Dit jaar, het internationale jaar van de sterrenkunde, vieren we het vierhonderdjarig jubileum van de eerste ontdekkingen van Galileo Galilei met de telescoop, een instrument dat kort voor de toepassing van Galileo ergens in Nederland werd uitgevonden. Wie de eerste was, is nog altijd onderwerp van verhitte discussie, maar in ieder geval heeft ons land een traditie op het gebied van de sterrenkunde, ook als het gaat om het fabriceren van lenzen en spiegels.
Al sinds de tijd van Galileo gebruikt men voornamelijk sferische lenzen: het oppervlak van deze lenzen is een deel van een bol. Sferische lenzen zijn relatief gemakkelijk te maken, maar voor geavanceerde toepassingen is een enkele sferische lens zelden geschikt: onder meer doordat lichtstralen aan de rand van een sferische lens relatief te sterk worden afgebogen (sferische aberratie). Dat effect kun je compenseren door een serie sferische lenzen achter elkaar te zetten, maar dat heeft als nadeel dat je al snel met grote, zware en dure lenzensystemen moet werken.

Daarom gebruikt men de laatste tijd steeds vaker zogeheten ‘freeform’ optiek: lenzen en spiegels met een complexe vorm, geschikt voor toepassing in bijvoorbeeld ruimtetelescopen of lithografie. Met moderne bewerkingstechnieken kan die freeform optiek met extreem nauwkeurig voorgeschreven oppervlakken worden gemaakt. Maar om zeker te weten dat je spiegel of lens precies de gewenste vorm heeft, zul je dit met diezelfde nauwkeurigheid (de doorsnede van enkele tientallen atomen) moeten kunnen meten. En die meettechnologie liep behoorlijk achter.

Gouden handjes
Daarom heeft de TU/e in samenwerking met TNO en het Nederlands Meetinstituut een machine ontworpen en gebouwd die het oppervlak van lenzen met een willekeurige vorm met een nauwkeurigheid van enkele tientallen nanometers kan nameten. Rens Henselmans was de afgelopen jaren de spin in het web van het project. Hij was er vanaf het begin bij: eerst als afstudeerstudent bij TNO, vervolgens als promovendus aan de TU/e en later weer TNO, waar hij nu in dienst is bij de afdeling Precision Motion Systems in Delft. “De afgelopen jaren hebben wel dertig personen aan deze machine meegewerkt”, zegt Henselmans. De machine is gebouwd bij de Gemeenschappelijke Technische Dienst, waar onder meer twee instrumentmakers er fulltime mee bezig zijn geweest. “Mensen met gouden handjes en veel praktijkervaring.” De investering van meer dan een miljoen euro heeft volgens Henselmans een uniek meetapparaat opgeleverd.

De machine moest aan een aantal criteria voldoen. Het apparaat moest zowel holle als bolle spiegels en lenzen kunnen meten, met een doorsnede van een halve meter en een hoogte van tien centimeter, met zo min mogelijk beperkingen qua vorm. Daarnaast mocht het niet langer dan een paar minuten duren om het hele oppervlak te scannen. “En er mocht uiteraard geen contact zijn met het oppervlak: we hebben het over oppervlakken die tot op een paar nanometer nauwkeurig gemaakt zijn. Daar wil je geen krassen in maken.”

Cd-speler
Daarom wordt het oppervlak afgescand met een optische taster, een beetje zoals dat ook in een cd-speler gebeurt. De te onderzoeken optiek wordt daarvoor op een draaischijf gelegd en de sensor, bestaande uit een rode laser, hangt op een vaste afstand van de rotatie-as vlak boven het oppervlak. De draaischijf maakt enkele omwentelingen terwijl de sensor de hoogte van het oppervlak registreert aan de hand van het gereflecteerde laserlicht. Daarna worden metingen gemiddeld en verschuift de sensor een millimeter naar het volgende ‘spoor’. Deze procedure wordt herhaald tot het hele oppervlak in beeld is gebracht. De meting gebeurt in twee stappen: de lasersensor meet tot op enkele nanometers zijn afstand tot het oppervlak, en een apart metrologiesysteem bepaalt weer de positie van de sensor ten opzichte van de meetmachine. “De reproduceerbaarheid blijkt ontzettend goed, zelfs beter dan verwacht. Als we ons testobject tien keer meten, krijgen we hetzelfde resultaat binnen twee nanometer.” Maar daarmee ben je er nog niet: de machine moet namelijk ook nog gekalibreerd worden als je wilt weten of de optiek aan de specificaties voldoet. Daar is Henselmans nu mee bezig.

Er staat bij TNO een aantal dingen op stapel, vertelt Henselmans: “In het ontwerp voor satelliet-instrument TROPOMI (dat de ozon in de troposfeer moet gaan monitoren, red.) zit ook een aantal freeform componenten. Die gaan wij meten. En de Extremely Large Telescope die waarschijnlijk in Chili komt te staan, krijgt een spiegel met een doorsnede van 42 meter. Die bestaat uit bijna duizend zeskantige segmenten, met elk een net iets andere vorm. Die segmenten willen wij ook graag meten. Daarvoor gaan wij een studie doen naar een nieuwe versie van ons apparaat, waarin de segmenten van 1,2 meter moeten passen.”/.