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Ultrapräzise Ebenheitsmessung

Ein neues Verfahren ermöglicht die ultrapräzise Messung der Topographie von ebenen und schwach gekrümmten optischen Flächen. Mit der Messapparatur können Formabweichungen von einer ideal ebenen Fläche mit wenigen Atomdurchmessern Messunsicherheit bestimmt werden, ohne auf einen externen Ebenheitsstandard zurückgreifen zu müssen.

Mit der neuen Apparatur können Prüflinge bis zu einem Durchmesser von 500 mm topographisch ausgemessen werden.

Ebene Flächen von höchster Qualität werden in vielen Bereichen der Industrie und Forschung benötigt. Zum Beispiel werden mit Hilfe von hochgenau gemessenen Planflächen Interferometer kalibriert. Wie weit eine Fläche von der Ebenheit abweicht, wird bisher mit Hilfe eines flüssigen Quecksilberspiegels bestimmt, der zur Zeit als primärer nationaler Ebenheitsstandard dient, aber aufgrund der Kugelgestalt der Erde und der Oberflächenspannung geringfügig von der idealen Ebene abweicht.

Um den gestiegenen Genauigkeitsanforderungen in der Industrie gerecht zu werden, wurde in der PTB eine Messapparatur zur ultrapräzisen und rückführbaren Messung der Topographie von planen und schwach gekrümmten optischen Flächen entwickelt. Das Verfahren basiert auf Winkelmessung: Nacheinander werden die Reflexionswinkel an Orten, die auf der Prüflingsoberfläche durch einen konstanten Abstand (Shear) von einigen Millimetern bis Zentimetern getrennt sind, gemessen und die Differenzen ermittelt. Der Reflexionswinkel des Messstrahls wird mit Hilfe eines hochgenauen elektronischen Winkelmessgeräts (Autokollimator) bestimmt. Bei der wiederholten Messung von Schnitten durch Planflächen mit 130 mm Länge weichen die Messpunkte typischerweise nur um 0,1 nm bis 0,2 nm (etwa ein Atomdurchmesser) voneinander ab. Die Messunsicherheit der neuen Anlage liegt bei etwa einem Nanometer.

Mit dem neuen Verfahren, das ESAD (Extended Shear Angle Difference) genannt wurde, können die Messgrößen, aus denen die Topographie unter Zuhilfenahme der mathematischen Algorithmen gewonnen wird, direkt auf die SI-Einheiten Länge und Winkel rückgeführt werden. Das Verfahren stellt einen prinzipiell neuartigen Ansatz zur Messung von Ebenheitsabweichungen dar. Es ist nicht auf einen externen Ebenheitsstandard angewiesen, sondern nutzt die geradlinige Ausbreitung des Lichts als Referenz. Die ESAD-Anlage besitzt daher das Potential, zukünftig als ultrapräzises Primärnormal für Geradheit und Ebenheit mit einer Mess-unsicherheit im Sub-nm-Bereich zu dienen und den Quecksilberspiegel abzulösen.

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