Bath-Interferometer
Zum Prüfen von Optiken mit Hilfe von Weisslicht benutzen wir ein Bath-Interferometer. Das Bath-Interferometer wurde vor über 20 Jahren von Karl-Ludwig Bath aus Emmendingen entwickelt. Bei diesem Interferometertyp wird als Referenzoptik die zu prüfende Optik selbst verwendet. Dadurch und durch die Anordnung der Interferometeroptiken durchlaufen Referenzstrahlenbündel und Prüfstrahlenbündel die gleichen Weglängen, was den Einsatz einer Beleuchtung mit sehr kurzer Kohärenzlänge ermöglicht.
Eine gute Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise des Bath-Interferometers findet man auf den Webseiten des Amateurastronomen und bekanntem Optikprüfer Wolfgang Rohr.
Zum Aufbau unseres Bath-Interferometers benutzen wir eine 10mm starke, rechteckige Platte aus hochfestem Aluminium. Um die genaue Positionierung der optischen Elemente des Interferometers zueinander sicherzustellen, wurden Aussparungen auf der Oberseite der Platte mit der CNC-Fräse herausgearbeitet.
Die Beleuchtungseinheit ist eine geregelte Halogenlichtquelle, deren Strahlung über einen 5mm starken Lichtleiter ins System eingekoppelt wird. Der Lichtstrahl wird dann auf eine Lochblende fokussiert, anschließend mit einem Achromaten kollimiert und durch eine einstellbare Irisblende im Durchmesser passend beschnitten. Durch die einstellbare Irisblende kann man den Strahldurchmesser der Beleuchtung in Abhängigkeit der zu prüfenden Optik minimieren.
Ein kleinerer Strahldurchmesser ermöglicht es, den Abstand zwischen Referenzstrahlenbündel und Prüfstrahlenbündel durch Ausrichtung der Interferometerelemente zu verringern, sodass der durch den Messaufbau eingeführte und vom Abstand der beiden Strahlenbündel abhängende Astigmatismusfehler der Messung reduziert werden kann.
Die Beleuchtungseinheit sitzt auf einem Optikhalter der in 3 Richtungen linear bewegt und um zwei Ebenen gekippt werden kann. Damit wird eine exakte Ausrichtung des Beleuchtungsstrahls zum Interferometeraufbau möglich.
Zwischen verstellbarer Irisblende und dem Strahlteilerwürfel kann ein Filterhalter in den Strahlengang eingesetzt werden. Der Filterhalter kann während der Messung herausgenommen werden, um den Filter zu wechseln. Damit haben wir die Möglichkeit, Optiken ohne grosse Auswirkungen auf die Justage des Messaufbaus, bei engen Bandbreiten und unterschiedlicher Zentralwellenlänge der Beleuchtung, zu vermessen.
Solche Messungen bei unterschiedlichen Wellenlängen des sichtbaren Spektrums sind z.b. bei der Prüfung von Refraktorobjektiven sehr nützlich, um den Farbfehler solcher Objektive sicher bestimmen zu können. Die von uns eingesetzten Interferenzfilter besitzen Zentralwellenlängen von 430nm, 486nm, 546nm, 589nm und 656nm und haben eine Bandbreite von 10nm. Es existiert auch ein Interferenzfilter mit 532nm Zentralwellenlänge und einer Bandbreite von lediglich 1nm. Dieses Filter kann an Stelle eines grünen Lasers eingesetzt werden.
Die benutzten Interferenzfilter als auch die Interferometeroptiken stammen von Edmund-Optics und Melles-Griot und sind von sehr guter Qualität. Der Interferometeraufbau ist auf einen Optikhalter aufgeschraubt, der in zwei Ebenen verkippt werden kann. Zuammen mit den Verstellmöglichkeiten des Unterbaus auf dem das Bath-Modul befestigt wird, kann das Interferometer sehr genau zur Prüfoptik ausgerichtet werden. Das ermöglicht uns eine sehr feinfühlige Einstellung der Interferenzstreifen.
Motorisch verstellbare Bühnen zur Verschiebung des Bath-Aufbaus in xy-Richtung dienen dazu, den Fokuspunkt des Interferogramms und die seitliche Ausrichtung zur zu prüfenden Optik genau einzustellen. Die beiden Bühnen sind von Thorlabs und werden durch Gleichstrommotoren angetrieben. Sie werden über Software gesteuert und erlauben Bewegungsauflösungen von 29nm bei einer gesammten Verfahrlänge von 12mm.
Wie auf den Bildern vom Bath-Interferometer zu sehen ist, benutzen wir zur Vermessung von Parabolspiegeln oder anderen, nicht-sphärischen Spiegeln eine Kompensationslinse. Die Linse stammt von "BMV Optical Technologies". Sie hat eine sehr hohe Qualität und kompensiert die Formunterschiede der zu vermessenden Optiken nahezu fehlerfrei.
Allerdings erzeugt die Kompensationslinse bei einem 10 Zoll f/4 Parabolspiegel aus dem f/8 Strahlenbündel (f/8 wegen ROC-Messung) ein f/3,7 Bündel, was bedeutet, dass das Referenzstrahlenbündel ein mindestens ebenso schnelles Öffnungsverhältinis aufweisen muss, um Interferenzen über die gesammte Fläche der zu prüfenden Optik zu erzeugen. Das bedeutet beim Einsatz einer 5mm grossen Linse mit 18mm Brennweite einen Beleuchtungsstrahl von mindestens 5mm Durchmesser, d.h. eine solche Linse wäre im Beispiel gerade an der Grenze ihrer Einsetzbarkeit.
