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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Form einer Wellenfront eines optischen Strahlungsfeldes, das mit einer aktiven Strahlungsquelle erzeugt wird, insbesondere ein Verfahren zur Ermittlung von mindestens einem Krümmungsradius der Wellenfront. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Messvorrichtung zur Messung der Form einer Wellenfront, insbesondere zur Bestimmung von mindestens einem Krümmungsradius der Wellenfront, einer aktiven Strahlungsquelle. Anwendungen der Erfindung sind insbesondere bei der Charakterisierung von Strahlungsquellen, insbesondere Laser-Quellen, beispielsweise für Datenübertragungszwecke, gegeben.
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Eine Strahlungsquelle für die optische Datenübertragung umfasst beispielsweise einen Festkörperlaser, der mit einer optischen Faser gekoppelt ist. Ein freies Ende der optischen Faser bildet eine Punktlichtquelle, deren Licht mit einer Kollimationsoptik in ein kollimiertes Strahlungsfeld umgewandelt wird. Für eine Datenübertragung über große Entfernungen, zum Beispiel im Weltall, werden an die Kollimation des Strahlungsfeldes hohe Anforderungen gestellt. Typischerweise wird gefordert, dass der Krümmungsradius der Wellenfront des Strahlungsfeldes größer als 150 m, insbesondere größer als 250 m ist. Derart große Krümmungsradien stellen eine Herausforderung für die Messtechnik dar. Beispielsweise beträgt bei einem Durchmesser des Strahlungsfeldes von 12 mm und einem Krümmungsradius von 250 m die Pfeilhöhe der Wellenfront nur 72 nm. Die Erfassung einer derart geringen Krümmung mit einer optischen Messung ist allgemein wegen des hohen Rauschanteils im Messsignal eines Wellenfrontsensors problematisch. Die Messbereiche kommerziell verfügbarer Wellenfrontsensoren sind daher typischerweise auf maximal messbare Krümmungsradien im Bereich von 50 m bis 150 m beschränkt.
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Bei einem Standardverfahren zur Messung von Wellenfronten wird ein Wellenfrontsensor vom Shack-Hartmann-Typ verwendet, bei dem die Wellenfront mit einem Mikroarray aus optischen Linsen auf einen ortsauflösenden optischen Sensor abgebildet wird (siehe zum Beispiel
WO 01/028411 A1 oder
EP 0 921 382 A2 ). Dies ermöglicht die Erfassung der gesamten Wellenfront mit einer einzigen Messung. Nachteilig ist jedoch, dass der Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor auf die Messung von Krümmungsradien geringer als 100 m beschränkt ist. Eine praktische Anwendung beim Test von Strahlungsquellen für die optische Datenübertragung ist daher ausgeschlossen.
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Bei einem anderen Typ eines Wellenfrontsensors ist das Linsen-Mikroarray durch eine verschiebbare Lochblende ersetzt. Ein Teil des zu untersuchenden Strahlungsfeldes (Subapertur) wird von der Lochblende durchgelassen und mit einer Abbildungsoptik auf einen ortsauflösenden optischen Sensor abgebildet. Im Fall eines ideal kollimierten Strahlungsfeldes würde jeder Teil der Wellenfront auf die optische Achse der Abbildungsoptik und in die Mitte des optischen Sensors abgebildet werden. Durch die Krümmung des realen Strahlungsfeldes erfolgt eine Abbildung von achsenfernen Teilen der Wellenfront auf eine Position mit einer lateralen Abweichung von der optischen Achse der Abbildungsoptik (Ablageposition, Lateralposition). Aus der Ablageposition kann der Krümmungsradius für den jeweiligen Teil der Wellenfront berechnet werden. Mit einer Bewegung der Lochblende quer zur optischen Achse des zu untersuchenden Strahlungsfeldes werden aufeinanderfolgend verschiedene Teile der Wellenfront erfasst, so dass im Ergebnis die gesamte Wellenfront charakterisiert werden kann (siehe zum Beispiel
DE 40 03 698 A1 oder
DE 40 03 699 A1 ).
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Bei herkömmlichen Wellenfrontsensoren mit der verschiebbaren Lochblende wurde als Limitierung festgestellt, dass der Fehler des für die Subaperturen der Wellenfront ermittelten Krümmungsradius mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse des Strahlungsfeldes wächst. Dieses Problem ist besonders kritisch bei der Charakterisierung von Strahlungsquellen für die optische Datenübertragung, die sich durch eine relativ große Apertur des Strahlungsfeldes (zum Beispiel 10 mm bis 20 mm) auszeichnen. Ein weiteres Problem tritt bei der Verwendung einer Lochblende mit mehreren Blendenöffnungen für Multiplexmessungen gemäß
DE 40 03 698 A1 auf. Mit dem optischen Sensor werden mehrere Teile der Wellenfront gleichzeitig erfasst, was jedoch zu Überlagerungen von Beugungserscheinungen an benachbarten Blendenöffnungen und zu einer Verfälschung des Signals durch Übersprechen führen kann. Diese Verfälschung beeinträchtigt ebenfalls besonders die Messung von Krümmungsradien oberhalb von 150 m. Die Anwendung herkömmlicher Wellenfrontsensoren bei der Messung großer Krümmungsradien ist daher limitiert.
