Optische Planheit und Oberflächenform: Messung und Spezifikation
Die optische Planheit beschreibt, wie genau eine nominell ebene optische Oberfläche einer idealen Ebene entspricht. Die Oberflächenform ist der Oberbegriff für die Abweichung einer optischen Oberfläche von ihrer Sollform – ob eben, kugelförmig, asphärenförmig oder freiförmig. Diese Abweichungen beeinflussen die Phase des Lichts und können somit die reflektierte oder transmittierte Wellenfront verändern, selbst wenn die Optik für das Auge perfekt glatt erscheint.
Das richtige Ziel ist nicht die präziseste Spezifikation der Oberflächenform. Es handelt sich um die Oberflächengenauigkeit, die zum Schutz der optischen Funktion erforderlich ist: Fokus, Strahlrichtung, Wellenfrontqualität, Bildqualität, Resonatorleistung oder interferometrische Genauigkeit.
Ebenheits- und Formspezifikationen werden häufig als „Lambda“-Verhältnis (z. B. λ/10) oder in Interferenzstreifen (1,5 Fr) angegeben, wie in ISO 10110 beschrieben.
Ebenheit, Form, Wellenfront und Rauheit: Was ist der Unterschied? Ebenheit bezieht sich auf eine Oberfläche, die plan sein soll, wie z. B. ein optisches Fenster, ein ebener Spiegel, ein Filter oder eine ebene Fläche. Die Oberflächenform beschreibt allgemein die Abweichung von der idealen optischen Vorgabe, einschließlich gekrümmter und Freiformflächen. Bei gekrümmten Optiken können die entsprechenden Anforderungen als Radius, Brechkraft, Unregelmäßigkeit, Formfehler, Neigungsfehler oder Wellenfrontfehler beschrieben werden.
Tabelle mit verschiedenen Begriffen zu optischen Oberflächen:
| Begriff | Was er beschreibt | Warum er wichtig ist |
|---|---|---|
| Ebenheit | Physikalische Abweichung einer nominell ebenen Oberfläche von einer idealen Ebene. | Bestimmt die reflektierte Wellenfront dieser Oberfläche und teilweise die transmittierte Wellenfront. |
| Oberflächenform | Physikalische Abweichung von der gewünschten optischen Form. | Beeinflusst die Wellenfrontqualität, die Fokussierung und Abweichungen. |
| Leistung | Abweichung niedriger Ordnung von einer Sollfläche. | Maß für die Gesamtabweichung der Form von der Sollform. |
| Unregelmäßigkeit | Restabweichung der Oberfläche nach Entfernung der angegebenen Terme niedriger Ordnung. | |
| Messung der Abweichung kleinerer Formen von der Sollform. | ||
| Reflektierter Wellenfrontfehler (RWE) | Vergleicht die Lichtwellenfront vor und nach der Reflexion an einer Oberfläche. | Bei senkrechtem Einfall ist er etwa doppelt so groß wie die physikalische Oberflächenabweichung. |
| Transmittierter Wellenfrontfehler (TWE) | Vergleicht die Lichtwellenfront vor und nach dem Durchgang durch eine Optik. | Abhängig von beiden Oberflächen, Dickenvariationen oder Keilen, der Materialhomogenität und der Testkonfiguration. |
| Rauheit | Oberflächen mit hoher Ortsfrequenz Textur. | Bestimmt hauptsächlich Streulicht; die Messung erfolgt in einem anderen räumlichen Bereich als in der Abbildung. |
Oberflächenform, Rauheit, S&D sowie Parallelität sind separate Spezifikationen. Ein Bauteil kann eine geringe Rauheit, aber eine schlechte Ebenheit oder eine ausgezeichnete Ebenheit, aber eine unzureichende Kratz- und Ritzfestigkeit aufweisen. Informationen zu Feinstruktur und Streuung finden Sie auf unserer Begleitseite zur optischen Oberflächenrauheit.
Warum Planheit und Form wichtig sind
Je stärker die tatsächliche Form eines optischen Bauteils von seiner Sollform abweicht, desto stärker unterscheiden sich die optischen Eigenschaften von den Sollwerten.
