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DFG-Projekt: Formmessung an Präzisionsbauteilen mit einem dynamisch nachgeführten interferometrischen Zeilensensor

Heutige optische und mechanische Präzisionsbauteile erfordern Formtoleranzen im Submikrometerbereich. Zur Messung der Oberflächenform werden häufig optische Verfahren eingesetzt.

In Kooperation mit der Universität Kassel wird in einem gemeinsamen DFG-Projekt ein neues optisches Verfahren zur Messung von rotationssymmetrischen Oberflächen entwickelt, aufgebaut und getestet. Der Sensor weist dabei Besonderheiten im Vergleich zu flächig- und punktförmig-messenden Verfahren auf. Als Sensor wird ein interferometrischer Zeilensensor eingesetzt, wobei  der Referenzspiegel mit einer sinusförmigen Schwingung angeregt wird. Dieses auf der Modulation der optischen Weglänge basierende Verfahren wurde zunächst von Sasaki eingeführt [1,2] und später weiterentwickelt [3,4]. Im Rahmen dieses DFG-Projekts konnte durch Synchronisation der Aufnahmezeit der Zeilenkamera mit der periodischen Referenzspiegelauslenkung eine deutliche Genauigkeitssteigerung erreicht werden [5-7].

Eine weitere Entwicklung ermöglicht die 3D-Messung von stärker gekrümmten Oberflächen: Kreisförmige Streifen werden zu einer Gesamttopographie zusammengefügt [8], siehe Abb. 1.

Abbildung 1 (a)
Schema des Messablaufes: es werden einzelne Kreisringe mit dem interferometrischen Liniensensor gemessen, die dann durch Anpassung zueinander in einem bestimmten Überlappbereich die Gesamttopografie des Prüflings ergeben
(b)
Aufgebautes Messsystem mit Sensor, Prüfling und unterschiedlichen Bewegungsachsen

Für die Messung von sphärischen und asphärischen Oberflächen besitzt das Bewegungssystem eine Neigungsachse und eine Linearachse zur Fokusnachführung. Eine Kalibrierstrategie zur Bestimmung des absoluten Abstandes von Sensor und Prüfling wurde erarbeitet und getestet [9]. Es wurde ein detailliertes Modell des gesamten Mess- und Auswerteverfahrens entwickelt. Dies erlaubt zukünftig die Optimierung der Messparameter zur Erzielung einer möglichst geringen Messunsicherheit [6, 10].

Der Messaufbau, erste 3D-Messergebnisse, ein Vergleich mit Messungen mit einem optischen Punktsensor und erste Abweichungen zu Design- bzw. Best-Fit-Daten wurden veröffentlicht [11-14]. Darüber hinaus wurde der interferometrische Sensor inzwischen so erweitert, dass er auch als tiefenscannendes Weißlichtinterferometer betrieben und absolute Abstandsmessungen durchführen kann, die zur Kalibrierung des Systems verwendet werden.

Literatur

[1]   
O. Sasaki and H. Okazaki, “Sinusoidal phase modulating interferometry for surface profile measurement”, Applied Optics 25, 3137-3140, 1986, doi: 10.1364/AO.25.003137
[2]   
O. Sasaki and H. Okazaki, “Analysis of measurement accuracy in sinusoidal phase modulating interferometry”, Applied Optics 25, 3152-3158, 1986, doi: 10.1364/AO.25.003152
[3]   
U. Minoni, E. Sardini, E. Gelmini, F. Docchio and D. Marioli, “A high-frequency sinusoidal phase-modulation interferometer using an electro-optic modulator: Development and evaluation”, Review of Scientific Instruments 62(11), 2579-2583, 1991, doi: 10.1063/1.1142233
[4]   
P. Lehmann, M. Schulz and J. Niehues, “Fiber optic interferometric sensor based on mechanical oscillation”, SPIE Proceedings 7389, 738915, 2009, doi: 10.1117/12.827510
[5]   
H. Knell, P. Lehmann, „High speed measurement of specular surfaces on carrier fringe patterns in a line scan Michelson interferometer setup”, Proceedings of SPIE 8788, 87880R, 2013, doi: 10.1117/12.2020121
[6]
H. Knell, S. Laubach, G. Ehret, P. Lehmann, „Continuous measurement of optical surfaces using a line-scan interferometer with sinusoidal path length modulation”, Optics Express 22, 29787-29798, 2014, doi: 10.1364/OE.22.029787
[7]
H. Knell, M. Schake, M. Schulz, P. Lehmann, „Interferometric sensors based on sinusoidal optical path length modulation”, Proceedings of SPIE 9132, 91320l, 2014, doi:10.1117/12.2051508
[8]
S. Laubach, G. Ehret, H. Knell, P. Kühnhold, P. Lehmann, „Stitching streifenförmiger Subaperturen zur Formmessung”, DGaO Proceedings - www.dgao-proceedings.de/download/115/115_a20.pdf - ISSN: 1614-8436 - urn:nbn:de:0287-2014-A020-8, 2014
[9]
S. Laubach, G. Ehret, H. Knell, P. Kühnhold, P. Lehmann, „Calibration strategies for a new fast line-based form measuring system“, DGaO Proceedings – www.dgao-proceedings.de/download/116/116_p5.pdf – ISSN: 1614-8436 – urn:nbn:de:0287-2015-P005-3, 2015
[10]
S. Laubach, G. Ehret, J. Riebeling, P. Lehmann, „Error analysis of an interferometric line-based form measuring system“, DGaO Proceedings – www.dgao-proceedings.de/download/117/117_p66.pdf – ISSN: 1614-8436 – urn:nbn:de:0287-2016-P066-6, 2016
[11]
G. Ehret, S. Laubach, A. Straub, M. Schulz „Form measurement of large optics with deflectometric and interferometric procedures at PTB“, Third European Seminar on Precision Optics Manufacturing, Proceedings of SPIE 10009, 100090B, 2016, doi: 10.1117/12.2235474
[12]
S. Laubach, G. Ehret und P. Lehmann, „Interferometrischer Liniensensor zur Formmessung von optischen Oberflächen“, Tagungsband AHMT 2016 - Symposium des Arbeitskreises der Hochschullehrer für Messtechnik, doi: 10.1515/9783110494297-017, 2016
[13]
S. Laubach, G. Ehret, J. Riebeling, P. Lehmann, „A new form measurement system based on sub-aperture stitching with a line-scanning interferometer”, Advanced Optical Technologies, doi: 10.1515/aot-2016-0039, 2016
[14]
S. Laubach, G. Ehret, J. Riebeling, P. Lehmann, „Interferometrischer Liniensensor zur Formmessung von rotationssymmetrischen optisch glatten Oberflächen”, Technisches Messen 84, 166-173, 2017, doi: 10.1515/teme-2016-0067