Zum Abschluss wird die Funktionsfähigkeit des Messsystems durch eine Beispielmessung an einem asphärischen Brillenglasrohling demonstriert.

Keywords: Optische Messtechnik; Deflektometrie; Linsenprüfung; strukturierte Beleuchtung; Phasenschiebetechnik; Rauschmodellierung; LCD-Monitor

Schriftenreihe des Instituts für Produktionsmesstechnik