Beiträge zur direktantastenden Interferometrie in der optischen Form- und Längenmesstechnik

Ullmann, Vinzenz

In der vorliegenden Dissertationsschrift werden drei neue interferometrische Messanwendungen in der Form- und Längenmesstechnik entwickelt und untersucht, die auf einer optischen Direktantastung technischer Oberflächen beruhen. Die angetasten Oberflächen unterscheiden sich in Form, Rauheit und Reflexionsgrad deutlich von ebenen Spiegeln, was eine Anpassung der antastenden Wellenfronten im Interferometer erfordert. Zu den betrachteten Anwendungen gehören eine interferenzoptische Rundheits- und Rundlaufmessung, eine interferenzoptische Durchmessermessung an Lehrringen und eine interferenzoptische Kavitätslängenmessung. Für die Realisierung der interferenzoptischen Anwendungen wurden vier technische Konzepte abgeleitet, miteinander kombiniert und in Technologiedemonstratoren umgesetzt. Das erste technische Konzept ermöglicht eine interferenzoptische Direktantastung gekrümmter Oberflächen durch die Anpassung der Wellenfronten im Messstrahl an die Oberflächenform. Dies wird durch die Einbindung einer adaptiven Optik erreicht. Das zweite Konzept sieht die Kopplung eines Laserinterferometers mit einem Weißlichtinterferometer vor, um eine absolute optische Längenmessungen mit hoher Präzision (Auflösung im Nanometerbereich) und einem großen Messbereich (mehrere hundert Millimeter) durchführen zu können. Das Weißlichtinterferometer wird gemäß dem dritten technischen Konzept mit kompakten, sehr langlebigen, lichtwellenleitergekoppelten LEDs betrieben, die ein breiteres optisches Spektrum aufweisen als Superlumineszenzdioden (SLD), aber auch eine geringere Lichtausgangsleistung. Um im Weißlichtinterferometer ausreichend Lichtleistung zur Erzeugung von Interferenzsignaturen zur Verfügung stellen zu können, werden Multimode-Lichtwellenleiter (MM-LWL) eingesetzt. Diese MM-LWL verursachen aufgrund von Speckle-Effekten einen kontrastmindernden Effekt im Weißlichtinterferometer, der sich auf die geeignete Einstellung der Interferenzstreifenbreite auswirkt. Dieser Effekt wurde untersucht und mathematisch modelliert, um die Interferometerkonstruktion zu optimieren. Das vierte technische Konzept beschreibt den Einsatz achromatisch polarisierender Optikelemente im Weißlichtinterferometer. Es werden die Eigenschaften dieser achromatischen Optiken und deren Vorteile für eine effiziente Strahlführung im Weißlichtinterferometer untersucht und beschrieben. Neben einem Funktionsnachweis der interferenzoptischen Durchmessermessung wurden für die interferenzoptische Rundheits- und Rundlaufmessung und die interferenzoptische Kavitätslängenmessung automatisierte Messprozesse umgesetzt, die anschließend messtechnisch charakterisiert werden konnten. Für Messergebnisse einer interferenzoptischen Rundheitsmessunge wird eine erweiterte Messunsicherheit von U = 50 nm (k = 2 u. P = 95%) erreicht. Eine interferenzoptische Längenmessung an einer Kavität mit dem Nennmaß von l = 10 mm in der Nanopositionier- und Messmaschine NMM-1 garantiert Messergebnisse mit einer erweiterten Messunsicherheit von U = 5 nm (k = 2 u. P = 95 %).

This PhD thesis describes new approaches for interferometric measurements on machine-made surfaces to realize three applications of form and length measurement processes. The measuring object surfaces under optical contact differ from a plane shape and their shapes have an increased roughness, a curved profile or a reduced reflectivity compared to plane mirrors. Hence, the interferometers in use require additional optical components to adapt the wave fronts for measuring under these special surface conditions. In research experiments, there are three different optical measurement applications developed and constructed to demonstrate interferometric roundness and concentric runout measurements, interferometric diameter measurements on ring gauges and interferometric cavity length measurements. Furthermore, four technologic concepts are developed, combined and included to the measurement demonstrators for the realization of the new interferometric applications. The first concept uses an adjustable cylindrical lense system to measure directly on the curved shapes of the inner ring gauge surface. The second concept combines a relative laser interferometer with an absolute low coherence interferometer (white light interferometer). Thus, it will be possible to measure absolutely in long ranges (hundreds of millimeters) with very high precision (nanometer resolution) compared to absolute references (low coherence interference signatures). In addition, the third technologic concept postulates the use of compact, durable and fiber-coupled light-emitting diodes. These LEDs emit light with an increased spectral width than the light of super luminescence diodes (SLD). Unfortunately, the optical power output of these LEDs is very low caused by the low luminous density. Hence, multimode fibers are coupled to the LED instead of single mode fibers. In result the white light interferometers get enough light to generate the fringe pattern. Multimode fibers induce an interference contrast reduction during the adjustment of the fringe pattern step caused by speckle effects. The effect of speckles to the fringe pattern contrast is described mathematically and investigated by experiments to optimize the white light interferometer constructions with the measured results. The fourth concept describes an implementation of achromatic polarizing optics on the white light interferometers. Their characteristics provide the advantage of an efficient beam guiding in the interferometers to save optical power. This thesis contains a proof of concept for the interferometric diameter measurements on ring gauges. For the interferometric roundness and concentric runout measurements and for the interferometric cavity length measurements there are automated processes realized and characterized in further experiments. Results of interferometric roundness measurements are given with an extended uncertainty of U = 50 nm (k = 2 and P = 95%). Interferometric cavity length measurements on a cavity length l = 10 mm deliver results with an extended uncertainty of U = 5 nm (k = 2 and P = 95%) by utilizing the nano positioning and measuring machine NMM-1.

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Ullmann, Vinzenz: Beiträge zur direktantastenden Interferometrie in der optischen Form- und Längenmesstechnik. Ilmenau 2019.

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