31.12.2005
Zur Formmessung optischer Oberflächen können scannende Systeme vorteilhaft eingesetzt werden, da mit geeigneten Sensoren auch große Prüflinge hochgenau und mit guter lateraler Auflösung gemessen werden können. Die Kosten für die Realisierung eines Messgerätes steigen dabei nur moderat mit den Prüflingsdimensionen. Die Verwendung eines Sensorkopfes mit - im Vergleich zum Prüfling - kleineren Abmessungen kann auch steile oder gekrümmte Flächenformen messbar machen, wie z. B. asphärische Flächen.
Bei abstandsmessenden Systemen kann durch den Einsatz mehrerer Abstandssensoren eine Fehlerreduzierung erreicht werden. Allerdings können Nullpunktsfehler der Abstandssensoren zu einem Fehler im Messergebnis für den sphärischen Anteil der Topografie führen [1].
Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe 8.42 (Messdatenanalyse und Messunsicherheit) wurde daher ein neuartiges Verfahren entwickelt, das auch diesen Fehler eliminiert. Dieses neue Verfahren (TMS – Traceable Multi Sensor System) nutzt zusätzlich zum Sensorkopf mit gekoppelten Abstandssensoren noch ein Autokollimationsfernrohr und erfasst damit während des Scanvorgangs den Winkel des Sensorkopfes relativ zum Prüfling (siehe Bild). Es wurde eine geeignete mathematische Auswertung [2] entwickelt, die aus den Scan-Daten sowohl die Oberflächentopografie als auch die Sensorfehler hochgenau bestimmt. Die angestrebte Messunsicherheit ist dabei im Bereich nur weniger Nanometer.
Zur Überprüfung des messtechnischen Prinzips wurde ein Demonstratoraufbau erstellt und es wurden hochgenaue Messungen an ebenen, sphärischen und asphärischen optischen Flächen durchgeführt.
Messvergleiche mit einer ultrapräzisen Koordinatenmessmaschine ergaben eine gemeinsame Übereinstimmung innerhalb der Fehlergrenzen beider Verfahren mit relativen Topographiedifferenzen von ±10-3 bei einer Topographiehöhe von 50.000 nm. Damit wurde der experimentelle Nachweis geführt, dass sich das Verfahren für die hochgenaue Asphärenmessung eignet. Dies stellt jedoch noch nicht die Grenze der Messunsicherheit des TMS-Verfahrens dar.
Prinzip des TMS-Messverfahrens. Die Information vieler Abstandssensoren und die Winkelinformation des Autokollimationsfernrohrs wird mathematisch verknüpft und ausgewertet. TMS: Traceable Multi Sensor System, AKF: Autokollimationsfernrohr, M: Spiegel
Literatur:
[1] I. Weingärtner , C. Elster, System of four distance sensors for high-accuracy measurement of topography, Prec. Eng.28, 164-170 (2004)
[2] C. Elster, I. Weingärtner, M. Schulz, Coupled distance sensor systems for high-accuracy topography measurement: Accounting for scanning stage and systematic sensor errors, Prec. Eng., im Druck