Wellenfrontmessung & Interferometrie
Die Anforderungen an die Qualität von Optiken steigen stetig. So nehmen auch die Anwendungen zur Entwicklung des Linsendesigns zu und die theoretischen Berechnungen der Abbildung – axial und außeraxial – werden anspruchsvoller. Um die Umsetzung der aufwendigen optischen Designs nach der Herstellung sicherstellen zu können, muss auch eine qualifizierte Messtechnik genutzt werden. Hierzu eignet sich insbesondere die Wellenfrontprüfung bzw. Interferometrie, welche die Abbildungsqualität ortsaufgelöst, das heißt über alle Feldwinkel, und über die gesamte Prüflingsapertur bestimmt. Damit ergibt sich, anders als bei der klassischen MTF-Prüfung, nicht nur ein punktuelles Maß für die Qualität, sondern ein kontinuierlicher Abgleich für die gesamte Apertur.
WaveMaster® – Komplettsysteme zur Wellenfrontprüfung auf Basis eines Shack-Hartmann Sensors für steile Wellenfronten.
In Echtzeit analysieren Shack-Hartmann Sensoren gesamte Optiken oder einzelne Oberflächen und erlauben die Bestimmung der Wellenfront (PV, RMS), der Zernike-Koeffizienten, der Punktbildfunktion (PSF), der Modulationsübertragungsfunktion (MTF), des Strehl-Verhältnisses, des Krümmungsradius und des Asphärenkoeffizienten. Damit ermöglichen sie nicht nur Rückschlüsse zur Qualitätskontrolle einzelner Linse, sondern auch über den Produktionsprozess.
µPhase®– Oberflächen- und Wellenfrontmessungen mittels Interferometer mit hohen Genauigkeitsanforderungen.
µPhase® Interferometer erlauben die schnelle und hochpräzise Messung der Oberflächen- und Wellenfrontdeformation reflektierender und transmittierender Bauteile aus Glas, Kunststoff, Metall, Keramik, o. ä. Die objektiven und zuverlässigen Ergebnisse erfüllen die höchsten Anforderungen des Qualitätsmanagements. Durch das berührungslose Messverfahren können Beschädigungen des Prüflings ausgeschlossen werden.
OptoFlat® – Kurzkohärenzinterferometer spezialisiert auf die Messung von Planoptiken.
Beim OptoFlat handelt es sich um ein für die Produktion sowie für die Forschung geeignetes Interferometer für plane Flächen mit Sub-Nanometer-Präzision.
Knowledge base
Funktionsprinzip eines Shack-Hartmann Sensors und Wellenfrontanalyse
Eine Wellenfront, die auf die Linsen eines Arrays trifft, wird in viele kleine Bereiche zerlegt, in denen das einfallende Licht jeweils in die CCD-Ebene fokussiert wird. Dort entsteht ein von der Form der Wellenfront abhängiges Punktmuster. Im Fall einer perfekt ebenen Wellenfront handelt es sich um ein gleichmäßiges räumliches Muster. Eine durch einen Prüfling eingeführte Aberration führt zu einer Krümmung und somit lokalen Neigung in der Wellenfront. Diese ist mit einer messbaren Verschiebung der einzelnen Brennpunkte verbunden.
Hieraus lassen sich die lokalen Neigungen der Wellenfront bestimmen. Eine numerische Integration erlaubt die Rekonstruktion der Wellenfront mit hoher Genauigkeit.
Hoher Dynamischer Bereich
Der Dynamikbereich eines Shack-Hartmann Sensors hängt zu einem großen Teil von den Algorithmen ab, mit denen jeder einzelne Messpunkt der entsprechenden Mikrolinse zugeordnet wird. Nur wenn diese Korrelation eingehalten wird, kann eine Wellenfront korrekt rekonstruiert werden. Insbesondere bei stark gekrümmten Wellenfronten reicht die einfache Zuordnung eines vordefinierten Suchbereichs in der CCD-Ebene mit der Größe einer Mikrolinse nicht mehr aus. Mit modernen Verfahren lassen sich Wellenfront-Dynamikbereiche von mehr als 2000 λ erreichen.Aufgrund dieses hohen Dynamikbereiches sind Shack-Hartmann Sensoren in der Lage, Wellenfronten mit großen Aberrationen zu messen. Interferometer hingegen haben einen geringeren dynamischen Bereich.
