Interferometer mit dynamischer Referenz

Interferometer mit dynamischer Referenz Phasenschiebendes Punktlichtquellen-Array Anwendungen Beispielmessung Referenzen & Links

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

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.

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.

Abbildung 4a: Messung aus 3b nach der Verstetigung der Phase.	Abbildung 4b: Messung nach Abzug der simulierten Messung

Referenzen

© Institut für Technische Optik