Zwischenergebnisse 2016 TWI-Stitch

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1 Zwischenergebnisse 2016 TWI-Stitch: Kombination von Subaperturen zur hochgenauen Vermessung asphärischer Flächen unter Verwendung eines speziell angepassten Tilted Wave Interferometers (18592 N) Forschungsziel Speziell für die Vermessung großer, konvexer optischer Oberflächen steht keine zufriedenstellende Möglichkeit der Messung zur Verfügung. Hier setzt das Projekt TWI-Stitch an, um Firmen, unter denen sich auch kleine und mittlere Unternehmen befinden, eine neue, hochflexible Messmethode anbieten zu können. So lässt sich der Materialeinsatz, der für die Bestimmung von Oberflächenfehlern nötig ist, klein halten und eine wirtschaftliche Kleinserienfertigung komplexer Optiken wird erst ermöglicht. Ein großer Vorteil entsteht auch für Optikhersteller, Optikmaschinenbauer und Optikdesigner wie beispielsweise Beleuchtungsdesigner, Teleskophersteller und Messmittelhersteller, worunter sich ebenfalls eine Vielzahl an KMU befindet. Durch die angestrebte Steigerung der Flexibilität und Messgeschwindigkeit lassen sich in kürzerer Zeit komplexere Projekte umsetzten, was vorrangig dem Hochtechnologieland Deutschland zugutekommen wird. Somit können neue und innovative Produkte entwickelt und mit dem im Projekt TWI- Stitch entstandenen Wissen auch vermessen und damit gefertigt werden. Das Ziel des Projekts TWI-Stitch besteht darin, in einem ersten Schritt eine schnelle, berührungslose Messmethode mit hoher Ortsauflösung für große, konvexe asphärische Flächen zu erstellen. Das Tilted Wave Interferometer bietet weiterhin die Möglichkeit einer Vermessung beliebig geformter optischer Oberflächen. Mit der Technologie sollen somit auch off-axis Flächen und damit freigeformte Flächen vermessen werden können. Um die messbaren Durchmesser nicht zu begrenzen werden mit dem Tilted Wave Interferometer einzelne über die Messfläche verteilte Subaperturen mittels einer Stitching Software zur Gesamtmessung zusammengefügt. Ein großer Vorteil für das Projekt TWI-Stitch liegt in der Chance Optiken mit großen Durchmessern direkt an der Technischen Hochschule Deggendorf zu fertigen. Somit kann schnell auf Erkenntnisse im Projekt reagiert werden und eine zielführende Umsetzung wird somit erst möglich. Ergebnisse Zu Beginn des Projekts wurden alle beteiligten Mitglieder nach Teisnach zu einem Kick-Off- Meeting eingeladen. Ziel der Veranstaltung war es die Projektpartner untereinander bekannt zu machen und die bearbeitenden Ingenieure bzw. Forschungsstellen vorzustellen. Dabei wurden die wichtigsten Kernpunkte diskutiert. Unter anderem wie das zu verwendende Messportal aufgebaut ist, welche Prüflinge / Demonstratoren angefertigt werden oder welche Algorithmik zum Stitchen verwendet wird. Der Algorithmus, der eingesetzt werden soll, wurde bereits vor Beginn des Projekts von ehemaligen Mitarbeitern der THD entworfen. Dieser wurde in der Veröffentlichung Calculating of the reference surface error by analyzing a multiple set of sub-measurements beschrieben Zwischenergebnisse /5

