Gigantische cd-speler na zeventien jaar naar de markt

In 2002 vroeg TNO masterstudent Rens Henselmans van de TU Eindhoven om een concept te ontwikkelen voor het meten van asferische en vrijevormoptica. Tijdens zijn PhD-onderzoek ontwikkelde hij een prototype, dat jaren met succes werd ingezet door TNO. Nu, meer dan zeventien jaar later, heeft Dutch United Instruments eindelijk de eerste commerciële machines geleverd die zijn gebaseerd op dat ontwerp.

Jessica Vermeer
28 november 2019

Asferische en vrijevormoptica zijn tegenwoordig vrij normaal. Zeventien jaar geleden was dat heel anders. Bij TNO werkten onder meer Pieter Kappelhof en Jacob-Jan Korpershoek in die tijd aan faciliteiten voor optische productie. TNO zag de potentie van asferische optica en besloot er een programma voor op te zetten. Ontwerpen en produceren was al redelijk goed mogelijk, maar metrologie bleek problematisch vanwege de complexe vormen en benodigde nanometernauwkeurigheid. Aangezien je alleen nauwkeurig kunt produceren als je ook nauwkeurig kunt meten, moest er een oplossing komen. Kappelhof en Korpershoek zochten contact met de groep Constructies & Mechanismen van Nick Rosielle bij de TU Eindhoven, en zo ontstond een afstudeeropdracht. Ze vroegen masterstudent Rens Henselmans om een passend concept te bedenken.

De eerste twee afgelverde Nanomefos-machines waren binnen een middag operationeel.

Na zijn masteronderzoek lag er een concept, getiteld Nanomefos (nanometer accuracy non-contact measurement of free-form optical surfaces). Het is een contactloze coördinatenmeetmachine. Henselmans vergelijkt het met een gigantische cd-speler waarop optiek van een halve meter past: ‘Het product ligt op een spindel die met constante snelheid ronddraait, terwijl een optische afstandssensor over het oppervlak beweegt.’

Alleen de afstand tussen sensor en oppervlak meten is echter niet genoeg. ‘Voor een betrouwbaar meetresultaat moet je steeds de precieze locatie van de sensor en het product weten. Daarmee kun je corrigeren voor de bewegingsfouten die de tafel en de probe maken. De afzonderlijke bewegingen van deze onderdelen kunnen onafhankelijk worden gemeten dankzij een apart metrologiesysteem.’ Laserinterferometers stellen de positie van de sensor vast en capacitieve sensoren meten de slingering van de tafel, beide ten opzichte van een siliciumcarbide referentieframe.

De focussensor heeft een beperkte focusdiepte van slechts enkele micrometers, terwijl in vrijevormoptica variaties van enkele millimeters geen uitzondering zijn. Daarnaast geven locale hoeken in het oppervlak kans op meetfouten. Daarom ontwikkelde mede-PhD-student Lennino Cacace destijds een tweetrapssensor. ‘Hier behaalt de Nanomefos een significant voordeel ten opzichte van zijn concurrenten’, aldus Henselmans. ‘De actuator in de kop volgt continu het oppervlak. Deze maakt het mogelijk om ook vrije vormen op zeer hoge snelheid te meten omdat de snel bewegende massa laag is.’

Techwatch Books: Fortunes of High Tech

Telescopen

Er werd subsidie aangevraagd om het project verder uit te bouwen. Naast de twee PhD’s werkten nog ongeveer twintig mensen aan het project, zowel studenten als optische en mechanische ontwerpers en instrumentmakers. Het resultaat was een werkende machine die in staat was om een vrijevormoppervlak twee keer te meten, met tot op de nanometer gelijk resultaat. Voor ontwikkeling van een gebruiksinterface en kalibratie was echter geen tijd en budget meer en het project ging in de ijskast.

De actuator in de kop volgt continu het oppervlak waardoor het systeem snel vrije vormen kan meten.

Henselmans trad in dienst bij TNO als systeemarchitect voor astronomie en ruimtevaart. Tussen de bedrijven door ontwikkelde hij steeds stukjes van de gebruikersinterface voor de Nanomefos, die was verhuisd naar de afdeling voor optische vervaardiging. Drie jaar later was het apparaat gekalibreerd en had het werkende software voor asferische en vrije vormen, waarmee de mensen van optische vervaardiging zelfstandig metingen konden doen.

Tussen 2009 en 2018 is het protoype in allerlei projecten gebruikt. De lenzen van onder meer Eso’s VLT OTA-beam expander en Esa’s Tropomi-freeform-telescoop zijn gemaakt met dit apparaat. TNO zette de Nanomefos ook in voor promotieactiviteiten, omdat het zo mooi zijn ontwikkelcapaciteit kon laten zien.

Nieuw begin

Het was Gerard van den Eijkel die de ontwikkeling nieuw leven inblies. ‘In 2013 was ik directeur van Demcon Focal. TNO vroeg ons een kopie van de Nanomefos te bouwen.’ Een enkele machine was echter te duur en de kans ging voorbij. Drie jaar later was Demcon Focal actief in Azië en werd het benaderd door een aantal Aziatische partijen met interesse in metrologie voor optiek. Het legde contact met een Chinese distributeur van optische apparatuur en die zag volop kansen voor orders. In samenwerking met TNO schreef Demcon vervolgens een businessplan; de eerste order zou al binnen een jaar klaar moeten zijn.

Demcon en TNO besloten een nieuw bedrijf op te richten en doopte het Dutch United Instruments, om de Nederlandse roots te benadrukken. Daarnaast betekent ‘dui’ correct in het Chinees, een positieve knipoog naar de markt. Van den Eijkel besloot dat het verstandig zou zijn om Henselmans te contacteren en een adviserende rol te laten vervullen. Henselmans, die inmiddels bij NTS werkte, was direct enthousiast, maar een adviserende rol zou niet voldoende zijn. ‘Zijn emotionele band met het project was sterk en hij besloot voltijds voor DUI aan de slag te gaan’, aldus Van den Eijkel.

Snel in gebruik

Achteraf gezien, was Henselmans’ expertise onmisbaar. Hij stortte zich op het herontwerp van de machine. Door zijn uitgebreide ervaring wist hij precies wat goed was en wat beter kon. De nieuwe machine moest gebruiksvriendelijker, de kostprijs moest omlaag, de robuustheid omhoog en het ontwerp moest geschikt zijn voor serieproductie. En dat met behoud van de nauwkeurigheid van het prototype uit 2009.

De probe is verbeterd en heeft nu onder meer een groter bereik. Verder heeft het nieuwe ontwerp minder onderdelen, waardoor assemblage eenvoudiger is. Een nieuw luchtlagerprincipe maakte het bijvoorbeeld mogelijk om meerdere lagers te vervangen door één luchtlager. Het ontwerp is meteen schaalbaar gemaakt voor grotere en kleinere varianten en er is ruimte gelaten om in de toekomst opties toe te voegen.

Nu, zeventien jaar na de aanvankelijke opdracht, is de eerste commerciële machine afgeleverd. Die functioneerde probleemloos en een tweede machine volgde snel. ‘Beide machines waren binnen een middag in gebruik, waar dat bij machines van concurrenten soms twee weken duurt. Dit bewijst de gebruiksvriendelijkheid’, aldus Van den Eijkel.

Dutch United Instruments werkt op dit moment aan de ontwikkeling van een aantal varianten en aan uitbreiding van de softwarefunctionaliteit. Van den Eijkel hoopt dat het bedrijf over twee tot drie jaar ongeveer tien systemen per jaar kan leveren.