Ein Hexapod übernimmt die präzise Positionierung

Schnelle und flexible Analyse asphärischer Linsen

Die Formtreue und damit die Qualität der asphärischen Linsen zu prüfen, stellt Optikhersteller vor Herausforderungen. Es gilt, kleinste Formabweichung im Nanometerbereich zu messen und dabei auch noch möglichst effizient zu arbeiten. Bild: Yakobschuk Vasy/Shutterstock.com

Asphärische Linsen haben eine um die optische Achse rotationssymmetrische Optik, deren Krümmungsradius sich radial mit dem Abstand vom Mittelpunkt ändert. Dadurch erreichen optische Systeme ebenfalls eine hohe Bildqualität, wobei die benötigte Anzahl an Elementen sinkt, was deutlich Kosten und Gewicht spart. Die Formtreue und damit die Qualität der asphärischen Linsen zu prüfen, stellt Optikhersteller allerdings vor Herausforderungen: 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 Positionierfunktionen.

Im Gegensatz zu existierenden Systemen, die eine Messzeit von mehreren Minuten benötigen, ermöglicht das MarOpto TWI 60 die Vermessung gesamter Oberflächen in 20 bis 30 Sekunden. Bild: Mahr

Im Gegensatz zu existierenden Systemen, die eine Messzeit von mehreren Minuten benötigen, ermöglicht das MarOpto TWI 60 die Vermessung gesamter Oberflächen in 20 bis 30 Sekunden.
Bild: Mahr

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. Neben diesen berührungslosen Messverfahren ist auch taktiles und „quasi-taktiles“ (ähnlich wie bei einem Rastersondenmikroskop) Messen möglich. Dabei wird die Oberfläche aber nur „punktweise“ und lückenhaft anstatt homogen flächig erfasst. Taktile Messverfahren sind auf polierten optischen Oberflächen wegen des Kratzer-Risikos allerdings nicht die beste Wahl.

Ein neuer Ansatz: Technologie der gekippten Wellenfront

Mit dem TWI60 können nicht nur Asphären, sondern auch sogenannte Freiformen vermessen werden. Bild: Docter Optics SE

Mit dem TWI60 können nicht nur Asphären, sondern auch sogenannte Freiformen vermessen werden.
Bild: Docter Optics SE

Der Messtechnikspezialist Mahr setzt deshalb auf ein neues Verfahren, um unterschiedliche Asphären präzise, schnell, flexibel und direkt in der Produktionslinie zu messen – ganz ohne CGH, klassischem Stitching oder taktilem Antasten. Im Gegensatz zu existierenden Systemen, die eine Messzeit von mehreren Minuten benötigen, ermöglicht das MarOpto TWI 60 die Vermessung gesamter Oberflächen in 20 bis 30 Sekunden. Bereits während der Auswertung eines Prüflings, die typischerweise etwa 2 Minuten dauert, kann der nächste Prüfling vermessen werden. Neben der geringen Mess- und Auswertezeit überzeugt das System zudem durch Flexibilität. Vermessen werden können nicht nur Asphären, sondern auch andere Optiken mit von den Standardformen abweichenden Geometrien, sogenannte Freiformen. Dabei ist das System so robust, dass es direkt in der Fertigung aufgebaut werden kann.

Die einzelnen Subaperturen werden geometrisch verteilt aktiv geschaltet. Dadurch treffen unterschiedlich gekippte Wellenfronten auf die Prüfoptik und zwar so, dass sich die entstehenden Interferenzmuster nicht überlappen. Bild: Mahr

Die einzelnen Subaperturen werden geometrisch verteilt aktiv geschaltet. Dadurch treffen unterschiedlich gekippte Wellenfronten auf die Prüfoptik und zwar so, dass sich die entstehenden Interferenzmuster nicht überlappen.
Bild: Mahr

Das neue Messsystem arbeitet ähnlich wie ein „normales“ Interferometer, erfasst jedoch den Prüfling optisch nicht „auf einmal“ vollständig in einem Bild, sondern in vielen Subaperturen, die zu verschiedenen Zeiten aktiv sind. Die Erfassung des Prüflings „auf einmal“ würde bei Optiken mit steilen Oberflächen, wie bei Asphären und Freiformen häufig der Fall, ein Ineinanderlaufen der Interferenzmuster verursachen, welches anschließend nicht mehr aufgelöst werden könnte. 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.

Das aus den Interferenzen berechnete Muster repräsentiert die Oberfläche des (asphärischen) Prüflings und kann entsprechend ausgewertet werden. Bild: Mahr

Das aus den Interferenzen berechnete Muster repräsentiert die Oberfläche des (asphärischen) Prüflings und kann entsprechend ausgewertet werden.
Bild: Mahr

Anschließend werden die einzelnen Interferenzmuster zu einer Topographie der Prüflingsoberfläche zusammengerechnet. Dieses repräsentiert die Oberfläche des (asphärischen) Prüflings und kann entsprechend ausgewertet werden. Für den Anwender wichtig ist dabei die Abweichung der Ist-Form der Prüflingsoberfläche von der Soll- bzw. idealen Oberflächenform. Durch dieses Prinzip ist das TWI auch sehr flexibel bezüglich der Oberflächengeometrie des Prüflings.

