Vinzenz Ullmann

Technische Universität Ilmenau

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Eberhard Manske

Technische Universität Ilmenau

Michael Kühnel

Faseroptische Systeme Messtechnik (Germany)

Torsten Machleidt

Technische Universität Ilmenau

Kay Wenzel

Torsten Meß

Sherief Emam

Technische Universität Ilmenau

Uwe Gerhardt

Technische Universität Ilmenau

Erik Oertel

Technische Universität Ilmenau

Cooperative Institutions

Technische Universität Ilmenau

Walter de Gruyter (Germany)

Deutsche Telekom (Austria)

American University in Cairo

National University of Science and Technology

Institut für Informationsverarbeitung

Faseroptische Systeme Messtechnik (Germany)

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)

École d'Ingénieurs en Chimie et Sciences du Numérique

Université Claude Bernard Lyon 1

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Research Field

Absolute Längenmessung in einem polarisationsoptischen Weißlichtinterferometer

Vinzenz Ullmann Eberhard Manske

Fur die Untersuchung achromatischer Polarisationsoptiken zum Einsatz in der interferometrischen Langenmesstechnik wurde ein fasergekoppeltes Tandeminterferometer aufgebaut und getestet. Dabei lag der Schwerpunkt auf der Detektion und der rechnergestutzten Verarbeitung der charakteristischen Interferenzsignaturen kurzkoharenter Lichtquellen.

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Automated setup for non-tactile high-precision measurements of roundness and cylindricity using two laser interferometers

Measurement Science and Technology (2012)

Michael Kühnel Vinzenz Ullmann Uwe Gerhardt Eberhard Manske

An automated setup for non-tactile high-precision measurements of roundness and cylindricity of ring gauges is presented in this paper.The aim is to overcome classical problems of tactile and radial roundness measurements such as the error influences of the used rotary table and the work piece alignment and thus to increase the accuracy and reduce the measurement time.To achieve those aims a double interferometer concept was chosen and combined with a measurement system for the work piece alignment, a high precision rotary table and an automated four-axes adjustment unit.The main alignment errors of the work pieces (e.g.ring gauges) such as eccentricity and tilting are either suppressed or directly detected and consequently reduced by the automated four-axes adjustment unit.Due to the non-tactile measurement concept and the contactless energy supply of the fouraxes adjustment unit, the radial run of the rotary table is not affected.

Roundness (object)

10.1088/0957-0233/23/7/074016

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Beiträge zur direktantastenden Interferometrie in der optischen Form- und Längenmesstechnik

Vinzenz Ullmann

In der vorliegenden Dissertationsschrift werden drei neue interferometrische Messanwendungen in der Form- und Langenmesstechnik entwickelt und untersucht, die auf einer optischen Direktantastung technischer Oberflachen beruhen. Die angetasten Oberflachen unterscheiden sich in Form, Rauheit und Reflexionsgrad deutlich von ebenen Spiegeln, was eine Anpassung der antastenden Wellenfronten im Interferometer erfordert. Zu den betrachteten Anwendungen gehoren eine interferenzoptische Rundheits- und Rundlaufmessung, eine interferenzoptische Durchmessermessung an Lehrringen und eine interferenzoptische Kavitatslangenmessung. Fur die Realisierung der interferenzoptischen Anwendungen wurden vier technische Konzepte abgeleitet, miteinander kombiniert und in Technologiedemonstratoren umgesetzt. Das erste technische Konzept ermoglicht eine interferenzoptische Direktantastung gekrummter Oberflachen durch die Anpassung der Wellenfronten im Messstrahl an die Oberflachenform. Dies wird durch die Einbindung einer adaptiven Optik erreicht. Das zweite Konzept sieht die Kopplung eines Laserinterferometers mit einem Weislichtinterferometer vor, um eine absolute optische Langenmessungen mit hoher Prazision (Auflosung im Nanometerbereich) und einem grosen Messbereich (mehrere hundert Millimeter) durchfuhren zu konnen. Das Weislichtinterferometer wird gemas dem dritten technischen Konzept mit kompakten, sehr langlebigen, lichtwellenleitergekoppelten LEDs betrieben, die ein breiteres optisches Spektrum aufweisen als Superlumineszenzdioden (SLD), aber auch eine geringere Lichtausgangsleistung. Um im Weislichtinterferometer ausreichend Lichtleistung zur Erzeugung von Interferenzsignaturen zur Verfugung stellen zu konnen, werden Multimode-Lichtwellenleiter (MM-LWL) eingesetzt. Diese MM-LWL verursachen aufgrund von Speckle-Effekten einen kontrastmindernden Effekt im Weislichtinterferometer, der sich auf die geeignete Einstellung der Interferenzstreifenbreite auswirkt. Dieser Effekt wurde untersucht und mathematisch modelliert, um die Interferometerkonstruktion zu optimieren. Das vierte technische Konzept beschreibt den Einsatz achromatisch polarisierender Optikelemente im Weislichtinterferometer. Es werden die Eigenschaften dieser achromatischen Optiken und deren Vorteile fur eine effiziente Strahlfuhrung im Weislichtinterferometer untersucht und beschrieben. Neben einem Funktionsnachweis der interferenzoptischen Durchmessermessung wurden fur die interferenzoptische Rundheits- und Rundlaufmessung und die interferenzoptische Kavitatslangenmessung automatisierte Messprozesse umgesetzt, die anschliesend messtechnisch charakterisiert werden konnten. Fur Messergebnisse einer interferenzoptischen Rundheitsmessunge wird eine erweiterte Messunsicherheit von U = 50 nm (k = 2 u. P = 95%) erreicht. Eine interferenzoptische Langenmessung an einer Kavitat mit dem Nennmas von l = 10 mm in der Nanopositionier- und Messmaschine NMM-1 garantiert Messergebnisse mit einer erweiterten Messunsicherheit von U = 5 nm (k = 2 u. P = 95 %).

