Optischer Aufbau des thermischen IR-Spektrometers MERTIS.

Systeme für Astronomie, Luft- und Raumfahrt

Moderne und leistungsfähige Spiegeloptiken für Abbildung, Spektroskopie und Strahlformung basieren auf komplexen optischen Oberflächen. Auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrt erforscht das Fraunhofer IOF das Design, die Fertigung und die Montage moderner Teleskop- und Spektrometeroptiken mit on-axis und off-axis Asphären, Freiformflächen und strukturierten Oberflächen (Gitter).

Spiegel, die ultrapräzise gefertigt, charakterisiert und mikrometergenau in den Strahlengang eingebaut sind, zeigen ihre Leistungsfähigkeit in der Anwendung.

Am Fraunhofer IOF werden Metalloptiken für den IR- bis UV-Spektralbereich entwickelt. Dazu gehören ebenso optische Systeme zur Erdbeobachtung und Planetenerkundung wie moderne LIDAR-Systeme für die Detektion von Wirbelschleppen von Flugzeugen. Dafür sind verschiedene Prozessketten etabliert.

Folgende Komponenten und Systeme werden aktuell entwickelt:

 

Three-Mirror-Anastigmat-Telescope für die Erdbeobachtung

Für Erdbeobachtungssysteme werden TMA-Metalloptiken entwickelt und gebaut. Dafür werden Aluminiumsubstrate aus Al6061T6 mit amorphen Nickel-Phosphor-Schichten eingesetzt. RapidEye ist ein Satellitensystem mit fünf identischen optischen Systemen zur Erdbeobachtung. Die Basis bilden TMA-Spiegelteleskope mit zwei asphärischen und einem sphärischen Spiegel. Hauptaktivitäten am Fraunhofer IOF waren, neben dem mechanischen Design der Spiegel, die Fertigung der asphärischen und sphärischen Metallspiegel durch Diamantbearbeitung, Polierverfahren und Formkorrektur. Weiterhin erfolgten am Fraunhofer IOF die Beschichtung der Spiegel, die Montage sowie die Justierung der TMA-Optik.

Erstmalig wurde eine reflektive optische Freiformfläche mit einem Durchmesser von 225 mm für einen Breadboard-Demonstrator eines TMA-Spiegelteleskops für moderne Wettersatteliten entwickelt. Das Fraunhofer IOF erforscht die Anwendung von AlSi-Werkstoff mit amorpher Nickel-Phosphor-Beschichtung für die Realisierung von athermalen Metalloptiken ohne thermischen Mismatch. In der Prozesskette Diamantbearbeitung, Polieren und Ionenstrahlretusche wurden Oberflächen mit einer Mikrorauheit von 1 nm RMS und Formabweichung von 200 nm PV erreicht.

 

Spektrometer

Das Fraunhofer IOF entwickelt für das MERTIS-Instrument eine reflektive Infrarot-Spektrometeroptik auf Basis diamantbearbeiteter Spiegel und eines gekrümmten optischen Gitters. Die Spektrometeroptik besteht aus einem TMA-Teleskop und einem OFFNER-Spektrometer. Für den IR-Spektralbereich werden die Optiken durch Diamantbearbeitung ultrapräzise gefertigt und anschließend mit Gold beschichtet. Die exakte Systemmontage erfolgt in modernen Reinräumen. MERTIS ist ein Instrument der Bepi Colombo Mission zur Erforschung des Merkurs.

Weiterhin hat das Fraunhofer IOF in Zusammenarbeit mit dem Institut für Photonische Technologien (IPHT) einen Prototyp eines miniaturisierten UV-VIS Spektrometers für Weltraumanwendungen entwickelt.

 

LIDAR-Scanner

Wirbelschleppen, wie sie hinter startenden oder landenden Flugzeugen entstehen, können eine Gefahr für nachfolgende Maschinen darstellen. Für diese Aufgabe wurde ein x/y Scanner mit großer Apertur und gleichzeitig großer Ablenkgeschwindigkeit entwickelt. Der Ansatz ermöglicht eine Kompensation der Flugzeugbewegungen. Der Aufbau wurde so gewählt, dass die Ablenkbewegungen durch ultrapräzise Metallspiegel realisiert werden. Dabei bilden die Spiegel mit Limited-Angle-Torque-Motoren die Scannersysteme.