Zur Charakterisierung optischer und taktiler Asphären-Messgeräte sind Oberflächen notwendig, deren Formen weitestgehend bekannt sind. Dazu werden zum einen Normale mit typischen asphärischen Oberflächenanteilen verwendet. Zur Charakterisierung wichtiger Eigenschaften der Messgeräte werden Normale mit zusätzlichen Formanteilen benötigt

Blobel, Gernot

Manske, Eberhard

Müller, Andreas

Quabis, Susanne

Schulz, Michael

Wiegmann, Axel

Digitale Bibliothek Thüringen

  Gernot Blobel, Axel Wiegmann, Susanne Quabis, Michael Schulz, Andreas Müller, Eberhard Manske: Entwicklung von Normalen für die Charakterisierung von Asphären-Messgeräten Zuerst erschienen in: DGaO-Proceedings. - Erlangen-Nürnberg: Dt. Gesellschaft für angewandte Optik, ISSN 1614-8436. - Bd. 115.2014, A31, insg. 2 S.  URN: urn:nbn:de:0287-2014-A031-7 URL: http://www.dgao-proceedings.de/download/115/115_a31.pdf  [Download: 11.12.2014]     DGaO-Proceedings 2014 – http://www.dgao-proceedings.de – ISSN: 1614-8436 – urn:nbn:de:0287-2014-A031-7 eingegangen: 01.08.2014       veröffentlicht: 13.08.2014  Entwicklung von Normalen für die Charakterisierung von Asphären-Messgeräten Gernot Blobel*, Axel Wiegmann*, Susanne Quabis*, Michael Schulz*,  Andreas Müller**, Eberhard Manske** *Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig  **TU Ilmenau, Ehrenbergstraße 29, 98693 Ilmenau mailto:gernot.blobel@ptb.de Zur Charakterisierung optischer und taktiler Asphären-Messgeräte sind Oberflächen notwendig, deren Formen weitestgehend bekannt sind. Dazu werden zum einen Normale mit typischen asphärischen Oberflächenanteilen verwendet. Zur Charakterisierung wichtiger Eigenschaften der Messgeräte werden Normale mit zusätzlichen Formanteilen benötigt. 1 Einführung Für die Charakterisierung von Messgeräten, die in der industriellen Oberflächenmesstechnik von Asphären eingesetzt werden, sind metrologische Vergleichsgegenstände (Normale) notwendig. Deren Form sollte dabei weitestgehend bekannt und mit unterschiedlichen Messgeräten und Mess-verfahren, wie z.B. punktuell und flächig messen-den Systemen, messbar sein. Als applikationsnahe Normale kommen vor allem handelsübliche Asphären zum Einsatz. Zur genauen Charakteri-sierung  wichtiger Eigenschaften der Messgeräte, wie z.B. laterale Auflösung, Abweichungen bei der Höhenmessung, benötigt man darüber hinaus Oberflächen, die sich von typischen Asphären unterscheiden. Wir entwickeln solche Oberflä-chennormale („metrologische Normale“) und stel-len hier verschiedene Designideen für unterschied-liche Aufgaben vor. Bestimmte Formanteile der Normale können mit geringer Unsicherheit über spezielle Messverfahren bestimmt werden. Darü-ber hinaus wird die Verwendung von Markern vor-gestellt, welche in Messvergleichen von Normalen die Vergleichbarkeit der Daten steigern sollen [1]. 2 Asphärische Normale Applikationsnahe Normale sind handelsübliche asphärische Oberflächen, die auch in optischen Systemen verwendet werden könnten. Eine Her-ausforderung ist die genaue Messung einer sol-chen Oberfläche. Eine Möglichkeit hierfür ist, die gleiche Oberfläche mit verschiedenen Messsyste-men zu messen und den gewichteten Mittelwert (gewichtet entsprechend der für jedes Messsystem angegebenen  Messunsicherheit) zu bestimmen. Mit Hilfe solcher Asphärennormale können Mess-abweichungen bei anderen Messgeräten bestimmt und insbesondere geprüft werden, ob die Abwei-chungen mit den angegebenen Messunsicherhei-ten kompatibel sind. Nicht zuletzt können damit Asphären-Messgeräte kalibriert werden.   3 Metrologische Normale Die sich derzeit im Entwicklungsstadium befindli-chen metrologischen Normale haben eine sphäri-sche Basisfunktion. Auf die Kugelsegmente wer-den zusätzliche Formanteile aufgebracht, z.B. verschiedene Ortsfrequenzen, unterschiedlich starke Steigungen und Abweichungen von einer Sphäre oder nicht-rotationsymmetrische Anteile. Dadurch entstehen rotationssymmetrische Ober-flächen und nicht-rotationssymmetrische Freiform-flächen.  