-
Optisches Ebenheitsmeßverfahren
-
Die Erfindung dient der berührungslosen Erfassung der Ebenheitsabweichungen
optischer Planflächen.
-
Nach J. Flügge (Einführung in die Messung optischer Grundgrößen, Karlsruhe
1954, S. 64) kommen für die berührungslose Messung der Ebenheitsabweichungen optischer
Planflächen ausschließlich Interferenzmethoden in Frage, wenn die Ebenheitsabweichungen
mit hoher Genauigkeit bestimmt werden sollen.
-
Interferentielle Verfahren haben jedoch Nachteile: Sie benötigen,
wie z.B. das Fizeau-Interferometer, eine Vergleichsfläche mit bekannten Ebenheitsabweichungen.
Die Abweichungen dieser Vergleichsfläche sind mit einem weiteren Ebenheitsnormal
zu bestimmen. Dazu eignet sich ein Quecksilberspiegel, der nur in horizontaler Lage
benutzbar ist. Zur Abbildung der Interferenzstreifen sind entweder Linsen zu verwenden,
deren Durchmesser ebenso groß sein muß wie der der zu messenden optischen Planfläche,
oder es sind die Meßgenauigkeit beeinträchtigende Anschlußmessungen erforderlich.
Nach dem Fotografieren und Entwickeln der Interferenzstreifen wird ihre Position
von einem Mikroskop und einem Kreuztisch erfaßt. Die gewonnenen Meßwerte ermöglichen
es, eine Topografie der optischen Planfläche zu erstellen. Dabei sind Verzeichnungen
der abbildenden Optik zu berücksichtigen. Um scharfe, gut auswertbare Streifen zu
gewinnen, bedarf es eines geringen Abstandes zwischen der optischen Planfläche und
der Vergleichsfläche. Daher ist es notwendig, den Prüfling auszubauen und in das
Interferometer einzulegen.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das die Ebenheitsabweichungen
optischer Planflächen berührungslos erfat und gegenüber interferentiellen Verfahren
Vorteile aufweist.
-
Das Verfahren nach der Erfindung beruht auf einem parallelen Meßstrahl,
der längs einer oder mehrerer sich kreuzender Spuren über die optische Planfläche
verschoben wird und dessen Richtungsänderungen vor und nach der Reflexion in Abhängigkeit
von der Position in x- und y-Richtung erfaßt und nach bekannten Verfahren integriert
werden. Eine gesonderte Erfassung der Richtungsänderungen des Meßstrahls vor der
Reflexion an der optischen Planfläche entfällt, wenn der Meßstrahl beim Versetzen
längs einer Spur relativ zur gesamten optischen Planfläche keinen Drehbewegungen
unterworfen ist; sie entfällt auch, wenn der MeP,strahl über eine Hilfsfläche geleitet
wird, die starr mit der optischen Planfläche verbunden ist. Diese Hilfsfläche kann
Teil der optischen Planfläche selbst sein. Im Unterschied zu den Vergleichsflächen
der interferentiellen Verfahren spielen ihre Ebenheitsabweichungen keine Rolle,
da der Meßstrahl immer auf den gleichen Ausschnitt der llilfsfläche trifft und somit
keine durch Unebenheiten verursachte Richtungsänderungen erfährt. Dieses Kennzeichen
gilt - mit Ausnahme der optischen Planfläche - für alle reflektierenden und brechenden
Flächen.
-
Das Umlenken des Meßstrahls um Winkel konstanter Größe erfolgt unabhängig
von Drehfehlern der Linearführung mit Winkel spiegeln und Winkelprismen, z.B. Pentagonprismen,
die den MeEstrahl zweimal reflektieren, sowie dispersionsarmen Prismen, die symmetrisch
durchstrahlt werden.
-
Um kurze und durch Luftschlieren wenig gestörte Strahlwege zu erhalten,
läßt man den Meßstrahl senkrecht auf die optische Planfläche einfallen.
-
Ein schräger Strahleinfall ist angebracht, wenn die optische Planfläche
schwach reflektierend ist, wie das bei unverspiegelten und vergüteten Glasoberflächen
der Fall ist. Eei Einsatz einer Flilfsfläche erlauben Polarisationsteilerschichten
und x/4-Verzögerungsplatten einen senkrechten Strahleinfall. Im Gesichtsfeld des
fotoelektrischen Autokollimationsfernrohres störende Doppelbilder werden durch Abdecken
eliminiert.
-
Die Wirkungsweise des Verfahrens nach der Erfindung wird anhand der
Figuren, die einige Ausführunqsbeispiele zeigen, erläutert.
-
Figur 1 zeigt das fotoelektrische Autokollimationsfernrohr 1, das
einen parallelen Meßstrahl 3 aussendet, der von einer Blende 2 in seinem fluerschnitt
eingeengt und über ein Pentagonprisma 4 auf die optische Planfläche 5 geleitet wird.
Bei Verschiebungen des Pentagonprismas 4 mit Hilfe einer Linearflihrung 6 ändert
sich die Richtung des reflektieren Meßstrahls 3 ausschließlich aufgrund der unterschiedlichen
Steigungen der optischen Planfläche längs einer Spur.
