Flexible Kennwerterfassung optischer Linsen

Ralf Dorn und Johannes Pfund, Optocraft

Obwohl die funktionalen wie auch die Qualitätsanforderungen an die Optiken kontinuierlich steigen, hinkt das Qualitätsmanagement jedoch mangels ausreichend flexibler Messtechnik oft hinterher. Hier bietet sich der Einsatz des von der Optocraft GmbH entwickelten Shack-Hartmann-Wellenfrontsensors an, da dieser eine schnelle und flexible Erfassung der Kennwerte optischer Linsen ermöglicht. Eine Vielzahl unterschiedlicher Messprozesse und -modalitäten kann in ein Gerät integriert werden, sodass dieses sowohl in der manuellen als auch in der automatisierten Produktionsumgebung effizient arbeitet.

Um ein optisches Gerät zu prüfen, gibt es mehrere Methoden: Die einfachste – gleichzeitig aber auch langsamste – ist es, die Optik taktil abzutasten. Dabei kann sie jedoch beschädigt werden, auch kommt das Messgerät bei zunehmender Krümmung schnell an seine Grenzen. Eine weitere Methode ist die Messung mit einem Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor, dessen Auswertung mittels aktueller Rechnerleistung innerhalb kürzester Zeit erfolgt. Zudem kommt der Wellenfrontsensor auch mit Lichtquellen niedriger Kohärenz aus. Er besitzt eine extreme Messdynamik und ist sehr schnell, wodurch das Messverfahren insensitiv gegenüber Umgebungsvibrationen ist, sodass es sich auch exzellent für Maschinenumgebungen eignet.

Ein Wellenfrontsensor besteht aus einem 2D-Array von Mikrolinsen und einem Detektor, etwa einer CCD-Kamera. Eine ebene Wellenfront erzeugt nach Durchlaufen des Mikrolinsenfeldes auf dem Detektor ein regelmäßiges Punkteraster, dessen Spots denselben Abstand wie die Mikrolinsen haben. Ist die Wellenfront gekrümmt, wandern die von den Mikrolinsen erzeugten Spots entsprechend stark von der optischen Achse weg. Aus der Verschiebung dieser Messpunkte lässt sich die Wellenfront rekonstruieren. Bei stark gekrümmten Wellenfronten bewegen sich die Spots allerdings aus ihrer „Heimatapertur“ in die Nähe benachbarter Spots.

Optocraft hat eine Lösung entwickelt, die die Spots auch in diesem Fall noch zuverlässig ihren Referenzpunkten zuordnet. Das Verfahren benötigt nur ein einziges Kamerabild und ist damit sehr schnell und einfach in der Anwendung. Der lokale Krümmungsradius einer Wellenfront am Mikrolinsenarray kann bis zu 5 mm klein sein, sodass auch Wellenfronten mit extremen Krümmungen gemessen werden können. Das Erlanger Unternehmen bietet Sensoren (SHSCam) mit bis zu 240  x 160 Spots sowie Sensoren mit einer Auswerterate von bis zu 1.000 Hz an. Mit Hilfe der dazu gehörigen Software SHSWorks können so eine Vielzahl optischer Messgrößen wie beispielsweise Wellenfront-Aberrationen, Abbildungsqualität (Strehl, MTF etc.), Brennweite und Laser-Qualität geprüft werden. Das System SHSLab Basis besteht aus dem Wellenfrontsensor SHSCam und der Software SHSWorks.

Eines der auf SHSLab aufbauenden Systeme ist SHSInspect. Davon existieren zwei Varianten: SHSInspect 1Xpass, bei dem die Prüflinge in der Transmission nur einmal vom Messstrahl durchlaufen werden, und SHSInspect 2Xpass, bei dem das Licht entsprechend zwei Durchgänge durch den Prüfling zurücklegt. Dabei wird es nach dem ersten Durchgang von einem Spiegel zurückreflektiert. Eine Stärke von 2Xpass liegt darin, dass sich dessen Einfluss auf den Messstrahl aufgrund des zweifachen Durchgangs durch den Prüfling verdoppelt. Dadurch erhöht sich auch die Messempfindlichkeit, was eine extrem genaue Messung möglich macht. Bedingt durch den Aufbau ist die ganze Messkonfiguration einfach mittels Planspiegel und Referenzsphäre kalibrierbar.

