Formmessung an Präzisionsbauteilen mit einem dynamisch nachgeführten interferometrischen Zeilensensor
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war es, die Möglichkeiten der Asphärenmetrologie zu erweitern und ein Gerät hinzuzufügen, das rückführbar auf die Maßverkörperung der Länge kalibriert werden kann und rotationssymmetrische Prüflinge wie sphärische oder asphärische Linsen präzise messen kann. Im Verlauf des Projektes wurden einige Techniken entwickelt und Erkenntnisse gewonnen, die über das konkrete Projekt hinaus anwendbar sind und den Stand der Wissenschaft auf dem Gebiet der optischen Asphärenmetrologie erweitert haben. Echtzeitfähige Topographieauswertung: Die Aufnahme der Messdaten und die Datenverarbeitung wurden durch die zentrale Steuerung eines echtzeitfähigen Mikrocontrollers so synchronisiert, dass bei Abschluss eines Weißlichtscans (SWLI) oder einer Subaperturmessung mit dem weglängenmodulierten Referenzspiegel das Phasenprofil des Prüflings zur weiteren Verarbeitung bereitsteht. Durch die Implementierung der Datenverarbeitung und Messablaufsteuerung in einem schnellen C++ Programm können Millionen von Datenpunkten in unter einer Sekunde ausgewertet werden. Dies ist interessant für die Implementierung in einem industriellen Umfeld, z.B. einer Produktionslinie, in der der Produktionsprozess basierend auf den Messergebnissen geregelt werden soll und keine Zeit für eine Auswertung der Messdaten in einer separaten Software oder einem separaten Auswerte-Prozess zur Verfügung steht. Korrektur von Rotationsachsenfehlern: Ein grundlegendes Problem bei der Messung an einem rotierenden Objekt sind Bewegungsfehler der Rotationsachse, die von dem interferometrsichen System nicht von Oberflächenfehlern unterschieden werden können. Durch die Kombination des Zeilensensors mit zwei interferometrischen Punktsensoren, die während der Achsenrotation parallel und senkrecht zur Rotationsachse auf der Oberfläche eines bekannten Referenzobjektes messen, können die Bewegungsfehler der Achse detektiert und die gemessene Topographie des Prüflings entsprechend korrigiert werden. Entwicklung von Stitchingalgorithmen: Eine allgemeine Herausforderung von Subaperturstitching-Verfahren ist die Zusammensetzung der in lokalen Koordinatensystemen erfassten Subaperturen zu einer Gesamttopographie. Im Rahmen des Projektes wurde ein kumulatives und ein globales Stitching entwickelt, das bei eindeutiger Zuweisung der Lateralposition der Messwerte die fehlenden Neigungsund Offsetinformationen zwischen den Subaperturen rekonstruiert. Das globale Optimierungsproblem nutzt eine Kombination von Koordinatentransformationen und vereint ein Zernike-Polynom-basiertes mit einem kartesischen Polynom-Stitching, was erweiterte Anwendungen ermöglicht. Simulation der erweiterten Messunsicherheit: Die erweiterte Messunsicherheit ist von großer Bedeutung für die Vergleichbarkeit von Messwerten. Durch die große benötigte Stichprobenzahl ist sie jedoch sehr aufwendig experimentell zu ermitteln. Durch die Verwendung eines virtuellen Experiments konnte der dominante statistische Systemfehler, verursacht durch laterale Positionierungsfehler, simuliert werden und ein Schätzwert für die erweiterte Messunsicherheit der Topographiemesswerte ermittelt werden. Der Schätzwert des virtuellen Experiments zeigt eine gute Übereinstimmung mit der Standardunsicherheit aus einer Serie von experimentellen Messungen. Die Verwendung einer Zernike-Polynomkoeffizientendarstellung der Messunsicherheit ermöglicht die Dokumentation der positionsabhängigen Messunsicherheit in einem kompakten, skalierbaren Format.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Continuous measurement of optical surfaces using a line-scan interferometer with sinusoidal path length modulation”. Opt. Express (2014). Vol. 22(24), 29,787–29,798
Holger Knell et al.
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“Interferometric sensors based on sinusoidal optical path length modulation”. SPIE Proceedings 9132 (2014). pp. 118 – 127
Holger Knell et al.
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“Calibration Strategies for a New Fast Line-based Form Measuring System,”. DGaO Proceedings (2015). Vol. 116
Sören Laubach et al.
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Robust interferometric sensors based on sinusoidal phase modulation”. European Optical Society Annual Meeting (EOSAM) (2016)
Peter Lehmann et al.
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“A new form measurement system based on subaperture stitching with a line-scanning interferometer”. Advanced Optical Technologies (2016). Vol. 5(5-6), 415 – 422
Sören Laubach et al.
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“Interferometrischer Liniensensor zur Formmessung von optischen Oberflächen”. XXX. Messtechnisches Symposium des AHMT (2016). pp. 125–132
Sören Laubach, Gerd Ehret, and Peter Lehmann
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“Interferometrischer Liniensensor zur Formmessung von rotationssymmetrischen optisch glatten Oberflächen”. tm - Technisches Messen (2017). Vol. 84(3), 166 – 173
Sören Laubach et al.