-
Ebenheitsabweichungen der spiegelnden Flächen des Pentagonprismas
wirken sich nicht aus, wenn die Verschieberichtung parallel zur optischen Hauptachse
verläuft. Genausowenig wirken sich durch Führungsfehler verursachte Winkel bewegungen
aus, da Winkel prismen die Eigenschaft aufweisen, daß die Strahlumlenkung gegenüber
derartigen Fehlern invariant ist.
-
In Figur 2 bewirkt ein brechendes Prisma 7 die Strahlablenkung. Bei
symmetrischem Strahlengang erreicht die Ablenkung ein Minimum und reagiert nicht
auf durch Führungsfehler verursachte Drehungen.
-
Brechende Prismen werden vorteilhaft zur Ablenkung um kleinere Winkel
benutzt - wie in Figur 3 -, um einen schrägen Einfallswinkel zu erzielen, bei dem
häufig ein höherer Reflexionsgrad als bei senkrechtem
Einfallswinkel
vorliegt. Der reflektierte Meßstrahl wird dann z.B.
-
mit einem Winkel spiegel 8 in das fotoelektrische Autokollimationsfernrohr
zurückgeleitet.
-
Zwei mit der Linearführung verbundene brechende Prismen 7 erlauben
es, anstelle eines fotoelektrischen Autokollimationsfernrohres einen Kollimator
9 und ein fotoelektrisches Zielfernrohr 10 gemäB Figur 4 zu verwenden.
-
Den in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Beispielen ist gemeinsam,
dag sich das fotoelektrische Autokollimationsfernrohr 1 bzw. der Kollimator 9 in
Verbindung mit dem fotoelektrischen Zielfernrohr 10 gegenüber der optischen Planfläche
5 während der Verschiebung des MeR-strahls 3 längs einer Spur nicht verdrehen dürfen,
was durch Schraffur angedeutet ist. Derartige Drehungen können durch elastische
Verformungen, die bei der Bewegung der Linearführung 6 z.B. durch Gewichtsverlagerung
verursacht werden, auftreten. Diese Gefahr ist besonders gegeben, wenn der Meßstrahl,
bevor er die optische Planfläche erreicht, mehrfach umgelenkt wird, um ein Abtasten
in mehreren, zueinander gekreuzten Spuren zu erzielen. Abhilfe schaffen Anordnungen,
bei denen die Anzeige des Interferometers nicht von Drehungen des fotoelektrischen
Autokollimationsfernrohres abhängt, Figuren 5 bis 8.
-
Die Figuren 5 und 6 enthalten einen Hilfsspiegel 11, der fest mit
der optischen Planfläche 5 verbunden ist. Ein Anordnung nach Figur 5 lenkt den Meßstrahl
3 schräg auf die optische Planfläche 5. Der senkrechte Strahleinfall nach Figur
6 wird mit Hilfe der Polarisationsteilerschichten 12, der Prismen 13 und der x/4-verzögerungsplatte
14 erzielt.
-
Die Figuren 7 und 8 zeigen Lösungen, die die optische Planfläche 5
selbst als Hilfsfläche benutzen, wiederum für schrägen und senkrechten
Strahleinfall.
Auch hier geschieht die Strahiführunn bei senkrechtem Einfall mit den Polarisationsteilerschichten
12, die sich in den Teilerwürfeln 15 befinden, und einer x/4-Verzögerungsplatte
14.
-
Während nach Figur 7 der Meßstrahl 3 über die volle Spurlänge der
optischen Planfläche 5 verschoben werden kann, treten nach Figur 8 Überschneidungen
auf. Einschränkungen hinsichtlich der erfaßbaren Spurlängen lassen sich aufheben,
wenn die beiden Pentagonprismen 4 mittels zweier Linearführungen 6 unabhängig voneinander
verschoben werden.
-
Die Anordnungen der Figuren 5 bis 8 führen im fotoelektrischen Autokollimationsfernrohr
zu zwei Bildern. Eines ist innerhalb des Gerätes abzudecken, damit die Auswerteelektronik
eindeutige Signale erhält.
-
Das Verfahren nach der Erfindung besitzt wesentliche Vorteile gegenüber
interferentiellen Verfahren. Prinzipbedingt ist es leicht zu handhaben und zu automatisieren.
Nicht einmal bei großen optischen Planflächen treten Schwierigkeiten auf. Die Anpassung
des Verschiebeweges des Meßstrahls an den Durchmesser der optischen Planfläche ist
unproblematisch. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß die optische Planfläche eine
beliebige Lage einnehmen darf. Sie braucht nicht, wie es bei der Verwendung eines
Quecksilberspiegels notwendig ist, horizontal angeordnet zu werden. Somit sind optische
Planflächen in ihrer Einbaulage meßbar.
-
Es kommt einer Messung im Einbauzustand zugute, daß der Abstand der
den Meßstrahl verschiebenden optischen Bauteile von der Planfläche im Gegensatz
zur oben genannten Vergleichsfläche des Fizeau-Interferometers groß sein darf.
-
Verqleiche mit interferometrischen Pressungen haben gezeigt, daß das
Verfahren nach der Erfindung Ebenheitsabweichungen von x/50 ( *- 0,01 µm) über eine
teeRstrecke von 120 mm sicher zu erfassen in der Lage ist.
-
Leerseite