06.11.2012
Einleitung
Die hochgenaue Messung asphärischer Flächen für optische Systeme, wie z.B. Fotoobjektive, hochwertige Messobjektive oder Fotolithografie-Optiken, ist immer noch eine große Herausforderung. Während die Fertigungsmöglichkeiten Korrekturen der Oberflächenform auf der Nanometerskala erlauben, kann die Messtechnik diesen Anspruch noch nicht erfüllen. Obwohl es viele Messgeräte wie Asphären-Interferometer oder auch hochgenaue Koordinatenmessgeräte gibt, muss eine einheitliche rückgeführte Metrologie noch aufgebaut werden.
In der PTB wurde dazu im Rahmen des europäischen Metrologieprogramms EMRP [1] eine Initiative gestartet, die sowohl die Messtechnik mit Interferometern als auch mit hochgenauen Koordinatenmessgeräten weiterentwickelt und dann diese verschiedenen Technologien miteinander vergleicht. So können die spezifischen Einflussgrößen besser erkannt und berücksichtigt werden. An dem Projekt [2] sind 14 Partner beteiligt, davon 7 nationale Metrologieinstitute. Koordinator für das dreijährige Projekt ist die PTB.
Ein über das Projekt hinausgehendes internationales Forum stellt das Nanotechnologie Kompetenzzentrum Ultrapräzise Oberflächenbearbeitung e.V. (CC UPOB e.V.) dar, das Seminare, Workshops und Ringvergleiche zur Asphärenmetrologie veranstaltet und in dem die PTB intensiv mitarbeitet.
Das Projekt EMRP IND10 „Form“
Die Struktur des EMRP-Projekts ist in Abb. 1 gezeigt. In Arbeitspaket 1 (AP 1) wird eine hochgenaue Ebenheitsmetrologie entwickelt und für die Arbeiten zur Asphärenmetrologie bereitgestellt, denn genaue Planflächen sind als Referenzflächen auch für Asphären-Messsysteme von großer Bedeutung. Die Arbeitspakete 2 und 3 beinhalten die Kernarbeiten zur Entwicklung einer rückgeführten Asphären- und Freiformflächen - Metrologie.
Im Arbeitspaket 2 wird ein Asphäreninterferometer nach dem Tilted-Wave-Prinzip in Kooperation der PTB mit dem Institut für Technische Optik der Universität Stuttgart und der Mahr GmbH aufgebaut. In der PTB sind dabei die Arbeitsgruppen „Form- und Wellenfrontmetrologie“ und „Datenanalyse und Messunsicherheit“ beteiligt. Neben einem erweiterten Gerät, dass hinsichtlich seiner Messunsicherheit genau untersucht wird und mit dem TMS-Prinzip [3] der PTB kombiniert werden soll, plant die Mahr GmbH, das Gerät auf den Markt zu bringen. Bei der PTB soll durch das Projekt die Möglichkeit geschaffen werden, Referenzasphären hochgenau und rückgeführt für Kunden messen zu können.
Abb. 1. Die Struktur des EMRP – Projektes IND10 „Form“ mit den einzelnen Arbeitspaketen (AP1 bis AP6)
Das Arbeitspaket 3 untersucht Messgeräte, die Flächen punktweise antasten, wie z.B. hochgenaue Koordinatenmessgeräte. Hier werden unter anderem Effekte der Antastung und Kalibrierung genauer untersucht.
Im Arbeitspaket 4 werden die verschiedenen Messungen an Asphärenflächen aus den Arbeitspaketen 2 und 3 miteinander verglichen, mögliche Fehlereinflüsse können identifiziert und eliminiert werden. Letztendlich sollen dann kalibrierte Referenzflächen für Industrie und Wissenschaft zur Verfügung gestellt werden (Arbeitspaket 5). Besonderer Wert wird im gesamten Projekt auch auf den Nutzen über die Metrologieinstitute hinaus gelegt, um die Ergebnisse möglichst effizient zu verwerten.
Wir danken dem EMRP für die finanzielle Unterstützung der Arbeiten in diesem Projekt. Das EMRP wird von den im EMRP teilnehmenden Staaten innerhalb von EURAMET und der Europäischen Union gemeinschaftlich gefördert.
Asphärenmetrologie im Rahmen des CC UPOB
Das Nanotechnologie Kompetenzzentrum Ultrapräzise Oberflächenbearbeitung e.V. (CC UPOB e.V., www.upob.de) hat als Zielsetzung, technische und optische Funktionsflächen mit höchster Genauigkeit herzustellen und messtechnisch zu charakterisieren. Daher haben sich Firmen, Hochschulinstitute, außeruniversitäre Forschungsinstitute und auch die PTB auf diesem Gebiet zusammengeschlossen, um ihre wissenschaftlichen und technischen Kompetenzen zu bündeln. Als wichtiges Arbeitsgebiet hat sich in den letzten Jahren die Asphärenmesstechnik dargestellt und ist Thema mehrerer Seminare, Workshops und High Level Expert Meetings gewesen. Auf dem letzten Workshop zur Asphärenmesstechnik im November 2012 wurden die Ergebnisse der letzten Vergleichsmessungen mit weltweiter Beteiligung und eine Analyse der PTB zu diesen Resultaten vorgestellt. Abb. 2 zeigt das Design einer Asphäre, die bei diesen Vergleichsmessungen als Testobjekt verwendet wurde.
Abb. 2. Oberfläche einer im Messvergleich benutzten Asphäre, Sollform nach Abzug eines sphärischen Anteils
Das Asphäreninterferometer nach dem Tilted-Wave-Prinzip, das im Rahmen des EMRP-Projektes IND10 aufgebaut wird, wird nach Fertigstellung ebenfalls an den Vergleichsmessungen teilnehmen.
Literatur:
[2] EMRP IND10, “Form” bzw. “Optical and tactile metrology for absolute form characterization”, www.ptb.de/emrp/ind10-contact.html
[3] A. Wiegmann, M. Schulz, C. Elster, "Absolute profile measurement of large moderately flat optical surfaces with high dynamic range", Opt. Express 16 (2008) 11975-11986