14. Laborbericht: Foucault und Phasenkontrast
Im Frühjahr 2000 wurde der Autor über nachfolgende französische Website auf ein Meßverfahren aufmerk-
sam, das sich als interessante Alternative anbot, zur Qualität von optischen Systemen fundiertere Aussagen
machen zu können.
http://www.astrosurf.com/tests/test460/test460.htm#haut
Auch die Franzosen unter David Verneth benutzen dieses Phasenkontrast-Verfahren dazu, zur Glätte bzw.
Micro-Struktur von Newton-Spiegeln qualitative Aussagen zu machen, aber auch noch den Bereich zu nen-
nen, in dem diese Rauhheit eine Rolle spielt. Die Website enthält das Beispiel eines 460 mm Newton-Spie-
gels, der vor der Nachbearbeitung hinsichtlich der Fläche von einem "Künstler" hergestellt worden war, der
beispielsweise bei diesem Spiegel eine deutlich abgesunkene Kante mit einem Haltering kaschiert hatte,
und auch dem Autor einen Spiegel über eine Retouche regelrecht "versaut" hatte. Während der Nachweis
solcher Flächen-Sünden mit dem Foucault-Test nur bedingt möglich ist, und schon gar nicht mit dem
Interferometer, kann man mit diesem so genannten PhasenKontrast-Verfahren mit erheblich höherer Deut-
lichkeit den Nachweis führen. So benutze ich dieses Meßverfahren in erster Linie als Foucault-Test mit
weitaus deutlicherem Ergebnis. Es werden also zwei Dinge sichtbar:
- die Topografie, wie sie unter Foucault zu erkennen ist
- die Feinstruktur der Fläche, wie sie unter dem strengen PhasenKontrast-Plättchen zu sehen wäre
Wir benutzen also zwei Phasenkontrast-Verfahren:
- einen SW-Negativ-Film, den 2415 TP SW-Film von Kodak, und dem Beispiel, wie es auf nachfolgender
französischer Website beschrieben ist, übrigens auch auf meiner http://rohr.aiax.de (mit einer unscharfen
Kante)
- oder einem Phasenkontrast-Plättchen aus Glas, das einen dünnen 0.15 mm Alu-Strich trägt mit einer
Dichte so um 2.18, mit einer scharfen Kante. Wir variieren noch die Parameter und optimieren sie.
http://www.astrosurf.com/tests/contrast/contrast.htm#haut
Auf dieser Website wird auch das Prinzip erklärt, das ich in Kurzform von der Strahlen-Optik her erklären
möchte: Das Bild der französischen Website bitte zugleich betrachten:
Ein Spiegel wird von einem Lichtstrahl in einem Punkt angeleuchtet. Von diesem Punkt der Spiegelober-
fläche geht ein Lichtstrahl aus in Richtung Beobachter, Auge, Kamera etc. Das ist das direkte Licht, das
eine bestimmte Helligkeit hat. Wenn die Spiegelfläche absolut glatt wäre bis in die Atom-Schicht, würde
das gesamte Licht ohne Streulicht beim Beobachter landen. Nun streut aber die Fläche, auf die der ursprüng-
liche Lichtstrahl fiel, und ein bestimmter Teil dieses Lichtstrahles wird in einem Kegel gestreut, gerade so,
wie wenn ein Lichtstrahl auf eine ebene Fläche mit Glas-Gries fallen würde, auch da sorgt die Rauhheit für
eine Streuung. Nun ist aber zwischen dem hellen reflektierten Strahl und dem Streulicht ein enormer Hellig-
keits-Unterschied. Man muß also das "direkte" Licht dämpfen, um es mit dem "indirekten" Licht vergleichen
zu können. Möglicherweise ist nun der Winkel zwischen direktem und indirektem Lichtstrahl der Grund, wa-
rum sich die Phasen der Lichtwelle addieren und damit den Kontrast verstärken. Diese Fragen sollen aber
die Theoretiker erklären. Es geht zunächst nur um das Verständnis, warum es überhaupt zu solchen viel
kontrast-reicheren Bildern kommt. Der Quellen gibt es mittlerweile viel, Michael Leckel auf astronomie.de
ist in vielerlei Hinsicht fündig geworden.