2 (doi: / ). Der Algorithmus liegt darüber hinaus offen in Form von Matlab- Code vor. Eine Neufassung des gesamten Codes war jedoch unumgänglich, da das ursprüngliche Programm nicht auf eine Anpassung an das TWI ausgelegt war. Darin eingeschlossen ist ein Entwurf einer grafischen Nutzeroberfläche (GUI: graphical user interface; Abbildung 1). Die Programmiersprache wurde von Matlab zu Python gewechselt. Die verwendeten Software-Module fallen unter die BSD-Lizenz (Berkeley Software Distribution) oder unter einer damit kompatiblen Lizenz, dadurch fallen keinerlei Gebühren bei einer späteren kommerziellen Verbreitung an. Durch die Neufassung des Codes entstand eine flexibel veränderbare GUI (Abbildung 1), welche zwischenzeitlich genutzt wird um mit bestehenden Daten (nicht vom TWI erfasst) erste Versuche durchführen zu können. Abb. 1: Grafische Benutzeroberfläche mit einem Beispielsergebnis (Stand März 2017). Die Testflächen sollen so gewählt werden, dass sie das volle Potential des im Projekt verwendeten Tilted Wave Interferometers ausschöpfen. Es sollten Testflächen gefunden werden, so dass das TWI mit und ohne Objektiv verwendet werden kann. Außerdem soll nur eine Fläche so große Steigungen aufweisen, dass eine Verkippung von Prüfling zu Interferometer nötig ist. Für die anderen Testflächen soll eine laterale Verschiebung ausreichend sein. Die Testflächen wurden am ITO auf ihre Messbarkeit mittels Tilted Wave Interferometrie untersucht. In einem Zemax-Modell wurden zudem erste Abschätzungen bezüglich der Anpassungen des Tilted Wave Interferometers sowie der Patchverteilung getroffen. Prüfling 1 Freidurchmesser 420 mm: Hierfür ist ein konkaver Spiegel angedacht. Die Messung des vorgeschlagenen Prüflings wurde am ITO in einem Zemax-Modell simuliert und untersucht. Dabei zeigte sich, dass die gewählte Geometrie bei geeignetem Aufbau des TWIs auch in einem Schuss vermessen werden kann. Dadurch wird es möglich sein, diesen Prüfling im weiteren Verlauf des Projekts sowohl mit der entwickelten Stitching-Methode als auch Single-Shot mit demselben Zwischenergebnisse /5

3 Messgerät zu vermessen. Damit werden ein direkter Vergleich der beiden Verfahren und eine Bewertung der Stitching-Methode möglich. Prüfling 2 Freidurchmesser 190 mm: Der zweite Prüfling soll so gewählt werden, dass eine laterale Verschiebung zum Erreichen der Subaperturpositionen ausreichend ist und keine Kippung nötig ist. Zudem soll die Oberflächengeometrie so festgelegt werden, dass das TWI ohne Objektiv verwendet werden kann. Diese Kriterien führen zusammen mit dem vorgegeben Freidurchmesser zu einer Grundkrümmung von mindestens 3000 mm. Ein Prüfling mit ebener Grundfläche, wie zum Beispiel eine Schmidt-Platte, die sphärische Aberrationen eines Primärspiegels korrigiert, ist ebenfalls denkbar. Prüfling 3 Freidurchmesser 140 mm: Da dieser Prüfling der kleinste und somit leichteste ist, eignet er sich für Geometrien mit starker Krümmung, die beim Fertigen mittels SSI nur durch Kippen des Prüflings hergestellt werden können. Am ITO wurden Designs von Asphären, die auf dem Markt erhältlich sind, auf die gewünschte Prüflingsgröße skaliert und auf ihre Messbarkeit mittels Tilted Wave Interferometrie getestet. Zur Befestigung des Interferometers am Messmittelträger und Ausrichtung desselben, wurde die Entwicklung und konstruktive Auslegung einer Adaptervorrichtung (Abbildung 2) durchgeführt. Abb. 2: Adaptions- und Justagesystem. Das System besteht aus einer größeren Grundplatte, welche mit dem Messmittelträger verschraubt wird. Die kleinere Adapterplatte verfügt über Gewindebohrungen zur Befestigung des TWI sowie Schraubenpaarungen über welche Kipp- und Neigungswinkel der Adapterplatte gegenüber der Grundplatte ein- und festgestellt werden können. Das entwickelte System dient zur genauen Ausrichtung des Werkstücks zum TWI und den mechanischen Achsen des Messmittelträgers, welche dann im nachfolgenden Messvorgang die zum Stitchen notwendigen Bewegungen durchführen. Zwischenergebnisse /5

