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Lexikon der Optik: Wellenfrontsensor

Wellenfrontsensor, Phasenfrontsensor, eine Anordnung, mit deren Hilfe eine Wellenflächenprüfung durchgeführt werden kann. Traditionell werden W. vor allem zur Prüfung optischer Oberflächen verwendet (Objektivprüfung). Dabei kommen vorrangig Interferometeranordnungen zum Einsatz. Grundsätzlich ist jedes Interferometer, unabhängig vom Verwendungszweck, als ein W. aufzufassen. Weitere Einsatzgebiete von W. sind: Homogenitätsuntersuchungen, adaptive Optik, Astronomie, Hochleistungslaseranlagen, optische Informationsübertragung.

Die Entwicklung von W. wurde in jüngster Zeit wesentlich durch die Anforderungen der adaptiven Optik stimuliert. Kennzeichnend für die neue Generation von W. ist eine Echtzeitbestimmung der Phasenfront. Damit können neben statischen Wellenfrontdeformationen auch die durch thermische Verzeichnungen, thermisches Blooming und atmosphärische Turbulenzen hervorgerufenen dynamischen Wellenfrontdeformationen ermittelt werden.

Das zu diagnostizierende Wellenfeld bestimmt durch seine charakteristischen Parameter die Anforderungen an den W. und damit dessen Typ. Zu diesen Parametern gehören der Kohärenzgrad der Strahlung, die Zeit- und Ortsfrequenz der Wellenfrontdeformation, die absolute Höhe der Deformation und die zur Verfügung stehende Lichtintensität. Die W. lassen sich in zwei große Gruppen einteilen: Bei der ersten bestimmt man den Verlauf der Phasenfront direkt durch Vermessung der optischen Weglängendifferenzen; bei der zweiten Gruppe ermittelt man die örtlichen Wellenfrontneigungen und bestimmt mit Hilfe eines Integrationsprozesses den Verlauf der Phasenfront.

1) Bestimmung der optischen Weglängendifferenzen. Dazu eignen sich sämtliche Interferometeranordnungen mit Ausnahme des lateralen Shearinginterferometers. Der Einsatz von Interferometern gestattet es, Wellenflächen mit großer Genauigkeit und hoher Ortsauflösung zu vermessen.

a) Interferometer mit idealer Referenzwelle. Eine aberrationsfreie Wellenfront wird durch Amplitudenteilung (mittels Strahlteiler) oder Wellenfrontteilung (z.B. durch einen Schirm mit zwei Öffnungen) in eine Objekt- und eine Referenzwelle zerlegt. Das durchstrahlte Objekt prägt der Objektwelle Wellenfrontdeformationen auf, die das Interferenzbild von Objekt- und Referenzwelle als optische Weglängendifferenzen direkt anzeigt. Diese Sensoren werden vorrangig für die Prüfung optischer Oberflächen und für Homogenitätsuntersuchungen bei geringen Dichtevariationen eingesetzt. Typische Anordnungen sind z.B. Michelson-, Fizeau- und Twyman-Green-Interferometer.

b) Punktdiffraktionsinterferometer (engl. point-diffraction interferometer, abgekürzt PDI). Dieser Interferometertyp wird vor allem in der adaptiven Optik und der Strahldiagnostik für Hochleistungslaseranlagen eingesetzt. In diesen Fällen steht nicht von vornherein eine aberrationsfreie Referenzwelle zur Verfügung. Aus diesem Grunde erzeugt man aus der mit Wellenfrontdeformationen behafteten Welle zwei Wellen, von denen eine durch Beugung an einer kleinen Apertur als ideale Referenzwelle ausgebildet werden kann.

