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Referenzflächen für Asphären- und Freiformflächenmessgeräte

Charakterisierung von Messgeräten für nicht-sphärische optische Flächen

PTBnews 1.2020
26.02.2020
Besonders interessant für

Hersteller von Asphären- und Freiformflächenmessgeräten

Optik-Hersteller

Nicht-sphärische optische Flächen, also Asphären und Freiformflächen, sind heutzutage wesentliche Komponenten vieler moderner Abbildungssysteme in Industrie und Forschung. Zur Überprüfung hochgenauer Messgeräte für die Messung von Asphären und Freiformflächen wurden spezielle Referenzflächen entwickelt, die sich abschnittsweise aus Kugelflächen zusammensetzen. Erste Prototypen wurden in der PTB mit hoher Genauigkeit hergestellt und kalibriert. Im Rahmen des EMPIR-Projektes FreeFORM wurden sie erstmalig zur Überprüfung eines Asphärenmessgerätes verwendet.

Besonders bewährt haben sich dabei die sogenannten Multiradienflächen, die Kugelsegmente mit verschiedenen Radien kombinieren. Die jeweiligen Radien der einzelnen Kugelabschnitte und die geringen, aber unvermeidlichen Abweichungen von der perfekten Kugelform (Sphärizität) können z. B. mit Fizeau-Interferometern rückgeführt gemessen werden.

Durch die enge Zusammenarbeit zwischen Fertigung und Metrologie konnten Referenzflächen im Wissenschaftlichen Gerätebau der PTB mittels Diamantdrehen sehr genau hergestellt werden. Die Abweichung zur Designform wurde auf etwa 20 nm root-mean-square (rms) reduziert. Eine Nickel-Phosphor-Beschichtung macht die Flächen auch für taktile Messsysteme mit geringer Messkraft verwendbar. Als erster Test wurde ein optisches Asphärenmessgerät mit einer solchen Multiradienfläche überprüft. Die Messungen der Sphärizitäten weichen von den Kalibrierungen um weniger als 10 nm rms ab.

Multiradienflächen sind damit ein geeignetes Werkzeug zur Charakterisierung von Asphären- und Freiformflächenmessgeräten. Um dieses Werkzeug allen Anwendern zugänglich zu machen, wird aktuell die Möglichkeit einer externen Fertigung der Referenzflächen mit der notwendigen Genauigkeit untersucht.

Links: Überhöhte Darstellung einer Multiradienfläche. Rechts: Foto einer Realisierung. Der Durchmesser beträgt 40 mm.

HochWährend man sphärische Flächen sehr genau messen und rückführen kann, ist eine rückgeführte Messung nicht-sphärischer Flächen mit Unsicherheiten im Nanometerbereich schwierig. Um die Genauigkeit der hierfür eingesetzten Messgeräte zu überprüfen, wurden spezielle Kalibrierflächen entwickelt, die bestimmte Formeigenschaften haben, die sich mit etablierter Messtechnik rückgeführt messen lassen. Diese Formeigenschaften müssen sich dann auch in der durch das Asphären-/Freiformflächenmessgerät ermittelten Oberflächenform wiederfinden.

Ansprechpartner

Ines Fortmeier
Fachbereich 4.2 Bild- und Wellenoptik
Telefon: (0531) 592-4211
Opens window for sending emailines.fortmeier(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

I. Fortmeier, M. Schulz, R. Meeß: Traceability of form measurements of freeform surfaces: metrological reference surfaces. Optical Engineering 58(9), 092602 (2019)