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Die genannten Probleme treten nicht nur bei der Charakterisierung von Strahlungsquellen für die Datenübertragung, sondern auch bei anderen optischen Komponenten auf, wie zum Beispiel bei Kollimatoren mit hohen Anforderungen an die Parallelität der abgegebenen Strahlen, wie z. B. bei Messkollimatoren, insbesondere für hochaufgelöste MTF-Messungen, oftmals gefordert ist.
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DE 38 78 402 T2 und
EP 0 203 530 A2 offenbaren Wellenfrontsensoren, die Strahlteiler zur Erzeugung von Teilstrahlen eines zu untersuchenden Lichtfeldes und Detektoren zur Erfassung der Teilstrahlen umfassen.
DE 600 04 020 T2 offenbart einen weiteren Wellenfrontsensor, der mit einer Matrix aus Mikrolinsen ausgestattet ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Messung der Form einer Wellenfront eines optischen Strahlungsfeldes bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden. Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, ein Verfahren zur Messung der Form einer Wellenfront, insbesondere zur Bestimmung von mindestens einem Krümmungsradius der Wellenfront, bereitzustellen, mit dem im Vergleich zu herkömmlichen Wellenfrontsensoren größere Krümmungsradien, zum Beispiel oberhalb von 150 m, erfassbar sind, Krümmungsradien mit erhöhter Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erfassbar sind und/oder Fehler bei der Charakterisierung von achsfernen Teilen der Wellenfront vermindert werden. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine verbesserte Messvorrichtung zur Messung der Form einer Wellenfront eines optischen Strahlungsfeldes bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden und die sich insbesondere durch einen vergrößerten Messbereich, eine erhöhte Genauigkeit und/oder verringerte Fehler von Krümmungsradien achsferner Teile der Wellenfront auszeichnet.
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Diese Aufgaben werden jeweils durch ein Verfahren und eine Messvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch ein Verfahren zur Messung der Form einer Wellenfront eines optischen Strahlungsfeldes gelöst, das mit einer aktiven Strahlungsquelle, wie zum Beispiel einer Laser-Quelle erzeugt wird, wobei mit einer quer zur optischen Achse der Strahlungsquelle verschiebbaren Lochblende, einer Abbildungsoptik und einem ortsauflösenden optischen Sensor ein Teilstrahl des Strahlungsfeldes mit verschiedenen Blendenpositionen der Lochblende auf den optischen Sensor abgebildet, jeweils die Lateralposition des Teilstrahls auf dem optischen Sensor erfasst und aus den Lateralpositionen entsprechend den verschiedenen Blendenpositionen die Form der Wellenfront ermittelt, insbesondere mindestens ein Krümmungsradius der Wellenfront, berechnet wird. Gemäß der Erfindung wird im Lichtweg zwischen der Lochblende und der Abbildungsoptik eine Pentaprisma-Anordung mit mindestens einem ersten Pentaprisma so positioniert, dass für alle Blendenpositionen der von der Lochblende durchgelassene Teilstrahl in einem unveränderlichen Strahleintrittsbereich auf die Abbildungsoptik trifft.
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Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch eine Messvorrichtung zur Messung der Form einer Wellenfront eines optischen Strahlungsfeldes, das mit einer aktiven Strahlungsquelle erzeugt wird, mit einer quer zur optischen Achse der Strahlungsquelle verschiebbaren Lochblende, einer Abbildungsoptik und einem ortsauflösenden optischen Sensor gelöst, wobei mit der Lochblende verschieden Blendenpositionen einstellbar sind und die Abbildungsoptik an jeder Blendenposition einen Teilstrahl des zu untersuchenden Strahlungsfeldes auf den optischen Sensor abbildet, und wobei mit dem optischen Sensor für jede der Blendenpositionen der Lochblende jeweils eine Lateralposition (Ablageposition) des Teilstrahls relativ zur optischen Achse der Abbildungsoptik erfassbar ist und die Form der Wellenfront, insbesondere mindestens ein Krümmungsradius der Wellenfront, aus den Lateralpositionen des Teilstrahls auf dem optischen Sensor ermittelbar ist. Gemäß der Erfindung ist die Messvorrichtung mit einer Pentaprisma-Anordung ausgestattet, die mindestens ein erstes Pentaprisma aufweist und zwischen der Lochblende und der Abbildungsoptik angeordnet ist. Das mindestens eine erste Pentaprisma ist so positionierbar, dass für alle Blendenpositionen der jeweils von der Lochblende durchgelassene Teilstrahl auf den gleichen Strahleintrittsbereich der Abbildungsoptik trifft.
