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Jan Liesener
Die interferometrische Vermessung
asphärischer
Oberflächen
scheitert oft daran, dass die Streifen des Interferogramms aufgrund der
hohen Streifendichte von der Kamera nicht mehr aufgelöst
werden
können. Ein Interferometer, bei dem sich die Referenzwelle
gezielt
verkippen lässt, verschiebt den auswertbaren Bereich des
Interferogramms, so dass die Asphäre segmentweise vermessen
werden
kann. Im Rahmen eines BMBF-Projektes wurde ein Versuchsaufbau
entwickelt, bei dem die Referenzwelle mit Hilfe eines neuartigen
aktiven optischen Elementes verkippt werden kann.
Interferometer
mit dynamischer Referenz |
In Abb. 1
ist ein Interferometer skizziert, bei dem sich die Referenzwelle
verkippen lässt.
Der Strahlteilerwürfel in wird mit einem kollimierten Laser
beleuchtet. Es erfolgt eine Aufteilung in Referenzwelle (nach oben) und
Messwelle. Die Messwelle wird durch eine Sammellinse so geformt, dass
sie bestmöglich an den Prüfling angepasst ist. Die
vom
Prüfling reflektierte Welle wird von der Strahlteilerplatte
zur
Kamera umgeleitet. Durch Überlagerung mit einer Referenzwelle
entstehen Interferogramme wie in Abb.
1
links unten. Es ist zu sehen, dass die Interferenzstreifen nur in einem
zentralen Bereich und einem weiter aussen liegenden Ring noch von der
Kamera aufgelöst werden können. Mit dem skizzierten
Aufbau
lässt sich nun eine verkippte Referenzwelle erzeugen, indem
mit
dem phasenschiebenden
Punktlichtquellen-Array
(PPA, Funktionsweise weiter unten erklärt) wie in der
Abbildung
eine dezentrale Punktlichtquelle aktiviert wird. Die darauf folgende
Kollimationslinse wandelt die von der Punktlichtquelle ausgehenden
Kugelwelle in eine quasi ebene verkippte Welle um. Die
Überlagerung mit der Messwelle ergibt dann ein asymmetrisches
Interferogramm wie im Beispiel der Abb.
1
rechts unten ersichtlich. Die Bereiche auswertbarer Streifen haben sich
verschoben. Es werden nun einige Interferogramme mit verschiedenen
Referenzwellenverkippungen aufgenommen, um jeden Punkt des Messfeldes
mit mindestens einer Messung zu erfassen. Im Anschluss werden die
auswertbaren Bereiche der Einzelmessungen zu einer Gesamtmessung
zusammengefügt. Für das richtige
Zusammenfügen der
Bereiche ist es notwendig, den genauen Einfluss der Verkippung auf die
Messung zu ermitteln. Dazu werden im Vorfeld Kalibrationsmessungen
gemacht, bei denen bei ausgeblendeter Messwelle jeweils zwei verkippte
Referenzwellen gleichzeitig aktiviert werden, um deren Differenz direkt
interferometrisch zu messen.
Abbildung 1:
Prinzipskizze des Interferometers mit verkippbarer Referenz
Phasenschiebendes
Punktlichquellen-Array (PPA): |
Abbildung
2: Funktionsweise des PPA. Ein Raster von Punktlichtquellen
lässt
sich unabhängig voneinander schalten und in der Phase schieben.
Das primäre Ziel des
patentierten PPAs in Abb. 2
ist die Erzeugung einzeln schaltbarer, in einem vorgegeben Raster
angeordneter Punktlichtquellen, die im Zusammenspiel mit der
Kollimationslinse im Interferometer Referenzwellen unterschiedlicher
Verkippung erzeugen. Die Lage der Punktlichtquellen ist gegeben durch
die Lage der Lochblenden des Lochblendenarrays (LBA). Vor den
Lochblenden befinden sich Mikrolinsen des Mikrolinsenarrays (MLA) zur
Fokussierung des Lichtes auf die Lochblenden. Als dritten Bestandteil
enthält das PPA ein Flüssigkristalldisplay (LCD), das
noch
vor dem MLA platziert ist. Es besteht aus einem Raster kleiner
Flüssigkristallzellen (Pixel), deren Transmission
computergesteuert einstellbar ist. Im Grundzustand des PPA (alle
Punktquellen inaktiv) werden alle Pixel des LCDs "intransparent"
geschaltet. Die Beleuchtung des gesamten PPAs erfolgt unter einem
leichten Winkel, so dass, selbst wenn ein geringer Teil des Lichtes
durch die auf "intransparent" geschalteten Pixel des LCDs dringt, die
Punktquellen inaktiv bleiben, weil das Licht knapp neben die
Lochblenden fokussiert wird. Zur Aktivierung einer Punktquelle wird mit
dem LCD vor einer Mikrolinse ein lokales Beugungsgitter erzeugt.
