Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »Wavesense«
Asphärische Optiken eignen sich besonders für die Auslegung kompakter und leichter optischer Systeme mit wenigen Bauteilen. Moderne Maschinen zur Optikfertigung haben dazu geführt, dass die Fertigung von Asphären heute zum Stand der Technik zählt. Doch der Fertigung fehlt es auch heute noch an einer flexiblen Messtechnik für die Qualitätssicherung dieser Asphären. Dieser Herausforderung widmete sich das AiF-Projekt »WaveSense«, in dem ein neues Verfahren zur Wellenfrontmessung nach dem Shack-Hartmann-Prinzip entwickelt wurde. Im Vergleich zu konventionellen Shack-Hartmann-Sensoren (SHS) biete die Neuentwicklung einen wesentlich größeren Messbereich bei einer gleichzeitigen Erhöhung der lateralen Auflösung. Dieser Sensor ermöglicht die flexible optische Form- und Funktionsmessung auch anspruchsvoller Optiken, wie beispielsweise starker Asphären.
Bei der herkömmlichen Wellenfrontmessung mit dem Shack-Hartmann-Sensor wird eine zu messende Wellenfront mit einem Mikrolinsenarray auf einen Bildsensor fokussiert und die Position der Fokusse der einzelnen Mikrolinsen gemessen. Wellenfrontaberrationen führen dabei zu einer seitlichen Auslenkung der einzelnen Fokusse. Obwohl diese Messtechnik zurzeit den größten Messbereich bot, sind ihre Einsatzfelder dennoch stark eingeschränkt: Zum einen ist der Messbereich nicht groß genug für eine wirklich flexible Prüfung technisch relevanter Asphären. Denn die einzelnen Fokusse müssen eindeutig einer Mikrolinse zugeordnet sein und dürfen sich nicht überschneiden. Zum anderen ist die laterale Auflösung mit 100 x 100 Messpunkten noch zu gering, um wichtige kurzwellige Oberflächenfehler erfassen zu können.
Um diese beiden Einschränkungen aufzuheben, wurde das Projekt »WaveSense« gestartet. Der Lösungsansatz war, die zu messende Wellenfront von einer Mikrospiegelmatrix in einzelne, eindeutig codierte Subaperturen zu zerlegen. Die Subaperturen werden nacheinander auf eine hochdynamische, analoge Auswerteeinheit gelenkt. So lässt sich die gesamte Wellenfront scannen und jeder Messpunkt kann mit dem gesamten Messbereich der Auswertung erfasst werden, der beim konventionellen Shack-Hartmann-Verfahren allen Messpunkten gemeinsam zur Verfügung steht.
Das Ziel war eine Erweiterung des Messbereichs um das fünffache bei gleichbleibend hoher Auflösung. Gleichzeitig kann durch die hohe Anzahl der Einzelspiegel in kommerziellen Mikrospiegel-Arrays die Anzahl der Messpunkte auf 1000 x 1000 und damit um den Faktor 10 gesteigert werden. Aufgrund der hohen Dynamik des Mikrospiegel-Arrays und der analogen Auswerteeinheit kann der gesamte Scan-Vorgang in wenigen Sekunden durchgeführt werden – und bei verringerter Auflösung in Echtzeit. Das System bietet erstmals eine flexible Messtechnik für asphärische und in Maßen freigeformte Optiken – bei vergleichbaren Kosten mit konventionellen Systemen.
Die wissenschaftlichen Herausforderungen, die dabei zu lösen sind, lagen vor allem in der Beherrschung der Beugungseffekte, die durch das Mikrospiegelarray hervorgerufen werden, und in der Auslegung des gesamten optischen Systems.
Die Arbeitspakete umfassen:
- Auslegung des optischen Systems: von der Lichtquelle über die Abbildungsoptiken bis zur Auswerteeinheit
- Entwicklung der Software zur Steuerung und Messdatenverarbeitung
- Untersuchung der messtechnischen Eigenschaften des Systems und seiner Komponenten.
Das Projekt »WaveSense« (Förderkennzeichen: N 12638-07) wurde aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen »Otto von Guericke« e.V. (AiF) gefördert und von der Forschungsvereinigung Optik Feinmechanik und Medizintechnik e. V. (F.O.M.) betreut. Das Projekt begleiteten die Unternehmen TRIOPTICS GmbH, Rodenstock GmbH, Aixtooling GmbH, Möller-Wedel Optical GmbH und Ingeneric GmbH.
Das IGF-Vorhaben 15887 N/1 der Forschungsvereinigung »Feinmechanik, Optik und Medizintechnik e.V.« (F.O.M. e.V.) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.