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Der Erfinder hat festgestellt, dass beim herkömmlichen Wellenfrontsensor bei der Wanderung des Messstrahls über die Apertur des Messfernrohres bei einer Messung die Wellenfrontaberration des Messfernrohrs das Messergebnis verfälscht. Dies wirkt sich insbesondere bei Wellenfronten mit großen Krümmungsradien aus. Erfindungsgemäß wird die Wirkung der Wellenfrontaberration minimiert, indem während der Messung bei den verschiedenen Blendenpositionen durch die Strahlumlenkung im ersten Pentaprisma der Bereich des Strahleintritts in die Abbildungsoptik unverändert bleibt. Der von der Lochblende durchgelassene Teilstrahl von der Strahlungsquelle wird mit dem ersten Pentaprisma auf die optische Achse der Abbildungsoptik umgelenkt. Das erste Pentaprisma hat somit den Vorteil, dass der Einfluss der Quer-aberrationen der Abbildungsoptik minimiert wird. Des Weiteren hat das erste Pentaprisma den Vorteil, dass der Einfluss von Führungsfehlern des Translationsantriebs auf das Messergebnis minimiert wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die gemessene Lateralposition auf dem optischen Sensor (Messsignal) aus einer sehr kleinen lateralen Ablage des Messstrahlfokus auf der lichtempfindlichen Fläche des Sensors gewonnen wird. Dies hat zur Folge, dass laterale Ungleichförmigkeiten der lichtempfindlichen Fläche (Pixelpitch-Toleranzen und thermische sowie mechanische Änderungen des Pixelpitch) nur einen zu vernachlässigenden Einfluss auf das Messsignal haben.
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Das Pentaprisma ist ein optisches Prisma mit ebenen, zueinander senkrecht ausgerichteten Ein- und Austrittsflächen und zwei ebenen, inneren Reflektionsflächen, die so angeordnet sind, dass das durch die Eintrittsfläche senkrecht eintretende Licht an den Reflektionsflächen doppelt reflektiert wird und an der Austrittsfläche austritt. Das Pentaprisma hat ebene Boden- und Deckflächen, die zueinander parallel und in Bezug auf die Ein- und Austrittsflächen und die Reflektionsflächen senkrecht ausgerichtet sind. Das Pentaprisma ist so angeordnet, dass die Bodenfläche parallel zu einer Ebene ausgerichtet ist, die von der optischen Achse der Strahlungsquelle und einem außeraxialen, von der Lochblende durchgelassenen Teilstrahl der Strahlungsquelle aufgespannt wird. Des Weiteren ist das erste Pentaprisma so angeordnet, dass die Ein- und Austrittsflächen jeweils senkrecht zu den optischen Achsen der Strahlungsquelle und der Abbildungsoptik ausgerichtet sind. Vorteilhafterweise hat das Pentaprisma die Wirkung, dass für alle Blendenpositionen der Lochblende auf einem Verschiebeweg quer zur optischen Achse der Strahlungsquelle der von der Blendenöffnung der Lochblende durchgelassene Teilstrahl auf den konstanten Strahleintrittsbereich der Abbildungsoptik fällt. Vorzugsweise wird das Pentaprisma so angeordnet, dass der Strahleintrittsbereich ein zentraler Abschnitt der Eintrittsfläche der Abbildungsoptik ist. Besonders bevorzugt schließt der Strahleintrittsbereich die optische Achse der Abbildungsoptik ein.
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In der Praxis ist der Strahleintritt des durchgelassenen Teilstrahls nicht ideal konstant, sondern innerhalb eines Toleranzbereichs veränderlich. Dieser Toleranzbereich ist jedoch so gering, zum Beispiel kleiner als 1/50, insbesondere 1/100 des Durchmessers der Blendenöffnung, dass die verbleibenden Verschiebungen des Strahleintritts innerhalb des Toleranzbereichs in ihrer Wirkung auf die Messung des Krümmungsradius vernachlässigbar sind. Die erfindungsgemäße Einstellung des unveränderlichen Strahleintrittsbereichs schließt einen konstanten Strahleintritt oder einen Strahleintritt innerhalb des Toleranzbereichs ein, dessen Wirkung auf die Messung des Krümmungsradius vernachlässigbar ist.
