Reflexion
Reflexionen an Spiegeln im Bereich der Astronomie besitzen gewöhnlich Reflexionswinkel die in zwei Winkelbereichen liegen. Einmal die Reflexion an Hauptspiegeln, die in Abhängigkeit der Form der Spiegel (Öffnungsverhältniss) im Bereich 0 - 10 Grad liegen. Hier trifft ein paralleles Strahlenbündel auf die Spiegeloberfläche und wird in Richtung Brennpunkt reflektiert. Dabei ist der Reflexionswinkel der Strahlung am äußeren Rand des Spiegels am größten und nimmt zur Mitte hin kontinuierlich bis auf 0 Grad ab.
Der zweite Winkelbereich der Reflexion entsteht an Sekundärspiegeln, Zenitspiegeln oder Zenitprismen. In der Regel ist die Oberfläche solcher Spiegel plan und der Reflexionswinkel variiert, in Abhängigkeit der Drehung der Spiegel zur Hauptoptik, im Bereich 45 - 90 Grad. Die Spiegel liegen dabei meistens im konvergenten Strahlengang der Hauptoptik. Mit Reflexionswinkel ist hier der Winkel zwischen einfallendem und reflektiertem Lichtstrahl gemeint.
Um die beschriebenen Reflexionsverhältnisse nachzubilden benutzen wir zwei unterschiedliche Reflexionsmessverfahren. Zur Messung der Reflexion von Sekundärspiegeln, Zenitspiegeln oder Zenitprismen werden die Spiegel im entsprechenden Winkel zur Lichtquelle ausgerichtet.
Das Strahlenbündel der Lichtquelle wird durch eine Lochblende im Fokus eines 2" Achromaten positioniert und dadurch kollimiert. Anschließend wird das kollimierte Strahlenbündel durch einen zweiten, gleichen Achromaten auf einen Lichtwellenleiter fokussiert. Nahe dem Ausgang der zweiten Linse wird der zu prüfende Spiegel positioniert, der das konvergierende Strahlenbündel auf den Lichtwellenleiter im gewümschten Winkel umlenkt.
Der Lichtwellenleiter ist mit einem CCD-Spektrometer verbunden, welches das Spektrum der Strahlung misst, digitalisiert und die Daten an einen Computer überträgt. Mit entsprechender Software wird das übertragene Spektrum dann am Computer ausgewertet und dargestellt. Mit Hilfe des CCD-Spektrometers wird es möglich, die Intensität der Reflexion in den Farbbereichen des Spektrums sehr genau zu messen und gleichzeitig darzustellen.
Das für die Messungen eingesetzte CCD-Spektrometer stammt von der kanadischen Firma Aseq Instruments. Der damit erfassbare Wellenlängenbereich umfasst 200-1200nm bei einer spektralen Auflösung von 4nm. Bei Bedarf kann die spektrale Auflösung des Spektrometers, durch den Einsatz eines schmaleren Eingangsspaltes, bis auf 1nm verringert werden.
Als Lichtquelle wird eine geregelte Halogen-Kaltlichtquelle eingesetzt, deren Stromstärke mit einem guten, digitalen Multimeter überwacht wird. So wird sichergestellt, dass die Lichtstärke der Quelle während der Messungen konstant gehalten werden kann.
Die Kaltlichtquelle strahlt im Bereich 350-800nm. Ihr Spektrum ist sehr homogen und verläuft im visuellen Bereich ähnlich dem Spektrum von Sternen (schwarze Strahler). Für genaue Reflexionsmessungen im visuellen Spektrum von 400-700nm kann die Kaltlichtquelle ausgezeichnet eingesetzt werden.
Die Reflektivität von Spiegeln ermitteln wir durch den Vergleich der gemessenen Reflexionsspektren mit Referenzspektren. Die Referenzspektren erhalten wir durch die Messung an Spiegeln bekannter Qualität. Wie im folgenden Bild zu sehen benutzen wir dazu 3 elliptische Planspiegel des Herstellers Thorlabs mit verschiedenen Beschichtungen, deren Reflexionsspektren veröffentlicht sind.
