Das Interferometer ist eine Gemeinschaftsentwicklung von Goran Baer, Christof Pruss, Johannes Schindler (Institut für Technische Optik, Universität Stuttgart) und Jens Siepmann sowie Dr. Markus Lotz (Mahr GmbH, Jena). Laut Jury zeichne sich das prämierte Verfahren durch seine Entwicklungstiefe und die deutlich erkennbare Marktrelevanz aus. Das TWI eigne sich für Asphären und nichtrotationssymmetrische Freiformflächen, biete eine hohe laterale Auflösung sowie kurze Messzeiten und dürfte interessant sein für Anwendungen in Industriezweigen mit moderner Optikfertigung, wie der Juryvorsitzende Andreas Schütze von der Uni des Saarlandes erläuterte.
Der AMA Fachverband für Sensorik und Messtechnik vergibt den AMA Innovationspreis seit 14 Jahren. In diesem Jahr wurden aus insgesamt 35 Einreichungen vier Entwicklungen als herausragend nominiert:

TWI-Asphären- und Freiformvermessung

Die mit dem Innovationspreis ausgezeichnetet Erfindung TWI von Christoph Pruss dient der Vermessung asphärischer Linsen. Das Grundprinzip ist Interferometrie. Derartige Verfahren gibt es an sich schon lange, sie waren aber alle nicht sehr praktikabel. Gemeinsam ist allen, dass die zu prüfende Oberfläche mit monochromatischem Licht angestrahlt wird – dem Messstrahl. Das vom Objekt reflektierte Licht wird mit einem aus derselben Quelle erzeugten Referenzstrahl überlagert. Dabei bilden sich Interferenzmuster in Form von Streifen aus, die mit einem Bildsensor aufgenommen werden; sie erlauben detaillierte Rückschlüsse auf die untersuchte Oberfläche. Nachteil der zahllosen Varianten des Messsystems sind teils die hohen Kosten, teils die sehr langen Messzeiten. Ein Problem ist dabei auch, dass die erzeugten Interferenzstreifen häufig so eng beieinander liegen, dass übliche Bildsensoren sie nicht mehr auflösen können.

Einen Durchbruch stellt das TWI-Verfahren dar (Tilted Wave Interferometer): Das Objekt wird nicht mehr wie bisher nur mit einem einzigen Strahl beleuchtet, sondern mit mehreren, gegeneinander um bestimmte Winkel verkippte Strahlen. Die Wellenfronten werden parallel genutzt, sie treffen gleichzeitig auf die Oberfläche. So gibt es für jeden Punkt auf der Oberfläche eine passende Wellenfront, die zu einem interpretierbaren Interferogramm-Segment führt. Dies erlaubt im Prinzip, die ganze zu vermessende Oberfläche auf einmal aufzunehmen. Ein zweidimensionales Array von Punktquellen erzeugt Teststrahlen mit verschiedenen Verkippungswinkeln, was eine lokale Verringerung der Interferenzstreifen-Dichte für verschiedene Bereiche der asphärischen Oberfläche ermöglicht – starke asphärische Abweichungen werden so umgangen und gleichzeitig eine zu hohe Interferenzstreifen-Dichte auf dem Detektor vermieden. Es sind keine mechanischen Verschiebungen von optischen Elementen im Interferometer oder beim Testobjekt erforderlich; das verbessert die Wiederholbarkeit und Genauigkeit und verkürzt die Messzeit.

Messaufbau des TWI-Mehrstrahl-Verfahrens.

© Uni Stuttgart/ITO

Den prinzipiellen Aufbau zeigt das Bild: Der Strahl eines He-Ne-Lasers wird in einen Referenzstrahl und den Messstrahl gespalten. Ein diffraktives optisches Element, bestehend aus einem Mikrolinsen-Array auf der Frontseite und einem passenden Löcher-Array auf der Rückseite, wird in den Messzweig des Interferometers gesetzt. Dieses Element erzeugt eine zweidimensionale Matrix von Punktquellen, von denen die Teststrahlen des Interferometers ausgehen. Eine Linse bündelt diese Quellen und erzeugt so einen Satz von Wellenfronten mit verschiedenen Verkippungen. Nach der Reflexion an der Asphäre wird die Wellenfront durch eine weitere Linse auf den Detektor abgebildet. Eine dritte Linse fokussiert den Strahl vom anderen Zweig des Interferometers (Referenzwelle) in der Apertur und erzeugt eine plane Welle, die mit dem an der Asphäre reflektierten Messstrahl interferiert. Die Interferometer-Apertur begrenzt die Interferenzstreifen-Dichte, so dass diese groß im Verhältnis zum Pixelraster des Bildsensors bleibt.

Im praktischen Betrieb werden nicht immer alle Strahlen gleichzeitig eingeschaltet, weil sie sich gegenseitig stören könnten. Besser funktioniert es sequenziell, z.B. mit vier Messvorgängen, während derer jeweils jeder vierte Strahl aktiv ist. Als optischer Schalter dient eine Flüssigkristall-Matrix. So dauert die Messung im Mittel 30 Sekunden; ältere Messverfahren benötigten mehrere Minuten.

