Zufalls-Phasenschiebe-Interferometer

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rainer Tutsch
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 36903051

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ausgangspunkt des Sphären-ZPSI waren das Planflächen-ZPSI und der in den Vorarbeiten entwickelte Ansatz zur Verschiebungsbestimmung des Testsphärenmittelpunkts. Zur weiteren Validierung der Mittelpunktsverschiebung wurde daher eine Simulationsumgebung in Matlab erstellt, da auch die weitere Programmierung der Auswertesoftware einheitlich in Matlab erfolgen sollte. Anschließend wurde der Ansatz zur Sphärenmessung in eine detaillierte Simulation mit der Optik-Design-Software Zemax eingearbeitet und der Aufbau des Zufallsphasenschiebe-Interferometers für sphärische Flächen geplant. Auf dieser Basis erfolgte eine hardwaretechnische Anpassung des vorhandenen ZPSI für ebene Flächen, hin zur Messung von sphärischen Flächen. Die wesentlichen Änderungen betrafen den Messarm, in dem die ebene Referenz- und Testfläche gegen ein Messobjektiv für sphärische Flächen und eine sphärische Testfläche ausgetauscht wurden, und den Auswertearm mit den Photodioden, der neu konfiguriert und dem eine zusätzliche Photodiode hinzugefügt wurde. Weitere Änderungen betrafen die Kalibriervorrichtung zur Bestimmung der Photodiodenlage, und die Datenerfassungselektronik. Durch die exakte Nachbildung des gesamten optischen Aufbaus, bot sich die Möglichkeit, Fehlereinflüsse, die durch die Konstruktion und die Anordnung der optischen Elemente unvermeidlich sind (z.B. Retrace-Error im Aufbau, sphärische Aberration der einzelnen Linsen etc.), weitestgehend zu kompensieren. Dies ist möglich durch die Einbindung der Simulation in die Auswertung. Die Auswertesoftware berechnet dazu aus den einzelnen Phasenverschiebungen, die von den Photodioden aufgenommen wurden, die 3D-Mittelpunktskoordinaten der sphärischen Testfläche. Diese Koordinaten werden als Simulationsparameter für eine ideale Testsphäre mit gleichem Radius in Zemax eingegeben. In Zemax kann auf diese Weise zu jedem Zeitpunkt der Messung die Phasenverschiebung zwischen Referenz- und Testfläche ermittelt werden. Dazu wird in Zemax automatisch die optische Weglänge von der Referenz- und Testfläche bis zum Kamerasensor durch eine beliebige Anzahl von Strahlen per Raytracing durch den gesamten Aufbau simuliert. Aus den flächenhaft verteilten optischen Weglängeninformationen, lässt sich durch Interpolation die Phasenverschiebung zu jeder Interferenzaufnahme und für jedes Pixel berechnen. Diese Phasenverschiebungen, zusammen mit den Interferenzbildern, werden mittels einer leicht modifizierten Variante des entwickelten Zufalls-Phasenschiebe-Algorithmus zum Berechnen der Testflächentopographie verwendet. Da es bei der Phasenschiebeauswertung durch den zufälligen Charakter der Phasenverschiebungen zu „schlechten“ Kombinationen von Phasenverschiebungen kommen kann, wurde zusätzlich ein Auswahlalgorithmus implementiert, der ungültige Phasenkombinationen weitestgehend vermeidet. Es wurden Messungen mit zufälliger Phasenverschiebung einer sphärischen Testfläche durchgeführt, wobei die Phasenverschiebungen durch einen schwingenden Piezoaktor appliziert wurden, um so die zufälligen Vibrationen zu simulieren. Der Piezoaktor hat einen internen Regelkreis und dessen Bewegung konnte separat ausgelesen werden. Die Anwendung des Piezoaktors zur Simulation der Vibrationen hat den Vorteil, dass man die applizierten Phasenverschiebungen mit denen, die durch das Auswerteverfahren ermittelt wurden, vergleichen kann. So sind mögliche Abweichungen und Fehlereinflüsse schneller identifizierbar. Zusätzlich wurden Messungen der Testfläche mit dem Standard- Phasenschiebe-Verfahren durchgeführt, bei denen die Phasenverschiebungen 0°, 90°, 180°, 270° betragen. Diese Messungen wurden ebenfalls mit dem Piezoaktor realisiert und als Referenzmessung zum Vergleich mit den Ergebnissen des Zufalls-Phasenschiebe- Interferometers für sphärische Flächen herangezogen. Der Vergleich zeigte eine sehr gute Übereinstimmung beider Messergebnisse und die Schwankungsbreite der Messergebnisse beim ZPSI waren ähnlich groß, oder kleiner als diejenigen der Referenzmessungen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Random phase shift interferometer. The 5th International Workshop on Automatic Processing of Fringe Patterns, W. Osten (Ed.) Fringe 2005, Seiten 167-174
  Doloca, R., Tutsch, R.
  
• Vibration induced phase-shift interferometer. In SPIE Vol. 6292, Optics and Photonics 2006, Optics, Optomechanics and Metrology, Vol. 6285, 6286-6293, SPIE, 13.-17.08.2006 in San Diego, California/USA, ISBN-Nr. 0-8194- 6371-x, 2006
  Doloca, R., Tutsch, R.
  
• Zufalls-Phasenschiebeinterferometrie. In: XX. Messtechnisches Symposium des Arbeitskreises der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. (AHMT), Bayreuth : Shaker, 2006, S. 131-141
  Doloca, R., Tutsch, R.
  
• Phase-shift Fizeau interferometer in presence of vibration. In: Novak, E. L.; Osten, W.; Gorecki, Chr. (ed.): Proc. SPIE Vol. 7064 (2008) - Interferometry XIV: Applications, San Diego, 2008
  Doloca, R.; Broistedt, H.; Tutsch, R.
  
• Random phase shift interferometer, Shaker Verlag; 2008, Braunschweig
  Doloca, R.
  
• Random-phase-shift Fizeau interferometer. In: Quan, C.; Asundi, A. (ed.): Proc. SPIE Vol. 7155 (2008) - Ninth International Symposium on Laser Metrology, Singapur, 2008
  Doloca, R.; Tutsch, R.
  
• Determination of Stochastic Phase Shifts in Random Phase Shift Interferometric Testing of Spherical Surfaces. In:10th IMEKO Symposium on Laser Metrology for Precision Measurement and Inspection in Industry (LMPMI), VDI Verlag GmbH Düsseldorf, 2011, S. 105-111
  Broistedt, H., Tutsch, R.
  
• Random-phase-shift Fizeau interferometer. In: Applied Optics Vol. 50, Iss. 36, pp. 6564–6575 (2011)
  H. Broistedt, N. R. Doloca, S. Strube, R. Tutsch
  
• Random phase shift interferometer for the measurement of spherical surfaces. In: Fringe 2013 - 7th International Workshop on Advanced Optical Imiging and Metrology, Springer Heidelberg New York Dordrecht London, 2013, S. 417-422
  H. Broistedt, R. Tutsch
  
• Zufalls-Phasenschiebe-Interferometer zur Messung sphärischer Oberflächen. In: Sensoren und Messsysteme 2014 - ITG-Fachbericht Band 250, VDE VERLAG GMBH Berlin Offenbach, 2014, ISBN-978-3-8007-3622-5
  H. Broistedt, R. Tutsch