DE102016210966A1

DE102016210966A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront mit mindestens einem Wellenfrontsensor

Info

Publication number: DE102016210966A1
Application number: DE102016210966.9A
Authority: DE
Inventors: Georg Schitter; Markus Thier; Rene Paris; Sven Unger; Han Woong Yoo
Original assignee: Micro Epsilon Optronic GmbH
Current assignee: Micro Epsilon Optronic GmbH
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2017-12-21
Also published as: EP3384258A1; JP2019523881A; US20200370964A1; CN109313082A; WO2017220087A1

Abstract

Im Hinblick auf eine besonders präzise Vermessung einer Wellenfront mit konstruktiv einfachen Mitteln ist ein Verfahren zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront mit einem Wellenfrontsensor, wobei mehrere Messungen an unterschiedlichen Positionen entlang der Wellenfront mit mindestens einem Wellenfrontsensor zur Ermittlung eines lokalen Gradienten der Wellenfront an den unterschiedlichen Positionen durchgeführt werden, angegeben, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die mehreren Messungen mit jeweils im Wesentlichen tangentialer Ausrichtung einer Lichteintrittsebene des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren an die gekrümmte Wellenfront erfolgen. Des Weiteren ist eine entsprechende Vorrichtung zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront mit einem Wellenfrontsensor angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront mit mindestens einem Wellenfrontsensor, wobei mehrere Messungen an unterschiedlichen Positionen entlang der Wellenfront mit mindestens einem Wellenfrontsensor zur Ermittlung eines lokalen Gradienten der Wellenfront an den unterschiedlichen Positionen durchgeführt werden.
Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt und existieren in unterschiedlichen Ausführungsformen. Dabei ist häufig eine präzise Vermessung von stark gekrümmten Wellenfronten gewünscht. Zur Erläuterung einer derartigen Messung wird als repräsentatives Beispiel einer gekrümmten Wellenfront im Folgenden eine sphärische Wellenfront betrachtet, die durch eine Prüfoptik wie beispielsweise eine Linse erzeugt wird. In 1 ist hierzu schematisch ein typischer Verlauf eines Lichtstrahls dargestellt. Hierbei erzeugt eine Prüfoptik A eine sphärische Wellenfront B entlang einer optischen Achse C. Die Ausbreitungsrichtung in 1 ist dabei von links nach rechts.
Eine in die Prüfoptik A einfallende planare Wellenfront, die beispielsweise durch eine kohärente Lichtquelle wie beispielsweise ein Laser erzeugt wird, wird durch die Prüfoptik A fokussiert, wodurch sphärische Wellenfronten B entstehen. Eine dabei entstehende Wellenfront B kann in Bezug zu einer ideal sphärischen Wellenfront gesetzt werden, so dass eine qualitative Aussage über die Prüfoptik A gemacht werden kann. Die Vermessung der Wellenfront A erfolgt über so genannte Wellenfrontsensoren.
Aufgrund eines einfachen und robusten zugrunde liegenden Messprinzips werden heutzutage Wellenfrontsensoren häufig nach dem Shack-Hartmann-Prinzip ausgeführt, um eine lokale Wellenfrontkrümmung zu messen. In 2 ist ein derartiger Wellenfrontsensor schematisch dargestellt, wobei eine sphärische Wellenfront über ein Mikrolinsenarray des Wellenfrontsensors lokal abgetastet wird. Eine lokale Neigung der Wellenfront ruft dabei einen Versatz σ_k der Fokalpunkte zur optischen Achse der Mikrolinse hervor. Mit anderen Worten wird eine lokale Neigung der Wellenfront in einen Versatz σ_k des zugehörigen Fokalpunkts abgebildet. Die Wellenfront weist einen Radius R auf. Abstände von der optischen Achse sind mit d_k bezeichnet. Des Weiteren wird der Einfallswinkel der Wellenfront auf die Mikrolinse mit α gekennzeichnet. Die Brennweite der Mikrolinsen beträgt f.
Die Versätze σ_k der Fokalpunkte auf einem 2D-Detektor, beispielsweise Bildsensor, sind direkt proportional zu den lokalen Gradienten der Wellenfront, die über Integrationsverfahren die räumliche Rekonstruktion der gesamten Wellenfront ermöglichen.
Ein Zusammenhang zwischen dem Radius R einer sphärischen Wellenfront, den Abständen d_k von der optischen Achse und den lokalen Versätzen σ_k kann wie folgt hergestellt werden:
Der auftretende lokale Gradient tan(α) der Wellenfront lässt sich über die Brennweite einer Mikrolinse wie folgt ausdrücken:
Zur Realisierung einer präzisen Vermessung der sphärischen Wellenfront ist man bestrebt, den maximal auftretenden Gradienten tan(α_max) zu begrenzen, da mit zunehmendem Winkel α die Aberration namens Koma, welche durch die Fertigungsqualität der Mikrolinse bestimmt wird, zunimmt und die Messung verfälscht.
Um den Gradienten der Wellenfront zu beschränken, sind die folgenden Ansätze denkbar:

