Testing double-sided optical elements with the MarSurf LD 260 Aspheric 3D

Essentiell für die präzise Fertigung sind zwei Faktoren: Zum einen die Genauigkeit der in jede Formteilhälfte eingebrachten negativen Geometrie der späteren optischen Funktionsfläche. Zum anderen die Ausrichtung der beiden Formteilhälften zueinander. Eventuelle Ausrichtfehler einer so gefertigten Optik resultieren in einer fehlerhaften Lage der gegenüberliegenden optischen Funktionsflächen der Linse. Allerdings kann die Ausrichtung der beiden Werkzeughälften zueinander nur am hergestellten Werkstück, dem optischen Element, nachgewiesen werden. In der Optikfertigung sind die Fertigungsfehler wie Verkippung und seitlicher Versatz eine generelle Problemstellung. In der DIN ISO 10110 Teil 6 sind die Zentrierfehler und deren Toleranzen genau definiert.

Fehlerpotenzial beim Ausrichten und Zentrieren

Um schon vor der Fertigung die Ausrichtung der optischen Achsen beider Werkzeughälften zueinander bestimmen zu können wird oftmals eine dritte Geometrie, wie beispielsweise der Randzylinder, als Bezug verwendet. Die Kenntnis um die optischen Achsen der einzelnen optischen Flächen ist die Grundvoraussetzung, um Verkippung und seitlichen Versatz (Dezentrierung) bestimmen zu können. Im Gegensatz zu sphärischen oder planen optischen Flächen verfügt ein bi-asphärisches optisches Element bereits über zwei klar definierte optische Achsen aus den beiden asphärischen Geometrien selbst. Daher ist die Tolerierung der Verkippung und des seitlichen Versatzes zu einem dritten, externen Bezug im Fall einer Bi-Asphäre nicht notwendig.

Messung mit Doppeltastspitze als Lösung

Die Applikationsingenieure der Mahr GmbH haben auf Grund der zunehmenden hohen messtechnischen Anforderungen an optische Elemente eine Messmethode entwickelt, die eine neue Betrachtungsweise sowohl auf die Tolerierungsmöglichkeiten, als auch das optischen Design erlaubt. Mit dieser Methode können alle relevanten Werte in einer Messung erfasst werden, ohne auf externe Referenzen zurückgreifen zu müssen.

Umgesetzt wurde diese Lösung mit dem Oberflächenmessgerät MarSurf LD 260 Aspheric 3D. Das optische Element, z.B. eine Bi-Asphäre, wird durch eine spezielle Aufnahme mit radialen Aussparungen aufgenommen. Über einen Tastarm mit einer Doppeltastspitze können am optischen Element im parallelen oder polaren Versatz Messpunkte aufgenommen und ausgewertet werden. Im Falle einer Bi-Asphäre könnte dies beispielsweise mit zwei Messungen über den Zenit der optischen Funktionsflächen bei 0° und 90° realisiert werden. Die Messpositionen können in der Software angelernt und für darauffolgende Messungen zusammen mit der zugehörigen Auswertung automatisiert ablaufen.

MarSurf LD 260 Aspheric 3D

Die Auswertemöglichkeiten sind vielseitig und können an die Bedürfnisse des individuellen optischen Elements angepasst werden. Typische Auswertungen an einer Bi-Asphäre können beispielsweise sein:

• Auswertung der Differenz der einzelnen optischen Flächen P1 und P2 zu Ihrer Sollgeometrie – Differenzprofile (PV, RMS)
• Erfassung des seitlichen Versatzes (Dezentrierung) zwischen den optischen Flächen P1 und P2
• Verkippung zwischen den optischen Flächen P1 und P2
• Mittendicke des optischen Elements

Diese Messlösung bedeutet, dass beide optische Flächen zueinander, ohne auszuspannen, im absoluten Bezug gemessen und ausgewertet werden können.