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Die Lochblende ist eine opake Platte oder Schicht mit einer Blendenöffnung, vorzugsweise mit einer einzigen Blendenöffnung. Die Blendenöffnung ist vorzugsweise kreisrund. Die Größe der Blendenöffnung, insbesondere der Durchmesser, ist geringer als der Radius des untersuchten Strahlungsfeldes, vorzugsweise geringer als 1/3, zum Beispiel geringer als 1/6 des Radius. In Abhängigkeit von der Position der Blendenöffnung relativ zur optischen Achse der Strahlungsquelle wird Licht einer bestimmten Subapertur der Wellenfront des Strahlungsfeldes als Teilstrahl durchgelassen und über das erste Pentaprisma und die Abbildungsoptik auf den optischen Sensor abgebildet, vorzugsweise fokussiert. Die Lateralpositionen des Teilstrahls am optischen Sensor geben unmittelbar die Steigung der Wellenfront in der jeweiligen Subapertur wieder. Daraus kann der Krümmungsradius der Wellenfront berechnet werden. Im Ergebnis können ein mittlerer Krümmungsradius der Wellenfront oder, für die Messung von Krümmungsradien in unterschiedlichen Schnitten (polar oder auch kartesisch) durch die Wellenfront, ortsaufgelöst mehrere Krümmungsradien der Wellenfront jeweils entsprechend den Blendenpositionen ermittelt werden.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Einstellung der Blendenpositionen eine lineare Verschiebung der Lochblende senkrecht zur optischen Achse der Strahlungsquelle. Die Blendenpositionen der Blendenöffnung werden entlang einer ersten Querachse senkrecht zur optischen Achse der Strahlungsquelle eingestellt. Zur Einstellung des unveränderlichen Strahleintrittsbereichs an der Abbildungsoptik wird das erste Pentaprisma gemeinsam mit der Blendenöffnung verschoben, das heißt bei jeder Verschiebung der Lochblende zur Einstellung der Blendenposition der Blendenöffnung wird das erste Pentaprisma parallel um die gleiche Strecke verschoben, so dass der Teilstrahl an allen Blendenpositionen im gleichen Bereich auf die Eintrittsfläche des ersten Pentaprismas trifft. Die gemeinsame Verschiebung der Lochblende und des ersten Pentaprismas wird vorteilhafterweise vereinfacht, wenn beide Komponenten fest miteinander verbunden sind. Beispielsweise können die Lochblende und das erste Pentaprisma auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sein, der zur Einstellung der Blendenpositionen parallel zur ersten Querachse verschoben wird. Alternativ kann die Lochblende auf der Eintrittsfläche des Pentaprismas befestigt oder als Schicht gebildet sein. In diesem Fall werden die Blendenpositionen durch eine Verschiebung des Pentaprismas entlang der ersten Querachse eingestellt.
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Die erste Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, dass die Verschiebung der Lochblende gemeinsam mit dem ersten Pentaprisma entlang der ersten Querachse durch einen einfachen linearen Translationsantrieb realisiert werden kann und als ortsauflösender optischer Sensor ein eindimensionaler Sensor, wie zum Beispiel eine CCD-Zeile oder eine Zeile einer CCD-Matrix, verwendet werden kann. Falls eine Strahlungsquelle ein radialsymmetrisches Strahlungsfeld hat, ist die Messung der Form der Wellenfront entlang der ersten Querachse, das heißt in einer einzigen Radialrichtung senkrecht zur optischen Achse der Strahlungsquelle, ausreichend, um die Form der gesamten Wellenfront zu ermitteln.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Einstellung der Blendenpositionen eine Verschiebung der Lochblende entlang mindestens einer zweiten Querachse senkrecht zur optischen Achse der Strahlungsquelle und die Einstellung des Strahleintrittsbereichs auf der Abbildungsoptik eine Drehung des ersten Pentaprismas in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Strahlungsquelle, d. h. um eine Achse parallel zur optischen Achse der Strahlungsquelle, und eine Verschiebung des ersten Pentaprismas gemeinsam mit der Verschiebung der Lochblende entlang der zweiten Querachse.
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Die Drehung des ersten Pentaprismas erfolgt derart, dass dessen Bodenfläche parallel zu der Ebene angeordnet bleibt, die von dem durchgelassenen Teilstrahl und der optischen Achse der Strahlungsquelle, oder von der zweiten Querachse und der optischen Achse der Strahlungsquelle, aufgespannt wird.
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Vorteilhafterweise ermöglicht die zweite Ausführungsform der Erfindung die Messung der Wellenfront in mindestens einer weiteren Radialrichtung, die von der ersten Querachse abweicht, senkrecht zur optischen Achse der Strahlungsquelle, was besonders für die Messung nicht-radialsymmetrischer Strahlungsfelder, wie zum Beispiel ellipsenförmiger Strahlungsfelder von Vorteil ist. Vorteile ergeben sich aber auch bei der Vermessung von radialsymmetrischen Strahlungsfeldern mit extrem geringen Krümmungen der Wellenfront. Die Krümmung der Wellenfront kann so gering sein, dass nahe der Rauschschwelle des Sensors gemessen wird. Die Messungen in unterschiedlichen radialen Schnitten können dann verwendet werden, um einen mittleren Krümmungsradius zu ermitteln. Die Mittelung erfolgt über vorzugsweise Messungen, die durch die Verschiebung der Blende um Schrittweiten, die unter dem Durchmesser der Blendenöffnung liegen, und/oder über mehrere radiale Schnitte durch die Wellenfront.
