CORNET
OPTASENS

Mérőeszközök kombinált alkalmazása és minősítése optikai felületek precíziós alakmérése céljából

 

  • Projektismertető

     

    A kutatás-fejlesztés célja

    A projekt végeredményeként a nemzetközi konzorcium létre kívánja hozni az optikai felületek precíziós alakméréséhez szükséges méréstechnológiák elvi és gyakorlati demonstrációját azzal a céllal, hogy az ezen területen gyártótevékenységet folytató, és flexibilis vállaltok hasznosítható technológiai tudásbázist, és egyben releváns ipari fejlesztések kiinduló alapját nyerjék. A kidolgozott precíziós méréstechnikák más iparágak, például a világítótest-, az autókarosszéria-, autószélvédő-gyártók speciális szabadformájú felületeinek vizsgálatainál is alkalmazhatóvá válnak.

     

    Az optikai elvű mérések kidolgozói

    A projekt megvalósítására két ország szakmai szövetségei alkottak konzorciumot. Magyarország és Németország 1-1 szakmai szövetsége nemzeti kutató és fejlesztő központokat bízott meg alvállalkozóként a projekt céljainak kidolgozására. A konzociumot Németország részéről Forschungsvereinigung Feinmechanik, Optik und Medizintechnik e.V. (FOM), Magyarország részéről pedig a Magyar Optikus Ipartestület (MOI), mint szakmai szervezet vezeti. E szakmai szervezetek által a kutatási-fejlesztési feladatokra megbízott kutató központok a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME), a Passau-i Egyetem (UP), a Müncheni Műszaki Egyetem (TUM) és a Deggendorfi Főiskola (FHD).

     

    A projekt kidolgozásának fő feladatpontjai

    • A mérési elvek és berendezések nagy átmérőjű felületeken való alkalmazhatóságának vizsgálata.
    • Lokális felületi mérések végzése konvencionális mérőberendezésekkel és a mérési eredmények globális kombinálhatóságának elemzése.
    • Matematikai algoritmusok kidolgozása a különböző mérési módszerek és mért felületek precíziós összeillesztésére.
    • Mechanikai és egyéb környezeti hatások mérési eredményekre vonatkozó befolyásoló hatásainak elemzése (például a termikus hatások).
    • A teszt összeállítás megépítése.
    • A mérőberendezés kalibrációja és ismert mintafelületeken való ellenőrzése.

     

    A méréstechnikával szembeni elvárások

    Optasens néven futó kutatás célja mérőeszközök kombinált alkalmazása és minősítése optikai felületek precíziós alakmérése céljából, mely a következő paraméterekkel jellemezhető:

    • Átmérő 800 mm-ig
    • Görbületi sugár 2400 mm felett
    • Felületi minőség:
    • PV < λ/12 @ λ = 632 nm
    • rms < λ/40 @ λ = 632 nm
    • Görbületi sugár méret eltérés < 0,1 %
    • Aszférikus felületek mérésének lehetősége
    • Általános felületek mérésének lehetősége

    A még pontosabb mérőberendezés megvalósításához a német Physikalisch-Technischen Bundesanstalt-tal közösen végzett érzékenységvizsgálat is zajlik, melynek céljai a következők:

    • A nagy felületek méréséhez alkalmazandó „stitching” eljárás tudományos kidolgozása.
    • Nagyméretű szférikus és aszférikus felületek mérési módszerének kidolgozása.
    • A kritikus jusztírozás, és a rendszerparaméterek meghatározása.
    • Sor került a mérőberendezés 3D szimulációjára, mely az összes tengelyre mind a hat szabadságfokot figyelembe vette, és az egyes rendszerparaméterek mérési eredményre gyakorolt hatását vizsgálta.

    Részfelületek összefűzése – a stitching eljárás –, amely a nagy felületek rekonstrukciója során akár háromszáz kisebb felületrész interferometrikus, autokollimációs, érintéses-detektoros, vagy deflektometrikus részmérés eredményének összefűzésével kerül előállításra. Ezen részeredmények összefűzésének feltétele, hogy a részfelületek átfedése legalább ötven százalék legyen, a mérőfej pozíciójának mérése kiegészítő mérőberendezéssel legyen ellátva és a stabil gránitállvány környezetében a nagypontosságú pozícionálás érdekében a hőmérséklet intervallum a mérés folyamán legfeljebb ± 0,1 K mértékű legyen.

