Formmessungen an dünnen Zylindern mittels Mehrwellenlängeninterferometrie

Formmessungen an Zylindern werden häufig durch mechanische Abtastung des rotierenden Prüflings mit einem Taststift durchgeführt. Die bei der Abtastung erforderlichen Kräfte können allerdings zu Abrieb oder auch einer Deformation des Prüflings führen. Zur Vermeidung solcher Nachteile wird ein neuartiges nicht-scannendes Messverfahren zur interferometrischen Formmessung von Zylindern mit Durchmessern von 0,1 mm bis 2,5 mm entwickelt. Dieses Verfahren soll es ermöglichen, die Form des Prüflings berührungslos mit einer angestrebten Messunsicherheit < 0,1 mm zu messen. Es ist hierfür zudem keine aufwendige Drehführung notwendig.

Der Prüfling wird im Zentrum eines 45°-Kegelspiegels positioniert und durch einen jodstabilisierten Diodenlaser beleuchtet. Das reflektierte Licht wird unter einem kleinen Winkel mit einem Referenzstrahl überlagert und auf eine CCD-Kamera abgebildet. Die Oberflächenbeschaffenheit des Prüflings kann aus der berechneten räumlichen Phasenverteilung bestimmt werden. Diese wird mit Hilfe eines Algorithmus für räumliches Phasenschieben aus dem aufgezeichneten Interferogramm unter Auswertung des Fourierspektrums berechnet. Der Eindeutigkeitsbereich kann unter Verwendung zweier weiterer Diodenlaser durch Erzeugung einer synthetischen Wellenlänge von ca. 316 nm auf ca. 5 µm erweitert werden.

Das Ergebnis einer Formmessung an einem Keramikzylinder mit 2,5 mm Durchmesser ist in Bild 1 dargestellt. Dieses zeigt die räumliche Phasenverteilung der Mantelfläche des Zylinders bei Messungen mit verschiedenen Wellenlängen. Die Phasenverteilung in Bild 1.a wurde mit einer optischen Wellenlänge von ca. 632 nm gemessen. Hier sind deutlich Strukturen entlang der Zylinderachse mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu erkennen. Da einige Strukturen größer als die halbe optische Wellenlänge sind, kommt es in diesen Bereichen zu Phasensprüngen (Schwarz-Weiß-Übergänge), so dass eine eindeutige quantitative Aussage über die Oberflächenbeschaffenheit nicht möglich ist. Eine Lösung für diese Problem stellt die Benutzung einer synthetischen Wellenlänge dar, die aus zwei mit jeweils verschiedenen Wellenlängen gemessenen Phasenverteilungen berechnet wird. Bild 1.b zeigt das Ergebnis einer Messung mit einer synthetischen Wellenlänge von Λ = 2,7 µm. Hier sind, bedingt durch den größeren Eindeutigkeitsbereich, keine Phasensprünge vorhanden, und die Strukturen auf der Zylinderoberfläche lassen sich quantitativ bestimmen. Die Verwendung noch größerer Messbereiche, die in den Bildern 1.c  für Λ = 3,6 mm und 1.d  für Λ = 10,4 mm dargestellt sind, bietet für Messungen an diesem Prüfling allerdings keine weiteren Vorteile, zeigt jedoch die Möglichkeit, auch Deformationen im µm-Bereich messen zu können.

Bild 1: Formmessung eines Keramikzylinders mit einem Durchmesser von 2,5 mm: Dargestellt ist die räumliche Phasenverteilung auf der Mantelfläche des Zylinders: a) Messung mit optischer Wellenlänge λ = 632 nm; b) Messung mit synthetischer Wellenlänge Λ = 2,7 mm, (c) Λ = 3,6 mm und (d) Λ = 10,4 mm. (Bildgröße ca. 7,85 mm x 20 mm (gestaucht))