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

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

Im Fokus des Projektes steht die Entwicklung eines Scherinterferometers mit einer Multiquellenbeleuchtung, mit dem asphärische und Freiform-Oberflächen gemessen werden können. 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.

Bild 1:
Messprinzip der teilkohärenten Scher-Interferometrie mit Multiquellenbeleuchtung

Zur tiefergehenden Untersuchung des Messsystems wird ein auf Ray-Tracing basierendes Modell erarbeitet, das nicht nur zur Abschätzung der Messgenauigkeit dient, sondern auch einen elementaren Teil des Auswerteverfahrens bildet.

Es konnte innerhalb des Projektes bereits gezeigt werden, dass die Multiquellenbeleuchtung (siehe Bild 2a), bestehend aus mehreren in sich teilkohärenten Lichtquellen, bei gleichzeitiger Ausleuchtung des gesamten Messbereiches ein zusammenhängendes Interferogramm ergibt (siehe Bild 2b).

Da die Anforderungen der Industrie vermehrt Messungen in Reflexion erfordern, ist die Erweiterung des Messverfahrens für Messungen in Reflexion geplant.

Bild 2: a)
Realisierung einer flexiblen 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.

Literatur

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Falldorf, C., Simic, A., Ehret, G., Schulz, M., v. Kopylow, C., Bergmann, R. B.: Precise optical metrology using computational shear interferometry and an LCD monitor as light source. Fringe 2013: 7th International Workshop on Advanced Optical Imaging and Metrology: 729 -734, 2014.
[Hag16]
Hagemann, J.-H., Ehret, G., Bergmann, R. B., Falldorf, C.: Realization of a shearing interferometer with LED multipoint illumination for form characterization of optics, DGaO Proceedings 2016 – www.dgao-proceedings.de – ISSN: 1614-8436 - urn:nbn:de:0287-2016-P020-3
[Fal17]   
Falldorf, C., Hagemann, J.-H., Ehret, G., Bergmann, R. B.: Sparse light fields in coherent optical metrology, Applied Optics 56 (13), pp. F14-F19, 2017
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Hagemann, J.-H., Falldorf, C., Ehret, G., Bergmann, R. B.: 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 (2017/06/26); doi: 10.1117/12.2269932
[Hag18]
Hagemann, J.-H., Falldorf, C., Ehret, G., Bergmann, R.-B., Form metrology of optical surfaces based on partial coherent shearing interferometry in reflection, Proc. of EUSPEN, 2018,
https://www.euspen.eu/euspen-knowledge-base/proceedings/
[Fal18]
Müller, A., Falldorf, C., Agour, M., Hagemann, J.-H., Ehret, G., Bergmann, R.-B., Lens inspection using Multiple Aperture Shear Interferometry: Comparison to Wave Front Sensing Methods, DGaO Proceedings 2018,
https://www.dgao-proceedings.de/download/119/119_a12.pdf