Weltraumoptik in höchster Präzision

Die Baugruppe M2/M3 mit zwei exakt ausgerichteten asphärischen Spiegeln aus dem Spiegelteleskop IRS-Tel wurde durch zusätzliche Referenzmarken in höchster Präzision gefertigt. (© Fraunhofer IOF)

Für die Erforschung des Weltalls, aber auch für die Klimabeobachtung und Wettervorhersage benötigen Satelliten immer leistungsfähigere optische Mess- und Aufnahmegeräte. Sie bestehen oft aus mehreren asphärisch geformten Spiegelelementen, die erst durch ihr präzises Zusammenspiel das einfallende Licht in gewünschter Weise abbilden.

»Alle Spiegel müssen ultrapräzise – sprich mit einer Genauigkeit unter einem Mikrometer – gefertigt und charakterisiert werden. Ebenso wichtig aber ist es, sie exakt zueinander in Position zu bringen«, erklärt Sebastian Scheiding vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena. Dieses Positionieren gestaltet sich bis dato sehr zeitaufwändig, da es schrittweise erfolgt: Zunächst baut man die einzelnen Spiegel nacheinander ins Teleskop ein und misst dann dessen Abbildungsqualität. Zeigen sich dabei Ungenauigkeiten oder Fehler, so versucht man diese durch Lagekorrekturen der Spiegel auszugleichen. Dann misst man wieder und korrigiert erneut – bis die optimale Anordnung aller Komponenten erreicht ist.

»Wir wollten dieses umständliche und langwierige Justieren vereinfachen«, sagt Scheiding. Dazu hat der Wissenschaftler in dem Forschungsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR eine neuartige Fertigungsstrategie entwickelt, die von vornherein die spätere Anordnung der Bauteile berücksichtigt. Dabei werden die einzelnen Spiegelflächen bereits während ihrer Bearbeitung ebenso präzise zueinander positioniert wie später im Teleskop. So lassen sich Fehler und Korrekturen beim anschließenden Zusammenbau auf ein Minimum reduzieren; die Spiegelmontage ist einfach und reproduzierbar.

»Der Trick besteht darin, dass wir alle Spiegel eines Moduls gleichzeitig in derselben Maschine aufspannen und dort einem gemeinsamen Koordinatensystem zuordnen. Dazu wird jeder Spiegel-Rohling mit definierten, ultrapräzisen Messmarken und Referenzflächen versehen,« erläutert Scheiding. Diese fixen Marken verkörpern das Koordinatensystem beim Diamantdrehen der Spiegelformen. Zugleich legen sie aber auch die Lage jedes Spiegels gegenüber den benachbarten Spiegeln fest. Schließlich dienen sie auch als Bezugspunkte für nachfolgende Messprozesse, mit denen die Qualität des optischen Systems überprüft wird.

Welcher Grad an Präzision sich durch solche definierten Referenzstrukturen erzielen lässt, demonstriert das IOF am Beispiel einer Spiegelanordnung für ein Infrarot- Sounder-Teleskop, kurz IRS-TEL. Sie umfasst zwei Spiegelmodule mit jeweils zwei nebeneinander liegenden Aluminiumspiegelflächen. Die Form eines Metallspiegels weicht nur 126 Nanometer von der idealen Asphärenform ab, und die Lage zweier Spiegel zueinander ist zehnmal genauer als bei vergleichbaren Spiegelbaugruppen, die konventionell gefertigt wurden. »Damit können wir solche Optiken um eine ganze Größenordnung präziser herstellen, und sind zudem günstiger, weil die zeitaufwändige Justierung bei der Endmontage entfällt,« sagt Scheiding. Das Spiegelmodul des IOF ist auf der Internationalen Optik-Fachmesse OPTATEC vom 15. bis 18. Juni in Frankfurt zu sehen (Halle 3, Stand D50).

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Sebastian Scheiding Fraunhofer Mediendienst

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