Echtzeitanalyse von Wellenfronten Zernike-Polynome
Die gemessene Wellenfront wird mittels Zernike-Polynomen analysiert, welche typische optische Eigenschaften und Fehler einer Linse bzw. eines Linsensystems beschreiben. Hierzu gehören z. B. sphärische Aberrationen, Astigmatismus und Koma.
Die Zernikeanalyse ermöglicht eine numerische Darstellung aller Abbildungsfehler des Prüflings, die im Wesentlichen auf zwei Ursachen zurückzuführen sind: Aberrationen, welche auf das Linsendesign zurückgeführt werden können und/oder aus Fertigungsfehlern resultieren.
MTF, PSF und Strehl-Verhältnis
Die Auswirkungen von Aberrationen werden auch durch die Berechnung der Punktbildfunktion (Point Spread Function, PSF), der Modulationsübertragungsfunktion (Modulation Transfer Function, MTF, oft auch als optische Übertragungsfunktion bezeichnet) oder des Strehl-Verhältnisses des optischen Systems charakterisiert. Diese Größen lassen sich ebenfalls aus der Wellenfront ableiten.
Die Wellenfrontmessung und ihre weiterführenden Analysen liefern demnach eine umfangreiche Beschreibung der Abbildungseigenschaften des Prüflings.
Unterschiedliche Aufbauten mit Shack-Hartmann Sensoren
Zur Messung der Wellenfront sind unterschiedliche Konfigurationen des Messaufbaus möglich. Entscheidend für die Auswahl der Konfiguration ist jeweils, ob die optischen Eigenschaften oder die Topographie eines Prüflings untersucht werden soll.
Messung in Transmission
Die Messung in Transmission liefert Informationen über die optischen Eigenschaften einer Linse bzw. eines Linsensystems. In diesem Fall wird die Wellenfront der Austrittspupille auf den Sensor abgebildet. Dabei wird die gemessene Wellenfront sowohl durch die Oberflächen als auch des Brechungsindex der verwendeten Materialen beeinflusst.
Umgekehrte infinite Konfiguration
Bei dieser Konfiguration wird der Prüfling von einer Punktlichtquelle beleuchtet, die sich in der Brennebene des Prüflings befindet. Die Austrittsspupille der Linse wird mit Hilfe des Teleskops auf dem Wellenfrontsensor abgebildet. Der Abstand zwischen Lichtquelle und Prüfling, die laterale Position der zu prüfenden Linse und die Bildebene des Shack-Hartmann-Sensors werden separat festgelegt.
Finite Konfiguration
Bei dieser Konfiguration wird zusätzlich zum umgekehrten infiniten Messaufbau der Prüfling entsprechend seiner vorgesehenen Anwendung beleuchtet. Dies bedeutet, dass die Punktlichtquelle sich nicht in der Brennebene des Prüflings befindet, sondern in einer hierzu durch das Design vorgegebenen Distanz. Zur vollständigen Abbildung des Strahlenbündels auf dem Sensor wird zwischen der zu prüfenden Linse und dem Teleskop weiterhin eine Kollimierlinse eingesetzt. Diese Konfiguration ist nur bei dem für Forschungs- und Entwicklungszwecke empfohlenen Instrument möglich.
Messung in Reflexion
Messungen in Reflexion liefern Informationen über die Oberflächentopographie des Prüflings. Bei dieser Messung ist die Beleuchtungseinheit mit dem Strahlteiler vor dem Wellenfrontsensor montiert. Eine Kombination aus Kollimierlinse und Teleskop dient zur Beleuchtung des Prüflings und zur Abbildung der reflektierten Wellenfront auf dem Shack-Hartmann Sensor.
