Korrekte Optik

Bauteilprüfung - Automatisierte Prüfverfahren gewinnen in der Fertigung an Bedeutung - auch bei Linsen. Die Stichworte klingen äußerst vollmundig: interferometrische Messverfahren, parallelkinematische Positioniersysteme.

03. August 2007

Bisher wurden optische Bauteile zur Formprüfung aus der Bearbeitungsmaschine ausgespannt, um im Messlabor geprüft zu werden. Musste das Bauteil zur Nachbearbeitung wieder zurück in die Maschine, waren aufwendige und zeitintensive Einrichtarbeiten notwendig. Trotzdem ließen sich Umspannfehler dabei nie ganz verhindern. Wird das Prüfverfahren dagegen direkt in die Fertigungszelle integriert, erspart das nicht nur erneutes Einrichten, auch Umspannfehler sind von vornherein ausgeschlossen.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen hat jetzt ein solches Prüfsystem entwickelt, mit dem sich Formeinsätze für die optische Industrie inline direkt in der Maschine prüfen lassen. Die Messwerte können dann nach einem Soll-Ist-Vergleich in den Prozess zurückgeführt und die optischen Oberflächen bei Bedarf automatisch nachbearbeitet werden. Dabei liefert die automatisierte Formprüfinterferometrie den Schlüssel dazu.

Prinzip: Interferenz

Das Verfahren basiert auf einem physikalischen Effekt, der Interferenz, also der Überlagerung von Wellen. Ein Beispiel für die Interferenz von Lichtwellen sind die Farbmuster eines dünnen Ölfilms auf einer Wasseroberfläche. Ein Teil des einfallenden Lichtes wird von der Oberfläche des Ölfilms reflektiert, der andere Teil an der Grenzschicht zwischen Öl und Wasser. Nach der Reflexion überlagern sich die Lichtwellen. Je nach Blickrichtung verstärken sich manche Frequenzen, andere löschen sich aus, wodurch die Oberfläche farbig schillernd erscheint.

Ähnlich verhält es sich bei der Formprüfinterferometrie. Hier werden zwei Wellenfronten zur Interferenz gebracht, eine von der Prüfoberfläche und die andere von einer Referenzoberfläche. Die Weglängen, die die Strahlen auf der Prüfoberfläche zurücklegen müssen, sind bei einer nicht planen Oberfläche unterschiedlich. Es entsteht ein Interferenzmuster, welches Aufschluss über die Topographie des Prüflings gibt.

Auf dieser physikalischen Grund­­lage erfassen Bildverarbeitungsalgorithmen Formabweichungen im Nanometerbereich und werten sie anschließend aus. Allerdings muss das ­Interferometer dazu äußerst präzise zur optischen Oberfläche positioniert sein.

Der Justagevorgang ist dabei zweitstufig: Bei der Grobjustierung geht es zunächst darum, dass die Reflexion von der Prüffläche auf den Sensor der CCD-Kamera trifft. Bei der anschließenden Feinjustierung wird dann ein definiertes Interferenzmuster eingestellt.

Fünf Freiheitsgrade

Um sowohl plane als auch sphärische und asphärische Prüflinge optimal erfassen zu können, sind bei der Positionierung des Interferometers fünf Freiheitsgrade erforderlich: Das Interferometer muss sich in Richtung der x-, y- und z-Achse bewegen lassen. Für die Orientierung senkrecht zur Prüfachse sind zusätzlich Drehungen um die x- und y-Achse und bei Zylinderlinsen auch um die z-Achse ­notwendig. Die automatisierte Feinjustierung basiert auf einer Fast Fourier Transformation (FFT) des Interferenzmusters. Die Justierstrategie ist abgestimmt mit einem am IPT entwickelten Auswerteverfahren, das die Topographiemessung mit einer einzigen Aufnahme des Interferenzmusters vornimmt und sich somit gut für die Fertigung eignet.

Um den verfügbaren Messbereich des Interferometers nicht durch eine unbeabsichtigte Verkippung einzuschränken, muss das System Rotationsschrittweiten von weniger als einer Bogenminute realisieren. Hinzu kommt, dass die interferometrische Prüfmethode sehr empfindlich auf Vibrationen reagiert. Das Messsystem muss demzufolge möglichst stabil sein und darf auch nach dem Erreichen der Endposition nicht zu Schwingungen neigen.

Neue Lösung suchen

Mit konventionellen Positioniersystemen, bei denen jeder Aktor auf eine eigene Stellplattform wirkt, also eindeutig einer Achse zugeordnet ist, lässt sich diese Aufgabenstellung kaum bewältigen. Da sich die Führungsfehler bei solchen »gestapelten« Systemen zwangsläufig addieren, wäre eine entsprechend hohe Genauigkeit nicht zu realisieren.

Mit einem parallelkinematischen Positioniersystem aus dem Hause Physik Instrumente (PI) fanden die Entwickler des Fraunhofer-Instituts jedoch eine Lösung: Hier wirken alle Aktoren unmittelbar auf die gleiche Plattform. Außer der größeren Genauigkeit bedeutet dies geringere Massenträgheit und außerdem eine höhere und gleichbleibende Dynamik sowie einen kompakteren Aufbau.

Die Hexapod-Systeme basieren auf sechs hochauflösenden Aktoren, die auf eine gemeinsame Plattform wirken. Vom Prinzip her arbeiten die »Sechsfüßler« also auf die gleiche Arbeitsweise wie ein Flugsimulator, nur sind sie wesentlich genauer. Statt von Hydraulikantrieben werden sie von präzise ansteuerbaren Linearantrieben bewegt. Durch die geringe Masse der bewegten Plattform sind die Einschwingzeiten beim Positionieren kürzer als bei konventionellen gestapelten Mehrachssystemen. Der Hexapod M-840 bietet dabei die Möglichkeit, die Plattform in z-Richtung um plusminus 25 Millimeter und in x- und y-Richtung jeweils um plusminus 50 Millimeter zu bewegen. Dieser Arbeitsraum reicht aus, um sphärische Oberflächen mit einem Radius von 100 Millimeter zu messen.

Der über Softwarefunktionen frei definierbare Drehpunkt bleibt unabhängig von der Bewegung erhalten, was ebenfalls für die beschriebene Applikation äußerst wichtig ist. Bei Grob- und Feinjustage lässt sich unter diesen Voraussetzungen der Drehpunkt des im Hexapoden-Innern platzierten Interferometers gegenüber der zu prüfenden Oberfläche verschieben.

Leichte Steuerung

Der Hexapod ließ sich leicht integrieren. Eine offene Softwarestruktur erleichtert die Ansteuerung, fertige Treiber lassen viele Hochsprachenbefehle zu. Der Hexapod-Controller akzeptiert daher auch Bewegungsbefehle externer Programme. Beim beschriebenen Messgerät können die zur Berechnung der Algorithmen verwendeten MatLab-Program­me direkt über eine serielle Schnittstelle mit der Steuerung des Hexapoden kommunizieren. Dabei werden die Bewegungen zur Grob- und Feinpositionierung in Abhängigkeit der Daten der Bildverarbeitung automatisch gesteuert.

Durch die Anpassungsfähigkeit des Hexapoden lässt sich erstmals eine automatische Prüfeinrichtung für komplexe optische Bauteile direkt in die Fertigung integrieren.

Karl Vielhaber, PI/mk

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2007