Qualitätsprüfung »EasyPrecision«

Der Zweck der Entwicklung 'EasyPrecision' von Matthias Eichmann ist die Qualitätskontrolle von gekrümmten Oberflächen, speziell von asphärischen Linsen. Die üblichen sphärischen Linsen sind zwar relativ einfach herstellbar, weisen aber eine Reihe von optischen Fehlern auf. Diese versucht man bisher durch Kombination mehrerer verschiedener Linsen zu kompensieren. Der Aufbau lässt sich deutlich vereinfachen, wenn man den Linsen von vornherein eine asphärische Form gibt, wodurch viele der bisherigen Fehler entfallen. Die Herausforderung besteht dann darin, bei der Herstellung ausreichende Präzision zu erreichen. Ohne eine hochgenaue, in den Produktionsvorgang eingebundene Messtechnik ist das nicht möglich.

Vermessung von asphärischen Linsen: oben Strahlführung, unten erzielte Ergebnisse.

© ePholution

Das von Eichmann genutzte Prinzip »Experimental Ray Tracing« (ERT) ermöglicht die Vermessung von optischen Strahlverläufen an optischen Funktionselementen wie asphärischen Linsen und Freiformflächen, generell mit komplexen Oberflächenformen. Damit ist eine Beurteilung der Einhaltung der geometrischen Spezifikationen und zugleich der technischen Funktion im System möglich.

Aus einem Laser gelangen parallele Strahlen mit definierter Ausgangsposition entlang einer vordefinierten Achse auf das zu prüfende Objekt. Das Bündel lässt sich als Repräsentation einer planen Wellenfront verstehen. Abhängig von den Eigenschaften des Objekts werden die Strahlen in bestimmter Weise abgelenkt. Die Messung besteht aus einer ortsabhängigen, geometrisch-optischen Bestimmung lokaler Wellenfrontgradienten; gemessen wird die Steigung der abgelenkten Strahlen in einer senkrecht zur vorbestimmten Achse gebrachten Referenzebene hinter dem Prüfling. Die Summe der lokalen Gradienten führt zu einem Gradientenfeld der ausgangsseitigen Wellenfront, welche durch Integration zonal rekonstruiert werden kann. Deformationen in der Wellenfront sowie verschiedene optische Funktionsparameter wie Brennweite, Schnittweite und Modulationsübertragungsfunktion lassen sich hieraus direkt ermitteln.

Der reale Aufbau verwendet kein Strahlenbündel mit einem festen Raster, sondern es läuft ein einzelner Strahl schrittweise über die zu vermessende Apertur des Prüflings. Dies erlaubt eine weitaus genauere ortsabhängige Zuordnung der lokalen Gradienten und setzt nahezu keine Grenzen an den dynamischen Messbereich der Wellenfront und Wellenfrontabweichungen. Aus Richtung und Position des einfallenden und des ausfallenden Strahls lässt sich mit Hilfe einer reversiblen Strahlverfolgung eine Beziehung zwischen der Steigung des ausfallenden Strahls und der Ableitung der ersten Oberfläche herleiten. Damit ist es möglich, aus den Messergebnissen die Abweichung der ersten Oberfläche von ihrer Sollform zu rekonstruieren. Das Verfahren ist sowohl in Transmission als auch in Reflexion einsetzbar. Zur Bestimmung der Schwerpunkte des Messstrahls dient ein handelsüblicher CMOS-Bildsensor. Die Ermittlung der Steigung des Prüfstrahls für jede Position erfolgt sequenziell durch die Detektion seines Schnittpunktes mit mindestens zwei verschiedenen Beobachtungsebenen hinter der Linse entlang der optischen Achse. Hierzu wird an den vorgegebenen Positionen die Intensitätsverteilung mit dem Bildsensor aufgenommen und die genaue Position des Strahls auf der Sensorfläche durch eine Schwerpunktanalyse ermittelt.

Der maximal mögliche Probendurchmesser ist einzig durch den Verfahrweg des verwendeten Achsensystems begrenzt.

Formsensor: Interaktionskabel »InKa«

Bei 'InKa', der Entwicklung von Jens Teichert, handelt es sich um einen Formsensor in Gestalt eines Kabels, der seine Lage im dreidimensionalen Raum ermittelt. Die Messwerte gelangen über eine Schnittstelle zum Rechner, der dann ein virtuelles Modell simuliert. Zweck ist z.B. die Überwachung von manuellen Tätigkeiten, die Aufnahme von im Raum abgefahrenen Bahnen, die Steuerung von Robotern, Kränen, Baggern oder auch von Spielen. Das Kabel wird einfach in die Hand genommen und im Raum herumgeführt; ein damit gesteuerter Aktor führt dann die gleichen Bewegungen aus. Es stellt sozusagen eine dreidimensionale Computermaus dar.