Alle interferometrischen Ergebnisse werden an einem Michelson-Interferometer gewonnen, in dem das reflektierte Licht einer hochpräzisen Referenzoptik mit dem Licht des Prüflings interferiert und dadurch Abweichungen des Prüflings von der Idealform messbar werden.

Die Endauswertung jeder fertiggestellten Optik besteht aus einer interferometrischen Messreihe. Diese wird ausführlich dokumentiert und der Optik bei Auslieferung auf einer CD beigelegt, so dass jeder auch ohne tiefere Vorkenntnisse meine Messung zuhause am Computer selbst nachvollziehen kann.

Doch was macht eine optische Auswertung qualitativ gut? Und gibt es überhaupt ein Messergebnis, das absolut frei von Fehlern ist? Diese Fragen möchte ich zumindest für meine Messungen und deren Auswertungen mit diesem Artikel bestmöglich beantworten.

Fehlerbetrachtung

Eine Beschreibung der zufälligen und systematischen Messfehler ist in der Messtechnik üblich und gehört somit auch zu jeder interferometrischen Auswertung. Zwar liest sich ein absoluter Messwert, möglichst noch mit vielen Nachkommastellen, für den Kunden viel angenehmer und verleiht dem Messergebnis den Anschein einer besonders hohen Präzision. In Wirklichkeit ist jedoch jede Messung fehlerbehaftet, sei es die Vermessung der Länge Ihres Küchentisches, die Ermittlung des Gewichts eines Apfels mittels Waage oder auch die experimentelle Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit.  

Nun lassen sich manche Fehlergrößen optischer Messungen, vor allem die zufälligen Messfehler wie Seeingeinflüsse oder Messstandverbiegungen bei großen dünnen Spiegeln, kaum exakt beziffern. Deswegen ist immer anzustreben, diese niemals vollständig zu vermeidenden Messfehler in der Endauswertung einer Optik auf ein geringstmögliches Maß zu minimieren. Dazu braucht es Erfahrung, einen ausgereiften Messaufbau (und –durchführung) und möglichst noch weitere Gegenproben mit anderen Messmitteln.

Erfahrung
Im Laufe der Jahre und nach Betrachten tausender Interferogramme entwickelt sich ein Gespür dafür, Ausschuss zu erkennen und auszusortieren. So gibt es in einer Serie von Interferogrammen immer wieder Ausreißer, meistens hervorgerufen durch außergewöhnlich starke, kurzzeitige Luftturbulenzen zwischen Prüfling und Interferometer. Oder ganze Serien müssen wiederholt werden, da zum Beispiel die Lagerung des Spiegels im Teststand minimal ungünstig war. Auch die richtige Bedienung der Auswertsoftware und die Interpretation der Ergebnisse zählen zum notwendigen Erfahrungsschatz und vermeiden ein fehlerhaftes Ergebnis.

Messaufbau und –durchführung
Umso größer und dünner die Optik, desto wichtiger wird ein zuverlässig funktionierender Messaufbau für reproduzierbare Einzelmessungen, welche so erst eine vollständige Darstellung aller Fehler ermöglichen. Besonders in Bezug auf die Auswertung des spiegeleigenen Astigmatismus entscheidet der richtig konstruierte und präzise eingerichtete Messstand darüber, ob zufällig auftretende Verbiegungen die Darstellung eines real existierenden Astigmatismus trotzdem erlauben oder verschleiern.

In der Vergangenheit gab es zwei Praktiken, wie zu starke und unkontrollierte Verbiegungen während einer Messung bei der späteren Auswertung behandelt wurden: Ein durch äußere Einflüsse verursachtes schlechteres Ergebnis der Endauswertung wird akzeptiert. Oder Astigmatismus wird in der Annahme deaktiviert, dass der gemessene Astigmatismus vollständig auf äußere Einflüsse zurückzuführen ist. In beiden Fällen ist das Ergebnis der Messung mindestens unvollständig und schlimmstenfalls sogar grob fehlerbehaftet. Aus diesem Grund steht und fällt die Qualität der Messung mit einer ausgereifter Messtechnik und gewissenhafter Durchführung, durch die sich Astigmatismus, hervorgerufen durch äußere Einflüsse, wirksam unterdrücken lässt.
Heute lassen sich mit dem Erkenntnisgewinn der letzten Jahre derart ausgereifte Messaufbauten realisieren, dass selbst anspruchsvolle Projekte vollständig, also inklusive aller möglichen Oberflächenfehler, vermessen werden können. So weisen mit zeitgemäßen Methoden ermittelte Messprotokolle den umfassenden Zustand der Optik aus - Astigmatismus oder andere Fehler werden bei guter Durchführung einer Messung nicht mehr ausgeblendet.

