Hologramme als Prüfmaßstab

News: Hologramme als Prüfmaßstab

Berührungslos, schnell und mit hoher Genauigkeit sollen optische Verfahren arbeiten, die technische Werkstücke daraufhin überprüfen, ob und inwiefern deren äußere Form von einer vorgegebenen, idealen Oberflächengestalt abweicht. Gute Chancen, die Unterschiede exakt zu erfassen, bieten computer-generierte Hologramme (CGH). In der interferometrischen Formprüfung von Werkstücken geht eine Forschungsgruppe neue Wege: zum einen durch Verwendung von infrarotem Licht, zum anderen durch Interferometrie mit streifendem Lichteinfall auf die Prüflingsoberfläche. Über die per Computer errechneten und in Beugungsmasken realisierten Hologramme können Wellenfelder erzeugt werden, die an den Prüfling angepaßt sind. Außerdem dienen sie zur Teilung und Vereinigung des Laserstrahls. Vier Patente sind in diesem Zusammenhang angemeldet worden.

CGH sind synthetische Hologramme. Sie erzeugen bei Bestrahlung mit Laserlicht Wellenfelder, die sich zur Formprüfung von einfachen und glatten Oberflächen eignen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hologrammen, die durch Aufzeichnung von realen Wellenfeldern entstehen, lassen sich synthetische Hologramme nur von glatten bzw. einfachen Wellenfeldern berechnen und herstellen. Die Gestalt von technischen Körpern wie zum Beispiel von Zylindern und Prismen ist mathematisch beschreibbar, weshalb sich technisch wichtige Teile, die zum Beispiel durch Drehen und Fräsen hergestellt werden, in ihrer Idealgestalt in Form eines computergenerierten Hologramms berechnen lassen.

Physikalisch realisiert werden CGH als in dünne Glasscheiben eingeätzte Beugungsmasken, die mittels Laser-Lithographie erzeugt werden. Da die CGH mit lithographischer Genauigkeit hergestellt werden, sind sie als Referenznormale für die Idealgestalt einsetzbar, bieten also die Basis für einen Vergleich und für das Erkennen von Abweichungen. Als diffraktive Elemente bieten die Hologramme zugleich die Möglichkeit der Strahlteilung bzw. -vereinigung, wodurch sich neuartige Möglichkeiten für interferometrische Prüfanordnungen erheben. So läßt sich die ungebeugte Laserwelle als Referenz verwenden. Dadurch ergeben sich sehr kompakte und stabile Anordnungen für den Einsatz in der Technik.

Wie bei allen Gestaltmeßverfahren müssen irrelevante Beiträge zum Meßresultat, die durch die Lage relativ zur Meßvorrichtung entstehen, eliminiert werden. Dazu haben Johannes Schwider und seine Mitarbeiter vom Lehrstuhl für Optik an der Universität Erlangen-Nürnberg mathematische Modelle für beliebige stabförmige Objekte erarbeitet und für die wichtigsten Fälle durch Experimente verifiziert.

Innerhalb des BMBF-Forscherverbunds "Grundlagen des Formvergleichs mit synthetischen Masken und Modellen" (SYMAS), der den Rahmen für diese Forschungsarbeiten stellte, galten zylinder- bzw. rotationssymmetrische Mantelflächen als Testfall. Das Team am Lehrstuhl für Optik bezog jedoch auch komplexere, weniger regelmäßig geformte Prüfobjekte ein, wie sie in gängigen mechanischen Fertigungsverfahren durch Drehen, Fräsen und Schleifen produziert werden.

Mit dem Anpacken der allgemeineren Problemstellung ergeben sich zum einen erweiterte Anwendungsmöglichkeiten, zum anderen wird die Lösung zwangsläufig komplexer. Bei allen Meßverfahren treten stochastische und systematische Fehler auf, die einkalkuliert bzw. behoben werden müssen. Mit abnehmender Symmetrie der dreidimensionalen Oberfläche des Prüfobjekts steigt die Zahl möglicher Fehlerquellen. Generelles Ziel der Forschung war es, die Fehlerquellen herauszufinden und deren Einfluß auf die Meßresultate zu minimieren.

Charakteristisch für den Laser ist die hohe Kohärenz, das bedeutet, daß das Licht einer Laserwellenfront in allen seinen Teilen miteinander interferieren kann. Deshalb können starke Störungen durch Streulicht auftreten. Zur Reduktion des Streulichts wird am Erlanger Lehrstuhl für Optik streifender Lichteinfall auf die an sich rauhen technischen Oberflächen eingesetzt; das heißt, die Laserstrahlung trifft das Objekt unter einem sehr kleinen Winkel zur Oberflächenkontur.

Die Objektoberfläche wird bei einer solchen Prüfanordnung verzerrt auf den Detektor abgebildet. Bedingt durch den streifenden Lichteinfall erscheint die Tiefenausdehnung des Prüflings wie in einem Zerrspiegel verformt. Die Meßwerte geben das dreidimensionale Objekt stark verkürzt wieder, was vor allem bei ohnehin kurzen oder rauhen Werkstücken Probleme bereitet.

Zur Lösung dieses letzten Problems wurde hier der Übergang zu langwelligem Licht gewählt, das heißt es wird infrarote Laserstrahlung eines He-Ne-Lasers eingesetzt. Verzerrungen treten dann in sehr viel geringerem Maße auf, und es können kürzere Prüfteile und rauhere Oberflächen erfaßt werden. Allerdings mußten ein sehr teurer IR-Detektor und IR-tüchtige Optik eingesetzt werden.

An den Patentanmeldungen des Lehrstuhls erweist sich die Anwendbarkeit der Forschungsergebnisse. Die automatisierte Vermessung und Prüfung beliebig geformter Werkstücke ist damit in greifbare Nähe gerückt.

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