Bei Spiegeln wird die reflektierte Lichtwellenfront zweimal deformiert, wenn sie auf die Oberfläche der Optik trifft und zurückkehrt. Bei Optiken für die Durchstrahlung wird die Lichtwellenfront einmal pro durchdringender Oberfläche (Ein- und Austritt) sowie durch interne Materialfehler deformiert.
Beschichtungsspannungen, Montagespannungen und Temperatur können die Form eines fertigen Bauteils verändern. Dies ist besonders relevant für dünne, große, leichte oder hochgradig nachgiebige Substrate. Wird die Optik nach der Beschichtung oder in einer Halterung verwendet, sollte die Konstruktion diesen Endzustand berücksichtigen und nicht nur das lose, unbeschichtete Substrat.
PV und RMS: Zwei unterschiedliche Methoden zur Angabe der Oberflächengüte
Sowohl PV als auch RMS werden verwendet, um die Oberflächengüte bzw. die Oberflächenrauheit zu definieren. Es handelt sich dabei jedoch lediglich um Berechnungsverfahren und nicht um eine eigenständige Spezifikation.
PV (Spitze-Tal) ist die Differenz zwischen der höchsten und niedrigsten gemessenen Abweichung über die angegebene Apertur. Es ist ein Worst-Case-Wert: Ein einzelner lokaler Hoch- oder Tiefpunkt kann das Ergebnis maßgeblich beeinflussen.
RMS (Quadratischer Mittelwert) ist ein statistisches Maß für die Verteilung aller gemessenen Abweichungen von der idealen Oberfläche nach der spezifizierten Bearbeitung. Es repräsentiert die allgemeine Wellenfrontqualität oft besser als PV, kann aber einen signifikanten, isolierten Defekt verschleiern, der die PV-Anforderungen nicht erfüllen würde.
Messung von optischer Planheit und Form
Die Interferometrie ist die wichtigste Methode zur Messung anspruchsvoller Planheits- und Formmessungen. Dabei wird eine Testwellenfront mit einer kalibrierten Referenzwellenfront verglichen und das Interferenzmuster in eine Oberflächen- oder Wellenfrontkarte umgewandelt. Die gewählte Methode muss zur Bauteilgeometrie, Apertur, geforderten Genauigkeit und der Art der Prüfung (Reflexion oder Transmission) passen.
Die meisten modernen Interferometer liefern direkte Messwerte anhand vorgegebener Parameter, während einfachere Modelle Fizeau-Ringe anzeigen, die von Fachleuten interpretiert werden müssen.
Die Messgeräte sind in ihrer Apertur- und Formmessung begrenzt. Daher sollte vor Produktionsbeginn eine Machbarkeitsanalyse der Messung durchgeführt werden.
Praktische Hinweise für eine praxistaugliche Spezifikation
Eine Oberflächenspezifikation benötigt einen klar definierten Prüfrahmen. Andernfalls können zwei Labore am selben Bauteil unterschiedliche Werte messen und dennoch beide korrekte Ergebnisse liefern.
| Diesen Punkt angeben | Warum das wichtig ist |
|---|---|
| Oberflächennummer und vorgesehene Form | Unterscheidet eine ebene Fläche von einer gekrümmten Fläche und gibt die entsprechende Vorschrift an. |
| Lichte Öffnung | Die Form in Randnähe kann von der Arbeitsöffnung abweichen; die Begrenzung des Messgeräts ist zu berücksichtigen. |
| Metrische Maße und Einheiten | PV, RMS, Leistung, Unebenheit, RWE oder TWE angeben; Identifizieren Sie Wellen, Interferenzstreifen, Nanometer oder Mikrometer. |
| Testwellenlänge | Ein Wert in Wellen ist an die Wellenlänge des Interferometers gebunden; 632,8 nm ist üblich, darf aber nicht als alleiniger Wert angenommen werden. |
| Entfernte nicht-kritische Zernike-Muster | Kolben, Neigung, Leistung, Astigmatismus oder andere Anpassungsparameter können PV und RMS wesentlich beeinflussen. |
| Zustand des Bauteils | Unbeschichtet oder beschichtet; freistehend oder montiert; Umgebungstemperatur oder kontrollierte Temperatur. |
| Messverfahren und Abnahmedaten | Definiert das Messgerät und die Art des zu erstellenden Prüfberichts. |
