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Robustes optisches Profilometer

Die Herstellung hochgenauer Optiken und mechanischer Präzisionsführungen erfordert eine anspruchsvolle Messtechnik. Dazu wurde in der PTB ein winkelmessendes optisches Profilometer entwickelt, mit dem eine Messunsicherheit der Topographiemessung von 1,5 Milli-Winkelsekunden erreicht wurde.

Mit dem neuen Profilometer können binnen 20 Minuten pro Einzelmessung Prüflinge bis zu einem Meter Länge gemessen werden.

Mit modernen lokalen Bearbeitungsmethoden ist heute die Herstellung und nachträgliche Formkorrektur von optisch polierten Flächen mit Abmessungen größer als 300 mm möglich. Die Auflösung entsprechender Verfahren ist im Abtrag besser als ein Nanometer; lateral beträgt sie bis zu einem Millimeter. Die erreichbare Genauigkeit wird durch die Genauigkeit der messtechnisch zu erfassenden Korrekturdaten beschränkt. In der PTB wurden ein Verfahren und eine Messvorrichtung entwickelt, die im Produktionsumfeld stabil arbeiten können.

In dem Messsystem bestimmt ein handelsüblicher elektronischer Autokollimator den Winkel zwischen seinem optischen Messstrahl und einer den Strahl in sich rückreflektierenden Fläche. Der Autokollimator wurde vom Hersteller so modifiziert, dass bei einer (durch Blenden) segmentierten Spiegelfläche die Differenzwinkel zwischen den Spiegelelementen ausgelesen werden können. Der mit einer dreifachen Blende ausgestattete Messkopf erlaubt die simultane Messung zweier Winkeldifferenzen.

Für die Messung wird mittels einer konventionellen Führung der Messkopf in kurzem Abstand entlang der zu messenden Oberfläche geführt, so dass keine störenden Einflüsse der Umgebungsluft auftreten können. Mithilfe eines für die PTB patentierten Verfahrens kann aus den beiden über die Prüflingslänge gemessenen Winkeldifferenzen die vollständige Winkelinformation rekonstruiert werden. Somit lassen sich auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen wie Gebäudeschwingungen oder Luftbewegung reproduzierbare Ergebnisse erzielen, die nur durch die Langzeitstabilität des Autokollimators begrenzt sind. Diese liegt deutlich unterhalb der Messgrenze von einzelnen Milli-Winkelsekunden, wie Messungen am Winkelkomparator der PTB (vgl. PTBnews 03.3) zeigen.

Das Verfahren benötigt auch zur Messung von Freiformflächen keine Formreferenz, sondern nur die Kalibrierung des Nullpunktes der Winkeldifferenzen, die beispielsweise mittels einer flachen Referenzplatte vorgenommen wird. Der topographische Höhenschnitt ergibt sich aus der Integration des Winkels über die Länge.

Mit dem Gerät wurden Messungen der Mittenspur ebener Prüfkörper aus Zerodur mit Längen bis zu 620 mm vorgenommen. Bei der Ermittlung der Höhentopographie im Vergleich zu einem alternativen Messgerät (vgl. PTBnews 02.3) ergibt sich nach Abzug der Grundkrümmung eine maximale systematische Abweichung von 1 · 10–9 m. Dabei beträgt die Messunsicherheit 1,5 Milli-Winkelsekunden (7,3 · 10–9 rad).

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