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Vorzugsweise sind auch bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung die Lochblende und das erste Pentaprisma miteinander fest verbunden, zum Beispiel auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Wegen der Drehung des ersten Pentaprismas zur Ausrichtung in Bezug auf die zweite Querachse, wird der Teilstrahl des Strahlungsfeldes für verschiedene Querachsen jeweils in verschiedene Richtungen abgelenkt.
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Gemäß einer ersten Variante der Erfindung besteht die Möglichkeit, die Abbildungsoptik und den optischen Sensor jeweils entsprechend diesen Richtungen anzuordnen, das heißt mit dem ersten Pentaprisma um die optische Achse der Strahlungsquelle zu schwenken.
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Gemäß einer zweiten, bevorzugten Variante ist jedoch vorgesehen, dass die Abbildungsoptik und der Sensor auf der optischen Achse der Strahlungsquelle angeordnet sind. In diesem Fall weist die Pentaprisma-Anordung eine schwenkbare Plattform auf, auf der das erste Pentaprisma und die Lochblende verschiebbar angeordnet sind und die weitere Pentaprismen trägt, mit denen der Teilstrahl vom ersten Pentaprisma in den Strahleintrittsbereich der Abbildungsoptik gelenkt wird. Durch die Drehung der schwenkbaren Plattform um die optische Achse der Strahlungsquelle kann die Querachse eingestellt werden, entlang derer die Verschiebung des Pentaprismas mit der Lochblende erfolgt. Gleichzeitig werden die weiteren Pentaprismen so verschwenkt, dass der Teilstrahl auf die Abbildungsoptik trifft und mit dieser auf den Sensor fokussiert wird.
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Die Zahl der diskreten Blendenpositionen, an denen jeweils eine Messung der Lateralposition des Teilstrahls auf dem optischen Sensor erfolgt, kann in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung der Erfindung gewählt werden. Wenn beispielsweise Informationen über die Gestalt oder Symmetrie des Strahlungsfeldes der Strahlungsquelle vorliegen, kann es genügen, wenn zwei oder drei Blendenpositionen in mindestens einer Radialrichtung senkrecht zur optischen Achse der Strahlungsquelle eingestellt werden. Für eine vollständige Charakterisierung der Form der Wellenfront werden die Blendenpositionen jedoch vorzugsweise so gewählt, dass die von der Blendenöffnung erfassten Subaperturen des Strahlungsfeldes (Ausschnitte der Apertur der Strahlungsquelle) einander überlappen. Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine ortsaufgelöste Berechnung der Krümmung (Kehrwert des Krümmungsradius) über die gesamte Wellenfront. Alternativ ist eine kontinuierliche Bewegung der Lochblende bei gleichzeitig kontinuierlicher Erfassung der Lateralpositionen des erfassten Teilstrahls am optischen Sensor möglich.
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Bevorzugte Anwendungen der Erfindung ergeben sich bei der Messung an Strahlungsquellen mit einem kollimierten Strahlungsfeld, wobei der Krümmungsradius der Wellenfront des Strahlungsfeldes mehr als 10.000-fach größer als die Apertur der Strahlungsquelle ist. Vorzugsweise wird ein Strahlungsfeld mit einem Krümmungsradius der Wellenfront untersucht, der mindestens 150 m, besonders bevorzugt mindestens 250 m, z. B. mindestens 500 m beträgt.
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Die Verwendung der Abbildungsoptik hat im Vergleich zu den herkömmlichen Mikroarrays optischer Linsen den Vorteil, dass lokale Gradienten des Krümmungsradius mit hoher Auflösung erfasst werden können. Hierzu hat die Fernrohr-Optik vorzugsweise eine Brennweite von mindestens 300 mm, besonders bevorzugt mindestens 500 mm. Dazu im Gegensatz kann beim Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor keine solch hohe Auflösung erzielt werden, da die Mikrolinsen nur kleine Aperturen (z. B. 0,1 bis 0,2 mm) und geringe Brennweiten (z. B. 3 bis 8 mm) haben, wodurch die Empfindlichkeit der Wellenfrontmessung verringert wird und störende Beugungseffekte zunehmen. Die erfindungsgemäße Abbildungsoptik umfasst vorzugsweise eine Fernrohr-Optik, wie sie insbesondere bei Autokollimationsfernrohren benutzt wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgendem unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
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2: eine schematische Illustration der Ermittlung des Krümmungsradius; und
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3: eine schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
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1 zeigt die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 100 mit der Lochblende 10, der Abbildungsoptik 20, dem optischen Sensor 30 und der Pentaprisma-Anordung 40 in schematischer, nicht maßstäblicher Draufsicht. Die Messvorrichtung 100 ist konfiguriert, die Wellenfront 1 eines Strahlungsfeldes 2 der aktiven Strahlungsquelle 3 zu messen. Bei der folgenden Erläuterung wird beispielhaft auf ein kartesisches Koordinatensystem Bezug genommen, dessen x- und z-Achsen eine Horizontalebene (parallel zur Zeichenebene) aufspannen und dessen y-Achse senkrecht zur Horizontalebene verläuft. Die optische Achse 6 der Strahlungsquelle 3 verläuft in z-Richtung, und die optische Achse 21 der Abbildungsoptik 20 verläuft in x-Richtung. Die Strahlungsquelle 3 umfasst z. B. einen Festkörperlaser mit einer Ausgangsleistung von 20 W, der mit einer optischen Faser (Kerndurchmesser 9 μm) und einer Kollimationsoptik mit drei Kollimations- und Korrektur-Linsen verbunden ist. Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle 3 in einer evakuierten Umgebung angeordnet. Einzelheiten einer Vakuumkammer und einer Vakuumpumpe sind in den Figuren nicht dargestellt.
