Tilted-Wave Interferometer (TWI) als Beispiel für Hand-in-Hand-Kalibrierung von realem und virtuellem Experiment

Die optische Industrie setzt in modernen optischen Systemen Asphären und Freiformflächen ein, die allerdings sehr hohe Anforderungen an die Metrologie stellen. Optische Messtechniken haben dabei eine prominente Rolle, da sie die Messobjekte nicht beschädigen. Die Industrie benötigt dringend eine Rückführung in der optischen Asphären-/Freiformflächenmetrologie, die zurzeit noch nicht mit der geforderten Genauigkeit verfügbar ist. Im Rahmen der Asphären- und Freiformmetrologie-Entwicklung auf internationaler Ebene ist daher mit weiteren Forschungsprojekten zu rechnen.

Aktueller Stand

In der PTB wird das berührungslos arbeitende Tilted-Wave Interferometer (TWI) eingesetzt. Bei dessen Messprinzip wird die optische Wirkung des Messsystems und des Messobjektes auf Wellenfronten aus einer Vielzahl von Einfallsrichtungen von einer Kamera aufgenommen. Das sich ergebende Interferenzstreifenmuster ist sehr komplex, und man kann nur durch Simulation des Messvorgangs und durch das Lösen mehrerer inverser Probleme auf die Oberflächenform des Messobjektes zurück schließen. Das virtuelle Experiment ist dabei Teil der Modellierung des Messvorgangs. Zentrale Zielstellung der PTB ist die Unsicherheitsbestimmung, die durch Kombination des virtuellen Experiments mit dem realen Messaufbau ermittelt werden soll.

Die PTB kooperiert beim TWI mit der Universität Stuttgart, wo das grundsätzliche Messprinzip erfunden wurde, und der Firma Mahr GmbH, die eine kommerzielle Version des TWI vermarktet. International besteht eine Kooperation mit vielen NMIs, Hochschulen und Firmen innerhalb von EMRP/EMPIR-Projekten sowie mit dem Nanotechnologie-Kompetenzzentrum Ultrapräzise Oberflächenbearbeitung e.V. (CC UPOB), das sich als Experten-Forum für Asphären und Freiform-Metrologie und Herstellung dieser Flächen etabliert hat.

Ziele und Ausblick

Die Weiterentwicklung des TWI-Konzeptes gliedert sich im Arbeits- und Forschungsprogramm der PTB in den Themenbereich 5: Länge, dimensionelle Metrologie ein. Das Vorhaben wirkt sich speziell als Förderung der deutschen und europäischen optischen Industrie und der dazugehörigen Messgerätehersteller aus. Asphären und Freiformflächen sind eine herausragende zukunftsträchtige Entwicklung in optischen Systemen und wirken sich auf high-end-Kamerasysteme, industrielle Kamerasysteme und auch Kameraanwendungen im Automotive- und Consumer-Bereich aus. Das Ziel der PTB ist, eine hochgenaue, rückgeführte Messung durch Kombination von realem und virtuellem Experiment zu erreichen. Dadurch wird eine Rückführungsmöglichkeit der industriellen Messtechnik für optische Asphären und Freiformflächen geschaffen. Das ermöglicht dort eine wesentlich genauere Fertigung und wird sich insbesondere sehr positiv auf die deutsche bzw. europäische Wettbewerbsfähigkeit auswirken.

Publikationen

I. Fortmeier, M. Stavridis, A. Wiegmann, M. Schulz, W. Osten, and C. Elster, “Evaluation of absolute form measurements using a tilted-wave interferometer”, Opt. Express 24, 3393-3404 (2016).
I. Fortmeier, M. Stavridis, A. Wiegmann, M. Schulz, W. Osten, and C. Elster, "Analytical Jacobian and its application to tilted-wave interferometry," Opt. Express 22, 21313-21325 (2014).
I. Fortmeier, „Zur Optimierung von Auswerteverfahren für Tilted-Wave Interferometer”, Dissertation, Universität Stuttgart, 2016