1. Der Abstand R kann vergrößert werden. Neben einer Verringerung des Wellenfrontgradienten tan(α_max) führt dieser Ansatz gleichzeitig zu einer höheren örtlichen Abtastungsdichte. Allerdings wird hierbei zum einen der zu vermessende Bereich der Wellenfront möglicherweise größer als die Apertur – Messbereich – des Sensors und zum anderen die Intensität geringer.
2. Die fokale Länge der Mikrolinsen kann verringert werden. Die genannten Ansätze können natürlich auch kombiniert werden.

Im Hinblick auf den ersten Ansatz ist ein Verfahren zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront aus der EP 1 192 433 B1 bekannt. Gemäß dem bekannten Verfahren wird ein Wellenfrontsensor translatorisch über die zu vermessende Oberfläche der Wellenfront bewegt. Dadurch kann eine Wellenfront vermessen werden, die größer ist als die Apertur des Sensors. Die vollständige Wellenfront wird durch ein so genanntes „Stitching“ aus den gemessenen Teilbereichen zusammengesetzt. Entsprechende Stitching-Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Hierzu wird auf die Veröffentlichung H. Li, G. Feng, J. Sun, T. Bourgade, S. Zhou und A. Asundi, „Wavefront subaperture stitching with Shack-Hartmann sensor," 2015, verwiesen, worin eine Vermessung einer stark gekrümmten sphärischen Wellenfront mit einem Shack-Hartmann-Sensor beschrieben wird, wobei die räumliche Position des Sensors mehrmals geändert wird, um die gesamte Wellenfront zu erfassen. In der Veröffentlichung wird weiterhin die mathematische Vorgehensweise beschrieben, um mehrere, räumlich versetzt gemessene Teilbereiche der Wellenfront zu einer einzigen Wellenfront zusammenzusetzten, wobei sich die gemessenen Teilbereiche räumlich überlappen. Dabei wird für den Überlappungsbereich von je zwei Teilbereichen berücksichtigt, dass die beiden gemessenen Wellenfronten relativ zu einander geneigt sind.
Zum weiteren technologischen Hintergrund wird noch auf die US 2008/0018910 A1 sowie auf die DE 10 2013 002 007 A1 verwiesen, wobei gemäß den Veröffentlichungen Systeme und Verfahren zum Messen und Abbilden dreidimensionaler Strukturen sowie Verfahren und Vorrichtungen zum Empfangen und Verarbeiten der von einem ausgedehnten Objekt kommenden optischen Signale beschrieben werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront mit einem Wellenfrontsensor anzugeben, wonach eine besonders präzise Vermessung der Wellenfront mit konstruktiv einfachen Mitteln ermöglicht ist.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Messungen mit jeweils im Wesentlichen tangentialer Ausrichtung einer Lichteintrittsebene des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren an die gekrümmte Wellenfront erfolgen.
Des Weiteren wird die voranstehende Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Danach ist die Vorrichtung derart ausgestaltet und weitergebildet, dass der Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsensoren zur Durchführung der mehreren Messungen mit jeweils im Wesentlichen tangentialer Ausrichtung einer Lichteintrittsebene des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren an die gekrümmte Wellenfront positionierbar sind.
In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass durch eine geschickte Ausrichtung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren während den Messungen die voranstehende Aufgabe auf überraschend einfache Weise gelöst wird. Hierzu ist eine Ausrichtung des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren gewählt, bei der eine Lichteintrittsebene des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren im Wesentlichen tangential an die gekrümmte Wellenfront vorgenommen ist. Letztendlich sind die Wellenfrontsensoren dabei bei jeder Messung möglichst optimal zur zu messenden Wellenfront ausgerichtet. Damit wird ein maximal auftretender Gradient der Wellenfront bei jeder Messung möglichst klein gehalten. Mit anderen Worten wird der Wellenfrontsensor oder werden die Wellenfrontsensoren während einer Messung an die Krümmung einer zu messenden Wellenfront angepasst beziehungsweise an dieser ausgerichtet. Dabei ist der Wellenfrontsensor oder sind die Wellenfrontsensoren für jede einzelne Messung möglichst optimal zur Wellenfront ausgerichtet oder geneigt. Aus den mehreren Messungen kann schließlich die gemessene Wellenfront rekonstruiert werden.