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Die Lochblende 10 umfasst eine lichtundurchlässige Platte, zum Beispiel aus Kunststoff oder Metall, die eine einzige Blendenöffnung 11 enthält und auf einem Lochblendenträger 12 fixiert ist. Die Blendenöffnung 11 hat einen Durchmesser von zum Beispiel 3 mm, und sie ist zum Beispiel in der Mitte der Lochblende 10 angeordnet. Der Lochblendenträger 12 ist mit einem Translationsantrieb 13 ausgestattet, mit dem der Lochblendenträger 12 entlang einer ersten Querachse (hier: x-Achse) senkrecht zur optischen Achse 6 der Strahlungsquelle 3 verschiebbar ist (siehe Doppelpfeil). Der Translationsantrieb 13 umfasst zum Beispiel einen Schrittmotor oder einen piezoelektrischen Antrieb. Alternativ kann eine manuelle Verschiebung der Lochblende vorgesehen und der Translationsantrieb 13 weggelassen sein.
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Die Position der Lochblende 10 wird derart bestimmt, dass zunächst eine 0-Position (entspricht der Mitte des Strahls) der Lochblende 10 durch eine Symmetriemessung über den Strahlquerschnitt ermittelt wird. Durch die Gauss-Verteilung der Strahlungsenergie ist dies mit hoher Empfindlichkeit möglich (maximaler Fehler geschätzt 0,1 mm). Die Positionen bei der Messung werden dann z. B. mit dem Schrittmotor angefahren (Genauigkeit ca. 0,05 mm).
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Die Pentaprisma-Anordung 40 umfasst bei der ersten Ausführungsform der Erfindung ein einziges Pentaprisma 41, das auf dem Lochblendenträger 12 befestigt ist. Das Pentaprisma 41 ist so angeordnet, dass seine Boden- und Deckflächen parallel zur Horizontalebene der Messvorrichtung 100 verlaufen, die Eintrittsfläche 42 parallel zur Lochblende 10 und senkrecht zur Horizontalebene verläuft und die Austrittsfläche 43 senkrecht zur Lochblende 10 und zur Horizontalebene verläuft. Das Pentaprisma 41 ist in Bezug auf die Lochblende 10 so ausgerichtet, dass ein Teilstrahl 4 entlang der optischen Achse 6 der Strahlungsquelle 3 mittig auf die Eintrittsfläche 42 trifft.
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Mit dem Pentaprisma 41 wird der Teilstrahl 4 parallel zur Horizontalebene zu der Abbildungsoptik 20 gelenkt. Die Abbildungsoptik 20 ist so angeordnet, dass die optische Achse 21 mittig auf die Austrittsfläche 43 des Pentaprismas 41 trifft. Die Abbildungsoptik 20 ist schematisch mit einer einzigen Sammellinse gezeigt, umfasst in der Praxis jedoch vorzugsweise ein mehrere Linsen umfassendes, fokussierendes optisches System, wie zum Beispiel ein Fernrohr (23, siehe 3).
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Das Bezugszeichen 22 verweist auf einen schematisch gezeigten Strahleintrittsbereich der Abbildungsoptik 20. Da bei großen Krümmungsradien nur sehr kleine Normalenwinkel der Wellenfront auftreten, ist die Ortsänderung beim Strahleintritt in die Abbildungsoptik 20 in Abhängigkeit von der Messstrahllänge vernachlässigbar klein. Der Durchmesser des Strahleintrittsbereichs 22 ist nahezu gleich dem Blendendurchmesser und beträgt zum Beispiel 2 mm. Die Positionsänderungen des Strahleintritts sind sehr viel kleiner als 2 mm, z. B. 0,03 mm.