4 Durch die Randbedingung des Projektes, große Werkstücke mit entsprechendem Werkstückgewicht vermessen zu können, ergeben sich besondere Anforderungen an die einzelnen Achssysteme. Für die XY-Ebene (Zentrierachsen) ist ein Verfahrweg von wenigen Millimetern notwendig, jedoch mit einer Positionierbarkeit besser 5 µm. Ebenso sind hohe Winkeltreue zwischen X- und Y-Achse sowie eine kompakte Bauform, Leichtgängigkeit bei gegebener Belastung und hohe Präzision durch Vermeidung von Seiteneffekten (Lagerspiel, Stip-Slick-Effekte etc.) von Bedeutung. Um die gegebenen Anforderungen zu erfüllen wurden unterschiedliche Führungssysteme betrachtet. Im Bereich der notwendigen Kippachsen (Tip- und Tilt-Achse) ergeben sich ähnliche Anforderungen. Bei einem sehr geringen Neigungsbereich (± 1.5 ) muss eine hohe Einstellbarkeit (im Bereich von Winkelsekunden) unter hoher Belastung (250 kg) möglich sein und gleichzeitig eine kompakte Bauform erreicht werden. Das verwendete Kreuzgelenk ist nach Herstellerangaben durch die ursprüngliche Verwendung zur Übertragung hoher Drehmomente (bis 1400 Nm) spielfrei und entsprechend leichtgängig. Aufgrund der konstruktiven Positionierung (zentrisch) werden alle Kräfte, welche aus Werkstück und Werkstückträgerplatte resultieren (Abbildung 3), durch das Gelenk aufgenommen und eine drehmomentneutrale Lagerung gewährleistet. Zugfeder Abb. 3: XY-Ebene mit Tip-Tilt Einheit und Werkstückträgerplatte. Die drehmomentneutrale Lagerung gestattet wiederum den Einsatz von Mikrometerschrauben in Kombination mit Zugfedern zur Erzeugung der notwendigen Antriebs- und Gegenkräfte. Die Werkstückträgerplatte verfügt weiterhin über drei V-Nuten mit einer Teilung von 120 zur Werkstückausrichtung, eine Rechteck-Nut zur Aufnahme eines Ausrichtdorns und zusätzliche M6-Gewindebohrungen um die Adaption eventuell notwendiger Zusatzbaugruppen zu ermöglichen. Es wird untersucht, wie das bisher nur für kleine bis mittlere Krümmungsradien eingesetzte TWI-Prinzip auf die Vermessung schwach gekrümmter Prüflinge erweitert werden muss. Bei der Messung von Asphären mittels Tilted Wave Interferometrie stehen diese nicht im Zwischenergebnisse /5

5 Nulltest. Dadurch entstehen unter anderem sehr große Retrace-Fehler. Eine Kalibrierung des TWIs ist dadurch ein elementarer Bestandteil einer Messung. Dafür werden möglichst genau bekannte Referenzflächen vermessen. Damit dieses inverse Problem die richtige Lösung liefert, muss es gut konditioniert sein. Dies kann durch eine geschickte Wahl der Positionen, an denen die Referenzfläche während der Kalibrierung vermessen wird, erreicht werden. Dazu zählt eine Position, die mittig zwischen der Nulltest- und Catseyeposition der Referenzfläche liegt. An dieser Stelle führt eine Verschiebung der Referenzkugel in Richtung der optischen Achse kaum zu Veränderung in den entsprechenden Polynomkoeffizienten [Baer]. Bei Objektiven mit langen Schnittweiten liegen die Patches mit dem aktuellen Punktlichtquellenarray außerhalb der Kamera. Bei der Verwendung von Referenzflächen mit größeren Radien kann dies teilweise kompensiert werden, jedoch sind für eine sinnvolle Anwendung dieser Position möglichst viele Patches an dieser Position notwendig. Durch eine Verringerung der Abstände zwischen den Quellen kann die Anzahl der Patches ebenfalls erhöht werden. Dies führt gleichzeitig jedoch zu einer erhöhten Zahl an Kalibrierpositionen. Außerdem muss immer noch gewährleistet werden, dass sich die Patches der aktiven Quellen bei der Messung einer Asphäre auf der Kamera nicht überlappen, um eindeutige Signale zu erhalten. Durch eine neue Anordnung der Quellen, sowie einer sich daraus ergebenden Maskengeometrie, kann ein verringerter Abstand zwischen den aktiven Quellen bei gleichbleibendem Abstand zwischen benachbarten Quellen erzielt werden. Ein mögliches neues Design ist zu erörtern. Literatur [Baer] Baer, Goran Bastian (2016): Ein Beitrag zur Kalibrierung von Nicht-Null- Interferometern zur Vermessung von Asphären und Freiformflächen. Stuttgart: Institut für Technische Optik, Universität Stuttgart (Berichte aus dem Institut für Technische Optik, Nr. 86). Zwischenergebnisse /5