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02.03.2016

Keine Knicke in der Optik

Interferometer sind in der Lage, Linsen aller Größen, Formen und Materialien zu vermessen.

Licht wird erst durch präzise Optik zum Werkzeug. Das setzt Messverfahren voraus, die Linsen aller Größen, Formen und Materialien gewachsen sind.

In der Fertigung von Hochpräzisionsoptik zählen Nanometer. Entsprechend präzise Messverfahren sind gefragt, die Oberflächen sphärischer und asphärischer Prüflinge unterschiedlichster Größen und Materialien exakt vermessen. Jeder Fertigungsschritt steigert den Wert und die Empfindlichkeit der Optiken. Das richtige Messverfahren zur rechten Zeit ist entscheidend.

Während des Schliffs sind eher taktile Verfahren im Einsatz. In späteren Stadien sind berührungslose optische Verfahren wie die Interferometrie im Vorteil. Diese ermittelt anhand der optischen Wegstrecke von Licht, das auf Prüflinge geworfen und von diesen reflektiert wird, Höhenunterschiede im Nanometerbereich.

Interferometrie auch für Asphären
Weil Linsen und andere gekrümmte Flächen das Licht in viele Richtungen reflektieren, kommen hier Nulloptiken zum Einsatz. Als exaktes Gegenstück des Prüflings sorgen sie dafür, dass das Licht die gekrümmte Oberfläche senkrecht trifft und ebenso davon reflektiert wird. Ist die Linse perfekt, ergibt sich eine absolut ebene interferometrische Wellenfront. Da nur Abweichungen von diesem Ideal ermittelt werden müssen, ist die Analyse schnell und hoch präzise. Voraussetzung ist allerdings die exakte Nulloptik.

Für sphärische Linsen sind refraktive Objektive im Markt. Zur Prüfung asphärischer Linsen müssen dagegen individuelle Nulloptiken gefertigt werden. Eine Alternative sind computergenerierte Hologramme. Solche diffraktiven optische Elemente (DOEs) werden erzeugt, indem per Lithographie Gitterstrukturen in Glasträger eingebracht werden. Durch Beugung passen diese das Licht exakt an die Oberflächen asphärischer Prüflinge an. Gerade wo Asphären in höherer Stückzahl oder in sehr hoher Präzision gefragt sind, lohnt sich das Anfertigen maßgeschneiderter DOEs.

Wenn selbst minimale Fertigungsungenauigkeiten an DOEs oder aus dem Prüfaufbau resultierende Abweichungen zu viel sind, rät Dr. Klaus Mantel vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts Erlangen zum Einsatz so genannter Mehr-Wellenfront-DOEs. Diese erzeugen zusätzlich zu der asphärischen Wellenfront, die auf den Prüfling trifft, eine sphärische Wellenfront. Mithilfe spezieller Masken lassen sich beide Fronten ein- und ausblenden, um zusätzliche Positionen für die Kalibrierung zu generieren. Dieser Kunstgriff macht beim Kalibrieren die fehlende Symmetrie des Prüfkörpers wett. Laut Mantel lassen sich Abweichungen damit systematisch aus Interferometer-Messungen eliminieren.

Flexible Messeinsätze mit Sub-Nanometer Auflösung
Die 10 Jahre junge Luphos GmbH hat der interferometrischen Optik-Prüfung bereits wichtige Impulse gegeben. „Wir bieten Mehrwellenlängen-Interferometer an, welche Prüflinge mit vier Wellenlängen abtasten“, so Entwicklungsingenieur Dr. Marc Wendel. Im Prinzip sind vier Interferometer in einem Gerät vereint, deren Messwerte Software fusioniert. So führt Luphos die Präzision der Interferometrie und mit der Flexibilität scannender Messgeräte zusammen. Dabei besticht vor allem der enorm vergrößerte Eindeutigkeitsbereich von 1,25 mm. Bisher lag dieser bei einer halben Wellenlänge, also etwa 300 µm. Das Messverfahren ist dadurch wesentlich robuster gegen Staub, Kratzer und andere fertigungsbedingte Störeinflüsse.

Mehrwellenlängen-Interferometer sind hochflexible Messgeräte, mit denen gestufte, diffraktive oder segmentierte Linsen ebenso vermessen werden können, wie Linsen mit Sattelpunkten oder Wendestellen. Binnen Minuten sind Oberflächen und exakte Topographien mit Auflösungen im sub-Nanometerbereich erfasst. Voraussetzung ist ausgefeilte Kalibrierung. „Viele Kunden setzen unsere Systeme fertigungsnah ein. Sie sind trotz ihrer Präzision nicht auf Feinmessräume angewiesen“, sagt Wendel. Die Stärken der Systeme lägen in der Zwischen- und Endkontrolle.

Interferometrie in der Linsenfertigung
Doch generell rücken Interferometer der Fertigung näher. So auch bei der OptoTech Optikmaschinen GmbH, die Fertigungs- und Messtechnik für Fein- und Brillenoptiken herstellt. Fertigungs- und Messtechnik wachsen hier laut Gerd Stach, dem Leiter des Geschäftsbereich Messtechnik, immer enger zusammen.

Üblicherweise werden Linsen nach dem Schleifen vorpoliert, wobei in der Regel etwa 20 µm abgetragen werden und leichte Formkorrekturen stattfinden. Danach werden kleinste Fehler mit gezielter lokaler Politur beseitigt. Hier greift die Vernetzung von Fertigungs- und Messtechnik. Interferometer ermitteln exakte 3D-Oberflächendaten, welche automatisch an eine Verweilzeit-Steuerung der Polieranlage fließen. Weil der Materialabtrag pro Zeit definiert ist, lässt sich aus den Oberflächendaten ableiten, wie lange der Polierkopf an einer Stelle verharren muss, bis der Fehler beseitigt ist. Ein weiterer Vorteil des geschlossenen Regelkreises: Da die Messwerte voll automatisch übertragen werden, sind Tippfehler passé.

Inline-Messungen per Interferometer steht entgegen, dass Optiken dafür gereinigt werden müssen. „Wir messen bis auf wenige Ausnahmen fertigungsnah“, so Stach. Nur bei der Fertigung sehr schwerer, bis zu zwei Meter großer Linsen werde in der Maschine gemessen. Doch schon für die fertigungsnahe Interferometrie ist bessere Kompatibilität mit dem Fertigungsalltag erwünscht. „Interferometer haben sehr viele Einstellmöglichkeiten. Zur Prüfung einzelner Probegläser ist das sinnvoll, doch in der Fertigung hält es unnötig auf“, kritisiert er. Ein definiertes, in Software gegossenes Messprogramm soll Abhilfe schaffen. Anhand digitaler Messprotokolle zur jeweiligen Optik sollen auch Kunden damit Messdaten reproduzieren können. „Unser Ziel ist es, die Qualitätsprüfung auf eine objektivere Basis zu stellen“, so Stach.

Tipp
Das Netzwerk bayern photonics e.V. bietet einen Workshop zur „Messtechnik für die moderne Optikfertigung“ an. Referenten aus Industrie und Forschung erläutern eingesetzte Verfahren und deren Einsatzbereiche.

Kontakt
Dr. Horst Sickinger
Tel.: +49 8153 953687
E-Mail: info@]bayern-photonics.de

 
 
 
 
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