Asphärenprüfung mit CGH

Einführung Prinzip Nulltest Einsatz von Computer Generierten Hologrammen Anwendung References

Asphärische Oberflächen werden zunehmend in optischen Systeme eingesetzt. Die Fertigung dieser Präzisionselemente muss von einer adäquaten Messtechnik begleitet werden. Hierbei ergeben sich jedoch aufgrund der gegenüber sphärischen Flächen geringeren Symmetrie erhebliche Probleme bei der interferometrischen Vermessung. Für jeden neuen Asphärentyp muss eine neue Nulllinse gefertigt werden, was zeit- und kostenaufwändig ist. Der Einsatz von diffraktiven Nulloptiken bietet hier eine kostengünstige Alternative mit hoher Flexibilität und neuen Möglichkeiten bei der Kalibrierung.

Die flächenhafte Interferometrie erlaubt die Formprüfung von optisch glatten Flächen mit einer Messgenauigkeit bis unter 1 nm (ein millionstel Millimeter). Diese ungeheure Messgenauigkeit wird ermöglicht, indem die Wellenlänge des Lichts (z.B. rot, 633 nm) als Massstab verwendet wird. In sogenannten Nulltestkonfigurationen werden Prüflinge mit sehr genau bekannten Masterflächen verglichen. Die Fehler des Prüflings treten dann wie ein Gebirge auf der Landkarte in Form von Höhenlinien hervor.

Wichtig bei diesem Verfahren ist die Masterfläche. Mit einer planen oder sphärischen Masterfläche können viele unterschiedliche Prüflinge getestet werden, da Planwellen und Kugelwellen selbstähnlich propagieren. Dies ist anders bei nicht-kugelförmigen Flächen, sogenannten "Asphären". Hier benötigt man für jeden neuen Flächentyp eine neue Masterfläche. Aus praktischen Gründen benutzt man eine Art "inverse" Masterfläche, d.h. eine Linse, die zusammen mit der asphärischen Prüflingsfläche eine Planwelle ergibt. Diese Planwelle wird dann mit einer ebenen Referenzfläche verglichen. Die Linse, die die Wellenfront an die Asphäre anpasst, nennt man Nulllinse.

Abbildung 1: Nulltest mit CGH	Abbildung 2: Foto einer diffraktiven Nulllinse. In der Peripherie des CGH ist eine Justagestruktur zur Ausrichtung des Hologramms im Interferometer zu sehen.

Die konventionelle Herstellung einer Nulllinse aus refraktiven Elementen ist zeitaufwendig und teuer. Wir ersetzen daher die refraktive Nulllinse durch ein diffraktives Element, ein computergeneriertes Hologramm (CGH). Es erfüllt dieselbe optische Funktion, bietet allerdings unvergleichlich mehr Designfreiheiten, ist kompakt und hochpräzise realisierbar.

Mit Hilfe von computergenerierten Hologrammen wird aus der sphärischen Wellenfront des Interferometers eine asphärische Wellenfront generiert, die eine ideale Asphärenform verkörpert. Die Prüfwelle wird in sich zurückreflektiert. Dadurch werden im Interferogramm nur die Abweichungen des Prüflings von der Sollform angezeigt.

Für die Herstellung von CGH mit einem Durchmesser bis zu 280 mm verwenden wir eine Laserbelichtungsanlage, die in Polarkoordinaten arbeitet (CLWS300).

Kostengünstige Asphärenfertigung

Durch den Einsatz von computergenerierten Hologrammen können die Kosten und Vorlaufzeiten in der Asphärenfertigung reduziert werden. Gleichzeitig steigt die Bandbreite der prüfbaren und damit fertigbaren Asphären.

Absolutkalibrierung Asphärentest

Die Nulllinse bestimmt beim Asphärentest das Ergebnis der Messung und damit das Ergebnis der Fertigung. Das Beispiel des Hubble-Teleskops zeigt, wie wichtig eine korrekte Kalibrierung des Prüfaufbaus ist. CGHs erlauben, einen Asphärentest absolut zu kalibrieren (siehe Referenzen).

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