Die hohe Konvergenz der Strahlenbündel erzeugt hinter dem gemeinsamen Brennpunkt ein stark divergentes Strahlenbündel, d.h. das Bild des Interferogramms wird sehr schnell grösser als die Abmessungen des Bildsensors zur Aufnahme dieses Bildes. Um das gesammte Interferogramm einer solchen optischen Anordnung auf dem Bildsensor der Kamera abbilden zu können, benutzen wir eine Relaisoptik aus zwei hochwertigen Achromaten verschiedener Brennweiten, die als Verkleinerungsoptik wirkt. Diese Optik ist auf den Bildern seitlich, am Interferometerausgang zu sehen.
Zur Bildaufnahme am Bath-Interferometer verwenden wir eine Kamera des Typs Canon EOS 600D. Die Kamera besitzt einen Bildsensor mit 18MP Auflösung im APS-C Format (22,3mm x 14,9mm). Sie kann über die USB Schnittstelle mit Hilfe der mitgelieferten Software per Computer gesteuert werden und besitzt einen Live-View Modus, d.h. man sieht das aktuelle Bild mit einer Framerate von 20 Bildern pro Sekunde am Computerbildschirm und kann so die Auswirkungen von Einstellungsänderungen sofort verfolgen. Eine schöne Sache dieser Live-View-Modus, sowohl für die optische Messtechnik als auch für die Videoastronomie.
Als Kameraobjektive stehen drei Festbrennweiten (35mm, 50mm, 60mm Makro) und ein Zoomobjektiv (18-250mm) zur Verfügung.
Zur Auswertung der am Bath-Interferometer aufgenommenen Interferogramme benutzen wir die Technik der Streifenauswertung. Wie in der Beschreibung zum Michelson-Phase-Shifter erläutert, kann man mit dieser Technik grossflächige Formfehler wie Astigmatismus, Sphärische Aberration oder auch Koma sicher bestimmen.
Wir setzen dazu die kommerzielle Software "QuickFringe" von Diffraction Limited ein. QuickFringe bietet eine gute, wahlweise automatische oder manuelle Streifenauswertung an und besitzt ein sehr gutes Reportingmodul zur Gestaltung der Prüfberichte. Ausserdem können von Videoquellen wie Framegrabbern, FireWire Videokameras oder auch Webcams aufgenommene Interferogrammbilder direkt in QuickFringe übernommen und verarbeitet werden, was die Bearbeitungszeit bei vielen, auszuwertenden Interferogrammbildern stark verkürzt.
Die vertikale Auflösung des Bath-Interferometers liegt im Bereich 1/15 der Wellenlänge der eingesetzten Beleuchtung. Um diese Auflösung zu erreichen, stellen wir bei der Streifenauswertung ca. 20 Interferenzstreifen auf der Testoberfläche ein. 20 Interferenzstreifen ergeben bei einer Testoberfläche von 10 Zoll (254mm) Durchmesser einen Streifenabstand von 12,7mm. Der Streifenabstand bestimmt nicht nur die vertikale Auflösung sondern ist auch die horizontale Auflösung der Messung.
Um Messfehler durch Vibrationen wirksam zu unterdrücken steht der komplette Aufbau auf einer aktiv-schwingungsdämpfenden Plattform von Newport. Aktiv bedeutet, dass die 4 Schwingungsabsorber auf denen die Plattform steht, an ein Druckluftsystem mit konstantem Druck angeschlossen sind. Ein Absorberpaar und zwei einzelne Absorber können Ihren Luftdruck, also ihre Federung, voneinander unabhängig regulieren.
Durch diese Regelung können auftretende Vibrationen durch Gebäudeschwingungen, Autoverkehr, Gehen, Maschinen usw. sehr wirksam gedämpft werden. Ausserdem wird dadurch eine aktive Nivellierung der Plattform mit Genauigkeiten im Submillimeterbereich erreicht.
Laut Hersteller erreicht die Plattform bei vertikalen Vibrationsfrequenzen von 10Hz eine Dämpfung von 90%, bei horizontalen Vibrationsfrequenzen von 10Hz eine Dämpfung von 96%. Die horizontale Resonanzfrequenz der Plattform ist 3,6Hz (+10dB), die vertikale Resonanzfrequenz ist 3,2Hz (+12dB). Durch diese Eigenschaften werden die gewöhnlich in Wohngebäuden auftretenden, niederfrequenten Schwingungen (6-80Hz) sehr gut gedämpft.
Der Bath-Aufbau eignet sich hervorragend dazu, grossflächige Formfehler von optischen Oberflächen messtechnisch sicher zu erfassen. Um Oberflächenfehler kleinerer Ausdehnungen sicher messen zu können, verwenden wir den Michelson-Phase-Shifter oder den 3D-Profiler.
Ihre Fragen zum Thema, Ihre Kritik oder Ihre Verbesserungsvorschläge können Sie gerne per Telefon oder Email an uns weitergeben.