Coordinate measuring machine for simultaneous double-sided optical surface metrology using a confocal chromatic sensor

Abstract

In den letzten Jahren hat der Bedarf an optischen Freiform- und asphärischen Elementen kontinuierlich zugenommen. Im Vergleich zu sphärischen Optiken gehören eine Verringerung von Volumen und Masse, eine Erweiterung des Sichtfelds und eine Begrenzung der optischen Aberrationen zu den Vorteilen von Asphären und Freiformen. Eine präzise Messtechnik ist für den Herstellungsprozess dieser Hochleistungsoptiken von zentraler Bedeutung, da die Optionen für eine nachfolgende Fehlerkompensation durch Linsenausrichtung begrenzt sind. Für die Oberflächenmessung optischer Freiformelemente werden hauptsächlich Koordinatenmessgeräte (CMMs) und interferometrische Messtechniken verwendet. Um eine Optik vollständig zu charakterisieren, müssen jedoch beide Oberflächen gemessen werden. Das bedeutet, dass während des Messvorgangs die Probe umgedreht werden muss. Allerdings erweist sich die Kombination der getrennt gemessenen Oberflächen ohne komplexe Hilfsmaßnahmen als schwierig. Außerdem kann ein möglicher Winkel zwischen Ober- und Unterseite nicht bestimmt werden. Diese Arbeit behandelt diese Probleme, indem die Möglichkeit einer simultanen, doppelseitigen Messung transparenter optischer Elemente unter Verwendung eines konfokal-chromatischen Sensors (CCS) untersucht wird. Dieser Sensor ermöglicht eine Dickenmessung von transparenten Objekten, indem weißes Licht in einem Linsenarray gestreut und das reflektierte Licht der Probe in einem Spektrometer analysiert wird.Um diese Messstrategie experimentell zu validieren, wird ein CMM-Aufbau mit einem kartesischen Koordinatensystem entworfen, gebaut und analysiert. Als Messkopf wird ein CCS montiert. Die Probe wird von einem durch zwei Schrittmotoren aktuierten XY-Tisch in zwei Dimensionen bewegt. Zwei kollinear zu den Bewegungsachsen ausgerichtete interferometrische Sensoren stellen die Erfüllung des Abbe-Prinzips sicher. Ein vertikal montierter Schrittmotor bewegt den Messkopf mit dem Konfokalsensor in der Z-Achse. Diese Bewegung wird von einem dritten interferometrischen Sensor überwacht, der dadurch eine Erweiterung des Messbereichs des CCS ermöglicht. Dieser Prototyp ermöglicht die 3D-Messung optischer Elemente bis zu einem Messvolumen von 55×60×20 mm3 mit einer lateralen Auflösung von 2.76 μm. Der Akzeptanzwinkel des CCS auf Glas beträgt 38.5°. Abhängig von der Dicke der Probe kann die Messung entweder simultan durchgeführt werden (Single-Pass-Messung) oder durch Veränderung des Sensorabstands zur Probe (Double-Pass-Messung). Der Messbereich des CCS mit einer numerischen Apertur (NA) von 0.6 wird unter Verwendung des Z-Interferometers von 0.3 mm auf 1.6 mm erweitert. Das vorgeschlagene simultane doppelseitige Messprinzip in Kombination mit der Messbereichserweiterung wird an einer harten Kontaktlinse getestet, die die Messung der Linsendicke von etwa 0.15 mm über einen Bereich von 1.3 mm ermöglicht.

In recent years, the need for freeform and aspheric optical elements continuously increased. Compared to spherical optics, a reduction in size and mass, an expansion of field of view and a limitation of optical aberrations are among the advantages of aspheres and freeforms. Precise metrology is of key importance in the manufacturing process of these high-performance optics, as the options for subsequent error compensation by proper lens alignment are limited. Main methods used for surface metrology of optical freeform elements are coordinate measuring machines (CMMs) and interferometric techniques. To fully characterize an optical part, both optical surfaces have to be measured, which means sample manipulation is required during the measurement process. Without complex auxiliary alignment measures, the merging of the separately measured top and bottom surfaces proves to be challenging. Additionally, a possible angle between top and bottom surface profiles cannot be determined. In order to address these problems, this thesis investigates the feasibility of simultaneous double-sided measurement of transparent optical parts using a confocal chromatic sensor (CCS). With such a sensor, a thickness measurement of transparent objects is possible by dispersing white light in a lens array and analyzing the reflected light of the sample in a spectrometer.To experimentally validate this measurement strategy, a CMM setup implementing a cartesian coordinate system and a CCS as probe head is designed, built and evaluated. An XY-table actuated by two stepper motors enables movement of the sample in two dimensions. Two interferometric sensors are aligned collinearly to the movement axes to ensure the fulfilment of Abbe’s Principle. A third stepper motor drives the z-axis stagewith the equipped CCS. The z-motion is also observed by an interferometric sensor, which enables an extension of the confocal sensor’s measuring range.This CMM prototype enables the 3D measurement of optical parts up to a measurement volume of 55×60×20 mm3 with a lateral resolution of 2.76 μm. The acceptance angle of the CCS is determined to be 38.5° on glass parts. Depending on the thickness of the sample, the measurement can either be conducted simultaneously (single-pass measurement) or by adjusting the sensor distance to the sample (double-pass measurement). The measuring range of the CCS with a numerical aperture (NA) of 0.6 is extended from 0.3 mm to 1.6 mm by using the z-interferometer as reference. The proposed simultaneous double-sided measurement scheme in combination with the range extension is tested on a rigid contact lens, enabling the measurement of the lens thickness of about 0.15mm over a range of 1.3 mm.