aiax-003-Lyot-Test

Siehe auch: 
http://rohr.aiax.de/4-MeasurementOfSurfaceQuality.pdf

http://astrosurf.com/tests/articles/defauts/defauts.htm
Vergleich Foucault - Lyot-Test


Einführungs-Bericht: Phasen Kontrast Mess-Verfahren optischer Flächen


In einer Kombination aus Foucault- und Draht-Test ist es möglich, bei Newton Spiegeln feine Oberflächenstrukturen In einer Kombination
aus Foucault- und Draht-Test ist es möglich, bei Newton Spiegeln feine Oberflächenstrukturen zu erkennen, die weder mit dem Draht- noch
mit dem Foucault-Test in dieser Deutlichkeit sichtbar werden. Selbst einzelne durch zuviel Druck verursachte Polierstriche, wie nachfolgen-
des Beispiel zeigt, werden bei diesem Verfahren deutlich sichtbar. Das Grundprinzip dieses Verfahrens besteht darin, daß in einer Autokolli-
mations-Anordnung gegen einen Planspiegel ein Lichtspalt von 0.3 x 0.02 mm durch die Optik abgebildet wird auf einen transparenten Film- 
Negativ-Streifen. (TP 2415) Dieser Negativfilm  hat eine schwarze ca. 0.1 mm dicke Linie, deren Kanten jedoch unscharf sind und die direkten
Lichtstrahlen von der Optik abblendet. Über den unscharfen Rand entsteht offensichtlich ein kontrastverstärkendes Phasen-shifting. Die
Herstellung dieses Negativ-Streifens wird weiter unten beschrieben. Das wesentlich hellere direkte Licht des Lichtspaltes wird durch den dunk-
len Streifen des Dias  (der wie ein Dämpfungsfilter wirkt) soweit reduziert, daß das Streulicht, das über feine Polierspuren entsteht, besser sichtbar
wird. Eine Beschreibung findet sich auch bei  http://www.astrosurf.com/tests/test460/test460.htm#haut

Ein erstes Zufalls-Beispiel fand ich bei der   Durchsicht von  Negativ-Filmen:  mit dieser "unscharfen"  
Linie ließ sich der  Kontrast erstaunlich
steigern. Erste Negativ-  Versuche mit einem Tamron-Zoom schlugen fehl: Die  Kanten der 0.1 mm 
Linie war  zu "scharf" und damit unbrauchbar. 
Mit einem 50 mm Fotoobjektiv, das einen deutlichen Farblängsfehler besitzt, wurden im Ab
stand von ca. 4 Meter ganze Serien von dieser Tafel   
auf einen TP 2415 Negativ-Film  erstellt mit  Variation von Bildschärfe,   Belichtungs-Zeit 
und der Negativ-Entwicklungs-Zeit. Die Dicke der
"Stäbe"   auf der Tafel betrugen ca. 8 mm, u.a. ein silbergraues eloxiertes ALU-   Rohr. Das 
Foto muß bei Streulicht entstehen. Also kein Sonnenlicht.

  

Im Dia-Rähmchen (Bild oben) sieht man in der Mitte die Negativ-Abbildung (Bild unten) dieser Tafel, die "Stäbe" haben jetzt eine Breite   von
ca. 0.1 mm und wegen der Farblängsfehlers des 50 mm Objektivs eine unscharfe Kante.  Mit diesem Hilfsmittel lassen   sich nicht nur obige
"Polier-Sünden" des Optikers nachweisen,   damit erkennt man die Fließrichtung derjenigen Schmidtplatten,   die aus Floatglas hergestellt
worden sind. Die Glattheit optischer  Flächen wiederum beeinflussen erheblich die Steigerung des   Kontrastes.
Links Die 0.1 mm Linie unter dem Mikroskop. Rechts die groben mit Druck ausgeübten Polierstriche.

  



Der Lyot- oder Phasenkontrast-Test zeigt in erster Linie die Feinstruktur einer polierten Fläche, während der Foucault-Test deren Topografie
darstellt. Beim Lyot-Test geht es im wesentlichen um die Rauhheit einer Fläche und das bildaufhellende und kontrastmindernde Streulicht,
das über diese Rauhheit verursacht wird. Davon muß "Streulicht" unterschieden werden, das durch Zonen, Korrekturfehlern und abfallenden
Kanten entsteht und zu Unschärfen im Fokus führt. Gemeint ist Streulicht, das über eine allgemein rauhe Politur den Bildhintergrund aufhellt.
Zur Untersuchung dieses Effektes verwendet man in der Industrie das Nomarski-Mikroskop. Der Effekt dieser Meßtechnik entsteht dadurch,
dass im Fokus einer Autokollimations-Anordnung das direkte Licht eines Lichtspaltes mit dem indirekten Streulicht "verglichen" wird, es an
der Kante einer teildurchlässigen Filter-Linie zu diesem kontrast-verstärkendem Effekt kommt. Der Lyot-Test kann selbst einzelne Polierstriche
nachweisen bzw. die Art der Parabel-Retouche, er kann bestimmte Herstellungstechniken bei Schmidtplatten sichtbar machen und erlaubt eine
gute Begründung, warum manche "hoch"-strehligen Fernrohre in der Bildqualität zurückfallen. Weil über den RMS-Wert der Strehl ermittelt
wird, und damit über die Topografie der Fläche, hat der Strehlwert mit der Feinstruktur derselben Fläche nichts zu tun, die mit dem Lyot-Test in
einem mittleren Bereich, mit dem Nomarski-Mikroskop im Submillimeter-Bereich gemessen werden kann.

