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Kugeln auf wenige Nanometer genau messen

Interferometrische Messeinrichtung für hochgenau gefertigte Siliziumkugeln und andere sphärische Objekte

PTBnews 3.2022
12.09.2022
Besonders interessant für

Präzisionsfertigung

fertigungsbegleitende Messtechnik

Metrologieinstitute

Im Rahmen der Neudefinition der SI-Einheit Kilogramm wurde in der PTB ein Verfahren zur Herstellung nahezu perfekt runder Siliziumkugeln entwickelt, deren Formabweichungen im Bereich von nur ca. 10 nm bis 100 nm liegen. Während der wochenlangen Politur der Kugeln muss ihre Form und Rauheit täglich kontrolliert werden. Speziell für diese Aufgabe wurde eine neuartige Messeinrichtung entwickelt, die innerhalb weniger Minuten den Formfehler einer Kugel bestimmen kann.

Die Kugel befindet sich auf einem Drehtisch und wird an zwei gegenüberliegenden Stellen mittels Laserlicht vermessen.

Das Messprinzip der Interferometrie beruht auf der Überlagerung eines einfallenden und reflektierten Laserstrahls. Auf diese Weise können Längen auf der Nanometerskala präzise vermessen werden. Solche Messungen können jedoch u. a. durch Störbewegungen der Kugel während der Drehung beeinflusst werden. Daher wird die Kugel an zwei gegenüberliegenden Punkten gleichzeitig vermessen, wobei die nahezu perfekt polierte Oberfläche der Kugel als Reflektor dient. Die gewonnenen Abstandssignale der beiden kollinearen Strahlengänge werden während der Drehung der Kugel erfasst und auch als Summe beider Signale aufgezeichnet. Diese Summe stellt ohne weitere geometrische Fehlerkorrektur die Änderung des Durchmessers der Kugel entlang des jeweiligen Äquators dar. Das Messprinzip hat den Vorteil, dass Störbewegungen der Kugel während der Drehung nur einen sehr geringen Einfluss auf das Messergebnis haben. Verschiebt man nämlich die Kugel entlang des Strahlenganges, so ändert sich das Summensignal nicht. Die Rotationsachse braucht daher keine außerordentlich hohe Präzision.

Die weitere Gestaltung der Messeinrichtung gewährleistet darüber hinaus eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur oder Schwingungen. Der gesamte Aufbau ist robust und einfach in der Bedienung. Es sind keine mechanischen Taster erforderlich, die die Oberfläche verkratzen könnten. Ein spezieller Transportzylinder dient zum Schutz der Kugel im Labor, ermöglicht ein kollisionsfreies Einbringen in die Messeinrichtung und dient als thermischer Schutz während der Messung.

Mit den Erfahrungen aus der Nutzung eines Funktionsmusters hat die Firma SIOS Messtechnik GmbH in Kooperation mit der PTB einen optimierten Gesamtaufbau realisiert. Die Wiederholbarkeit der Messungen liegt bei wenigen Nanometern. Die Messeinrichtung ist seit vielen Monaten in Betrieb und liefert täglich zuverlässig die zur Fertigung der Kugeln notwendigen Ergebnisse. Denkbar und bereits als Konzept vorhanden ist eine Adaption für sphärische transparente Objekte ähnlichen Durchmessers.

Ansprechpartner

Rudolf Meeß
Fachbereich 5.5
Wissenschaftlicher Gerätebau
Telefon: (0531) 592-5560
Opens local program for sending emailrudolf.meess(at)ptb.de

 

Wissenschaftliche Veröffentlichung

R. Meeß, D. Dontsov, E. Langlotz: Interferometric device for the in-process measurement of diameter variation for the manufacturing of ultraprecise spheres. Measurement Science and Technology 32, 074004 (2021)

 

Patent

Rudolf Meeß, DE 10 2017 106 184 A1 2018.09.27, Verfahren zum Messen einer Formabweichung einer Kugel und Kugel-Messvorrichtung dafür