Beugungsgitter bewirken eine Aufspaltung des Lichtes in verschiedene
Beugungsordnungen, die sich in leicht unterschiedliche Richtungen
ausbreiten. Das System ist so justiert, dass die erste Beugungsordnung
von der Mikrolinse genau auf die Lochblende fokussiert wird
(gestrichelte Linien). Alle Punktquellen lassen sich so
unabhängig
voneinander aktivieren und deaktivieren. Darüber hinaus kann
die
Phase jeder aktiven Punktlichtquelle durch die laterale Verschiebung
des Beugungsgitters verschoben werden. Solch definierte
Phasenverschiebungen werden in den Standard-Auswertealgorithmen der
phasenschiebenden Interferometrie benötigt, so auch in dem
oben
beschriebenen Versuchsaufbau.
- Vermessung glatter
Oberflächen, z.B. asphärischer Linsen
- Die
Vermessung asphärischer Linsen ist ein in der Messtechnik
immer noch unbefriedigend gelöstes Problem. Die genaue
Vermessung
ist jedoch die Voraussetzung für die genaue
Asphärenfertigung.
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| Abbildung
3a: Einzelmessung mit begrenztem auswertbarem Bereich |
Abbildung
3b: Zusammengefügte Messung aus 5x5 Einzelmessungen |
Die
ersten Messungen mit dem Versuchsaufbau wurden an einer
Referenzsphäre mit einem Krümmungsradius von 60mm
durchgeführt. Das System wurde bewusst so justiert, dass die
Messwelle nicht ideal an den Prüfling angepasst war. Dadurch
wurden 5 x 5 Messungen mit verschiedenen Referenzwellenwinkeln
notwendig. In Abb. 3a
ist das Ergebnis
einer Einzelmessung zu sehen. Die gemessene Wellenfront liegt, wie bei
interferometrischen Messungen üblich, zunächst modulo
2π
vor. Es ist deutlich zu erkennen, dass nur in einem begrenzten Bereich
verwertbare Messwerte vorliegen. In anderen Bereichen sind die
Messwerte aufgrund der zu hohen Streifendichte verrauscht bzw. gar
nicht mehr auswertbar. Durch Zusammenfügen auswertbarer
Bereiche
aus den 25 Messungen mit unterschiedlichen Referenzwellenverkippungen
erhält man die Gesamtmessung, die in Abb. 3b
gezeigt ist. Der nächste Schritt besteht darin, den modulo
2π-Charakter der Messung aufzuheben, indem durch
Hinzufügen
eines Vielfachen von 2π zu jedem Messpunkt eine glatte
Topografie
erzielt wird. Sie ist in Abb. 4a
zu
sehen. Zwischen dem tiefsten und dem höchsten Punkt liegen 275
λ, also ca. 175µm. Die Topografie entspricht der
Differenz
zwischen der Messwelle und einer unverkippten Referenzwelle in der
Ebene des Kamerachips. Zur Beurteilung der Messgenauigkeit wird das
komplette optische System mit allen brechenden und reflektierenden
Flächen in einem Strahldurchrechnungs-Programm modelliert und
die
zu erwartende Messung simuliert. Abb.
4b
zeigt den Obeflächenmessfehler, der sich aus der Differenz
zwischen Simulation und der tatsächlichen Messung ergibt. Er
beträgt λ/14 RMS (Standardabweichung) und weniger
als
λ/2 PV (Differenz zwischen höchstem und tiefstem
Wert). Die
symmetrische Geometrie (sphärische Aberration) des Messfehlers
legt nahe, dass die axiale Position einer oder mehrerer optischer
Komponenten leicht fehlerhaft ist.
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| Abbildung
4a: Messung aus 3b nach der Verstetigung der Phase. |
Abbildung 4b:
Messung nach Abzug der simulierten Messung |
Referenzen
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Jan Liesener, Hans J. Tiziani, "Interferometer with dynamic reference",
Proc. SPIE Vol. 5252, p. 264-271, (2004)
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