Optische und mechanische Präzisionsbauteile erfordern Formtoleranzen im Submikrometerbereich. Zur Messung der Oberflächenform werden häufig optische Verfahren eingesetzt. In Kooperation mit der Universität Kassel wurde in einem gemeinsamen DFG-Projekt ein optisches Verfahren zur Messung von rotationssymmetrischen Oberflächen entwickelt, aufgebaut und getestet.
Ziel des Projektes war es, die Möglichkeiten der Asphärenmetrologie zu erweitern und ein Messgerät zu entwickeln, das rückführbar auf die Maßverkörperung der Länge kalibriert werden kann und rotationssymmetrische Prüflinge wie sphärische oder asphärische Linsen vermisst. Im Verlauf des Projektes wurden wichtige Techniken entwickelt und Erkenntnisse gewonnen, die über das konkrete Projekt hinaus anwendbar sind und den Stand der Wissenschaft auf dem Gebiet der optischen Asphärenmetrologie erweitert haben.
Bei der Messung wird der Prüfling um seine Rotationsachse gedreht und währenddessen mit einem interferometrischen Zeilensensor abgetastet. Der Zeilensensor ist in radialer Richtung orientiert und registriert einen ringförmigen Streifen der Oberfläche. Der Zeilensensor wird sowohl als tiefenscannendes Weißlichtinterferometer (SWLI) als auch als phasenschiebendes Interferometer (PSI) mit periodischer optischer Weglängenmodulation eingesetzt [1-7]. Der Weißlicht-Tiefenscan ermöglicht die Nachführung des Zeilensensors in einem konstanten Abstand zur Prüflingsoberfläche und die Phasen-Auswertung des weglängenmodulierten Interferenzmusters erlaubt die Rekonstruktion der ringförmigen Subaperturen mit hoher Messgenauigkeit. Das Messystem verfügt darüber hinaus über zwei punktförmig messende interferometrische Sensoren, die zur Kompensation von Bewegungsfehlern der den Prüfling drehenden Rotationsachse verwendet werden [8-10]. Zur Rekonstruktion der Gesamttopographie des Prüflings aus den ringförmigen Subaperturen wird ein Stitching-Algorithmus basierend auf einem globalen Optimierungsproblem eingesetzt [11-13]. Unter Verwendung sowohl der gemessenen ringförmigen Sub-Aperturen als auch von Positionsinformationen, werden relative Lage und Neigung der Subaperturen zueinander korrigiert. Ein Beispiel noch nicht zusammengefügter Ringe ist in Abb. 1 b) gezeigt. Mit Hilfe virtueller Experimente wurde ein Schätzwert der erweiterten Messunsicherheit ermittelt, der gute Übereinstimmung mit experimentell ermittelten Unsicherheiten zeigt [13].
Abb. 1: a) Foto eines D=300 mm Kupferprüflings (1) im Messsystem der PTB mit interferometrischem Zeilensensor (2), einem Punktsensor (3), mit dem ein mögliches Taumeln des Rotationstischs registriert wird, und einem Punktsensor (4), mit dem der Rundlauf des Prüflings während der Rotation kontrolliert wird. b) Simulierte Subaperturringe eines kugelförmigen Prüflings in lokalen Koordinaten. Die Neigungsinformation geht durch das Schwenken des Interferometers verloren. Die globale Neigung kann anhand der Informationen aus den Überlappbereichen oder eine Neuanordnung der Ringe in einem globalen Optimierungsproblem wiederhergestellt werden.
Verweise
DFG-Projektseite: https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/209933375
Projektpartner: http://www.uni-kassel.de/eecs/fachgebiete/messtechnik/startseite.html
Ausgewählte Veröffentlichungen
[1] O. Sasaki and H. Okazaki, “Sinusoidal phase modulating interferometry for surface profile measurement”, Applied Optics 25, 3137-3140, 1986, doi.org/10.1364/AO.25.003137
[2] O. Sasaki and H. Okazaki, “Analysis of measurement accuracy in sinusoidal phase modulating interferometry”, Applied Optics 25, 3152-3158, 1986, doi.org/10.1364/AO.25.003152
[3] U. Minoni, E. Sardini, E. Gelmini, F. Docchio and D. Marioli, “A high-frequency sinusoidal phase-modulation interferometer using an electro-optic modulator: Development and evaluation”, Review of Scientific Instruments 62(11), 2579-2583, 1991, doi: 10.1063/1.1142233
[4] P. Lehmann, M. Schulz and J. Niehues, “Fiber optic interferometric sensor based on mechanical oscillation”, SPIE Proceedings 7389, 738915, 2009, doi.org/10.1117/12.827510
[5] H. Knell, P. Lehmann, „High speed measurement of specular surfaces on carrier fringe patterns in a line scan Michelson interferometer setup”, Proceedings of SPIE 8788, 87880R, 2013, doi.org/10.1117/12.2020121
[6] H. Knell, S. Laubach, G. Ehret, P. Lehmann, „Continuous measurement of optical surfaces using a line-scan interferometer with sinusoidal path length modulation”, Optics Express 22, 29787-29798, 2014, doi.org/10.1364/OE.22.029787
[7] H. Knell, M. Schake, M. Schulz, P. Lehmann, „Interferometric sensors based on sinusoidal optical path length modulation”, Proceedings of SPIE 9132, 91320l, 2014, doi.org/10.1117/12.2051508
[8] Sören Laubach, Gerd Ehret, Jörg Riebling, Peter Lehmann, "Combination of a fast white-light interferometer with a phase shifting interferometric line sensor for form measurements of precision components," Proc. SPIE 10329, 2017, doi.org/10.1117/12.2269520
[9] Joerg Riebeling, Gerd Ehret, Peter Lehmann, "Optical form measurement system using a line-scan interferometer and distance measuring interferometers for run-out compensation of the rotational object stage," Proc. SPIE 11056, 2019, doi.org/10.1117/12.2526033
[10] Riebeling, J., Wellem, I., Lehmann, P., & Ehret, G., “Erfassung von Formabweichungen rotierender optischer Flächen mit linien-scannendem Interferometer, Echtzeitauswertung und Achsabweichungskompensation”, tm - Technisches Messen, 86(s1), 92-96., 2019, doi.org/10.1515/teme-2019-0049
[11] Markus Schake, Gerd Ehret, "Annular subaperture stitching interferometry with planar reference wavefront for measurement of spherical and aspherical surfaces," Proc. SPIE 11523, Optical Technology and Measurement for Industrial Applications 2020, 2020, doi.org/10.1117/12.2574754
[12] Markus Schake and Gerd Ehret, “Machine learning based fitting of Zernike polynomials for ASSI,”. DGaO-Proceedings Vol. 121, 2020. www.dgao-proceedings.de/download/121/121_a31.pdf
[13] Markus Schake, Jörg Riebeling, Gerd Ehret, "Form deviations caused by lateral displacement errors in annular subaperture stitching interferometry," Opt. Eng. 59(12) 124105, 2020, doi.org/10.1117/1.OE.59.12.124105
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