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Unrundes in Perfektion – Interferometrische Vermessung von Asphären

29.08.2017 | Thema: Messtechnik

Produktionsbegleitende Vermessung von Asphären –

Teil 2: Wie funktioniert ein Fizeau Interferometer

Den taktilen Messverfahren haben wir uns im ersten Teil der Artikelserie bereits detailliert gewidmet. Im folgenden Beitrag steht die berührungslose Vermessung von Asphären mit Hilfe von Interferometern im Zentrum, um exemplarisch die optischen Messverfahren zu beschreiben.

Interferometer gelten als Standardinstrument zur Vermessung von planen und sphärischen optischen Flächen. Dabei wird das Prinzip der Interferenzstreifen, welche durch die Überlagerung kohärenter Lichtwellen entstehen, genutzt, um Informationen über die Oberflächenform einer Testfläche zu ermitteln. Unter Anwendung geeigneter Messabläufe ist es auch möglich, asphärische Flächen mittels Interferometern zu vermessen. Nachfolgend werden sowohl die Vermessung von Sphären als auch Asphären mit Interferometern näher erläutert.

Aufbau und Funktion eines Fizeau Interferometers

Im Interferometer werden mittels Fizeau Linse, Prüfling und Laserquelle zwei kohärente Strahlen, der Prüfstrahl und der Referenzstrahl, erzeugt. Durch die Überlagerung der beiden kohärenten Strahlen kommt es zur Interferenz, also zur Ausbildung eines Interferenzmusters, welches über die Kamera abgebildet wird.

Aufbau eines Fizeau Interferometers

Abb. 1: Stark vereinfachter Aufbau eines Fizeau Interferometers

Interferometrische Vermessung einer Sphäre

Die entscheidenden Bestandteile eines Fizeau Interferometers sind die kollimierte Laserlichtquelle und die austauschbaren Referenzflächen, die Fizeauobjektive. Letztere erzeugen eine kugelförmige Wellenfront. Die zu vermessende Sphäre wird so in den Strahlengang positioniert, dass die Wellenfront senkrecht auf die Oberfläche trifft und reflektiert wird. Im Interferometer wird der von der Referenzfläche reflektierte Strahl mit dem vom Testobjekt reflektierten überlagert. Die entstehenden Interferenzbilder zeigen ein charakteristisches Streifenmuster auf dem Detektor. Darin erkennbar sind Abweichungen des Testobjektes von der idealen Form. Diese erzeugen Phasenverschiebungen zwischen den reflektierten Wellenfronten und werden dadurch im Interferenzbild als Intensitätsunterschiede sichtbar. Die Messung wird beim phasenverschiebenden Messverfahren mit mehreren Verschiebungen der Referenzsphäre wiederholt. Aus den resultierenden Interferenzbildern wird eine vollflächige Fehlerkarte des Messobjektes erzeugt.

Bedeutung des Fizeau Objektivs

Die Grundlage der interferometrischen Vermessung ist die Erzeugung des Interferogramms durch Überlagerung einer Prüf- und einer Referenzwelle. Um diese Referenzwelle zu erzeugen, wird die letzte optische Fläche im Fizeau Objektiv, es handelt sich um die Fläche mit dem höchsten Genauigkeitsanspruch im System, nicht entspiegelt. Der dadurch reflektierte Anteil dient als Referenz. Das R/D-Verhältnis des Objektivs, d.h. der Quotient von Krümmungsradius zu Durchmesser, muss zur Geometrie des Prüflings abgestimmt sein, um eine Messung zu ermöglichen. Aus diesem Grund werden Objektive mit verschiedenen F-Zahlen angeboten (vgl. Abb. 2).

asphericon bringt mit der Objektivreihe a|FizeriC erstmals Objektive auf den Markt, welche durch den Einsatz von mindestens einer Asphäre deutlich kompakter und leichter sind, als die bisher verfügbaren. Durch eine intrinsische Aufweitung des Eingangsstrahls deckt a|FizeriC einen deutlich größeren Bereich an messbaren Prüflingen ab und ermöglicht somit den optimalen Einsatz des Interferometers. Es besteht erstmals die Möglichkeit, konvexe Linsen mit einem Durchmesser > 4‘‘ mit einem 4‘‘ Interferometer zu vermessen.

Abb 2. Verfügbare Designs des asphericon a|FizeriC 4“
Abb 2. Verfügbare Designs des asphericon a|FizeriC 4“

Vermessung mit computergenerierten Hologrammen (CGH)

Lange Zeit galt das computergenerierte Hologramm (CGH) als einzige Möglichkeit, um Asphären interferometrisch zu vermessen. Dazu wird das Interferometer um ein CGH erweitert. Dieses erzeugt eine asphärische Wellenfront in der Soll-Form, wodurch die Abweichung der Testasphäre von der idealen Asphäre im Interferenzbild dargestellt wird. Mittels Phasenverschiebung werden wiederholt Messungen durchgeführt und zu einer Fehlerkarte überlagert.

