AMA-Innovationspreis 2014 Große Zukunft für optische Messverfahren

Der AMA Innovationspreis wird jährlich vergeben.
Der AMA Innovationspreis wird jährlich vergeben.

Seit 14 Jahren vergibt der AMA Verband Sensorik und Messtechnik e.V. seinen Innovationspreis. In den 35 eingereichten Arbeiten standen optische Messmethoden stark im Vordergrund. Vier wurden für den Preis nominiert.

Mit dem mit 10.000 Euro dotierten AMA-Innovationspreis sollen Forscher und Entwickler, nicht die Institute und Firmen dahinter, geehrt werden. Als Bewertungsmaßstab dienen Innovationshöhe, Originalität der Lösung und Marktrelevanz. Die zehnköpfige Jury unter Leitung von Prof. Dr. Andreas Schütze von der Universität Saarland wählte vier Nominierungen, die nun in alphabetischer Reihenfolge vorgestellt werden.

Qualitätsprüfung »EasyPrecision«

Der Zweck dieser Erfindung »ePholution« von Matthias Eichmann ist die Qualitätskontrolle von gekrümmten Oberflächen, speziell von asphärischen Linsen. Die üblichen sphärischen Linsen sind zwar relativ einfach herstellbar, weisen aber eine Reihe von optischen Fehlern auf. Diese versucht man bisher durch Kombination mehrerer verschiedener Linsen zu kompensieren. Der Aufbau lässt sich deutlich vereinfachen, wenn man den Linsen von vornherein eine asphärische Form gibt, wodurch viele der bisherigen Fehler entfallen. Die Herausforderung besteht dann darin, bei der Herstellung ausreichende Präzision zu erreichen. Ohne eine hochgenaue, in den Produktionsvorgang eingebundene Messtechnik ist das nicht möglich.

Das von Eichmann genutzte Prinzip »Experimental Ray Tracing« (ERT) ermöglicht die Vermessung von optischen Strahlverläufen an optischen Funktionselementen wie asphärischen Linsen und Freiformflächen, generell mit komplexen Oberflächenformen. Damit ist eine Beurteilung der Einhaltung der geometrischen Spezifikationen und zugleich der technischen Funktion im System möglich.

Aus einem Laser gelangen parallele Strahlen mit definierter Ausgangsposition entlang einer vordefinierten Achse auf das zu prüfende Objekt. Das Bündel lässt sich als Repräsentation einer planen Wellenfront verstehen. Abhängig von den Eigenschaften des Objekts werden die Strahlen in bestimmter Weise abgelenkt. Die Messung besteht aus einer ortsabhängigen, geometrisch-optischen Bestimmung lokaler Wellenfrontgradienten; gemessen wird die Steigung der abgelenkten Strahlen in einer senkrecht zur vorbestimmten Achse gebrachten Referenzebene hinter dem Prüfling. Die Summe der lokalen Gradienten führt zu einem Gradientenfeld der ausgangsseitigen Wellenfront, welche durch Integration zonal rekonstruiert werden kann. Deformationen in der Wellenfront sowie verschiedene optische Funktionsparameter wie Brennweite, Schnittweite und Modulationsübertragungsfunktion lassen sich hieraus direkt ermitteln.

Der reale Aufbau verwendet kein Strahlenbündel mit einem festen Raster, sondern es läuft ein einzelner Strahl schrittweise über die zu vermessende Apertur des Prüflings. Dies erlaubt eine weitaus genauere ortsabhängige Zuordnung der lokalen Gradienten und setzt nahezu keine Grenzen an den dynamischen Messbereich der Wellenfront und Wellenfrontabweichungen. Aus Richtung und Position des einfallenden und des ausfallenden Strahls lässt sich mit Hilfe einer reversiblen Strahlverfolgung eine Beziehung zwischen der Steigung des ausfallenden Strahls und der Ableitung der ersten Oberfläche herleiten (Bild 1). Damit ist es möglich, aus den Messergebnissen die Abweichung der ersten Oberfläche von ihrer Sollform zu rekonstruieren. Das Verfahren ist sowohl in Transmission als auch in Reflexion einsetzbar. Zur Bestimmung der Schwerpunkte des Messstrahls dient ein handelsüblicher CMOS-Bildsensor. Die Ermittlung der Steigung des Prüfstrahls für jede Position erfolgt sequenziell durch die Detektion seines Schnittpunktes mit mindestens zwei verschiedenen Beobachtungsebenen hinter der Linse entlang der optischen Achse. Hierzu wird an den vorgegebenen Positionen die Intensitätsverteilung mit dem Bildsensor aufgenommen und die genaue Position des Strahls auf der Sensorfläche durch eine Schwerpunktanalyse ermittelt.

Der maximal mögliche Probendurchmesser ist einzig durch den Verfahrweg des verwendeten Achsensystems begrenzt [1].