Damit die Messsysteme jedoch für die optische Industrie interessant sind, müssen sie nicht nur gut messen, sondern sich auch leicht in die automatisierte Produktion einfügen lassen. Wichtig ist dabei, dass das System ausreichend schnell arbeitet, also bezüglich des Produktionstaktes der Anlage in Echtzeit misst. Die Systeme 1Xpass und 2Xpass erreichen je nach Sensorgröße Frameraten zwischen 1 und 50 Hz – in Spezialanwendungen sogar bis 1.000 Hz – und sind damit ausreichend schnell. Letztlich bestimmt die benötigte Zeit zum Einlegen des Prüflings in die Messeinrichtung die Messgeschwindigkeit.

Produktionsumgebungen vibrieren in der Regel – angeregt durch laufende Maschinen oder Motoren im Gerät selbst. Die SHSInspect-Systeme besitzen eine sehr große Toleranz gegenüber unruhigen Umgebungen, da sie auf dem Wellenfrontsensor basieren, sodass auf aufwendige Schwingungsdämpfungen verzichtet werden kann. Eine weitere wichtige Voraussetzung für den Einsatz in der Qualitätskontrolle der Produktion ist eine ausreichend hohe Genauigkeit. Bereits die reinen Sensorköpfe erreichen eine typische Grundgenauigkeit von (unkalibriert) λ / 15 PV (SHSCam HR). Je nach optischem Aufbau des Testsystems kann durch geeignete Kalibriermaßnahmen eine noch höhere Genauigkeit erreicht werden. Beim 2Xpass ist etwa λ / 20 PV typisch.

Bei der Prüfung chromatischer Effekte ist es von großem Vorteil, dass sich ein einzelner Wellenfrontsensor in einem weiten Wellenlängenbereich einsetzen lässt. Das optische Grundprinzip erlaubt es, den Sensor nicht nur mit Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlängen zu nutzen, sondern auch Lichtquellen geringer Kohärenz zu verwenden. Damit können kostengünstige LED-Quellen eingesetzt werden, die für einen großen Wellenlängenbereich bereitstehen.

SHSInspect und speziell SHSInspect 2Xpass sind als Plattform zu verstehen, die optimal an die Bedürfnisse des Anwenders anpassbar sind. Das System ist flexibler und arbeitet kosteneffizienter als etwa ein Interferometer und deckt zudem einen großen Funktionsbereich ab. Derzeit sind On-Axis und Off-Axis-Messungen mit Feldwinkeln bis zu 50 ° möglich. Größere Werte sind nach Abwägung des ansteigenden Geräteaufwands denkbar. Durch die Kombination mechanischer und optischer Messgrößen kann sowohl die BFL (back focal length) als auch die EFL (effective focal length) bestimmt werden.

Viele Objektive haben an einer Stelle eine Schiebelinse vorgesehen, die gezielt verschoben und / oder verkippt werden kann, um zum Beispiel Form- und Positionsfehler der anderen, fest montierten Linsen zu kompensieren. Mit dem SHSInspect 2Xpass ist das Ausjustieren solcher Schiebelinsen etwa in Mikroskopobjektiven sehr einfach und schnell möglich. Allerdings muss man nach einer Anpassung der Schiebelinse im Objektiv die Referenzsphäre am Messgerät nachstellen, an der der Strahl nach dem ersten Durchgang durch den Prüfling reflektiert wird.

Damit der Bediener in so einem Fall nicht ständig zwischen Prüfling und Bedienfeld für die Referenzsphäre wechseln muss, steht ein Modus zur Verfügung, bei dem diese Referenzsphäre automatisch in einem Regelkreis in die Idealposition verfahren wird, sodass sich der Bediener auf die Justage des Prüflings konzentrieren kann.

Die Messung in der Produktion kann teil- oder vollautomatisiert erfolgen. Im ersten Fall wird der Prüfling manuell in das Messsystem eingelegt. Die Messungen laufen dann entsprechend eines Messprotokolls automatisch ab. Dieses Be- und Entladen kann aber auch mittels eines Roboters geschehen. Durch ihre Flexibilität und Vielseitigkeit sind SHSInspect 1Xpass und 2Xpass sowohl in der Forschung und Entwicklung als auch in der Produktion einsetzbar und können flexibel an die jeweilige Messaufgabe angepasst werden.