Die bisherige Diskussion besonders auf dem Nachbar-Forum konnte zeigen, daß mit dem normalen Industrie-
Phasenshift-Interferometer Rauhheits-Messungen nicht möglich sind, obwohl von manchen aus wahrschein-
lich merkantilen Gründen hartnäckig behauptet wurde. Also benutzt die Industrie zur Rauhheits-Messung
entweder das Normaski-Mikroskop zur Rauhheits-Messung oder ein spezielles Phasenshift-Mikroskop, eben
falls zur Rauhheits-Messung, weil gerade Optiken für die Chip-Herstellung einen hohen Kontrast brauchen
und demzufolge eine hohe Flächenqualität. Aber auch bei den Astro-Optiken ist dieser PhasenKontrast-Test
ein interessantes Qualitäts-Kriterium und deswegen nicht immer beliebt, wenn man damit mindere Flächen-
Qualität nachweisen kann, bzw. bei "Billig-Produkten" nachweisen kann, daß die Ablehnung nur ein durch-
sichtiges Konkurrenz-Kampf-Manöver ist. Daher gerät der Autor bei einigen Händlern in die Schuß-Linie, der
er jedoch bisher erfolgreich stand gehalten hat.
01 Foucault zeigt nicht alles
Ein hochwertiger 15-Zoll Newton-Spiegel aus USA zeigt im Foucault-Test eine fast störungsfreie Fläche.
Keine Zonen, topfeben, die leichten Schatten sind Reste der Dejustage vom Meßaufbau, Newtonspiegel
reagieren sofort mit Koma, wie sich am Interferogramm nachweisen läßt. Jeder, der diesen Spiegel
benutzt, kann sich glücklich schätzen, ein Spiegel, der an den Planeten höchste Kontraste entwickelt.
Fast entwickelt,
... wenn er noch die Glätte von Amateur-Spiegeln hätte. Und genau die sieht man noch nicht.
02 Mein Markenzeichen
Trotzdem hat dieser herrliche Spiegel noch eine Struktur. Der Bogen bei 12.00 Uhr ist ein kaum wahrnehm-
barer Kratzer auf meinem Kollimations-Planspiegel, der im übrigen außerordentlich glatt ist, wie ich verständ
licherweise in eigenen Untersuchungen nachgewiesen habe. Diese Rauhheits-Struktur sieht man, wenn man
das Licht meines Lichtspaltes, wie er weiter unten gezeigt wird, durch die Optik schickt und auf den
ca. 0.1 mm dicken Strich des Filmnegativs projiziert, der eine Dichte von ca. 2.0 hat. Damit ist auch die Frage
von Michael Leckel beantwortet, wie feine Kratzer im PhasenKontrastTest ausschauen könnten. Bei dieser
Testanordnung spielt also der Foucault-Test noch eine wichtige Rolle als Kombination von Foucault und
PhasenKontrast.
03 Die Dichte erhöhen
Wenn man die Dichte der dünnen Linie erhöht, nimmt auch der Kontrast zu, und man sieht die Flächen-
Struktur noch deutlicher. Es ist also ein Spiel mit dem Licht, der Spaltbreite und der Linien-Dichte und ein
bißchen auch mit der unscharfen Kante dieser Linie, wie ich herausgefunden habe. Siehe auch die Erläuter-
ungen auf meiner eigenen Website, wo ich die Linien-Struktur unter dem Mikroskop untersucht habe.
04 Ein Spiegel aus Rußland
Aus Wettbewerbsgründen versage ich mir, den Hersteller der jeweiligen Optiken zu nennen. Das Spektrum
von verschiedensten Beispielen läßt sich auf allen Seiten finden. Auch dieser Spiegel schaut unter dem
Foucault-Test "super" aus. Daß er einen Astigmatismus-Fehler hat, wird in diesem Test noch nicht so deut-
lich.
