Bestimmung der Form ebener und gekrümmter Flächen

Bestimmung der
Form ebener und
gekrümmter Flächen
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Optische Abbildungssysteme und ihre Oberflächen
In den letzten Dekaden hat eine schnelle technologische
Entwicklung bei der Herstellung optischer Komponenten
stattgefunden. Optische Systeme finden vielfältige
Anwendungen, von kleinen Handykameras bis zu großen
Weltraum-Teleskopen und weisen heutzutage oft
komplexe optische Oberflächen auf.
Die Abbildungseigenschaften von optischen Systemen
hängen wesentlich von der Qualität und Form ihrer
Oberflächen ab.
Daher werden an der PTB Messverfahren entwickelt und
bereitgestellt, die der Bestimmung der Form optischer
Oberflächen dienen. Besondere Bedeutung haben dabei:
ƒ ebene Flächen, z. B. für Spiegel oder Planplatten für
Interferometer-Referenzflächen;
ƒ kugelförmige Flächen, z. B. für Linsen;
ƒ Flächen beliebiger Form – sog. Asphären, die
inzwischen industriell mit hoher Genauigkeit
hergestellt werden können.
QUELLE :http://www.schott.com
Asphärische Linsen
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Optische Formmessung
Zur Messung nahezu ebener Flächen dienen Interferometer (Foto links)
oder Winkelmessgeräte (Foto rechts).
Diese Geräte können sehr kleine Ebenheitsabweichungen messen, dabei
ist die Genauigkeit z. T. in der Größenordnung eines Atomdurchmessers
(d.h. ca. 0,1 nm = 10−10 m).
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Prinzip eines Interferometers zur Formmessung
Nahezu ebene Flächen können mit dem Prinzip der Interferenz
gemessen werden.
In einem Interferometer zur Formmessung (siehe auf dem Foto auf S. 3) wird
ein Licht-Strahlenbündel an einem Strahlteiler aufgeteilt. Ein Teilbündel wird
zu einer Referenzfläche, das andere Teilbündel zu der zu messenden Fläche
geleitet und jeweils reflektiert. Die beiden reflektierten Bündel werden am
Strahlteiler wiederum überlagert und schließlich mit einer Kamera
aufgenommen. Detektiert wird ein Interferenzmuster, das aus hellen und
dunklen Streifen besteht.
Referenzfläche
zu
messende
Fläche
2)
Laser
x
Kamera
Ringmuster
(Messfläche mit sehr
großem Radius)
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Interferometerische Formmessung
Über die Intensitätsmessung und Verschiebung im Interferenzmuster können
bereits kleinste Veränderungen des Gangunterschieds Δd zwischen den
beiden Wellenbündeln gemessen werden. Dieser Gangunterschied entspricht
dem Höhenunterschied in der zu messenden Fläche:
∆d = (λ/2) z,
z: Anzahl der Interferenzmaxima, λ: Wellenlänge des verwendeten Lichtes.
Interferometer werden in der PTB zur Messung von nahezu ebenen Flächen
bis zu Durchmessern von 300 mm eingesetzt.
Wenn in einer Messung beispielweise
20 Interferenzstreifen aufgelöst werden
können, dann gibt dies Informationen
über Höhenunterschiede bis zu etwa
10 µm (1 µm = 10−6 m).
Streifenmuster für sehr ebene aber
geneigte (links) und nicht ebene (rechts)
Flächen.
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Prinzip der winkelmessenden Formmessung
Messungen an größeren (teilweise auch stärker gekrümmten)
Oberflächen können mit Winkelmessgeräten, z. B. Autokollimatoren,
durchgeführt werden.
Ein Autokollimator sendet Licht aus einer definierten Richtung aus und
registriert unter welchem Winkel es zurückkommt, wenn es an einer zu
messenden Fläche reflektiert wird. Wird der Lichtstrahl über ein geeignetes
Doppelspiegelsystem um genau 90° umgelenkt, kann man mit einem
solchen verschiebbaren Doppelspiegelsystem die Oberfläche abrastern
(„scannen“) und erhält die Oberflächenwinkel. Aus diesen kann die
Oberflächenform mit mathematischen Methoden rekonstruiert werden.
2)
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Ergebnis der Formmessung einer ebenen Fläche
Ebene Flächen können heutzutage auf wenige Nanometer genau gefertigt und
gemessen werden.
2)
Sogenannte Falschfarbendarstellung der Topographie
einer Fläche. Die Farbe gibt die Abweichung von einer
ebenen Fläche an: rot ist ein 3 nm hoher „Berg“, blau
ein 3 nm tiefes „Tal“.
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Gegenüberstellung: Interferometrie und winkelmessende Formmessung
• Mit „einfachen“ interferometrischen Techniken können hochgenaue, schnelle,
inzwischen gut automatisierbare Messungen durchgeführt werden hauptsächlich für nahezu ebene Flächen und für nur sehr schwach gekrümmte
Sphären.
• Mit hochpräzisen Winkelmessgeräten und speziellen mathematischen
Methoden der Rekonstruktion optischer Oberflächen können stärker
gekrümmte Flächen bis zu 1 m Länge mit sehr guten Genauigkeiten gemessen
werden. Die Messung erfolgt jedoch durch einzelnes Abtasten mit langer
Messzeit.