Weitere Informationen dazu in:

  • "Optical Shop Testing", Second Edition, Daniel Malacara (S. 305 ff)
  • "How to make a Telescope", Jean Texereau, Second Edition, Willmann-Bell 1984 (S. 87 ff)
  • "Star Testing Astronomical Telescopes", Harald Richard Suiter, Willmann-Bell 1994 (S. 248 ff)

Im Frühjahr 2000 wurde der Autor über eine französische Website auf ein Messverfahren aufmerksam, das eine interessante Alternative darstellt,
zur Flächen-Qualität von optischen Systemen fundiertere Aussagen machen zu können.

Bekannte franz. Spiegelschleifer nutzen dieses Phasenkontrast-Verfahren dazu (siehe Texereau), zur Glätte bzw. Micro-Struktur von Newton-
Spiegeln qualitative Aussagen zu machen, aber auch noch den Bereich zu nennen, in dem diese Rauhheit eine Rolle spielt. Die Website enthält
das Beispiel eines 460 mm Newton-Spiegels, der nachgearbeitet worden war und hernach eine weitaus bessere Flächenqualität zeigte.

Der Lyot-Test zeigt:

  • die Topografie, wie sie unter Foucault zu erkennen ist, aber zusätzlich
  • die Feinstruktur der Fläche selbst in überdimensionierter Deutlichkeit
  • die Art der Politur bei einer Parabel-Retouche, sodass man Spiegel dem Hersteller zuordnen kann
  • die Technik der Schmidtplatten-Herstellung im Ansaug-Verfahren
  • die Zonen-Politur bzw. die verwendeten Polierer und schließlich auch sehr deutlich

Der Lyot-Test gibt also eine umfangreiche Information über Herstellung und Zustand einer Optik. Eine Quantifizierung ist nach meiner Auffas-
sung noch nicht überzeugend darstellbar.

Wir benutzen dreierlei Phasenkontrast-Filterlinien:

  • einen SW-Negativ-Film, den 2415 TP SW-Film von Kodak, und dem Beispiel, wie es unter http://www.astrosurf.com/tests/contrast/contrast.htm#haut 
    beschrieben ist, übrigens auch auf meiner Homepage(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 und mit einer scharfen Kante
  • auch eine auf Glas aufgebrachte 0.1 mm teildurchlässige Linie aus Kerzenruß erzeugt diesen Effekt.

Unter http://www.astrosurf.com/tests/contrast/contrast.htm#haut wird auch das Prinzip erklärt, das ich in Kurzform von der Strahlen-Optik her
erklären möchte. Das Bild der französischen Website bitte zugleich betrachten:

Im Krümmungsmittelpunkt einer Sphäre steht ein Lichtspalt als Lichtquelle, welche nach der Reflexion im Krümmungsmittelpunkt wieder als
Lichtspalt abgebildet wird. Wäre die Sphäre perfekt glatt, würde das Licht zu 100% wieder im Krümmungsmittelpunkt ankommen, was aber
selten der Fall ist. Stattdessen verschwindet ein Teil der Energie, weil eine mehr oder weniger rauhe Oberfläche Streulicht erzeugt, das nicht
im Krümmungsmittelpunkt abgebildet wird. Bei diesem Test wird nun das direkte Licht mit dem Streulicht dadurch verglichen, daß die Abbildung
des Lichtspaltes über einen Linienfilter soweit gedämpft wird, daß ein Vergleich mit dem Streulicht möglich wird.

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. Die Rauhigkeit des Newton-Spiegels sieht man im Foucault-Test noch nicht.

Der Lyot-Test zeigt feinere Strukturen am gleichen Spiegel:


Trotzdem hat dieser Spiegel noch eine Struktur. Diese Rauhheitsstruktur sieht man, wenn man das Licht des 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.

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.


Auch dieser Spiegel schaut unter dem Foucault-Test hervorragend aus. Dass er einen Astigmatismus-Fehler hat, wird in diesem Test
noch nicht so deutlich. Retouche unter Phasen-Kotrast 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 Spiegeldurch-
messer ausgeführt wurde, bzw. in tangentialen Strichen.

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 Fein-
struktur sichtbar machen. Von der Feinstruktur nicht einmal so schlecht, von den Zonen her verheerend!

Am Stern schaut das Bild intrafokal dann so aus:


Zieht man also eine Zwischen-Bilanz, dann lässt sich neben den üblichen quantitativen 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
Flächenglattheit 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.

Speichen auf der Schmidt-Platte ?