Während der Messungen werden immer zwei Referenzspiegel im gleichen Messaufbau mit vermessen. Um mögliche Messfehler durch die Veränderung des Aufbaus zu minimieren, werden lediglich die Spiegel gegeneinander ausgetauscht.
Folgend einige Reflexionsmessungen im oben beschriebenen Aufbau. Als Referenz für die relative Auswertung dient der dielektrisch beschichtete, elliptische Planspiegel von Thorlabs.
Wie die Messungen an beiden taiwanesischen, dielektrisch beschichteten Zenitspiegeln zeigen, ist eine gleichbleibende Qualität der dielektrischen Beschichtung nicht einfach zu realisieren. Die beiden Spiegel hatte ich als Testspiegel für Reflexionmessungen beim Händler neu gekauft. Sie wurden nie zu anderen Zwecken eingesetzt.
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Spektrum der Quelle
Das Reflexionsspektrum des dielektrisch beschichteten Referenzspiegels von Thorlabs ist fast identisch mit dem Spektrum der Quelle. Lediglich die bei dielektrischen Beschichtungen übliche "Rauheit" der Kurve ist erkennbar.
Das Reflexionsspektrum des silber beschichteten Referenzspiegels von Thorlabs ist in der Intensität etwas abgeschwächt. Ansonsten zeigt der Verlauf keine Auffälligkeiten.
Relativ zum dielektrisch beschichteten Referenzspiegel zeigt der silber beschichtete Referenzspiegel bis 450nm eine deutlich verringerte Intensität der Reflexion. Am oberen Ende des Spektrums, ab etwa 625nm, fällt der Spiegel ein wenig ab. Die Kurven geben die Verhältnisse bei den von Thorlabs veröffentlichten Daten zur Reflektivität der Spiegel gut wieder.
Das Reflexionsspektrum des alu beschichteten Referenzspiegels von Thorlabs ist in der Intensität der Reflexion im Vergleich zum Spektrum der Quelle stärker abgeschwächt. Ansonsten gibt es wie bei der silber beschichteten Referenz keine Auffälligkeiten.
In Relation zur dielektrisch beschichteten Referenz zeigt die Reflektivität der alu beschichteten Referenz einen stärkeren Abfall auf beiden Seiten des Spektrums. Im mittleren Bereich ist die Reflektivität um 8-9% geschwächt. Auch diese Kurven geben die veröffentlichten Daten gut wieder.
Das Reflexionsspektrum des dielektrisch beschichteten BK7 Zenitspiegels zeigt vom Niveau her eine ähnlich hohe Intensität wie die dielektrisch beschichtete Referenz. Allerdings sind starke Einbrüche der Reflexion im gesammten Spektrum zu sehen.
Beim Blick in den Spiegel ist deutlich mehr Streulicht zu erkennen als bei der dielektrischen Referenz. Da der Spiegel bei der Rauheitsmessung mit dem 3D-Profiler gut abschneidet, führe ich das vorhandene Streulicht auf eine schlechte oder fehlerhafte dielektrische Beschichtung zurück.
Das Reflexionsspektrum des dielektrisch beschichteten Quarz Zenitspiegels zeigt lediglich am unteren Ende des visuellen Spektrums die gleichen Einbrüche der Reflektivität. Das Intensitätsniveau fällt im Vergleich zur dielektrisch beschichteten Referenz nur leicht ab. Beim Blick in den Spiegel ist nicht mehr Streulicht als bei der Referenz zu erkennen.
Zur Messung der Reflektivität von Hauptspiegeln oder auch von Objektivlinsen wird eine sogenannte Reflexionssonde eingesetzt. Das Prinzip der Reflexionssonde beruht auf den Einsatz von Lichtwellenleitern. Dabei wird der zu prüfende Spiegel am Ausgang der Sonde beleuchtet und auch die Reflexion der Beleuchtung am Spiegel erfasst.