Zufällige Messfehler, hervorgerufen durch Luftturbulenzen, können durch Messungen in einem isolierten Tunnel weitgehend vermieden werden. Die restlichen noch verbleibenden Messfehler durch Turbulenzen lassen sich dann durch die Mittelung möglichst vieler Interferogramme bis hin zur Bedeutungslosigkeit unterdrücken. In der Regel verwende ich selbst bei kleineren Optiken 25-35 Interferogramme, welche zufällige Seeingeinflüsse wirksam durch Mittelung unterdrücken.

Weitere Punkte, wie saubere Interferogramme mit möglichst wenigen verfälschenden Artefakten oder das eliminieren des Messstandastigmatismus durch Mittelung vieler Interferogramme aus mehreren Drehwinkeln des Prüflings, gehören natürlich ebenso zu einer guten Messdurchführung.

All die oben genannten Maßnahmen zur Durchführung einer aussagekräftigen Messung werden von mir seit Jahren als Standard angesehen und bei jeder Endauswertung berücksichtigt. Das Resultat ist eine erhebliche Steigerung der Sicherheit in der Darstellung des Zustandes jeder Optik.

Gegenprobe 

Bis hierhin bin ich auf die bei jeder Messung auftretenden zufälligen Messfehler wie Verbiegungen im Messstand oder Seeingeinflüsse eingegangen. Doch neben diesen zufällig auftretenden Messfehlern gibt es auch noch die systematischen, also die bei jeder Messung im gleichen Betrag vorhandenen Messfehler. Zu diesen Fehlergrößen zählen zum Beispiel eine falsche Bestimmung der Brennweite und des Durchmesser des Prüflings. Beide Werte müssen umso präziser ermittelt werden, desto „schneller“ die Optik ist.
Aber auch immer vorhandene Abweichungen des Interferometers vom Ideal zählen zu den systematischen Messfehlern. Dazu kann eine nicht ausreichend genaue Referenzfläche gehören, gegen die der Prüfling verglichen wird. Oder der Prüfer nimmt in der interferometrischen Auswertung eine falsche Prüfwellenlänge an. Auch messmitteleigener Astigmatismus kann zu den systematischen Messfehlern gehören, wenn nicht exakt auf der optischen Achse gemessen wird (wie zum Beispiel beim Bath-Interferometer). Einige weitere systematische Fehler sind ebenfalls denkbar.

Diese systematischen Messfehler nachweisen oder ausschließen zu können gelingt nur mit Hilfe einer unabhängigen Gegenprobe meines Messaufbaus. Zwar wurden schon in der Vergangenheit Gegenproben mit dem Ergebnis einer sehr guten Übereinstimmung durchgeführt. Doch erst mit der Beauftragung der Firma Wellenform sollte ein wirklich aussagekräftiger Vergleich gelingen. Dabei wurde sowohl von mir, als auch von Wellenform eine Spiegeloptik mit der größtmöglichen Sorgfalt vermessen. Das Ziel war, Ergebnisse von zwei sich deutlich unterscheidenden Messaufbauten zu vergleichen.

Das Ergebnis dieses Tests ist weniger in der Höhe des Strehlwertes von Bedeutung. Vielmehr ist bemerkenswert, dass beide Messergebnisse nahe beieinander liegen. Meine Messung lieferte einen Strehl von 0,97 als Ergebnis, die Firma Wellenform ermittelte den Strehlwert zu 0,99.
Hier können Sie das vollständige Zertifikat der Firma Wellenform herunter laden.

Und dies ist die von mir erzielte Auswertung:

Im Rahmen der unvermeidlichen Toleranzen kann man von einer guten Übereinstimmung der Ergebnisse sprechen. Somit konnte ich zeigen, dass grobe systematische Messfehler meines Messaufbaus unwahrscheinlich sind.

Und was bedeutet dies alles nun für Sie als Kunde?

Jede Endauswertung fertiggestellter Optiken führe ich mit großer Sorgfalt durch. Dabei ist die jahrelange Erfahrung in der Fertigung und Auswertung von Optiken ebenso unverzichtbar, wie ein ausgereifter, zuverlässig funktionierender Messaufbau. Ich bemühe mich Ihnen gegenüber um Transparenz. Dazu gehört, dass Vergleichsmessungen durchgeführt wurden, die belegen, dass andere Prüfer mit anderen Messaufbauten im Rahmen der Toleranz grundsätzlich übereinstimmende Resultate bei der Bewertung meiner Optiken erzielen. Und dazu gehört, dass meine Messung bei Auslieferung einer Optik zur Verfügung gestellt wird, damit das Ergebnis selbst nachvollzogen werden kann. Dabei lässt sich jede Einzelmessung eindeutig der Optik zuordnen.