Das Common-Path-Prinzip verbessert die Formmesstechnik komplexer Präzisionsoptiken

Um die Leistungsfähigkeit optischer Systeme zu steigern, werden im modernen Optikdesign asphärische und Freiformflächen zur Korrektur von Abbildungsfehlern eingesetzt. Die Herstellung dieser komplex geformten Oberflächen erfordert die Messung der Oberflächenabweichung vom Solldesign. Es gibt viele optische Messverfahren, wie z. B. Pointwise- und Stitching-Verfahren.

Andere Lösungen, wie z. B. scherbasierte Messsysteme, messen nicht die Topographie, sondern bestimmen die Oberflächensteigung. Mit vollfeldinterferometrischen Verfahren sind direkte und schnelle Topographiemessungen mit hoher Präzision möglich. Sie enthalten eine Referenz- und eine Messwellenfront, die mit einem Kamerachip interferieren.

Aus der Phasendifferenz zwischen den beiden Wellenfronten kann die Oberflächenabweichung berechnet werden. Aufgrund unterschiedlicher Strahlengänge beeinflussen Vibrationen und zeitliche Umgebungseinflüsse wie Temperatur- oder Luftschwankungen die Messunsicherheit stark. Diese Effekte werden inhärent in Interferometern mit gemeinsamem Weg reduziert, wie z. B. demweit verbreiteten Interferometer vom Fizeau-Typ.

In einem neuen Artikel, erschienen in Licht: Fortschrittliche Fertigunghat ein Team von Wissenschaftlern der Universität Stuttgart einen neuen Ansatz für die Tilted-Wave-Interferometrie vorgestellt. Ihre Arbeit mit dem Titel „Tilted Wave Fizeau Interferometer for flexible and robust asphere and freeform testing“ zeigte eine Verbesserung um eine Größenordnung im Vergleich zu klassischen Ansätzen.

Kompensationsoptiken wie computergenerierte Hologramme (CGH) sind Stand der Technik zur Vermessung von asphärischen Optiken. Allerdings benötigen sie für jeden neuen Oberflächentyp (SUT) ein neues Kompensationselement. Bei der Messung von Oberflächen mit erheblichen Abweichungen von der Referenzform treten Interferenzstreifen mit hoher Streifendichte und Rücklauffehler auf.

Wird die Abweichung zu groß, führt eine Vignettierung des Messlichts zu nicht messbaren Bereichen der Messfläche. All diese Effekte schränken das klassische Fizeau-Interferometer ein, wenn komplex geformte Oberflächen gemessen werden.

Das Tilted Wave Interferometer (TWI) wurde an der Universität Stuttgart erfunden, um diese Probleme zu lösen. Es verwendet ein Gitterarray von Lichtquellen für die außeraxiale Beleuchtung des SUT. Die unterschiedlichen Quellen und die Referenzwellenfront erzeugen mehrere Subinterferogramme auf dem Kamerachip. Die Neigungswinkel der geneigten Wellenfronten kompensieren lokal den Effekt des Gradienten des SUT.

Eine ausgeklügelte Volumenkalibrierungs- und Bewertungsmethode wird verwendet, um systematische Fehler zu subtrahieren, um Rückverfolgungsfehler numerisch zu behandeln. Die Kombination des TWI-Prinzips mit dem gemeinsamen Pfadinterferometer von Fizeau ist nicht einfach. Jede außeraxiale Beleuchtungsquelle erzeugt eine Referenzwelle, die von der Fizeau-Oberfläche reflektiert wird. Es führt zu überlappenden Wellenfronten auf dem Detektor, was eine Auswertung der Interferogramme unmöglich macht.

Es gibt ein faserschalterbasiertes Interferometer vom Fizeau-Typ mit schaltbarer außeraxialer Beleuchtung. Es wurde jedoch noch keine Analyse des Einflusses der multiplen Interferenzeffekte zwischen Subinterferogrammen berichtet.

Der Hauptbeitrag dieses Papiers ist die Realisierung des neuen Common-Path-Tilted-Wave-Fizeau-Interferometers, das das Referenzwellenproblem überwindet. Es kombiniert die robuste, gut etablierte Fizeau-Interferometertechnik mit einer stark verbesserten Flexibilität und einer kurzen Interferometrie-Messzeit für geneigte Wellen.

Die Forscher fanden ein neues Werkzeug, das einen dringenden messtechnischen Bedarf für die Herstellung fortschrittlicher Optiken adressiert. Es enthielt eine detaillierte Beschreibung des Problems der Mehrstrahlinterferenz, gefolgt von der mathematischen Beschreibung des neuen Kalibrierungsalgorithmus. Der Ergebnisteil präsentiert Benchmarks und Vergleiche zum klassischen Twyman-Green TWI.