Vorteile dieser Methode sind die hohe Reproduzierbarkeit der Wellenfront sowie die hohe Messgenauigkeit (λ/10). Allerdings erweist sich das CGH aufgrund der hohen Anschaffungskosten nur für den Einsatz in der Serienproduktion als wirtschaftlich. Für jeden Linsentyp muss, basierend auf der jeweiligen Soll-Asphäre, ein eigenes CGH angefertigt werden. Für kleine bis mittlere Serien ist dies sehr kostspielig. Neuere interferometrische Verfahren jedoch sorgen für eine präzise und wirtschaftlichere Vermessung bereits im Prototypenstadium.

Interferometrische Vermessung einer Asphäre

Asphären weichen in ihrer Form mehr oder weniger stark von der Sphäre ab, wodurch die oben beschriebene Technik nur unter bestimmten Bedingungen Anwendung finden kann.

Prinzipielle Anordnung der Einzelmessungen beim Subaperture Stitching
Abb. 3: Prinzipielle Anordnung der Einzelmessungen beim Subaperture Stitching

Eine Möglichkeit ist das so genannte Subapertur Stitching. Dabei wird die zu vermessende Asphäre in Abhängigkeit ihrer Geometrie in kleine, überlappende Testbereiche unterteilt (vgl. Abb. 3). Die Ergebnisse der Einzelmessungen werden nachfolgend zu einer vollflächigen Fehlerkarte der Testlinse zusammengesetzt. Diese Technik kommt bei der Vermessung von Linsen mit größerem Durchmesser bzw. Asphären mit leichter bis mittlerer Abweichung von der sphärischen Form zum Einsatz. Ein Vorteil dieser Methode ist die hohe Flexibilität in Bezug auf die zu vermessenden Flächen. Allerdings steigen mit der Anzahl der Einzelmessungen auch die Messzeit und die Anforderung an die Rechentechnik für die Auswertung.

Zerlegt man eine Asphäre in konzentrische Ringe, so ist es möglich, jeden dieser Ringe mit einer best-fit Sphäre zu beschreiben. Das Verfahren der Multizonalen Interferometrie macht sich genau dies zu Nutze. Bewegt man das Testobjekt im Strahlengang des Interferometers entlang der optischen Achse hin und her, so kann für jeden Ring eine Position gefunden werden, an welcher die Wellenfront senkrecht auf die Asphäre trifft (vgl. Abb. 4). Abhängig von der Geometrie der Asphäre, erfolgt die Vermessung Ring für Ring. Die einzelnen Messungen werden im Nachgang rechnerisch zusammengefügt. Auch diese Methode weist eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Form des Testobjektes auf, allerdings besteht die Notwendigkeit einer hochgenauen Messung der Position der Asphäre für jede Teilmessung.

Einzelmessungen der multizonalen Interferometrie
Abb 4. Einzelmessungen der multizonalen Interferometrie

Das abgebildete Interferogramm  (Abb. 5) zeigt eine beispielhafte Messung mittels Zygo Verifire AsphereTM, einem Laserinterferometer, welches multizonal misst. Auf die Linse wurde im Vorfeld ein Fehler mit einer Höhe von rund 50 nm aufgebracht, welche perfekt im Interferogramm abgebildet wurde. Die gemessene Linse mit dem Logo weist einen RMSi von 13 nm auf.

Interferogramm
Abb. 5: Messbeispiel

Abgrenzung zur taktilen Messtechnik

Verglichen mit der taktilen Vermessung liegen die Vorteile der interferometrischen Vermessung ganz klar in der Berührungslosigkeit, was eventuelle Beschädigungen der fertigen Linsenoberfläche verhindert. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die vollflächige Vermessung, welche der Erstellung einzelner Profile gegenübersteht. Allerdings ist diese Methode zeitaufwändiger, sodass nur eine Aufwand-Nutzen-Abgrenzung tatsächlich entscheiden kann, welche Methode zum Einsatz gebracht wird. Während der Bearbeitung, wie beispielsweise dem Schleifen, erfolgt eine Kontrolle der Linsenform mittels taktil gemessenem Profil, um die folgenden Bearbeitungsschritte entsprechend anzupassen. Eine abschließende Prüfung der fertig polierten Optik hingegen, sollte eher interferometrisch erfolgt, um die hochwertige Oberfläche zu schützen.