     

    Mérőberendezés

    A mérések elvégzéséhez alapvető fontosságú egy precíz mérőegység kiválasztása, mely célnak egy gránit portálmérőgép felel meg. Erre kerülnek felszerelésre a különböző mérőeszközök. A mérőfej pontos helyzetének meghatározása (x-teng. pozíció, B-teng. elfordulás) egy 3-sugaras lézerinterferométer segítségével történik.


    1. ábra A mérőberendezés

     

    A feladat általános megfogalmazása

    Az optikai gyártástechnológiában követelmény az elkészült konvencionális gömb- ill. aszférikus, esetleg szabad alakítású, úgynevezett freeform felületek precíziós vizsgálata. Léteznek ugyan mérési technológiák kisebb, néhányszor tíz milliméteres felületek vizsgálatára, azonban a nagyobb átmérőjű gyártmányok mérése jelenleg nem, vagy csak nagyon körülményesen megoldott. A gyártás számára optimalizált, a megmunkáló egységek környezetében alkalmazható mérési technológiák pedig az azonnali gyártásellenőrzést, valamint a szükséges beavatkozások közvetlen kivitelezését tennék lehetővé. Az OPTASENS projekt feladatául így a résztvevők a nagyméretű – legalább nyolcszáz milliméter átmérőig terjedő – optikai felületek precíziós méréstechnikáját tűzték ki célul az utó-megmunkálási polírozási technológiák (MRF, AFJP) munkautasításainak meghatározása céljából.

     

    Méréstechnikai elvek, módszerek

    A mérés pontosságául kitűzött néhány tíz nanométeres tartomány számos mechanikai és termikus vizsgálat elvégzését igényli, melyek eredményei magát a megmunkálásra kerülő és így a mérés tárgyaként szolgáló tükör anyagának kiválasztását is behatárolják. Számtalan szóba kerülő, gyártásban már szereplő anyag került látókörbe. A választás egy áttetsző, speciális optikai feladatokra használt üvegkerámiára, a Zerodurra esett. Ebből az anyagból, amellett hogy az általánosan felhasznált anyagokhoz képest több nagyságrenddel kisebb hőtágulási együtthatójú – mely normál üzemi körülmények között 0 ± 0,10 x 10-6/K értékű –, a mérések elvégzéséhez – és a későbbi alkalmazásokhoz –, ideális felület képezhető ki.

     

    A felületmérés lehetőségei

    A felület pontosságának megállapítása a megmunkálás fázisai, az egyes polírozási lépések között szükséges. A mérés során a hiba, azaz a tervezett és a mért felület mérete és alakja közötti eltérés jellege két csoportra, felületi, valamint alakhibákra osztható. A felületi hibákat a közepes vagy rövid hullámhossz jellemzi, melyekkel leggyakrabban egy felület karcossága (néhány nanométer szélességű hibakiterjedés) esetén találkozunk. Ez a hiba a konvencionális, jellemzően néhány tíz centiméteres mérőfelület esetén meghatározható. Felületek mérésekor a nagy hullámhosszú hiba vagy alakhiba (periódusa jellemzően ötven és száz milliméter közé esik) is meghatározandó, hiszen a polírozási eljárás során ez korrigálható. Gyakorlati tapasztalat, hogy ez az érték a polírozó szerszám átmérőjének – hozzávetőlegesen – ötszöröse. Ugyan a készülő felületek gyártás közbeni, illetve a már elkészült felületek precíziós vizsgálatára többféle mérési eljárás is ismert, alkalmazásuk azonban ilyen nagy kiterjedésű felületek mérésekor számos problémát vet fel. Mivel az ilyen kismértékű, nagyságrendileg tíz nanométeres pontosságot igénylő mérési eljárások mindössze kétszáz milliméteres átmérőjű mérőfelület mérésére alkalmasak, a több méteres átmérőjű felületek méréséhez – különösen a freeform felületek esetében – önmagukban nem alkalmazhatóak. Az említett problémákat kiküszöbölve, a felületek rekonstrukciója abban a jövőbe mutató eljárásban rejlik, mely a mérést egyrészt a különböző méréstechnológiák kombinált alkalmazásával, másrészt az egyes mérési eljárások ismételt, részfelületeken történő kivitelezésével valósítja meg. Az így kapott részképek összeillesztése – az úgynevezett „stitching” eljárás – külön erre a célra fejlesztett algoritmussal valósítható meg, biztosítva így a teljes felület rekonstrukcióját.