Das erreicht man durch die Verwendung mehrerer Lichtwellenleiter in einem Kabel. Ein Lichtwellenleiter des Pakets wird dabei zur Erfassung der Reflexion benutzt und die anderen zur Beleuchtung des Spiegels. Am Eingang der Sonde werden die Lichtleiter in getrennten Kabeln geführt.
Der Lichtwellenleiter, der für die Erfassung der Reflexion zuständig ist wird mit dem CCD-Spektrometer verbunden, die anderen werden von der Kaltlichtquelle beleuchtet.
Die gemessene Reflexion ist bei einer solchen Anordnung extrem von Abstand und Ausrichtung der Sonde zum Prüfling abhängig. Das bedeutet, man darf Abstand und Ausrichtung zwischen verschiedenen Messungen möglichst nicht ändern.
Um hohe Messgenauigkeiten zu erzielen setzen wir deshalb verschiedene Positionierer ein. Um den Abstand der Sonde zum Prüfling genau einstellen zu können wird die Sonde am Ende eines Längspositionierers eingeschraubt. Die Länge kann mittels Drehung der Griffhülle des Positionierers fein eingestellt werden.
Die genaue Ausrichtung der Sonde zum Prüfung wird mittels Laserkollimator und verstellbarer Halterplattform sichergestellt. Der Laserkollimator ist vertikal genau zur Sonde ausgerichtet. Durch die Abbildung des vom Prüfling reflektierten Laserpunktes auf dem Lasertarget und Verkippung der Anordung mit den Verstellschrauben der Halterplattform können Prüfling und Sonde genau senkrecht zueinander ausgerichtet werden.
Zum Erreichen hoher Messgenauigkeiten muss die Sonde möglichst nah an der zu prüfenden Oberfläche positioniert werden. Um Beschädigungen der Oberfläche durch die Sonde zu vermeiden, ist die Sonde mit einem Gummiring ausgestattet der die Oberfläche nicht beschädigen kann.
Die Sonde kann im beschriebenen Messaufbau sehr sicher, nah an der Prüfoberfläche positioniert werden. Im folgenden Bild ist die Reflexionsmessung am dielektrisch beschichteten, quadratischen Referenzspiegel von Thorlabs zu sehen.
Im folgenden Bild ist die Trennung der Lichtwellenleiter der Reflexionssonde zu sehen. Das Kabel mit den Lichtwellenleitern zur Beleuchtung des Prüflings wird vom Lichtleiter der Kaltlichtquelle angestrahlt. Der Lichtwellenleiter zur Erfassung der Reflexion des Prüflings ist an das CCD-Spektrometer angeschlossen.
Reflexionsmessung am 10" F/4 Parabolspiegel mit Alubeschichtung
Reflexionsmessung an vergüteter Einzellinse 2" F/10
Reflexionsmessung an Skywatcher Equinox 120ED F/7,5
Reflexionsmessung an unvergüteter Ross-Null Einzellinse (BK7)
Im folgenden Bild sind die verwendeten quadratischen Referenzspiegel mit verschiedenen Beschichtungen zu sehen. Die Daten zur Reflexion der verschiedenen Beschichtungen sind auf der Website von Thorlabs veröffentlicht.
In den folgenden Bildern sind Messungen mit der Reflexionssonde dargestellt. Die Prüfspiegel sind bis auf den Parabolspiegel die gleichen wie bei der weiter oben beschriebenen ersten Messmethode.
Die Messergebnisse entsprechen sich in etwa, sodass das oben geschriebene auch hier seine Gültigkeit hat. Abweichungen zwischen den Messergebnissen sind auf den geänderten Reflexionswinkel sowie die kleinere Messfläche zurückzuführen.
Das Spektrum der Beleuchtung
Das Reflexionsspektrum des alu beschichteten Parabolspiegels zeigt einen Verlauf ohne Auffälligkeiten.
Die Reflektivität der Alubeschichtung zeigt den charakteristischen Verlauf einer solchen Beschichtung. Am unteren Ende des Spektrums ist die Reflektivität stärker geschwächt als am oberen Ende. In der Mitte des Spektrums liegt die Reflektivität im Bereich 90-92% relativ zur Quelle.
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