Folglich sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben, wonach eine besonders präzise Vermessung der Wellenfront mit konstruktiv einfachen Mitteln ermöglicht ist.
Im Hinblick auf eine besonders einfache Realisierung des Verfahrens kann der mindestens eine Wellenfrontsensor ein Shack-Hartmann-Sensor sein. Derartige Sensoren zeichnen sich durch ein einfaches und robustes Messprinzip aus.
Bei einer konkreten Ausführungsform des Verfahrens kann der Shack-Hartmann-Sensor oder Wellenfrontsensor an den unterschiedlichen Positionen derart ausgerichtet werden, dass eine von mindestens einem Abstand σ_k von einem Fokalpunkt zu einem Referenzpunkt einer Mikrolinse des Shack-Hartmann-Sensors oder Wellenfrontsensors abhängige Funktion f(σ₁, σ₂, ...,σ_N) minimiert wird, wobei der Abstand σ_k des zugehörigen Fokalpunkts einer Abbildung einer lokalen Neigung in der Wellenfront mittels der jeweiligen Mikrolinse entspricht. Unter Bezugnahme auf 2 und das dort erläuterte Messprinzip bei einem Shack-Hartmann-Sensor ist festzuhalten, dass die zu vermessende Wellenfront von N Linsen auf N Punkte auf der Detektorebene fokussiert wird. Für jeden dieser Punkte kann der Abstand σ_k zu einem Referenzpunkt berechnet werden. Der jeweilige Wellenfrontsensor kann hierbei derart ausgerichtet werden, dass für den Wellenfrontsensor eine quasi beliebige Abstandsfunktion f(σ₁, σ₂, ...,σ_N) minimiert wird. Hieraus ergibt sich eine Vorschrift für eine besonders präzise Vermessung der Wellenfront.
Im Konkreten kann die Funktion f(σ₁, σ₂, ...,σ_N) den gewichteten Mittelwert aller Abstände σ_k oder den gewichteten Mittelwert der Quadrate aller Abstände σ_k bedeuten. Insbesondere ist hiermit auch der Fall abgedeckt, dass die Funktion f nur einen einzelnen Abstand σ_E gewichtet und alle anderen Abstände σ_k, k ≠ E mit dem Faktor 0 gewichtet werden.
Ganz allgemein kann in vorteilhafter Weise die Ausrichtung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren derart erfolgen, dass der oder die Abstände σ_k möglichst klein oder unterhalb eines vorgebbaren Schwellwerts liegen. Hierdurch ergibt sich im Endeffekt eine besonders präzise Vermessung der Wellenfront unter Vermeidung oder weitestgehender Minimierung irgendwelcher Aberrationen.
Je nach Präzisionserfordernis der Vermessung der Wellenfront kann die Ausrichtung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren jeweils vor einer Messung und/oder zwischen zwei oder mehreren Messungen erfolgen. Dabei kann es sich insbesondere um Messungen der Wellenfront handeln, die zu dem Zweck ausgeführt werden, dass aus diesen Messungen eine einzige Wellenfront rekonstruiert wird. Es handelt sich also bei den mehreren Messungen um Messungen einer zu messenden Wellenfront.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Ausrichtung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren kontinuierlich während einer Bewegung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren erfolgen. Eine derartige kontinuierliche Ausrichtung kann insbesondere dann erfolgen, wenn ein Wellenfrontbereich zu erfassen ist, der größer ist als die Apertur oder Aperturen des oder der Wellenfrontsensoren.
Hinsichtlich einer möglichst großen Abdeckung eines Flächenbereichs einer Wellenfront kann der Wellenfrontsensor oder können die Wellenfrontsensoren zum Erreichen der unterschiedlichen Positionen entlang einer oder mehrerer im Wesentlichen kreisförmiger Trajektorien bewegt werden. Hierdurch ist ein sicheres Abscannen des zu messenden Flächenbereichs der Wellenfront erreichbar.
Im Hinblick auf eine besonders hohe Präzision der Vermessung können die Messungen zumindest teilweise überlappend entlang der Wellenfront durchgeführt werden. Dabei werden zumindest Teilbereiche der zu messenden Wellenfront mehrfach gemessen.