Twyman-Green-Aufbau
Twyman-Green-Aufbau
Der flexibelste Interferometer-Aufbau
Ein Twyman-Green-Interferometer ist ein modifiziertes Michelson-Interferometer. Hier ist der Strahlteiler von der Bezugsfläche getrennt. Der Vorteil dieser Konfiguration besteht in größerer Flexibilität, weil beide Interferometerarme unabhängig voneinander eingestellt werden können. Die Intensitäten von Bezugsarm und Prüfarm können also problemlos aneinander angepasst werden, um maximalen Streifenkontrast zu erzielen. Nur ein maximaler Streifenkontrast ermöglicht eine maximale Auflösung in der Tiefe. Diese Kontrastanpassung erlaubt das Messen von Prüflingen mit unterschiedlichen Reflexionsgraden mit maximalem Kontrast und erweitert das Anwendungsspektrum ganz erheblich. Die Bezugsfläche kann eine Oberfläche sein, die kostengünstig und unabhängig von der Prüflingsgröße ist. Die Anpassung an die Prüflingsgröße wird durch Anordnung konventioneller Strahlformungsoptik im Prüfarm erzielt. Im Gegensatz zu der Strahlformungsoptik, die in Fizeau-Interferometern verwendet wird, benötigt diese Optik keine teure Fizeau-Oberfläche als letzte Oberfläche.
Infolge dieser Flexibilität werden die Interferenzmuster nicht nur durch die Prüflingsfehler verursacht, sondern auch durch Aberrationen zusätzlicher Optiken in den Interferometerarmen hervorgerufen. Da Prüflinge heute jedoch i. A. nicht mehr anhand visueller Interferenzstreifenmustersbewertung analysiert, sondern durch computergestützte Phasenanalyse bewertet werden, können die Aberrationen der zusätzlichen Optik leicht bei dieser Analyse berücksichtigt werden. Schließlich liefert die Software ein objektives digitales Messergebnis.
Fizeau-Aufbau
Fizeau Interferometer für Wellenfront- und Oberflächenmessungen
Fizeau-Aufbau
Der am häufigsten verwendete Interferometer-Aufbau
Die letzte Fläche der Interferometeroptik wird als Fizeau-Oberfläche bezeichnet. Sie muss die gleiche Form haben wie der zu messende Prüfling (im Allgemeinen sphärisch oder plan) und ist konzentrisch im optischen Strahlengang platziert, sodass die einzelnen Strahlen die Fizeau-Oberfläche im rechten Winkel durchsetzen. Der größte Teil des Lichts geht durch die Fizeau-Oberfläche und wird an der Prüflingsfläche reflektiert. Dabei wird der Prüflingsflächenfehler als Phasenabweichung der Prüfwellenfront aufgeprägt. Das zurückgeworfene Licht interferiert mit dem Teil des Lichts, der an der Fizeau-Oberfläche reflektiert wurde. Die Fizeau-Oberfläche wirkt also sowohl als Strahlteiler wie auch als Bezugsfläche. Die Kavität, die durch die Fizeau-Ober- und die Prüffläche gebildet wird, enthält somit keine zusätzlichen optischen Elemente, die die Interferenz verfälschen. Dies ist der Grund, warum ein Fizeau-Interferogramm normalerweise die Abweichung des Prüflings von der Bezugsfläche, d. h. der Fizeau-Oberfläche direkt zeigt. Die Qualität der Fizeau-Oberfläche bestimmt die Genauigkeit des Fizeau-Interferometers. Fizeau-Oberflächen stehen gebräuchlicherweise mit einer Qualität von λ/10 – λ/20 PV zur Verfügung, höhere Güten sind auf Anfrage erhältlich.
Unser Newsletter – Ihr Wissensvorsprung
Erfahren Sie als einer der Ersten von unseren Produktneuheiten und innovativen Anwendungsmöglichkeiten.