Asph?renfertigung in der Praxis
Die Herstellung von Pr?zisionsasph?ren mit spanenden Fertigungsverfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide (Schleifen und dem folgenden Polierverfahren) ist relativ aufw?ndig und ein komplexer Prozess, bei dem mehrere Verfahrensstufen zu durchlaufen sind [1].
Sie bringt demzufolge auch mehrere Probleme mit sich, die bei der Fertigung von Sph?ren nicht auftreten. Aus diesem Grund sind Asph?ren deutlich teurer als Sph?ren gleichen Durchmessers und weisen mehr Fehlereinflussgr??en mit deutlich gr??eren Toleranzen für Form- und Zentrierabweichungen auf.
Im folgenden ersten Teil werden anhand praktischer Beispiele die typischen Fehler bei der Anwendung sowie der Herstellung von Asph?ren vorgestellt. In einem weiteren Teil 2 erfahren Sie die m?glichen Probleme bei der Herstellung von Asph?ren auf HD-Fertigungsdornen, welche verwendet werden, wenn hohe Toleranz-Anforderungen bei Zentrierung und Formabweichung gefordert werden. Im dritten Teil geht es darum, eine L?sung des Problems aufzuzeigen, indem das Halbzeug (halbfertige Linsen) rein optisch berührungslos auf der Bezugsfl?che vermessen wird und beim Blocken bzw. Kitten optimal auf dem HD-Dorn ausrichtet wird, so dass der innere Zentrierfehler minimiert werden.
Staffel 1, Teil 1
1. Auswirkungen im Bild bei der Abbildung fehlerhafter Asph?ren
Der einfachste Fall einer asph?rischen Linse ist die konvexe Plan-Asph?re. Diese wollen wir betrachten, um im ersten Teil Abbildungsfehler zu beschreiben bzw. zu diskutieren. Für eine ideale Abbildung auf der Achse aus Unendlich (Fokussierlinse) ergibt sich im Optik Design OPTIK M2 (A. Triller) eine hyperbolische Asph?re, also eine konische Konstante von k = 2 [2].
Ist die Asph?re perfekt gefertigt, d.h. die Formabweichungen der asph?rischen und der Planfl?che gehen gegen Null und die Asph?renachse steht senkrecht zur Planfl?che, so ist die Abbildungsleistung bei einem achsparallelen Strahlenbündel aus dem Unendlichen beugungsbegrenzt. Es ergibt sich bei Gleichverteilung in der Pupille also ein Strehl-Verh?ltnis im Spot von 1,0 in einer gem?? der Besselfunktion 2. Ordnung sich entwickelnden Punktbildfunktion.
Ist die asph?rische Achse nun im praktischen Fall zur Planfl?che geneigt, also innerhalb der Linse ein optischer Keil wirksam, was einem sogenannten ?inneren Zentrierfehler“ entspricht, der nachtr?glich nicht mehr ver?ndert werden kann, auch nicht durch Zentrierdrehen in einer Fassung, so ergeben sich je nach Numerischer Apertur und Keil entsprechende Aberrationen.
Im Bild ist der Keil mit ca. 1 Grad stark überh?ht gerechnet und gezeigt, um es in der Darstellung deutlich sichtbar zu machen. Es ergibt sich eine deutliche Coma, die auch in der Grafik erkennbar ist.
In der Praxis gehen wir nun von einem Keil in der Linse von 0,3 wmin aus. Durch die schiefen Strahlen durch die Asph?re werden diese nicht mehr ideal abgelenkt bzw. fokussiert. Es ergibt sich ein Wellenfrontfehler von etwa 0,32 Lambda (232 nm) PV bzw. 0,08 Lambda rms (=53 nm) (s. Bild 3, links und Mitte). Dies wiederum beeinflusst die beugungsbedingte Abbildung der Airy-Scheibe und das Strehl-Verh?ltnis. Der Keil von nur 0,3 Bogenminuten erzeugt einen Abfall der Strehl-Zahl von 1,0 auf unter 0,8 (siehe Abb. 3 rechts). Er wird die Laserleistung im Zentrum des Airy-Spots um 23% reduzieren.
Um dies zu verhindern, muss die asph?rische Oberfl?che axialsymmetrisch bestrahlt werden, was ohne zus?tzlichen Aufwand wie Justierung beim Einbau nicht gew?hrleistet werden kann.
Das bedeutet, dass sich der Fehler auch durch einen zus?tzlichen Justiervorgang oder durch Zentrierdrehen einer in eine Hilfsfassung geklebten Asph?re (mit einem inneren Zentrierfehler) nicht korrigieren l?sst. Sie k?nnen lediglich noch etwas optimieren, um das Koma und den Strehl-Abfall zu minimieren.
Literatur:
1. Jens Bliedtner: Optiktechnologie, 3. überarbeitete und erweiterte Auflage, Carl Hanser Verlag, 2022 S. 312.
2. Vorlesung 5. Semester PT/ FH München.