Abb. 1 3D Oberflächenplots der entwickelten Normale mit a) moduliertem Chirp b) eingearbeiteten Plateaus c) Abweichungen in Form von Abbildungsfehlern (Zernike) und d) verschiedenen Sphärensegmenten. In Abb. 1 sind vier verschiedene Normale darge-stellt, welche allerdings für die Sichtbarkeit der Charakteristika in der Abbildung stark überzeichnet sind. Das erste dargestellte Normal (Abb. 1.a) besteht aus einem Kugelsegment mit einer Chirp-Struktur, in radialer Richtung mit variabler Ortsfre-quenz. In Azimutalrichtung ist die Amplitude der Topografie ebenfalls moduliert. Mit diesem Normal kann die laterale Auflösung eines Messgeräts be-stimmt werden. Das zweite Normal (Abb. 1.b) ist rotationssymmetrisch und hat durch eine zusätzli-che Funktion eingebrachte Plateaus und dient zur Bestimmung der Höhengenauigkeit. Das dritte und vierte Normal (Abb. 1c und 1.d) sind spezielle b) a) c) d)  DGaO-Proceedings 2014 – http://www.dgao-proceedings.de – ISSN: 1614-8436 – urn:nbn:de:0287-2014-A031-7 eingegangen: 01.08.2014       veröffentlicht: 13.08.2014  nicht-rotationssymmetrische Freiformflächen. Beim dritten werden Oberflächenanteile eingebracht, die einzelnen Zernike Polynomen entsprechen, um typische Justage- und Abbildungsfehler charakteri-sieren zu können. Beim vierten Normal (Abb. 1.d) handelt es sich um Multi-Sphären-Oberflächen, bei der Kugelsegmente mit unterschiedlichem Radius kombiniert sind. Diese können 2-, 3- oder 4-teilig rotationssymmetrisch angeordnet sein. Die ver-schiedenen Kugelsegmente haben alle denselben Scheitelpunkt. Die Höhenunterschiede zwischen den Kugelsegmenten werden über eine stetig und differenzierbare Funktion miteinander verbunden. Die unterschiedlichen Krümmungsradien des Multi-Sphären-Normals werden mit geringer Unsicher-heit über ein hochgenaues interferometrisches Messverfahren bestimmt. Das Prinzip ist in Abb. 2 gezeigt. Die Entfernung zwischen einer sphäri-schen Fläche und dem entsprechenden Krüm-mungsmittelpunkt entspricht dabei dem Radius einer Sphäre. Für die unterschiedlichen Radien wird der gemeinsame Scheitelpunkt für die „cat‘s-eye“ Position, im Fokuspunkt des vom Interferome-ter ausgehenden Strahlenbündels, verwendet. Durch Verschieben des Normals entlang der opti-schen Achse werden die verschiedenen konfoka-len Positionen angefahren. Mit einem Längen-messinterferometer können die Krümmungsradien anhand der Entfernung bestimmt werden [2].  Abb. 2 Interferometrisches Messverfahren zur absoluten Radiusmessung sphärischer Oberflächen für zwei unter-schiedliche Radien. Für die Prototypenfertigung der metrologischen Normale wird ein Grundkörper aus Kupfer mit einer ultrapräzisen Diamantdrehbearbeitung gefertigt. Dieser wird in einem weiteren Schritt mit einer NiP-Schicht beschichtet und darin wird die Form nach-gedreht. 4 Anwendung von Markern Marker auf den Normalen sollen die Justierung des Normals relativ zum Messsystem verbessern und damit bei Messvergleichen die Vergleichbarkeit der Daten steigern. Diese Messmarken sollen für ver-schiedene Messsysteme sichtbar und messbar sein. Jeder Marker referenziert eine Position auf der Oberfläche. Um solche Marker auf die optische Oberfläche zu bringen, wurden mit der Nanopositi-onier- und Nanomessmaschine NMM-1 Chrom-Beschichtungen mittels scannender Lithographie belichtet und nach herkömmlichen lithografischen Verfahren prozessiert [3].  Ein Beispiel ist in Abb. 3 zu sehen.  Abb. 3 Chrom-Messmarken a) Anordnung auf einer Linse b) Messung einer Marke  5 Zusammenfassung und Ausblick Für die Charakterisierung von Asphären-Messgeräten in Industrie und Forschung wurde die Anwendung von Normalen vorgestellt. Mit asphäri-schen Normalen, deren Topografie mit geringer Unsicherheit bekannt ist, können Messgeräte ka-libriert und die angegebenen Messunsicherheiten überprüft werden. Die vier vorgestellten metrologi-schen Normale haben spezielle Eigenschaften, mit denen spezifische Fehlereinflüsse der Messgeräte aufgedeckt und quantifiziert werden sollen. Eine Weiterentwicklung der Herstellung von metrologi-schen Normalen ist beabsichtigt. Die Applikation von Messmarken soll die Anwendung bei Mess-vergleichen und die Auswertung der Daten erleich-tern.  Danksagung  Wir danken dem EMRP für die finanzielle Unter-stützung der Arbeiten im Projekt »Optical and tactile metrology for absolute form characterization«. Das EMRP wird von den im EMRP teilnehmenden Staaten innerhalb von EURAMET und der Europäischen Union gemein-schaftlich gefördert. Literatur [1] M. Schulz, G. Blobel, C. Elster, G. Baer, U. Nehse, R. Meeß, H. Klawitter, „Asphären – Warum Mess-technik so wichtig ist“, in: nanoTECHNOLOGIE ak-tuell, ISSN 1866-4997, (2013) [2] Lars A. Selberg, „Radius measurement by interfer-ometry“, in Optical Engineering 31(9), 1961-1966, (1992) [3] E. Manske, G. Jäger, T. Hausotte, R. Füßl, „Recent developments and challenges of nanopositioning and nanomeasuring technology” in: Measurement Science and Technology, Vol. 23, 074001 (10pp), (2012) b) a) 

Entwicklung von Normalen für die Charakterisierung von Asphären-Messgeräten

https://www.db-thueringen.de/servlets/MCRFileNodeServlet/dbt_derivate_00030991/DGAO_115_A31.pdf

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