Abb. 1 zeigt eine Variante des PDI. Das Interferometer besteht aus einer λ/2-Platte (1) mit einer teildurchlässigen Schicht (Transmissionsgrad 0,1 bis 1%), die eine transparente Öffnung enthält, deren Durchmesser kleiner als der Radius des Airy-Scheibchens ist. Die auf die Öffnung fokussierte deformierte Wellenfront (W) wird durch diese Anordnung in zwei Wellen zerlegt. Die durch Beugung an der Öffnung erzeugte Kugelwelle (R) ist frei von Deformationen und interferiert mit der Welle (W), die die transparente Schicht durchstrahlt hat und infolgedessen noch die ursprünglichen Wellenfrontdeformationen aufweist. Das Interferenzbild, aufgenommen mit einer Detektormatrix (DM), zeigt dann die Wellenfrontdeformation direkt an. Durch die Verwendung einer λ/2-Platte als PDI-Platte und die nachgeschaltete Kombination von weiteren Polarisationselementen (2, 4, 5) erzielt man im Verein mit einer rotierenden λ/2-Platte (3) eine dynamische Phasenmodulation für die interferierenden Wellen. Damit ergibt sich ein moduliertes Interferenzbild wie in konventionellen Heterodyn-Interferometern, das eine Phasenmessung in Echtzeit gestattet.

Der Hauptnachteil der PDI ist deren geringe Lichteffektivität, die 1% nicht übersteigt.

2) Bestimmung der lokalen Wellenfrontneigung. Die entsprechenden Verfahren erreichen in der Regel nicht die hohe Ortsauflösung der interferometrischen Verfahren. Sie gestatten es aber, relativ große Wellenfrontdeformationen nachzuweisen.

a) Hartmann-Sensor, I3-Sensor (Abk. für engl. integrated imaging irradiance sensor, "integrierter abbildender Strahlungssensor"). Die in der Wellenflächenprüfung benutzten Anordnungen stellen eine Variation der klassischen Methode zum Test großer Objektive, des Hartmann-Tests (Hartmannsche Extrafokalmethode) dar. Die zu prüfende Wellenfront wird durch eine Matrix von Linsen oder Blenden in N Subaperturen geteilt. Ordnet man im Fernfeld der wellenfrontteilenden Matrix N positionsempfindliche Detektoren an, so sind die lokalen Neigungen (Normalenrichtungen) der Wellenfront in den Subaperturen als Ortsabweichung auf dem Detektor nachweisbar. Die originale Wellenfront kann durch Zusammensetzen der Subaperturen näherungsweise rekonstruiert werden. Es ist evident, daß die Zahl der Subaperturen die Genauigkeit der Näherung bestimmt. Der Hartmann-Sensor eignet sich zur Untersuchung sowohl kohärenter als auch inkohärenter Wellenfelder.

Eine moderne Variante des Hartmann-Sensors zeigt Abb. 2. Die üblicherweise bei der Verwendung eines Hartmann-Sensors auftretenden Schwierigkeiten wie präzise Justierung und Erschütterungsanfälligkeit werden durch den ständigen Vergleich der Position des Testbündels mit der eines Referenzbündels, das eine ideale Wellenfront besitzt, beseitigt.

b) Shearinginterferometer. Diese gehören zur Klasse der Common-Path-Interferometer. Die Amplitude der zu prüfenden Wellenfront wird geteilt, wodurch man zwei identische Bündel erhält. Nach einer Verschiebung der Bündel gegeneinander ist es möglich, die Wellenfront mit sich selbst zur Interferenz zu bringen. Aus dem Interferenzbild kann man die lokale Neigung der Wellenfront bestimmen (Shearinginterferometer). Die maximal zulässige Größe der Verschiebung der Bündel hängt von der räumlichen Kohärenz des untersuchten Wellenfeldes ab.

Die Abb. 3 zeigt eine häufig verwendete Variante des lateralen Shearinginterferometers. In dieser Anordnung benutzt man ein radiales Beugungsgitter zur Amplitudenteilung und analysiert das Interferenzbild, das durch Überlagerung der nullten und der ersten Beugungsordnung entsteht. Die Sheardistanz (Verschiebung) zwischen den Beugungsbildern läßt sich durch Translation des radialen Gitters senkrecht zur optischen Achse variieren, da sich dadurch die Gitterkonstante ändert. Durch Rotation des Gitters erzielt man eine Phasenvariation des Interferenzsignals, wodurch eine Echtzeitauswertung möglich wird.

