Interferometrische Präzisionsjustage: DIOPTIC Technologie für Weltraumteleskope und Fusionsreaktoren


2020-12-27

Die DIOPTIC hat gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die Position optischer Elemente im Raum mit sub-µm-Genauigkeit lokalisieren lassen.

Diese Technologie wurde nun erfolgreich eingesetzt, um die Optiken des neuen Weltraumteleskops Euclid zu justieren. Das Verfahren basiert auf einem computergenerierten Hologramm (CGH) mit mehreren Zonen, die jeweils spezifisch für jedes zu justierende Linsenelement das Laserlicht eines Fizeauinterferometers antasten. Die Justage erfolgt über eine Minimierung des Interferenzsignals.

Mit dieser neuartigen Methode der interferometrischen Präzisionsjustage lassen sich optische Systeme mit einer Genauigkeit von wenigen µm justieren. Mittels der für jedes System individuell berechneten Multizonen CGHs, lassen sich die einzelnen Komponenten von Linsensystemen aber auch Spiegelteleskopen punktgenau zueinander ausrichten. Selbst Systeme, deren Detektionsspektrum weit außerhalb des sichtbaren Lichts liegt (z.B. Radioteleskope) oder deren Einsatzbedingungen sich nicht ohne weiteres während der Fertigung reproduzieren lassen (z. B. Temperatur bei Weltraumteleskopen), können mit der gleichen Genauigkeit justiert werden.

Das Geheimnis dieser Methode liegt darin, dass die Soll-Position und -Orientierung in den Subhologrammen eingespeichert ist. Da es so nicht notwendig ist, eine gute Abbildung als Justagekriterium zu erzeugen, können thermische Ausdehnung und auch noch nicht verbaute Objektivgruppen kompensiert werden.

Präzisionsjustage mit Multizonen-CGHs

Bei einer interferometrischen Justage eines Objektivs werden für jede Linsenoberfläche entsprechende CGH-Zonen spezifisch ausgelegt. Befindet sich eine Linse an der korrekten Position und in der korrekten Orientierung, wird über die zugehörige CGH Zone ein Interferenzmuster erzeugt. Durch eine Optimierung des Interferenzsignals kann die Linse in Position und Verkippung genau justiert werden. Die gleiche Methode wurde auch bereits erfolgreich auf Spiegelteleskopsystemen angewandt.
Für jedes zu justierende optische Element werden mindestens eine diffraktive Teilzone auf dem Substrat vorgesehen. Da die Justagezonen aller Linsen auf einem Substrat mit sub-µm Genauigkeit hergestellt werden, ist so eine optimale relative Positionierung aller Komponenten garantiert.

Skizze inferometrische Präzisionsjustage
Multi Zone CGH EUCLID

Justage des Euclid Teleskops

Das Prinzip der interferometrischen Präzisionsjustage wurde erfolgreich bei der Fertigung des Teleskopobjektivs der Euclid Space Mission eingesetzt. Mit dem hier gezeigten Multi-Zonen-CGH konnten die fünf Linsen des Teleskops mit einer Positionsgenauigkeit von besser als 2.5µm und einer Verkippung kleiner als 10 Winkelsekunden realisiert werden. Über mehrfache Messungen konnte gezeigt werden, dass die mit dem CGH definierte optische Achse eine Genauigkeit von 200 nm unterschreitet. (Veröffentlichung)
Die Justage erfolgte bei Raumtemperatur, bei der das Objektiv keine scharfe Abbildung erzeugt. Diese entsteht erst beim Erreichen der Betriebstemperatur von -140°C. Eine Optimierung der Abbildungsleistung während des Objektivzusammenbaus ist also nicht möglich. Mit Hilfe des Multizonen Justage CGHs kann die Soll-Position jeder einzelnen Linse bei Raumtemperatur unter Berücksichtigung der thermischen Ausdehnung auf Mikrometergenauigkeit justiert werden. Dies garantiert später eine bestmögliche Abbildung der Sterne unter Weltraumbedingungen.

Prüfung einer Spiegelteleskop-Baugruppe des Beobachtungsendoskops in der Wendelstein 7-X-Fusionsforschungsanlage

Für den Betrieb der Wendelstein 7-X-Fusionsanlage müssen die sogenannten Divertorplatten kontinuierlich temperaturüberwacht werden. Diese Platten sind im Betrieb einem gewaltigen Wärme­strom von rund 10 Megawatt pro Qua­dratmeter ausgesetzt und müssen daher gekühlt werden. In einem zukünftigen Fusionskraftwerk soll die über den Divertor abgeführte Wärmeenergie dann in elektrische Energie umgewandelt werden. Die flächige Temperaturmessung der Divertorplatten geschieht über ein Endoskop. Dessen Herzstück besteht aus einem Spiegelpaar, das ein Teleskop bildet. Speziell für die Charakterisierung dieses Teleskopsystems wurden von der DIOPTIC mehrere CGHs entwickelt und hergestellt. Sie ermöglichen nicht nur eine hochgenaue Überprüfung der Spiegelformen, sondern auch deren Justage zueinander. So ist eine optimale Bildqualität der Überwachungseinheit im Betrieb gewährleistet.

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Teleskop mit Messdaten