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new approach for holistic thread profile determination supported by optical focus variation measurementsA

Vinzenz Ullmann Torsten Meß Kay Wenzel Torsten Machleidt Eberhard Manske

In this proceeding a new approach for the description of geometric-real threads will be given. The holistic determination of the virtual pitch diameter depends on the whole thread scanning. For this purpose, the optical focus variation system, consisting of a microscope objective and a digital camera, captures a stack of pictures and reconstructs the thread surface by a contrast analysis between neighbored pixels. A special calibration gauge for the focus variation system was designed and tested. The traceability and the measurement uncertainty for 3D-Points in precision thread gauge measurements will be given. The uncertainty in the current measurement setup is < 0.6 μm in each coordinate direction (x, y, z) for a S11.2 thread.

Traceability

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Interferometrical determination of concentric run-out errors in rotary tables for optical roundness measurement

Shaping the Future by Engineering: Proceedings ; 58th IWK, Ilmenau Scientific Colloquium, Technische Universität Ilmenau, 8 - 12 September 2014 (2014)

Vinzenz Ullmann Michael Kühnel Eberhard Manske

Roundness (object)

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White-light interferometers with polarizing optics for length measurements with an applicable zero-point detection

Measurement Science and Technology (2015)

Vinzenz Ullmann Sherief Emam Eberhard Manske

For absolute length and form measurements at a large working distance (>150 mm) two special interferometers, a tandem interferometer and a Michelson interferometer with achromatic polarizing optics are constructed. In our experiments, both consist of a combination of one low-coherence interferometer and one laser interferometer. For the low-coherence interferometer part, a simple white-light source with less than 100 µW optical power output is chosen. It bases upon a low-cost fiber-coupled near-infrared LED with a large spectral width (FWHM > 68 nm at 825 nm). The use of achromatic polarizing optics such as broadband polarizing beamsplitters and achromatic quarter-wave plates in the low-coherence interferometer parts increases the contrast level of the white-light signal fringe pattern to nearly 100%. Furthermore, the fringe pattern in a polarized interferometer has no subsignatures and is unique. Hence, different algorithms are tested for signal processing and automated zero-point detection of the white-light signature. The software for an automated measurement is tested in a standard room without thermal control and without damped oscillation. Therefore, in experiments with the tandem interferometer, it was possible to measure the zero-point position of a white-light signature with a peak-to-peak difference of 154 nm under uncontrolled environmental conditions without thermal stabilization. The white-light Michelson interferometer with polarizing achromatic optics allows zero-point detections with a standard deviation (mean value) of less than 15 nm. The drift is proved through measurement results.

Zero (linguistics)

Zero-point energy

White light interferometry

10.1088/0957-0233/26/8/084010

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High-precision angle sensor based on a Köster’s prism with absolute zero-point

Measurement Science and Technology (2018)

Vinzenz Ullmann Erik Oertel Eberhard Manske

In this publication, a novel approach will be presented to use a compact white-light interferometer based on a Koster's prism for angle measurements. Experiments show that the resolution of this angle interferometer is in the range of a commercial digital autocollimator, with a focal length of f = 300 mm, but with clearly reduced signal noise and without overshoot artifacts in the signal caused by digital filters. The angle detection of the reference mirror in the Koster's interferometer is based on analysing the rotation angle of the fringe pattern, which is projected on a CMOS-matrix. The fringe pattern is generated by two displaced spherical wave fronts coming from one fiber-coupled white-light source and getting divided into a reference and a measurement beam by the Koster's prism. The displacement correlates with the reference angle mirror in one linear direction and with the angle aberrations of the prism in the other orthogonal direction on the CMOS sensor. We will present the experimental and optical setup, the method and algorithms for the image-to-angle processing as well as the experimental results obtained in calibration and long-term measurements.

Zero (linguistics)

Prism

Zero-point energy

Absolute (philosophy)

Absolute zero

10.1088/1361-6501/aab252

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Interferometrische Rundlauffehlerbestimmung von Drehtischen für die optische Rundheitsmessung

tm - Technisches Messen (2015)

Vinzenz Ullmann Michael Kühnel Eberhard Manske

Zusammenfassung Für hochgenaue Rundheitsmessungen an Lehrringen müssen systematische Fehlereinflüsse untersucht und erfasst werden. Dies gilt auch für den Rundlauffehler eines Drehtisches, welcher in Messsystemen für die Rundheits- und Zylinderformmessung eingesetzt wird. Für den Ansatz der interferenzoptischen Rundheitsmessung wurde ein kontaktfreies Antastsystem mit zwei integrierten Planspiegelinterferometern am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik entwickelt und getestet. Mit einer maximalen Auflösung von bis zu 20 pm ist es möglich, den Rundlauffehler eines Drehtisches mit Luftlagern hochgenau zu bestimmen. Mit einem etablierten Auswerteverfahren in Kombination mit dem neuen interferometrischen Messsystem konnte ein maximaler Rundlauffehler von 537.5 nm bestimmt werden. Die mittlere Reproduzierbarkeit liegt in den durchgeführten Versuchen bei 31.3 nm. Diese Reproduzierbarkeit schließt nicht nur die Reproduzierbarkeit der Rundlaufmessung ein, sondern beinhaltet auch den Rundlauf des Drehtisches. Dass die Rundlaufwerte im Experiment eine solche Reproduzierbarkeit aufweisen, liegt an der rückwirkungsfreien Struktur des Messaufbaus. Weder das Messsystem selbst noch die notwendigen technischen Strukturen zur Lehrringausrichtung sollten den Drehtischrundlauf beeinflussen.

10.1515/teme-2015-0021

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