05 Retouche unter PhasenKontrast deutlich sichtbar.
Viel exakter als es der Foucault-Test zeigen könnte, sieht man nun eine recht glatte Grundstruktur der Fläche,
also glatter eigentlich, als beim vorherigen Spiegel, aber weitaus deutlicher die Zone, die Retouche der Zone
und die Tatsache, daß sie in Dreiecken über den Spiegeldurchmesser ausgeführt wurde, bzw. in tangentialen
Strichen. Noch viel deutlicher bei Bild Nr. 23 erkennbar.
06 Reiner PhasenKontrast zeigt glatte Fläche
MIt dem Glasplättchen verschwindet der Foucault-Effekt und nur noch die Mikro-Struktur bleibt übrig.
Spätestens daran sieht man dann, daß die Grundpolitur sehr glatt war, bevor sich einer mit der Retouche zu
"schaffen" machte. Kurt Schreckling und Stathis Kafalis wäre das nicht passiert. Deren Spiegel sind ein
rühmliches Beispiel für heimische Spiegelschleifer-Kunst! Das schätze ich besonders hoch ein, weil ich
jeden Tag Spiegel messen darf.
07 Ein ganz lausiges Beispiel
Es gibt aber auch in Deutschland "Künstler" die für solche "hochwertigen" Spiegel horrende Summen ver-
langen, weil der Kunde erst am Himmel merkt, daß mit der hochgepriesenen Optik was nicht stimmen kann.
Schon beim Foucault-Test werden die Zonen erschreckend deutlich sichtbar. Ein Glück, daß der Autor bei
diesem Zeitgenossen nie einen Planspiegel bestellt hat, obwohl er dort einmal anfrug und abgeschmettert
wurde.
08 Der Wert der PhasenKontrast-Messung
wird bei diesem Beispiel deutlich. Sehr viel exakter läßt sich über diese Meßmethode sowohl die Topografie
der Fläche, wie auch deren Feinstruktur sichtbar machen. Von der Feinstruktur nicht mal so schlecht, von
den Zonen her verheerend!
09 Am Stern schaut die Angelegenheit
dann so aus. Und das war der Grund, warum der "glückliche" Besitzer schon ahnte, daß mit seinem Spiegel
irgend etwas sein müßte. Zieht man also eine Zwischen-Bilanz, dann läßt sich neben den üblichen quantita
tiven Werten wie PV und RMS der Wellenfront und dem Strehl zwar eine genaue Aussage hinsichtlich der
Topografie bzw. des Öffnungsfehlers machen, auch beim ZYGO nicht anders, hinsichtlich der Flächenglatt-
heit jedoch, die für hohen Kontrast zuständig ist, muß die Interferometrie passen, da ist selbst der Ronchi-
Gitter-Test genauer, wenn man ihn richtig lesen kann. Damit kann der Streit, ob man mit dem normalen
Interferometer Microrauheit sehen könne, als erledigt betrachtet und als merkantiles Manöver gewertet
werden.
10 Speichen auf der Schmittplatte
Die lupenreinen Theoretiker störten sich auf dem anderen Board an der Tatsache, daß ich mit diesem Test
recht unbekümmert auch durch Mehrflächen-Systeme "marschiert" bin. Es ist eigentlich schon ein Frevel,
den Newton-Spiegel über einen Kollimations-Spiegel auf Rauhheit zu untersuchen. Da könnte ja mein Kolli-
mations-Planspiegel mit 1:2 in das Meßergebnis eingehen, und dieses verfälschen, weshalb solche Mes-
sungen allenfalls aus dem Krümmungsmittelpunkt der Parabel möglich sein sollten, und sich alle übrigen
Mehrflächen-Systeme einer Untersuchung verschließen sollten. Warum aber der Foucault-Test, der Ronchi-
Gitter-Test, der Interferometer-Test durch Mehrflächen-System "durchdarf", bei den Rauhheits-Messungen
plötzlich aber nicht, obwohl der noch stark die Züge eines Foucault-Tests trägt, konnten mir die Vertreter der
reinen Lehre nicht beantworten. Unabhängig von dieser Theorie-Diskussion sind die Ergebnisse trotzdem
hochinteressant. Es muß also genauer untersucht werden, aus welcher der Flächen eines SC-Systems
diese merkwürdige Speichenstruktur kommen könnte, die bereits am Stern und am Foucault-Test erkennbar
wird.
