Exakte Messung gekrümmter Flächen

15.04.2014 - Deutschland

Die genaue Vermessung von Asphären – gekrümmten aber nicht kugelförmigen Flächen − stellt eine enorme technische Herausforderung dar. Sie können sowohl mit optischen als auch mit taktilen Messverfahren gemessen werden, die jeweils ganz unterschiedlich auf Krümmungen und Steigungen reagieren und entsprechend abweichende Messergebnisse liefern. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hat nun Asphärennormale entwickelt, mit denen die rückgeführte Kalibrierung unterschiedlicher Messgeräte und damit die Vergleichbarkeit von Messergebnissen möglich wird. Derartige Prüfkörper erhöhen bei Herstellern und Endkunden das Vertrauen in die Messrichtigkeit bei einem Bruchteil der Kosten des Gesamtgerätes.

Ein Beispiel für asphärische Flächen sind Linsen, die beispielsweise Einsatz finden als Kontaktlinsen, Brillengläser, in Mikroskopen oder Kameraobjektiven. Die PTB hat mehrere Normale entwickelt, die die rückgeführte Kalibrierung sowohl von Koordinaten- als auch von optischen Messgeräten für die Vermessung solcher Asphären ermöglichen. Die Oberfläche der Prüfkörper ist von definierter asphärischer Form. Auf dem Prüfkörper sind modulierte Sinusprofile auf einer Sphäre mit Plateaus und Freiformflächen eingebracht. Diese verschiedenen Formen dienen zur Bestimmung der lateralen Auflösung, der vertikalen Höhengenauigkeit und der genauen Formbestimmung. Die neuen Prüfkörper sind für Prüflaboratorien entlang der Rückführungskette und zur Qualitätssicherung in der Industrie von Interesse. Zur Verbesserung der In-House-Messtechnik können die Prüfkörper jedem optischen oder taktilen Messgerät beigestellt werden. Die neue Technik entstand im Rahmen des "European Metrology Research Programme" (EMRP), eines gemeinschaftlichen Forschungsprojektes mehrerer europäischer Metrologie-Institute und Firmen.

Kostengünstiges Verfahren zur Vermessung kleiner Asphären und Freiformen

Insbesondere für sehr kleine Asphären und Freiformflächen existieren nur wenige Messtechniken am
Markt. Daher präsentiert die PTB auf der Optatec nicht nur neue Prüfkörper, sondern auch ein neues Messkonzept, dessen Wirkprinzip zum Patent angemeldet ist, und das die PTB mit einem oder mehreren Industriepartnern realisieren möchte. Das System kann mittels Mikrolinsenarray kleine Objekte mit einem kompakten Messaufbau ohne bewegliche Teile vermessen.

Etablierte Messverfahren im Bereich der Asphärenmessung sind entweder zeit- und kostenintensiv oder können nur bei ganz bestimmten Prüflingsgeometrien eingesetzt werden. Deflektometrische Systeme, basierend auf Kameras und einem Bildschirm, sind hingegen voluminös und kalibrierintensiv.

Die neue Idee der PTB: Die Kameras werden durch sphärische Wellenfronten ersetzt, welche mit kommerziell verfügbaren Mikrooptiken in sehr hoher Qualität erzeugt werden können. Anstelle eines Bildschirms wird ein Wellenfrontsensor verwendet. Der Prüfling wird nacheinander mit mehreren sphärischen Wellenfronten beleuchtet. Dabei wird die reflektierte und deformierte Wellenfront mit dem Wellenfrontsensor gemessen. Zur Rekonstruktion der Oberflächenpunkte werden die Strahlen verwendet, die von demselben Punkt der Prüflingsoberfläche reflektiert wurden. Diese müssen aus den Fokus-Punkten der sphärischen Wellenfronten stammen. Aufgrund des Wirkprinzips sind Kalibrierprobleme und Abbildungsfehler deutlich reduziert. Das inkohärente Messprinzip ermöglicht zusammen mit der kurzen Messzeit einen Einsatz im Produktionsumfeld.

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