c) Ortsfrequenzebenenkodierung. Diese Verfahren beruhen auf einer Abbildung der zu prüfenden Wellenfront auf eine Detektormatrix durch zweimalige Fourier-Transformation. Dabei wird durch eine Codierung in der Ortsfrequenzebene eine lokale Wellenfrontneigung in eine vom Detektor nachweisbare Intensitätsänderung umgewandelt. Für diese Codierung werden z.B. Graukeile oder Quadrantenfilter verwendet. Die Untersuchung partiell kohärenter Lichtquellen erfordert die Kenntnis ihrer Kohärenzfunktion, um mit diesem Verfahren die Wellenfrontdeformation eindeutig bestimmen zu können.

Abb. 4 zeigt eine Anordnung zur Ortsfrequenzebenenkodierung mittels eines Quadrantenfilters. Infolge der Bewegung des vor der Eingangsapertur des optischen Systems angeordneten Taumelspiegels beschreibt der Fokus auf dem Quadrantenfilter eine kreisförmige Bahn. Jeder Detektor der Detektormatrix liefert dann ein Wechselsignal, aus dessen zeitlichem Verlauf sich die lokale Neigung der Wellenfront bestimmen läßt.

d) Inversion der Punktbildverwaschungsfunktion, engl. point spread inversion. Bei diesem Verfahren wird die Punktbildverwaschungsfunktion durch Vermessung der Intensitätsverteilung im Fernbild (Fourier-Ebene) der Wellenfront bestimmt. Aus dem so gewonnenen Datenfeld kann mittels schneller Fourier-Transformation die Gestalt der Wellenfront ermittelt werden, wenn die Aberrationen der Abbildungsoptik bekannt sind. Voraussetzung für die Anwendung dieser Methode sind die Kenntnis der Intensitätsverteilung in der Eingangsapertur des W. und die vollständige Kohärenz des untersuchten Wellenfeldes. Für partiell kohärente Lichtquellen ist zusätzlich die Kenntnis der Kohärenzfunktion erforderlich. Die experimentelle Anordnung zur Aufnahme der Punktbildverwaschungsfunktion ist sehr einfach. Sie besteht aus einer Abbildungsoptik, in deren Brennebene eine Detektormatrix plaziert wird, die die Intensitätsverteilung zweidimensional erfaßt. Zur Durchführung der schnellen Fourier-Transformation koppelt man einen Computer mit der Detektormatrix. Die zur Abtastung der Fernbildintensitätsverteilung benötigten Detektoren müssen einen großen dynamischen Bereich aufweisen. Für die Echtzeitbestimmung von dynamischen Wellenfrontdeformationen ist das Verfahren wegen der erforderlichen großen Rechenzeit nicht geeignet.

e) Dither. Darunter versteht man Anordnungen, die aus W. und Wellenfrontkorrektor bestehen. Sie kommen in der adaptiven Optik zum Einsatz.



Wellenfrontsensor 1: Punktdiffraktionsinterferometer. W deformierte Wellenfront, R ideale Referenzwelle, F fokussierte Wellenfront (vergrößert), DM Detektormatrix, 1 PDI-Platte, 2, 4 λ/4-Platte, 3 rotierende λ/2-Platte, 5 Polarisator.



Wellenfrontsensor 2: Hartmann-Sensor. W deformierte Wellenfront, R ideale Referenzwelle, T Strahlteiler, D Detektor, RF Raumfrequenzfilter, L Laser.



Wellenfrontsensor 3: Laterales Shearinginterferometer. W deformierte Wellenfront, T Strahlteiler; Gx, Gy radiale Beugungsgitter; Dx, Dy Detektormatrix zur Messung in x- bzw. y-Richtung.



Wellenfrontsensor 4: Ortsfrequenzebenenkodierung. W deformierte Wellenfront, TS Taumelspiegel, QF Quadrantenfilter, f Brennweite der Linsen, F Fokus, DM Detektormatrix, T Transmissionsgrad des QF.

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