Logo PTB

DFG-Projekt: Optische Oberflächenerfassung mit räumlich und zeitlich partiell kohärenten Lichtwellenfeldern (OPAL)

In einem abgeschlossen gemeinsamen Projekt des Bremer Instituts für angewandte Strahltechnik (BIAS) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) wurden neue Verfahren zur Formerfassung von optischen Oberflächen erforscht und entwickelt. Die Arbeiten wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Im Fokus des Projektes stand die Entwicklung eines Scherinterferometers mit einer Multiquellenbeleuchtung, mit dem asphärische und Freiform-Oberflächen gemessen werden können. Das Messprinzip für die Transmission ist in Abb.1 gezeigt. Durch die Nutzung eines Spatial Light Modulators (SLM) als Scherelement ergeben sich große Vorteile: Nahezu gleiche Ausbreitungswege der interferierenden Felder führen zu einer sehr geringen Anforderung an die Kohärenz des verwendeten Lichtes, sodass eine LED-Beleuchtung nutzbar ist. Dies ermöglicht insbesondere die simultane Ausleuchtung des Messbereichs mit mehreren Leuchtdioden, ohne dass Störinterferenzen in Überlappbereichen auftreten. Durch die individuelle Positionierung der Leuchtdioden können auch schwer messbare Bereiche des Messobjekts erfasst werden, wie zum Beispiel große Unterschiede in der Flankensteigung oder Asymmetrien, ohne hierfür spezielle Optiken oder Computer-generierte Hologramme (CGH) einzusetzen. Die bekannten Vorteile der Scherinterferometrie, wie die kompakte Bauweise und die hohe Robustheit gegenüber Vibrationen, bleiben dabei erhalten.



Abbildung 1: Messprinzip der teilkohärenten Scher-Interferometrie mit Multiquellen-beleuchtung


Ein auf Ray-Tracing basierendes Modell des Messsystems dient nicht nur zur Abschätzung der Messgenauigkeit, sondern bildet auch einen elementaren Teil des Auswerteverfahrens.

Es konnte innerhalb des Projektes gezeigt werden, dass die Multiquellenbeleuchtung (Abb. 2a), bestehend aus mehreren in sich teilkohärenten Lichtquellen, bei gleichzeitiger Ausleuchtung des gesamten Messbereiches ein zusammenhängendes Interferogramm ergibt (siehe Abb. 2b). Es wurden Formmessungen in Transmission durchgeführt [Hag20].



Abbildung 2: a) Realisierung einer 7-fach-Multiquellenbeleuchtung (im Vordergrund ist der Prüfling zu sehen), b) aufgenommene Scherinterferogramme. Auf Grund der Teilkohärenz der einzelnen Lichtquellen ist keine Interferenz zwischen den Lichtquellen möglich: Die einzelnen Interferogramme ergänzen sich lückenlos zu einem Gesamtinterferogramm.


Da die Anforderungen der Industrie vermehrt Messungen in Reflexion erfordern, wurde in der 2. Projektphase das Messverfahren für Messungen in Reflexion erweitert [Muel20]. Das Verfahren soll nun in die Industrie transferiert werden.


Verweise

DFG-Projektseite: https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/258565427

Projektpartner: www.bias.de


Ausgewählte Veröffentlichungen


[Muel20] A. Müller, C. Falldorf, M. Lotzgeselle, G. Ehret, R. B. Bergmann: “Multiple Aperture Shear-Interferometry (MArS):a solution to the aperture problem for the formmeasurement of aspheric surfaces,” Optics Express 28 (23) (2020) pp. 34677-34690,  doi.org/10.1364/OE.408979

[Hag20] J. Hagemann: “Die wechselseitige Kohärenzfunktion teilkohärenter optischer Lichtwellenfelder und ihre Anwendung zur Formmessung”, Dissertation an der Universität Bremen (2020), doi.org/10.26092/elib/283

[Hag17] J.-H. Hagemann, C. Falldorf, G. Ehret, R. B. Bergmann: „Error influences of the shear element in interferometry for the form characterization of optics,“ Proc. SPIE 10329, Optical Measurement Systems for Industrial Inspection X, 103291T (2017); doi.org/10.1117/12.2269932

[Fal17] C. Falldorf, J.-H. Hagemann, G. Ehret, R. B. Bergmann: Sparse light fields in coherent optical metrology, Applied Optics 56 (13), pp. F14-F19, 2017, doi.org/10.1364/AO.56.000F14

[Hag16] J.-H. Hagemann, G. Ehret, R. B. Bergmann, C. Falldorf: “Realization of a shearing interferometer with LED multipoint illumination for form characterization of optics,” DGaO Proceedings (2016). www.dgao-proceedings.de

[Fal14] C. Falldorf, A. Simic, G. Ehret, M. Schulz, C. v. Kopylow, R. B. Bergmann: “Precise optical metrology using computational shear interferometry and an LCD monitor as light sourc.,” Fringe 2013: 7th International Workshop on Advanced Optical Imaging and Metrology: 729 -734, (2014). doi.org/10.1007/978-3-642-36359-7_134


Ansprechpartner

Dr.-Ing. Gerd Ehret

Telefon: (0531)592-4220
E-Mail: gerd.ehret(at)ptb.de