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Auf kleinsten Skalen messen

Optiken per Streulicht analysieren

8. Juni 2020, 12:22 Uhr | Hagen Lang

Fertigungsbegleitende Rauheitscharakterisierung in einer Diamantdrehmaschine mit einem Streu-lichtsensor.

Ob für die Halbleiterlitografie oder bei der Detektion von Gravitationswellen: Auf kleinsten Skalen werden Optische Systeme vielfältig eingesetzt. Damit die Oberflächen von Optiken auch von kleinsten Unvollkommenheiten verschont bleiben, entwickelt das Fraunhofer IOF neue Streulichtmessverfahren.

Schon kleinste Fehler z.B. in Kristallen führen zu Streulicht und somit einem Kontrastverlust und einer geringeren Lichtausbeute. Das Fraunhofer IOF entwickelt Analysemethoden und Streulichtmodelle, mit denen es möglich ist, mit einer „virtuellen“ Beschichtung das Streulicht schon vor der Produktion vorherzusagen und prozessbegleitend komplexe Optiken zu charakterisieren sowie sie automatisiert zu überprüfen.

»Dies ermöglicht ein optimiertes Verhältnis von Herstellungsaufwand und Nutzen. Das wird beispielsweise bei Optiken für Satelliten deutlich. Hier besteht die Herausforderung, mehrere gleichartige Optiken als Flugmodell, als Rückstellbaugruppe usw. herzustellen, wobei man sich bei Anwendungen mit kurzen Wellenlängen an den Grenzen der technischen Fertigungsmöglichkeiten bewegt. Eine prozessbegleitende und aussagekräftige Analyse, wie sie durch Streulichtmessungen möglich ist, ist daher essentiell«, so Dr. Marcus Trost, Leiter der Charakterisierungsgruppe beim Fraunhofer IOF.

Aufgrund ihrer Sensitivität und berührungsfreien sowie schnellen Messwertaufnahme ist die Streulichtmesstechnik der Messung mittels Mikroskop, interferometrischen oder taktilen Verfahren überlegen. Dauerte etwa die Überprüfung der Oberfläche eines Spiegels mit einem Durchmesser von 60 cm theoretisch 40 Jahre, wäre dies mit Streulichtverfahren in einigen Stunden erledigt.

Das Know-how des Fraunhofer IOF floss bereits in die Herstellung und Optimierung einiger Satellitenoptiken ein, etwa beim deutschen Erdbeobachtungsinstrument unter Führung der DLR-Projekt EnMAP (Environmental Mapping Analysis Programm) zur spektral hochaufgelösten und genauen Erfassung des Ökosystems auf der Landoberfläche.

Durch die Vibrationsunempfindlichkeit lässt sich die Methode im Gegensatz zu den klassischen Messverfahren gut in Produktionsprozesse integrieren, wie die Abbildung anhand der Integration eines Streulichtsensors in eine Ultrapräzisions-Diamantdrehmaschine zeigt. Hier kann die Charakterisierung der Oberflächenbeschaffenheit bereits im Fertigungsprozess erfolgen und Prozessparameter können entsprechend angepasst werden.