11 Es kann nur die Schmittplatte sein
Welchen Grund sollte es geben, daß sich in den Hauptspiegel dieses Systems solche Strukturen abbilden?
Die gleiche Frage gilt dem Fangspiegel. Also bleibt die Schmittplatte als Ursache übrig. Welcher Fertigungs-
Prozeß liefert solche radialen Strukturen ab? Es könnten Ansaug-Schlitze sein, die die Schmittplatte in
einen Topf ansaugen und sich durch den hohen Druck in der nachfolgenden Glasbearbeitung abbilden. Eine
andere Erklärung ist uns hierzu nicht eingefallen. Vielleicht findet sich ja einer, der das in irgendeiner Weise
dokumentieren kann. PhasenKontrast-Messungen bei SC-Systemen sind deshalb kontrast-arm und ver-
waschen, weil vier Flächen im Spiel sind. Aber bereits diese Kontrast-Armut ist ein Beleg dafür, daß diese
Systeme am Himmel nicht die Leistung erbringen können, wie beispielsweise Maksutov-Systeme, die es mit
Sphären zu tun haben, die störungsfreier herstellbar sind. Lediglich die Fließ-Strukturen von Meniskus-Press-
lingen können das Vergnügen stören, wenn zu wenig Glas abgetragen wurde bei der Bearbeitung.
12 Der Intererfometer zeigt es
Wie hoch diese Speichen als "Stege" sein müssen, zeigt der Interferometer bei der Astigmatismus-Prüfung.
Die Speichen sind als "Spitzen" eindeutig zu erkennen, und liegen sicherlich unweit von L/10 PV wave.
Also bereits erheblich über der üblichen Rauhheit bis zu 30 nm. Natürlich steht die Diskussion aus, wie taug-
lich das Gerät für die Fotografie und für die Planeten-Beobachtung ist, aber auffällig ist dieses Merkmal alle-
mal und mit der PhasenKontrast-Methode gut darstellbar.
13. Perfekt in jeder Hinsicht
Perfekt in jeder Hinsicht mit einem Strehl von 0.99 erwies sich ein Newton-Maksutov. Da gibt es keinen
Unterschied mehr zwischen Foucault ...
14 und PhasenKontrast.
Hier haben beide Tests ihre Grenzen, was Händler wie stolzer Besitzer gleichermaßen freut. Mich übrigens
auch!
15 Bei 532 nm gemessen
Bei 532 nm gemessen, statt der üblichen 632.8 nm, und trotzdem noch einen Strehl von 0.99 bedeutet, es
mit einer perfekten Optik zu tun zu haben. Dem stolzen Besitzer riet ich damals, das Gerät nie mehr zu ver-
kaufen. Das war aber vergebens. Weil der Sternfreund nix für Maksutovs übrig hat, wählte er stattdessen
einen Refraktor. Hoffentlich isser damit glücklicher.
16 Wozu der Ronchi-Test auch gut ist
Interessanterweise läßt sich die Flächenrauhheit auch über Ronchi-Gramme darstellen. Bei einer sehr glatten
Fläche, wie die von Kurt Schreckling und Stathis Kafalis, haben die hellen Ronchi-Linien eine gleichmäßige
Ausleuchtung ohne jede Störung, und saubere störungsfreie Kanten und Beugungs-Linien. Auch bei diesem
Maksutov-Beispiel läßt sich dies verdeutlichen. Sehr viel unruhiger hingegen sind oft die Ronchi-Linien bei
dem vorher genannten Beispiel.
17 Dazu passend auch das Interferogramm des Herstellers
... dessen Linien ganz bestimmt nicht die Mikro-Rauhheit darstellen können, sonst würden die Bilder vorher
ganz anders aussehen. Also ist eine sorgfältige Unterscheidung zwischen der Interferometer-Messung der
Phasen-Kontrast-Messung sicher sinnvoll.