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Der ortsauflösende optische Sensor 30 umfasst einen CCD-Sensor. Für die in 1 gezeigte erste Ausführungsform der Erfindung ist es ausreichend, eine CCD-Zeile zu verwenden, die sich parallel zur Horizontalebene und senkrecht zur optischen Achse 21 der Abbildungsoptik 20 erstreckt. Bevorzugt ist jedoch eine CCD-Matrix vorgesehen, die sich senkrecht zur optischen Achse 21 der Abbildungsoptik 20 und zur Horizontalebene der Messvorrichtung 100 erstreckt. Die CCD-Matrix erlaubt, eventuelle Verfälschungen des Messsignals durch Signalkomponenten senkrecht zur Horizontalebene zu erkennen bzw. bei der Auswertung zu berücksichtigen.
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Die Messvorrichtung 100 ist mit der schematisch gezeigten Steuereinrichtung 50 ausgestattet, die mit dem Translationsantrieb 13 und dem optischen Sensor 30 sowie optional auch mit der Strahlungsquelle 3 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 50 enthält einen Mikroprozessor, mit dem der Translationsantrieb 13 zur Einstellung verschiedener Blendenpositionen steuerbar und gemessene Lateralpositionen 5 des Teilstrahls 4 auf dem optischen Sensor 30 in Krümmungsradien R der Wellenfront 1 umrechenbar sind. Optional kann die Steuereinrichtung 50 zur Steuerung der Strahlungsquelle 3 während der Messung, zum Beispiel zum Ein- oder Ausschalten oder zur Einstellung verschiedener Strahlintensitäten ausgelegt sein.
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Die Messung der Form der Wellenfront 1 des optischen Strahlungsfeldes 2 der Strahlungsquelle 3 umfasst die folgenden Schritte.
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Zunächst wird die Strahlungsquelle 3 in Bezug auf die Messvorrichtung 100 justiert. Die Justierung umfasst eine geometrische Ausrichtung und eine Einstellung einer an die Empfindlichkeit des optischen Sensors 30 angepassten Intensität des Strahlungsfeldes 2.
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Anschließend werden aufeinanderfolgend verschiedene Blendenpositionen der Lochblende 10 eingestellt, indem die Lochblende 10 entlang der ersten Querachse senkrecht zur optischen Achse 6, das heißt in die positive und/oder die negative x-Richtung(en), in verschiedene Positionen verschoben wird. Vorzugsweise ist die erste Position der Lochblende 10 so gewählt, dass die optische Achse 6 der Strahlungsquelle 3 durch die Blendenöffnung 11 verläuft. In diesem Fall wird der von der Blendenöffnung 11 durchgelassene Teilstrahl 4 entlang der optischen Achse 21 der Abbildungsoptik 20 in die Mitte des optischen Sensors 30 fokussiert. Anschließend wird die Blendenöffnung 11 in x-Richtung verschoben, wobei die einzelnen Blendenpositionen vorzugsweise mit einer Schrittweite eingestellt werden, die geringer als der Durchmesser der Blendenöffnung 11 ist. Die Schrittweite beträgt z. B. 0,5 mm. An jeder Blendenposition wird die zugehörige Lateralposition 5 des Teilstrahls 4 auf dem optischen Sensor 30 erfasst. Bei einem Durchmesser des Strahlungsfeldes 2 von 12,5 mm werden beispielsweise 19 Blendenpositionen eingestellt, und entsprechend 19 Lateralpositionen (= 18 × 0,5 mm + 2 × 1,0 mm (Blende)) gemessen. Anschließend wird die Form der Wellenfront, insbesondere mindestens ein Krümmungsradius R aus den Blendenpositionen und den erfassten Lateralpositionen ermittelt, wie im Folgenden unter Bezug auf 2 erläutert wird.
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2 zeigt beispielhaft die zur Ermittlung des Krümmungsradius R verwendeten geometrischen Größen, wobei aus übersichtlichkeitsgründen lediglich die Wellenfront
1, die Lochblende
10 mit der Blendenöffnung
11 und die Abbildungsoptik
20 dargestellt sind (insbesondere das Pentaprisma ist nicht gezeigt). In
2 bedeuten R: (lokaler) Radius der Wellenfront (Krümmungsradius), r: Strahlradius der von der Blendenöffnung
11 erfassten Sub-Apertur der Wellenfront
1, h: Pfeilhöhe des Wellenfrontabschnittes, φ: Normalenwinkel der Wellenfront, und b: Durchmesser der Blendenöffnung
11. Durch die Erfassung der Lateralpositionen
5 des Teilstrahls
4 auf dem Detektor
30 (siehe
1) werden die Normalenwinkel φ für die einzelnen Blendenpositionen berechnet. Mit den o. g. Beispielsgrößen beträgt der Normalenwinkel am Rand des Strahls ca. 5 arcsec. Aus den Normalenwinkeln und den Blendenpositionen relativ zur optischen Achse der Strahlungsquelle werden wie folgt die Krümmungsradien berechnet. Gemäß der Illustration in
2 (links, unten) gilt:
mit R >> x gilt:
∂Z / ∂x = –
x / R
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In der numerischen oder graphischen Darstellung der Abhängigkeit des Normalenwinkels von der Blendenposition liefert das Integral des Normalenwinkels den Verlauf des lokalen Krümmungsradius R. Die lokalen Krümmungsradien sind gleich den lokalen Anstiegen des Normalenwinkels. Aus diesem kann durch die Berechnung eines bestangepassten Kreises der mittlere Krümmungsradius der Wellenfront bestimmt werden. Aus der Abhängigkeit des Normalenwinkels von der Blendenposition können ferner Wellenfrontfehler höherer Ordnung ermittelt werden.
