Hexapoden unterstützen die präzise Vermessung asphärischer Linsen

Asphärische Linsen haben eine um die optische Achse rotationssymmetrische Optik, deren Krümmungsradius sich radial mit dem Abstand vom Mittelpunkt ändert. Dadurch können optische Systeme eine hohe Bildqualität mit weniger Objektiven erreichen, was Kosten und Gewicht spart. Die Prüfung der asphärischen Formgenauigkeit, also der Qualität dieser Linsenart, stellt jedoch eine große Herausforderung für den Hersteller dar:

Es gilt, kleinste Formabweichungen im Nanometerbereich zu messen und dabei möglichst kurze Messzeiten – einschließlich Rüstzeiten – zu ermöglichen. Ein neues Interferometer, das zur Messung unterschiedlich gekippte Wellenfronten nutzt, bringt jetzt die Lösung. Als Teil des Gesamtsystems übernimmt ein Hexapod mehrere Positionieraufgaben in den Bereichen Kalibrierung und Messung.


Technologie der gekippten Wellenfront

Ohne CGH
In weniger als 30 Sekunden
Mit hoher lateraler Auflösung
Messunsicherheiten von < 50 nm
Ohne sequentielles Stitching

Um bei asphärischen Linsen die Formtreue zu überprüfen, haben sich mehrere Verfahren etabliert: Interferometer mit computergenerierten Hologrammen (CGHs) beispielsweise erzeugen eine asphärische Wellenfront in der Soll-Form und ermöglichen dadurch die Bestimmung von Abweichungen der Linse in einem Interferenzbild. Die CGHs müssen aber speziell für jeden Prüfling angelegt werden und sind daher nur für die Serienfertigung wirtschaftlich. Eine weitere Möglichkeit ist die interferometrische Vermessung von Asphären in kreisförmigen Teilbereichen. Die Teilmessungen werden anschließend zu einem vollflächigen Interferogramm zusammengesetzt. Das Verfahren ist sehr flexibel im Vergleich zu CGHs und eignet sich auch für die Fertigung von Prototypen und Kleinserien. Allerdings ist das „Stitching“ der Kreisringe oft sehr zeitaufwändig, da bei steileren Optiken nur jeweils kleine Kreisringe der Interferenzmuster erfasst werden können.

Aus diesem Grund hat das Messtechnikunternehmen Mahr ein neues Gerät entwickelt, um unterschiedliche Asphären präzise, schnell, flexibel und direkt in der Produktionslinie zu messen – ganz ohne CGH, klassischem Stitching oder taktilem Antasten. Im Gegensatz zu bestehenden Systemen, die für die Messung mehrere Minuten benötigen, benötigt dieses geneigte Wellenfrontinterferometer (TWI) nur 20 bis 30 Sekunden, um die gesamte Oberfläche zu messen. Das nächste Prüfobjekt kann bereits gemessen werden, während das vorherige ausgewertet wird.

Mehr zu den technischen Daten des neuen Interferometers TWI 60

Mess- und Referenzprozess

Das neue Messsystem arbeitet ähnlich wie ein „normales“ Interferometer, erfasst jedoch den Prüfling optisch nicht „auf einmal“, sondern in vielen Subaperturen, die zu verschiedenen Zeiten aktiv sind.

Werden die einzelnen Subaperturen nun geometrisch verteilt aktiv geschaltet, treffen unterschiedlich gekippte Wellenfronten auf die Prüfoptik und zwar so, dass sich die entstehenden Interferenzmuster nicht überlappen. So ergibt sich letztendlich von jeder Subapertur ein ungestörtes Interferenzmuster eines lokalen Teiles der Prüflingsoberfläche und die gesamte Oberfläche des Prüflings kann innerhalb kurzer Zeit vermessen werden.

Anschließend werden die einzelnen Interferenzmuster zu einer Topographie der Prüflingsoberfläche zusammengerechnet und die Abweichung der Prüflingsoberfläche von der Sollform bestimmt. Das Prinzip des TWI ermöglicht es, individuelle Oberflächenformen mit hoher lateraler Auflösung und Messunsicherheiten von unter 50 nm zu messen.

Für die Kalibrierung und Referenzierung wird eine hochgenau gefertigte Kugel bekannter Geometrie für jede Beleuchtungs-Subapertur an eine bestimmte Position gefahren und deren Oberfläche mit der jeweiligen Subapertur gemessen. Die Messungen gesamtheitlich ausgewertet und mit einem Algorithmus werden die systematischen Messabweichungen über alle Subaperturen hinweg korrigiert.

Weil sich laterale Positionsfehler der Kalibrierkugel im Korrekturalgorithmus der jeweiligen Subapertur auswirken, muss die Kalibrierkugel präzise positioniert werden. Gefordert ist ein maximaler lateraler Positionierfehler von 5 µm bei einer Wiederholgenauigkeit von weniger als 0,5 µm.

Um die hohen Anforderungen an den Positioniermechanismus im TWI sicherzustellen, haben wir uns nach sorgfältigen Tests für den Hexapod H-824 von Physik Instrumente (PI) entschieden

Dr.-Ing. Jürgen Schweizer, Produktmanagement Marketing Mahr GmbH

Hexapod positioniert Kalibrierkugel und Prüfobjekt

Der Hexapod H-824 positioniert die Kalibrierkugel und vor dem eigentlichen Messvorgang auch den Prüfling in fünf Freiheitsgraden. Hierbei müssen Soll- und Istpositon sehr genau übereinstimmen. So dürfen z.B. Abweichungen bei der Kippung 60 µrad nicht überschreiten.

Die Ansteuerung des Hexapods übernimmt der leistungsfähige Digitalcontroller >> C-887, der mit einer bedienerfreundlichen Software eine einfache Kommandierung ermöglicht. Die Positionen werden in kartesischen Koordinaten vorgegeben, alle Transformationen auf die Einzelantriebe finden im Controller statt.

Technische Daten des Hexapod H-824

Vorteile des parallelkinematischen Positioniersystems

Hohe Wiederholgenauigkeit
Submikrometer-Genauigkeit
Sechs Freiheitsgrade
Zentrale Öffnung
Frei definierbarer Drehpunkt

Hexapoden, also sechsachsige parallelkinematische Positioniersysteme, sind für solche und ähnliche Aufgabenstellungen geradezu prädestiniert, da sie mit hoher Genauigkeit positionieren und präzise Bahnkurven fahren können. Bei Hexapoden wirken im Gegensatz zur seriellen Kinematik alle sechs Aktoren unmittelbar auf dieselbe Plattform. Das ermöglicht einen wesentlich kompakteren Aufbau als mit gestapelten Systemen. Da bei Hexapoden nur eine Plattform bewegt wird, ist auch die gesamte bewegte Masse geringer, was zu einer höheren Dynamik in allen Bewegungsachsen führt.

Im Vergleich zu gestapelten Aufbau zeichnen sich Hexapoden durch eine bessere Bahngenauigkeit, höhere Wiederholgenauigkeit und Ablaufebenheit aus. Eine wesentliche Eigenschaft der Hexapoden ist auch der frei definierbare Rotations- oder Pivotpunkt, d.h. es ist möglich verschiedene Koordinatensysteme zu definieren, die sich z. B. auf die Position von Werkstück oder Werkzeug beziehen.

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Hexapod-Positioniersysteme

Version / Datum
CAT136 2018-08
Dokumentsprache Englisch
pdf - 11 MB

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