     

    Érintéses-érintésmentes mérés

    Más megközelítésben a mérés alapvetően lehet érintéses-felületi tapintós vagy érintésmentes, optikai elvű. Napjainkban az egyes mérések, még a tapintós mérések alkalmazása esetén is, a mikrométernél kisebb bizonytalansággal valósíthatók meg. Érintésmentes távolság meghatározásához lézer fényforrást alkalmazva, a konfokális mikroszkópia mellett a lézer interferométer alkalmazása jön számításba. Mindkét méréstechnológia pontossága nanométeres felbontóképesség-tartományt jelent. Egy felület tulajdonságáról komplexebb képet ad a deflektometrikus és az interferometrikus kép.


    2. ábra Az érintéses mérés detektorainak kalibráló berendezése

     

    Deflektometriás mérés

    A deflektometria strukturált fényes felületmérési eljárások csoportjába tartozó érintésmentes-optikai felületvizsgálati módszer. A deflektometria olyan képalkotó eljárás, melynek során egy előre meghatározott struktúrának a vizsgált felület által alkotott és detektált képét vizsgáljuk. A tárgy által leképzendő struktúrát a legtöbb esetben egy TFT monitorral állítjuk elő, a keletkező képet egy nagyfelbontású, digitális kamerával rögzítjük. A TFT-monitor és a kamera vizsgált felülethez viszonyított helyzetének ismeretében lehetővé válik a tükröző felület rekonstrukciója. A felületrekonstrukció során általában az interferometrikus és a moiré képek feldolgozására előszeretettel alkalmazott fázislépéses módszert alkalmazzák. Ennek során a leképzett struktúra fázisviszonyainak visszaállítása szolgáltat alapot a felületi pontok koordinátáinak azonosítására. Az így kapott kép a vizsgált felületre vonatkozóan méreteket szolgáltat a monitor- kamera rendszer helyzetéhez képest. Az eljárás pontosságának fokozását célzó fejlesztéseknek köszönhetően mikrométer alatti mérési pontosságot sikerült elérni. A deflektometriás mérőfej megmunkáló egységgel való összekapcsolása nem konvencionális, sok esetben speciális szerkezeti megoldásokat igényel. A mérés során nyert képi információ feldolgozásához a jel- és képfeldolgozás legkorszerűbb algoritmusai, eszközei kerülnek alkalmazásra.


    3. ábra A deflektometriás mérés elve

     

    Interferometriás mérés

    Mivel a mérőrendszernek sík, szférikus és különböző aszférikus felületek mérésére is alkalmasnak kell lennie, célszerű volt annak lehetőségét is megvizsgálni, hogy hogyan lehet a mérőrendszert úgy kialakítani, hogy a felületről kapott információ a lehető legteljesebb legyen, azaz ne kelljen mérési és számítási megoldásokat keresni a lokális mérési adatok egymáshoz viszonyított értelmezésére, illetve összekapcsolására. Javaslatunkban kiemeltük, hogy célszerű egy Fizeau interferométeres üzemmódban működő, Zygo típusú Mark II interferométer adaptálása. Az interferometriás mérések során, a klasszikus elvek alapján, két – egy referencia és egy, a vizsgált felülethez kapcsolható – hullámfront interferenciájának kvantitatív értékeléséből határozhatók meg a mérendő felület paraméterei. Javaslatot tettünk mind a szférikus, mind a sík, mind a parabolikus felületek vizsgálatának ezen elvek menti kivitelezésére.


    4. ábra Az interferometriás mérés elve

     

     

  • Projektpartnerek

    BME, Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék
    1521 Budapest
    Bertalan Lajos u. 4-6.
    info@mogi.bme.hu

    Telefon: +36 1 463-2602
    Fax: +36 1 463-3787

    Magyar Optikusok Ipartestülete

    Budapest V. kerület
    Podmaniczky Frigyes tér 4. II. em. 5.
    moi@moi.hu

    Telefon: +36 1 331-07-65
    Fax: +36 1 302-82-20

    Hochschule für angewandte Wissenschaften Deggendorf
    Edlmairstraße 6 und 8
    94469 Deggendorf
    Germany
    Prof. Dr. -Ing. Engelbert Hofbauer
    Engelbert.Hofbauer@hdu-deggendorf.de

    Telefon: +49 (0) 9923-8045-410

    Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften - TU München
    Boltzmannstr.15
    85748 Garching
    Dipl.-Ing Oliver Rösch
    Oliver.Roesch@iwb.tum.de

    Telefon: +49 (0) 89-289-15541

    Forwiss – Universität Passau
    Innstraße 43
    94032 Passau
    Dr. Alexander Zimmermann
    zimmermann@forwiss.uni-passau.de

    Telefon: +49 (0) 851-509-31 03

     

     

  • Támogató