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3 zeigt schematisch die zweite Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser werden die Blendenpositionen abweichend von der ersten Ausführungsform gemäß 1 nicht entlang einer einzigen Querachse, sondern entlang von mindestens zwei Querachsen senkrecht zur optischen Achse 6 der Strahlungsquelle 3 eingestellt. Entsprechend kann die Wellenfront des Strahlungsfeldes der Strahlungsquelle 3 in mehreren Radialrichtungen vermessen werden.
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Gemäß 3 umfasst die Messvorrichtung 100 die Lochblende 10, die Abbildungsoptik 20, den ortsauflösenden optischen Detektor (nicht dargestellt) und die Pentaprisma-Anordung 40. Die Pentaprisma-Anordung 40 umfasst eine schwenkbare Plattform 47, die den Lochblendenträger 12 mit der Lochblende 10 und dem ersten Pentaprisma 41 und den Lateralantrieb 13, und drei weitere Pentaprismen 44, 45 und 46 trägt. Die Plattform 47 ist über zwei ringförmige Schwenklager 48 mit einem ortsfesten Haltegestell 49 verbunden. Die ringförmigen Schwenklager 48 bilden kreisförmige Fenster mit einer Größe, die mindestens gleich dem Durchmesser des Strahlungsfeldes der Strahlungsquelle 3 ist.
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Der Lochblendenträger 12 mit der Lochblende 10 und dem ersten Pentaprisma 41 ist auf der ebenen Oberfläche der Plattform 47 senkrecht zur optischen Achse 6 der Strahlungsquelle 3 bzw. senkrecht zur Verbindungslinie zwischen den Schwenklagern 48 verschiebbar. Die Verschiebung kann manuell oder mit dem Translationsantrieb 13 erfolgen. Die weiteren Pentaprismen 44 bis 46 sind so angeordnet, dass der vom ersten Pentaprisma 41 abgelenkte Teilstrahl 4 auf die optische Achse der Abbildungsoptik 20 gelenkt wird. Für alle Blendenpositionen der Lochblende 10 trifft der Teilstrahl 4 in einem nahezu konstanten Strahleintrittsbereich 22 auf die Abbildungsoptik 20.
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Zur erfindungsgemäßen Messung der Form der Wellenfront mit der zweiten Ausführungsform gemäß 3 werden in einem ersten Schritt mehrere Blendenpositionen der Lochblende 10 entlang einer ersten Querachse senkrecht zur optischen Achse 6 der Strahlungsquelle 3 eingestellt und jeweils Lateralpositionen auf dem optischen Sensor erfasst. Anschließend wird die Plattform 47 gedreht, um eine weitere Querachse senkrecht zur optischen Achse 6 der Strahlungsquelle 3 einzustellen. Auf der weiteren Querachse werden weitere Blendenpositionen eingestellt und die zugehörigen Lateralpositionen gemessen. Im Ergebnis kann die Wellenfront in allen Radialrichtungen abgetastet und damit eine ortsaufgelöste Berechnung von Krümmungsradien der Wellenfront erreicht werden.
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Vorzugsweise wird der optische Sensor 30, besonders bevorzugt auch die Abbildungsoptik 20 mit der Plattform 47 gedreht. Der optische Sensor 30, bevorzugt auch die Abbildungsoptik 20, ist mit der Plattform 47 beispielsweise fest verbunden. Vorteilhafterweise stimmt dadurch die Scanrichtung der Lochblende 10 mit einer Richtung der CCD-Matrix des optischen Sensors 30 überein.
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Die zweite Ausführungsform gemäß 3 ist von besonderem Vorteil, wenn die Strahlungsquelle in einer evakuierten Umgebung angeordnet ist. Falls bei Normaldruck gemessen wird, kann die erfindungsgemäße Messung in mehreren Radialrichtungen alternativ mit dem Aufbau gemäß 1 erfolgen, wobei die Strahlungsquelle zur Einstellung der Radialrichtungen um ihre optische Achse relativ zur Messvorrichtung 100 gedreht wird.
