Untersuchung des Unsicherheitsbeitrags der Justagegenauigkeit im Doppelendinterferometer der PTB

Hochgenaue Längenmessungen an prismatischen Körpern (z. B. Endmaßen) werden in der Regel mit einseitig antastenden Interferometern durchgeführt. Um diese Messungen durchzuführen, muss das Endmaß an eine Referenzplatte angeschoben werden. Die Qualität des Kontakts beeinflusst jedoch die gemessene Länge und die Messmethode beschränkt sich auf Körper, die sich zum Anschieben eignen. Eine Alternative stellt ein Doppelendinterferometer dar, bei dem parallel zueinander ausgerichtete entgegenlaufende Lichtstrahlen von beiden Seiten auf die jeweiligen Endflächen des Körpers treffen, wo sie reflektiert werden.

Da der Strahlengang in diesem Interferometertyp vergleichsweise komplex ist und die Justage des Systems wesentliche Voraussetzung für eine genaue Längenmessung ist, musste die Justageprozedur weiterentwickelt werden. Ihr Einfluss auf die gemessene Länge wurde, in Kooperation der Arbeitsgruppen 5.41 „Interferometrie an Endmaßen“ und 8.42 „Datenanalyse und Messunsicherheit“, in virtuellen Experimenten mithilfe von SimOptDevice untersucht, um den Unsicherheitsbeitrag abzuschätzen [1].

Dabei konnten Abhängigkeiten des Cosinusfehlers von Formabweichungen der Endmaßgeometrie gezeigt werden, die im einseitig antastenden Interferometer nicht auftreten und bisher im Allgemeinen vernachlässigt wurden. Mithilfe von virtuellen Experimenten konnten die Abhängigkeiten untersucht und aufgestellte mathematische Beschreibungen validiert werden.

Monte-Carlo-Experimente bestätigten, dass durch die weiterentwickelte Justageprozedur die Messgenauigkeit verbessert wurde und die wesentliche Ursache für im Doppelendinterferometer auftretende Cosinusfehler in den Formabweichungen der Endmaße von einer idealen Quaderform liegt. Bei einem Vertrauensniveau von 95 % beträgt das den Unsicherheitsbeitrag beschreibende Abdeckungsintervall [ 0,66; 0,63] nm für Endmaße der Kalibrierklasse K bis zu einer Länge von 100 mm und ist damit im Vergleich zu anderen Einflüssen vernachlässigbar klein.

Literatur

[1] Fischedick, M., et al. "Investigation of the uncertainty contributions of the alignment of PTB’s double-ended interferometer by virtual experiments." Metrologia 58.6 (2021): 064001. doi.org/10.1088/1681-7575/ac2724