A self-calibrating interferometric method for asphere and freeform testing
Final Report Abstract
Mit dem Erfolg der Optik und Photonik in allen Bereichen der Industrie, Wissenschaft und der Lebenswissenschaften steigen die Anforderungen an die Optiksysteme und damit an die Optikkomponenten. Hier spielen asphärische und freigeformte Optiken eine wichtige Rolle, da sie einerseits zwar dem Designer ermöglichen, kompaktere und gleichzeitig leistungsfähigere Systeme zu realisieren, andererseits aber die Herausforderungen bei der Herstellung und damit der Messtechnik überproportional steigen. Interferometrische Nicht-Nulltest-Verfahren wie die Tilted Wave Interferometrie eröffnen hier neue Möglichkeiten. Eine Kernanforderung ist die Kalibrierung der systematischen Fehler des Messgeräts. Diese Kalibrierfunktion ist bei nicht-Nulltest-Vefahren multidimensional. Ihre Bestimmung erfordert vergleichsweise aufwändige Messreihen. Bei einer Veränderung des Messgeräts, zum Beispiel durch Objektivwechsel oder Temperaturänderungen, ändert die systematischen Fehler und erfordert dementsprechend eine neue Kalibrierung. Ziel des Projekts war es, ein selbst-kalibrierendes interferometrisches Verfahren zur Vermessung von Asphären und Freiformen zu entwickeln. Damit sollen eine Messzeit von unter einer Minute, eine Genauigkeit von einigen 10 nm, eine Anpassung der Schärfenebene an beliebige Prüflingsradien und eine Stabilität des Systems unter realistischen Umgebungsbedingungen von mehreren Wochen erreicht werden. Diese Kennzahlen entsprechen typischen Anforderungen an ein Messinstrument für den Einsatz in der Optikfertigung. Der Ausgangspunkt ist die Tilted-Wave-Interferometrie, der Ansatz ist, Redundanzen aus den Messergebnissen einzubeziehen, um den Einfluss der letztenendes unvermeidlichen Kalibrierfehler zu reduzieren. Solche Redundanzen können zum Beispiel durch die Vermessung eines Prüflings in mehreren Positionen erzeugt werden. Im Projekt wurden verschiedene Ansätze und Methoden untersucht, die ohne vollständige Neu-Kalibrierung die Kalibrierkoeffizienten korrigieren oder durch gleichzeitige Bestimmung des Systemfehlers trotz ungenauer Beschreibung den Einfluss auf das Messergebnis reduzieren: 1. Korrektur der Kalibrierung durch Wellenfrontpropagation bei Veränderung der Schärfenebene; 2. Modellgestützte Korrektur der Kalibrierkoeffzienten bei Umwelteinflüssen (Temperatur, Objektivmontage); 3. Simultane Rekonstruktion von Prüflings- und Systemparametern aus redundanten Messungen. Durch die systematische Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Unsicherheiten in den Kalibrierparametern und ihren Auswirkungen auf den Rekonstruktionsprozess konnten neue Methoden entwickelt werden, die systematische Fehleranteile simultan mit der Prüflingstopografie rekonstruieren können. In Simulation und Experiment konnte mit diesen Methoden eine Reduktion des Messfehlers abhängig von der Prüflingsform und der Art des systematischen Fehlers auf teils weniger als die Hälfte nachgewiesen werden. Durch die erfolgreich demonstrierte Methode zur Detektion von Kalibrierfehlern und zur Fehlereliminierung während des Messprozesses ist es möglich, die Anzahl an Situationen, bei denen ohne diese Methode eine Neukalibrierung erforderlich wäre, drastisch zu reduzieren. Dadurch ergibt sich eine signifikante Verbesserung der Robustheit des TWI-Messverfahrens.
Publications
- "Increasing the accuracy of tilted-wave-interferometry by elimination of systematic errors," Proc. SPIE 10329, Optical Measurement Systems for Industrial Inspection X, 1032904 (26 June 2017)
Johannes Schindler, Christof Pruss, Wolfgang Osten
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2270395) - “Simultaneous removal of nonrotationally symmetric errors in tilted wave interferometry,” Opt. Eng. 58(7), 074105 (2019)
Johannes Schindler, Christof Pruss, Wolfgang Osten
(See online at https://doi.org/10.1117/1.OE.58.7.074105) - Methoden zur selbstkalibrierenden Vermessung von Asphären und Freiformen in der Tilted-Wave-Interferometrie, Dissertation, Berichte aus dem Institut für Technische Optik, 105, April 2020
Johannes Schindler
(See online at https://doi.org/10.18419/opus-11496)
