Optische Oberflächenrauheit: Spezifikation, Messung und Einfluss

Optische Oberflächenrauheit beschreibt die Textur einer optischen Komponente. Sie entsteht durch Grob-, Fein- und Polierschleifen und wird durch Oberflächenbehandlungen beeinflusst.

Sie wird als Maß für Oberflächenabweichungen von nur wenigen Nanometern oder sogar Ångström angegeben. Gängige Messgrößen sind der Effektivwert (RMS) und der Phasenkoeffizient (PV).

Rauheit ist nur ein Teil der Oberflächenqualität, die zusätzlich durch Oberflächenform, Welligkeit, Kratzer/Graben und Sauberkeit definiert werden kann.

Warum Oberflächenrauheit wichtig ist

Eine perfekte Oberfläche gibt es nicht. Selbst wenn eine Oberfläche mit bloßem Auge völlig glatt erscheint, wird bei einer bestimmten Vergrößerung eine unebene Oberfläche sichtbar.

Da die Oberfläche einer optischen Komponente nie perfekt ist, werden die optische Transmission oder Reflexion durch diese Komponente beeinflusst. Die Messung und Kontrolle der Rauheit hilft, diese Veränderung zu quantifizieren.

Die Kontrolle der Oberflächenrauheit dient im Wesentlichen zwei Aspekten: Lichtstreuung und Beständigkeit gegenüber Hochleistungslasern.

Je rauer die Oberfläche, desto mehr Licht wird gestreut und desto schlechter ist die Bildqualität. Ebenso begünstigt eine raue Oberfläche Defekte an optischen Komponenten, die Hochleistungslaserstrahlen ausgesetzt sind, und begrenzt somit die Energiemenge, die sie ohne Beschädigung aufnehmen können (LIDT – Laser Induced Damage Threshold – Laserinduzierte Schadensschwelle).

Übermäßige Rauheitsvorgaben vermeiden

Eine geringere Rauheit führt zwar zu besserer Optikqualität, doch es ist wichtig zu verstehen, warum die richtige Qualität entscheidend ist.

Ein niedrigerer Rauheitswert erfordert in der Regel mehr Bearbeitungszeit und gegebenenfalls zusätzliche Prozesse wie Zwischen- und Feinpolieren. Dies verlängert die Fertigungszeit und führt – noch wichtiger – zu deutlich höheren Kosten für die optischen Komponenten!

Auch die optische Beschichtung beeinflusst die Rauheit der Komponente. Während Anwender die Rauheit der fertigen Produkte definieren, legen Hersteller sie lieber vor der Beschichtung fest. Dank ihrer Kenntnisse der Polieranlagen lässt sich die Rauheit vor der Beschichtung leichter garantieren und messen: Die Beschichtung kann die optischen Rauheitsmessungen des Bauteils beeinflussen.

Richtwerte für die Rauheit (RMS)

Polierstufe	Richtwerte für die optische Oberflächenrauheit	Typische Anwendung und zu berücksichtigende Aspekte
Konventionelles, hochwertiges Polieren	Etwa 20–5 Å RMS (0,5 nm RMS)	Geeignet für viele optische Präzisionskomponenten.
Sehr feine Politur	Ca. 1–2 Å RMS (0,1–0,2 nm RMS)	Relevant, wenn geringere Streuung oder eine verbesserte Beschichtung-Substrat-Qualität erforderlich ist, insbesondere für kurzwellige oder kontrastreiche Anwendungen.
Superpolitur	Unter 1 Å RMS (<0,1 nm RMS)	Verwendet für anspruchsvolle Anwendungen mit geringer Streuung, UV-Strahlung, Hochleistungslasern und Präzisionshohlraumanwendungen. Erfordert spezielle Bearbeitung und Messtechnik.

Wichtig: Dies sind Richtwerte für die RMS-Rauheit, keine allgemeingültigen Akzeptanzgrenzen. Eine gültige Spezifikation muss außerdem das Messverfahren, den Scanbereich bzw. die Messlänge, die räumliche Bandbreite bzw. die Grenzwerte, die Filterung, die Formkorrektur und die Gültigkeit des Ergebnisses vor oder nach der Beschichtung angeben.

Kurze Wellenlängen erfordern besondere Aufmerksamkeit

Bei vergleichbarer Oberflächenstruktur und optischer Geometrie gewinnt die durch Rauheit bedingte Streuung mit abnehmender Wellenlänge an Bedeutung. UV-, Tief-UV- und kurzwellige Systeme im sichtbaren Bereich benötigen daher oft eine bessere Oberflächengüte als vergleichbare langwellige IR- oder THz-Systeme.

Dies ist ein Konstruktionsprinzip, keine vollständige Spezifikation. Material, Brechungsindex, Einfallswinkel, Beschichtung, freie Apertur, Detektorkontrast und zulässiges Streulicht spielen ebenfalls eine Rolle. Auch sollten IR-Komponenten nicht automatisch weniger strenge Anforderungen erfüllen: Ein verlustarmer Reflektor, eine Laseroptik oder ein kontrastreicher Detektor können die Rauheit dennoch kritisch machen.

RMS und PV erklärt

Oft wird die optische Oberflächenrauheit anhand der Werte RMS oder PV erklärt.

RMS steht für Root Mean Square (quadratischer Mittelwert) und bezeichnet den durchschnittlichen Wert aller Oberflächenfehler einer gegebenen Oberfläche.

PV steht für Peak-to-Valley (Spitze-Tal) und definiert die größte Differenz zwischen Vertiefungen und Spitzen auf einer gegebenen Oberfläche.

Während RMS als durchschnittliche Oberflächenqualität verstanden werden kann, entspricht PV dem größten Fehler einer Oberfläche. Beide Messmethoden erfassen nicht dasselbe und lassen sich nicht ineinander umrechnen.

Weitere Informationen zur Definition von Rauheit finden Sie in der Norm ISO 10110.

Messmethoden für die optische Oberflächenrauheit

Nachfolgend finden Sie verschiedene Messmethoden mit ihren jeweiligen Spezifikationen.

AFM-Daten sind lokal, daher muss die Messung repräsentativ für die relevante freie Apertur sein.

Methode	Idealer Einsatz	Wichtige Hinweise
Atomkraftmikroskopie (AFM)	Feine Mikrorauheit in einem kleinen Bereich messen.	Scanbereich und Messposition angeben.
Weißlicht-/Kohärenz-Scanning-Interferometrie-Profilometrie	Berührungslose Flächenmessung von Textur, Welligkeit und vielen Rauheitsbereichen.	Objektiv, laterale Auflösung, Feldgröße, Formkorrektur und räumliche Filterung definieren. Diese Einstellungen bestimmen den durch das Ergebnis dargestellten räumlichen Bereich.
Tastprofilometrie	Etablierte 2D-Oberflächenprofilmessungen.	Scanrichtung, Tastspitzengeometrie und Filterung festlegen. Es handelt sich um ein Kontaktverfahren, daher ist es nicht ideal für jede empfindliche optische Oberfläche.
Streulichtmessung	Die Streulichtmessung dient der Messung des Streulichtverhaltens und dessen Korrelation mit der Leistung optischer Systeme.	Nützlich für die funktionale Korrelation, ersetzt aber nicht die definierte topografische Messung von Rq oder Sq, wenn dieser Parameter das Akzeptanzkriterium ist.