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Eine runde Sache

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  • Fertigungsmesstechnik

Eine neue Auswertemethode ermöglicht es, die absolute Form sphärischer Messobjekte aus Messdaten des PTBKugelinterferometers mit einer Unsicherheit von wenigen Nanometern zu rekonstruieren, und eröffnet somit neue Anwendungen in der Fertigungsmesstechnik.

Die einzelnen gemessenen Oberflächensegmente sind für die Bestimmung der Durchmessertopographie rund um die Kugel verteilt und überlappen sich teilweise. Aus diesen Überlappungen lässt sich mithilfe einer Optimierungsrechnung die absolute Kugelradientopographie rekonstruieren.

Das Kugelinterferometer der PTB wurde ursprünglich dafür konzipiert, das Volumen von sphärischen Maßverkörperungen – insbesondere der Siliciumkugeln des Avogadro-Projekts – über präzise Durchmesserbestimmungen mit einer Unsicherheit von einem Nanometer oder weniger zu messen. Das neue Verfahren ermöglicht jetzt auch eine absolute Bestimmung der Radiustopographie und erweitert die Einsatzmöglichkeiten des Kugelinterferometers. Außerdem wurde damit das bislang angewandte Verfahren für die Volumenbestimmung der Avogadro-Kugeln über die ermittelten Durchmesser validiert. Erst bei Kugeln mit deutlich größeren Rundheitsabweichungen ist die Verwendung der Radien an Stelle der Durchmesser für die Volumenbestimmung erforderlich.

Sogenannte Stitching-Verfahren, bei denen einzeln gemessene Segmente einer (optischen) Oberfläche zu einer Gesamt-Topographie zusammengesetzt werden, sind in der optischen Industrie bereits bekannt. Für komplette Kugeltopographien war bislang allerdings die Messunsicherheit noch größer als die zu messende Formabweichung der sphärischen Prüflinge. Die neue Auswertemethode liefert nicht die bisher übliche Durchmessertopographie, die punktsymmetrisch zum Kugelmittelpunkt ist und somit keine eindeutige Seitenzuordnung der topographischen Merkmale der Kugeloberfläche zulässt, sondern erstmals die absolute Form einer Kugel auf einige Nanometer genau.

Der zugehörige Algorithmus wurde zunächst anhand von simulierten Datensätzen geprüft. Der Vergleich mit den Ergebnissen realer Messungen und mit unabhängigen Ergebnissen aus Rundheitsmessungen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung, und dies bei einer mittleren Abweichung von unter 5 nm.

Die neue Auswertemethode eröffnet die Möglichkeit, das Kugelinterferometer auch für die Präzisions-Formcharakterisierung von sphärischen Messobjekten einzusetzen, die in der Fertigungsmesstechnik Anwendung finden. In Ergänzung zu den etablierten taktilen Rundheitsmessungen zeichnet sich die neue Methode durch berührungslose Antastung der Oberflächen bei hoher lateraler Auflösung und erzielbaren Messunsicherheiten von wenigen Nanometern aus.

Ansprechpartner

Guido Bartl
Fachbereich 5.4 Interferometrie an Maßverkörperungen
Tel. (0531) 592-5411
E-Mail: guido.bartl(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

Bartl, G.; Krystek, M.; Nicolaus, A.; Giardini, W.: Interferometric determination of topographies of absolute sphere radii using the sphere interferometer of PTB. Meas. Sci. Technol. 21 (2010), 115101