Im Rahmen eines „MNPQ-Transfer“-Projektes des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie wurde das an der PTB erfundene TMS - Messverfahren [1,2] für die hochgenaue Formmessung optischer Oberflächen zum Projektpartner TRIOPTICS GmbH transferiert und zur kommerziellen Nutzung verfügbar gemacht. Dieses neuartige Messverfahren ist in den letzten Jahren an der PTB in enger Kooperation der Arbeitsgruppen „Form- und Wellenfrontmetrologie“ und „Datenanalyse und Messunsicherheit“ entwickelt worden und ermöglicht die hochgenaue Formbestimmung optischer Oberflächen mit deutlich besserer lateraler Auflösung und höherem Dynamikbereich als bisher verfügbare Methoden.
Das Projekt bestand aus zwei Stufen. In der ersten Stufe wurde die TMS-Messmethodik inklusive der notwendigen mathematischen Auswertealgorithmen zu dem Industriepartner transferiert. Diese Algorithmen sind speziell für den der PTB entwickelten Demonstrator-Aufbau angepasst, der ein kleines flächenmessendes Kompakt-Interferometer und einen Autokollimator verwendet. Dieser Messaufbau eignet sich insbesondere zur Messung schwach gekrümmter optischer Oberflächen, die mit konventionellen Interferometern nicht mehr gemessen werden können.
In der zweiten Stufe wurde das Prinzip auf stark gekrümmte Oberflächen erweitert. Dazu wurde von dem Kompakt-Interferometer als Vielfach-Abstandssensor zu einem multiplen (hier speziell: dreifachen) konfokal-chromatischem Sensor übergegangen (Bild 1). Da konventionelle Sensoren nach diesem Prinzip bei der erforderlichen Auflösung nicht in der Lage wären, den gesamten Höhenunterschied eines stark gekrümmten Prüflings abzudecken, wurde der gewählte Dreifach-Sensor mit einer Zusatzoptik ausgerüstet, damit die beim Abscannen des Prüflings zwischen den einzelnen Sensoren auftretenden Höhenunterschiede im Messbereich aller drei Sensoren blieben. Das TMS-Messprinzip erlaubt zudem ein Nachfahren des Dreifach-Sensors in der Höhe, so dass der Sensor dem Prüflingsprofil auch bei großen Höhendifferenzen folgen kann und Messungen des Oberflächenprofils möglich sind.
Für das neu aufgebaute TMS-Messsystem wurde die notwendige Justagestrategie entwickelt [3] und die konfokal-chromatischen Sensoren wurden hochgenau kalibriert. Die prinzipielle Messfähigkeit des Funktionsmusters wurde u.a. an einer Asphäre mit einem mittleren Radius von ca. 35 mm nachgewiesen (Bild 2): Das Oberflächenprofil konnte bis zu Abständen von 15 mm vom Zentrum in einem Messscan aufgenommen werden, wobei der Höhenunterschied ca. 3500 µm betrug und die asphärischen Abweichungen von der bestangepassten Sphäre gemessen werden konnten.
Bild 1: Foto und schematische Darstellung des Dreifach-Abstandssensors nach dem konfokal-chromatischen Prinzip
Bild 2:Topografie (links) und Abweichung zu einer bestangepassten Sphäre (rechts) für einen Prüfling mit ca. 35 mm mittlerem Radius
Literatur:
[1] M.Schulz, C.Elster, Traceable multiple sensor system for measuring curved surface profiles with high accuracy and high lateral resolution, Opt. Eng. 45, 060503 (2006)
[2] A. Wiegmann, M. Schulz, C. Elster, Absolute profile measurement of large moderately flat optical surfaces with high dynamic range, Optics Express 16, 11975-11986 (2008)
[3] H. Bremer, F. Schmähling, C. Elster, S. Krey, A. Ruprecht, M. Schulz, M. Stavridis, A. Wiegmann, Simple methods for alignment of line distance sensor arrays, Proc. SPIE 7718, 77181M-77181M-10, DOI: 10.1117/12.854266 (2010)