Die einzelnen Interferenzmuster werden zu einem Muster zusammengerechnet. Bild: Mahr

Die einzelnen Interferenzmuster werden zu einem Muster zusammengerechnet.
Bild: Mahr

So kann jeder Prüfling eine individuelle Oberflächenform haben, ohne dass das TWI umgebaut oder gegebenenfalls sogar der Produktionsprozess unterbrochen werden müsste. Auch segmentierte und off-axis Asphären, Toroiden sowie Freiformoptiken lassen sich schnell, mit hoher lateraler Auflösung und Messunsicherheiten von unter 50 nm messen.

Der Referenzierungsprozess

Interferogramm der Kalibrierkugel von einer Subapertur. Bild: Mahr

Interferogramm der Kalibrierkugel von einer Subapertur.
Bild: Mahr

Wie jedes Messgerät muss auch das TWI referenziert und kalibriert werden. Dazu wird eine hochgenau gefertigte Kugel bekannter Geometrie für jede Beleuchtungs-Subapertur an eine bestimmte Position gefahren und deren Oberfläche mit der jeweiligen Subapertur gemessen. Bedingt durch den komplexen optischen Strahlengang sind solche Interferogramme im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen differenziert.

Die von den einzelnen Subaperturen erzeugten Wellenfronten werden zu einer gesamten Wellenfront zusammengerechnet. Schlussendlich werden die Messungen gesamtheitlich ausgewertet und mit einem Algorithmus 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.

Der Hexapod H-824 positioniert die Kalibrierkugel und vor dem eigentlichen Messvorgang auch den Prüfling. Hierbei müssen Soll- und Istpositon sehr genau übereinstimmen. Bild: PI

Der Hexapod H-824 positioniert die Kalibrierkugel und vor dem eigentlichen Messvorgang auch den Prüfling. Hierbei müssen Soll- und Istpositon sehr genau übereinstimmen.
Bild: PI

Um diesen hohe Anforderungen an den Positioniermechanismus im TWI sicherzustellen, hat sich Mahr nach sorgfältigen Tests für den Hexapod H-824 von Physik Instrumente (PI) entschieden. Auch beim Ausrichten des Prüflings vor dem eigentlichen Messvorgang positioniert dieser Hexapod den Prüfling in fünf Freiheitsgraden. Hierbei müssen Soll- und Istpositon ebenfalls sehr genau übereinstimmen. So dürfen z.B. Abweichungen bei der Kippung 60 µrad nicht überschreiten.

Vorteile des parallelkinematischen Positioniersystems

Im Gegensatz zur seriellen Kinematik wirken bei parallelkinematischen Systemen alle Aktoren unmittelbar auf die gleiche Plattform. So können Hexapoden eine verbesserte Bahngenauigkeit, höhere Wiederholgenauigkeit und Ablaufebenheit aufweisen. Bild: PI

Im Gegensatz zur seriellen Kinematik wirken bei parallelkinematischen Systemen alle Aktoren unmittelbar auf die gleiche Plattform. So können Hexapoden eine verbesserte Bahngenauigkeit, höhere Wiederholgenauigkeit und Ablaufebenheit aufweisen.
Bild: PI

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.

Die Ansteuerung des Hexapods übernimmt der leistungsfähige Digitalcontroller C-887, der mit einer bedienerfreundlichen Software eine einfache Kommandierung ermöglicht. Bild: PI

Der Digitalcontroller C-887.
Bild: PI

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.

Das neuartige Messsystem hat sich mittlerweile in der Praxis bewährt. TWI 60 Systeme von Mahr sind derzeit bereits bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig sowie bei einigen namhaften Herstellern von asphärischer Präzisionsoptik im Einsatz.

Über Mahr
Mahr ist eine weltweit operierende Unternehmensgruppe mit Hauptsitz in Göttingen, deren Name traditionell mit den Begriffen Fertigungsmesstechnik, Qualität und Innovation verbunden ist. Die Mahr-Gruppe ist mit 1.900 Mitarbeitern und Mitarbeiterinnen das weltweit größte Familienunternehmen in der Messtechnikbranche. Ob die Linse einer Handykamera, die Nockenwelle eines Motors oder ein künstliches Hüftgelenk – Messgeräte von Mahr dokumentieren die Qualität verschiedenster Produkte und verifizieren Forschungs- und Entwicklungsergebnisse. Die Unternehmen der Mahr-Gruppe sind dadurch wegweisend für den technischen und wirtschaftlichen Fortschritt in nahezu allen Bereichen der dimensionellen messtechnischen Industrie.
Über Physik Instrumente (PI)
Physik Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe ist Markt- und Technologieführer für hochpräzise Positioniertechnik und Piezo-Anwendungen in den Marktsegmenten Halbleiterindustrie, Life Sciences, Photonik und Industrieautomatisierung. In enger Zusammenarbeit mit Kunden aus aller Welt verschieben die rund 1.300 Spezialisten von PI seit 50 Jahren immer wieder die Grenzen des technisch Möglichen und erarbeiten von Grund auf maßgeschneiderte Lösungen. Mehr als 350 erteilte und angemeldete Patente unterstreichen den Führungsanspruch des Unternehmens. PI ist mit sechs Fertigungsstandorten sowie 15 Vertriebs- und Serviceniederlassungen in Europa, Nordamerika und Asien weltweit vertreten.

Titelbild: Yakobschuk Vasy/Shutterstock.com

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Dr.-Ing. Jürgen Schweizer

Produktmanagement Marketing bei Mahr GmbH

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Dipl. Geogr. Doris Knauer

Fachredakteurin bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

Marco Antoni

Marco Antoni

Der Diplom-Physiker arbeitet seit Juni 2015 beim Redaktionsbüro Stutensee. Kontakt können Sie via Xing, Twitter und Facebook aufnehmen.

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