Um die Messung beliebiger Flächen zu optimieren, verwendet die PTB eine
Kombination aus Interferometrie und Winkelmessung.
AbstandsInterferometer
FlächenmessendesInterferometer
Autokollimator
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Formmessung gekrümmter Flächen
Ein flächenmessendes Interferometer ist in der Lage, Teilbereiche der
gesamten Fläche zu messen.
Durch die zusätzliche Verwendung eines Autokollimators und eines
Abstandsinterferometers kann der Bezug der Teilflächen zueinander
hergestellt werden.
Aus allen Daten kann anschließend die Form der ganzen Fläche hochgenau
rekonstruiert werden.
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Anhang
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Vom Quecksilberspiegel zur winkelmessenden Formmessung
Asphärische Optik
Weiterführende Literatur: Optische Formmessung
Kontakt
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Vom Quecksilberspiegel zur winkelmessenden Formmessung
Schon früher wurde in der PTB ein Interferometer entwickelt um ebene Flächen
zu messen. Als sehr ebene Referenz diente die flüssige Oberfläche von
Quecksilber. Es gehörte eine große Expertise und Know – How dazu, einen
solchen Quecksilberspiegel (∅ ca. 30 cm) herzustellen und zu betreiben. Die
Abweichungen von einer idealen Ebene waren nur wenige Nanometer.
Quecksilberspiegel der PTB - hier mit absichtlich
hervorgerufenen Wellen, Durchmesser ca. 30 cm.
Die Oberfläche der Flüssigkeit aus Quecksilber
soll sich wie die Meeresoberfläche glatt ausbilden,
Wellen sollten aber vermieden werden.
Modernes Ebenheitsmessgerät, das die Oberfläche
des Prüflings über eine lokale Winkelmessung
bestimmt. Die Nachteile des Quecksilberspiegels
werden vermieden und es können noch bessere
Genauigkeiten erzielt werden.
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Asphärische Optik
Lange Zeit waren gekrümmte Flächen nur als Kugelflächen üblich (Sphären).
Heute werden zunehmend nicht kugelförmige Flächen, sogenannte Asphären
verwendet (z.B. Brillen, Spiegelsysteme, Mikroskoplinsen, Ferngläser, Kameras
und die optischen Systeme zur Herstellung von Computerbauteilen).
Mit Asphären hat man mehr Freiheitgrade, die
verschiedenen Bildfehler der Optik zu korrigieren.
Asphärische Linsen werden als Ersatz für mehrere
sphärische optische Elemente eingesetzt. Dadurch
wird die Leistungsfähigkeit von Optiken stark
gesteigert und es lassen sich Systeme mit höherer
Qualität, einem geringeren Gesamtgewicht und
insgesamt kompakterem Design herstellen.
www.schott.com/advanced_optics
Blankgepresste asphärische Linse
Die Entwicklung der Messtechnik für Asphären wird
in der PTB unter anderem in einem gemeinsamen
europäischen Projekt vorangetrieben.
Auch das Kompetenzzentrum Ultrapräzise
Oberflächenbearbeitung e.V. kümmert sich intensiv
um die Verbesserung der Asphären-messung,
wodurch den Herstellern der Flächen eine
Asphärischer Spiegel zur Fokussierung der
zuverlässigere Produktion ermöglicht wird.
Synchrotronstrahlung (Helmholtz-Zentrum
Berlin für Materialien und Energie GmbH).
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Weiterführende Literatur: Optische Formmessung
Mehr Informationen unter: www.ptb.de
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Abteilung 4 Optik, Fachbereich 4.2 “4.21 Form- und Wellenfrontmetrologie“
http://www.ptb.de/cms/fachabteilungen/abt4/fb-42/ag-421.html
Gerd Ehret, Michael Schulz, Uwe Brand u. a.: „Optische und taktile Oberflächencharakterisierung auf der nm-Skala“, PTB Mitteilungen 121 (2011) Heft 2, Seite 142,
http://www.ptb.de/cms/publikationen/zeitschriften/ptb-mitteilungen/verzeichnis-derptb-mitteilungen/ptb-mitteilungen-2011/nanometrologie.html
Andere Quellen:
• G. Ehret, M. Schulz, M. Baier, A. Fitzenreiter, M. Stavridis, C. Elster: Vergleich von
hochgenauen deflektometrischen Verfahren für die Ebenheitsmetrologie (2010),
http://www.dgao-proceedings.de/download/111/111_a20.pdf
• M. Schulz, A. Marquez, A.Wiegmann, C. Elster: Direkte Kalibrierung
flächenmessender Interferometer mit dem TMS-Verfahren (2008), http://www.dgaoproceedings.de/download/109/109_a6.pdf
• A. Wiegmann, C. Elster, M. Schulz, M. Stavridis (2008): Absolute
Topographievermessung gekrümmter optischer Oberflächen mit hoher lateraler
Auflösung (2008), http://www.dgao-proceedings.de/download/109/109_p28.pdf
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Kontakt
Photo: Wächtergruppe von Friedrich-Wilhelm Voswinkel (1982) am Eingang der PTB, Braunschweig
Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB
Bundesallee 100
38116 Braunschweig
http://www.ptb.de
Abteilung 4 - Optik,
Sekretariat: Tel.: (05 31) 592-40 11
E-Mail: [email protected]
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