18 Der 12-Zoll Newton
von Stathis Kafalis unter Foucault - ein Traum
19 unter PhasenKontrast nahezu gleich aber noch deutlicher
20 Der eine PhasenKonrast-Test fast ohne Struktur
21 Die Messung am Spalt
Die letzte Rettung, wenn ich ganz genau wissen will, was eine Optik kann, dann frage ich nach der Ab-
bildung meines Lichtspaltes, den ich mittlerweile ganz genau kenne und vermessen habe. Je kontrastreicher
ich die bekannten Strukturen erkennen kann, umso besser die Optik. Da passiert es beispielsweise, daß ich
meinen LOMO-Spiegel 380/1900 untersuche. Der sollte allererste Sahne sein - isser auch. Um die Meß-
anordnung ist ein Styropor-Haus "gebaut", damit die Luft steht. Tubus-Seeing kennt jeder, macht auch das
Bild kaputt. Nachdem sich die Luft im "Kanal" beruhig hat, habe ich also eine sehr gute Spalt-Abbildung.
Weil ich kurz eine der Styropor-Platten heben muß, entsteht eine Verwirbelung, die für die nächsten Minuten
das "scharfe" Vergnügen empfindlich stört. Den gleichen Vorgang kann man bei SC-Systemen beobachten,
die man senkrecht auskühlen sollte. Auch diese Systeme sind erst nach einer entsprechenden Auskühlzeit
bereit, ihre volle Leistung zu zeigen. Einem Maksutov geht es nicht anders. Die hochauflösende Spaltfoto-
grafie übe ich noch.
22 Spalt unter dem Mikroskop
Trotzdem weiß ich genau, wie mein Spalt im unteren Teil aussieht und kann damit sehr exakt die Definition
von optischen Systemen untersuchen. Und genau nach diesen Strukturen suche ich, beim Prüfen einer
Optik. Kurts Spiegel zeigte also alles bis in den 1 Micron-Bereich - also schließe ich messerscharf, daß
an der Rauhheits-Diskussion was dran sein muß. Auch entsteht dadurch der Wunsch, eine quantitative
Aussage zu den gesehenen Strukturen auf irgendeinem Weg bekommen zu können. Obwohl die Rangord-
nung von Rauhheits-Unterschieden auch schon sehr aufschlußreich sein kann, aber hinsichtlich der Kombi-
nation mit dem Spalt vielleicht noch deutlicher herausgearbeitet werden kann.
23 Beispiel Spiegel aus Russland
Ein anderer 12-Zoll Spiegel mit deutlichen "Kratz-Spuren"
24 Eine bekannte Frauenhofer Marke
25 Ein SC-System mit einer Schmittplatte aus Floatglas?
Merkwürdig die linearen Strukturen über die ganze Fläche, als ob man bei der Schmittplatte Float-Glas
verwendet hätte.
26 Ein 300-Kugelspiegel aus dem Krümmungsmittelpunkt
und zugleich eine Möglichkeit, Planflächen auf Glattheit im doppelten Durchgang zu untersuchen.
Mit diesem Bericht dürfte der Wert der PhasenKontrast-Messung in Kombination mit dem Foucault-Test
deutlich geworden sein. In einer erheblich deutlicheren kontrastreicheren Weise lassen sich optische
Systeme untersuchen und vergleichen. Auch hat dieser Vergleich zugleich Rückwirkungen auf die anderen
Tests, weil damit klar wird, was man bei anderen Tests auch schon sieht, bzw. wo die Grenzen der anderen
Tests sind.
Mit diesem Bericht ist die "Höhe" der Mikrostruktur bzw. Flächenrauhheit in keiner Weise beantwortet.
Aber es wurde deutlich gemacht, daß die Interferometer-Messung herkömmlicher Art auch ihre Grenze hat,
die mit dieser Art Messung bis in den 1 Nanometer-Bereich verschoben werden kann, also dort, wo die
Atom-Schichten anfangen. Die genaue theoretische Durchdringung überlasse ich den Physikern - mir geht
es um das Werkzeug und seine Möglichkeiten.
Wolfgang Rohr
Bearbeitet von: Rohr am: 23/09/2002 11:38:44