Dieser Test ist nicht nur bei Newton-Spiegeln in Autokollimation möglich, sondern auch bei optischen Systemen, wie beispielsweise bei einem
Schmidt-Cassegrain-System. Hier ist es vor allem die Herstellung der Schmidt-Platte selbst oder die Retouche des Sekundärspiegels, über die
sehr viele Rauhheitsfehler eingeführt werden:

  • Das verwendete Float-Glas zeigt die Fließstruktur des Glases
  • Das Ansaug-Tool der Schmidt-Platte zeigt die Ansaugschlitze
  • Konzentrische Zonen zeigen mehr oder weniger deutlich die Retouche des Sekundärspiegels

Diese Strukturen erkennt man nur zum Teil beim Foucault- und Ronchi-Test, am besten aber beim Lyot-Test selbst.

Das Phasenkontrast-Bild:



Als Auflösung des Rätsels könnte man die Verstärker-Rippen dafür verantwortlich machen.


Vermutlich sind es aber trotzdem die Ansaug-Schlitze, die bei der patentierten Herstellung von Schmidtplatten eine Rolle spielen.

Das Interferometer zeigt dieses Bild:


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.

Perfekt in jeder Hinsicht ein Maksutov System:


Perfekt in jeder Hinsicht mit einem Strehl von 0.99 erwies sich ein Newton-Maksutov. Da gibt es keinen Unterschied mehr zwischen Foucault...
und dem Phasenkontrast


Hier haben beide Tests ihre Grenzen.

Wozu der Ronchi-Test auch gut ist:


Interessanterweise lässt sich die Flächenrauhheit auch über Ronchi-Gramme darstellen, wenn die hellen Ronchi-Linien saubere, störungsfreie
Kanten haben und im dunklen Streifen zwischen den mittigen Beugungslinien möglichst keine Störungen sind.

Beispiel-Spiegel aus Russland:



Eine bekannte Frauenhofer Marke:



Ein SC-System mit einer Schmittplatte aus Floatglas?



Fazit:

Mit diesem Bericht ist die "Höhe" der Mikrostruktur bzw. eine Quantifizierung der Flächenrauhheit in keiner Weise beantwortet. Die Strehl-Lösung
führt nicht zum Ziel. Auch wird deutlich, dass die Interferometer-Messung herkömmlicher Art ihre Grenze hat.

Noch ein paar Literatur-Angaben in Englisch bzw. Französisch:

"Diffraction Theory of the Knife-Edge Test and Its Improved Form, the Phase-Contrast Method"- Zernicke, F., Monthly Notices of the Royal Astronomical
Society, Vol. 94 No. 5, March 1934, pp. 377-384.

This article announced Prof. Dr. Frits Zernicke's discovery of the phase contrast principle, for which he eventually received the Nobel Prize.

"On the Phase-Contrast Test of F. Zernicke" Burch, C.R., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 94 No. 5, March 1934, pp. 384-399.

This article presents the first phase contrast photo that was ever published of an astronomical telescope mirror. From these and other articles published
in the 1930s, we can see that the phase contrast test method has been known and used for 70 years.

"Procedes Permettant d'Etudier les Irregularities d'une Surface Optique Bien Polie" (A Method Permitting the Study of the Irregularities of a Well-Polished
Optical Surface) - Lyot, B., Meeting of April 1, 1946, Comptes Rendus d L'Academic des Sciences, Paris. Vol. 222, pp. 765-768.

This is Lyot's first publication concerning phase contrast. He is very careful to acknowledge Zernicke's prior work in the 1930's concerning this method.

"Les Principaux Defauts Reels des Surfaces Optiques Engendrees par Differentes Techniques de Polissage" (The Principle Defects of Optical Surfaces
Produced by Different Methods of Polishing) - Texereau, J., Bulletin "Ciel et Terre," Societe Belge d'Astronomie (Bruxelles), LXVIe Annee, No. 3-4, March-
April 1950.

This article presents Texereau's version of a quantitative phase contrast test with a photometric wedge as performed half a century ago. This article can
be downloaded from the Astrosurf website. Texereau's work has been a valuable source of ideas. However, I believe that his original methods will require
modification and updating for use by today's opticians.

"Le Contraste de Phase en Optique et en Microscopie" (Phase Contrast in Optics and Microscopy) - Francon, M. (Editions de la Revue d'Optique Theorique
et Instrumental, 165 Rue de Sevres, Paris, 1950).

I must caution the reader that parts of this book are highly mathematical. Chapter 4 is entitled "Application du Contraste de Phase a l'Etude des Defauts de
Poli et d'Homogeneite" Application of Phase Contrast to the Study of Defects in Polish and Homogeneity (of Glass). In this chapter , Plate 6 shows two very
beautiful phase contrast images of the glass surface of an astronomical mirror.

"Contraste de Phase et Contraste par Interference, 15-21 Mai 1951" (Phase Contrast and Contrast by Interference, Conference of 15-21 May, 1951) - Francon,
M., Colloques de la Commission Internationale d'Optique, Editions de la Revue Optique Theorique et Instrumentale, 165 Rue de Sevres, Paris, 1952.

This 261-page record of an international phase contrast conference contains many interesting articles in both French and English.