Im Hinblick auf eine besonders einfache und sichere Ausrichtung der Wellenfrontsensoren kann der Wellenfrontsensor oder können die Wellenfrontsensoren um eine oder zwei unterschiedliche Achsen schwenkbar sein. Bei einer Realisierung zweier derartiger Achsen können die Achsen vorzugsweise in einem rechten Winkel zueinander ausgerichtet sein und/oder sich vorzugsweise schneiden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Wellenfrontsensor oder können die Wellenfrontsensoren über einen Regler eines Regelkreises derart ausgerichtet werden, dass ein mittels einer Linse eines Wellenfrontsensors erzeugter Fokuspunkt der Wellenfront auf einer oder der optischen Achse der Linse liegt, wobei vorzugsweise aus zur Ausrichtung des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren erzeugten Steuersignalen der lokale Gradient der Wellenfront abgeleitet wird. Dabei kann der Regler den Wellenfrontsensor an jeder unterschiedlichen Position derart ausrichten, dass der Fokuspunkt auf der optischen Achse liegt. Eine derartige Regelung bietet sich insbesondere für den Fall an, bei dem der Sensor aus einer einzigen Linse inklusive Detektor besteht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine die Wellenfront erzeugende Optik zur relativen Positionierung der Wellenfront zu dem Wellenfrontsensor oder zu den Wellenfrontsensoren um eine optische Achse gedreht werden oder drehbar sein. Dabei wird durch Drehen der die Wellenfront erzeugenden Optik die zu messende Wellenfront quasi um die Drehachse der Optik gedreht. In entsprechender Weise genügt in diesem Fall zum Abscannen eines gewählten Flächenbereichs der Wellenfront eine lediglich translatorische Bewegbarkeit des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren mit einer entsprechenden tangentialen Ausrichtbarkeit.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform kann ein oder können mehrere an einem Aufhängepunkt aufgehängte Wellenfrontsensoren zum Erreichen der unterschiedlichen Positionen in eine Schwingbewegung um den Aufhängepunkt versetzt werden. Durch die Schwingbewegung wird das Abscannen eines gewählten zu messenden Flächenbereichs der Wellenfront ermöglicht.
Im Hinblick auf eine besonders einfache und schnelle Vermessung der Wellenfront können mehrere Wellenfrontsensoren an einem Träger angeordnet werden, wobei vorzugsweise die Wellenfrontsensoren relativ zu dem Träger um mindestens eine Achse verkippbar und vorzugsweise relativ zu dem Träger verschiebbar sind. Hierbei können mit einer gleichzeitigen Messung durch mehrere an dem Träger angeordnete Wellenfrontsensoren mehrere Messungen an unterschiedlichen Positionen entlang der Wellenfront gleichzeitig durchgeführt werden. Die Wellenfront kann in diesem Fall basierend auf den Messdaten der einzelnen Wellenfrontsensoren rekonstruiert werden. Auch hier kann eine Ausrichtung der Wellenfrontsensoren jeweils vor einer Messung und/oder zwischen zwei oder mehreren Messungen erfolgen. Mit einem derartigen Träger erfolgt zwangsweise bei einer Bewegung des Trägers gleichzeitig eine Bewegung sämtlicher am Träger angeordneter Wellenfrontsensoren.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann ein Ende eines Lichtwellenleiters die Wellenfront zumindest bereichsweise abscannen, wobei an den unterschiedlichen Positionen aufgenommenes Licht mittels des Lichtwellenleiters zu der Lichteintrittsebene des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren weitergeleitet werden. Dabei kann der Lichtwellenleiter mittels einer Bewegungseinrichtung in eine scannende Bewegung, vorzugsweise entlang einer Kreisbahn, versetzt werden. Das Abscannen der Wellenfront oder das Bewegen des Endes des Lichtwellenleiters findet üblicherweise im konvergenten Strahlengang einer fokussierenden Optik statt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Wellenfront über mindestens einen Spiegel auf den Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsensoren reflektiert werden, wobei der Spiegel zur Messung an den unterschiedlichen Positionen um eine oder zwei Achsen geschwenkt werden kann. Hierbei wird eine Wellenfront einer fokussierenden Optik mit einem oder mehreren Spiegeln auf den Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsensoren reflektiert. Der Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsensoren können dabei ortsfest sein. Dabei ist von Bedeutung, dass der durch die fokussierende Optik erzeugte Fokuspunkt in einer jeweiligen Spiegelebene liegt.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erfolgt grundsätzlich eine Anpassung der Orientierung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren in Bezug auf die zu vermessende Wellenfront an der jeweiligen Position des Wellenfrontsensors. Dabei wird die Lichteintrittsöffnung des Wellenfrontsensors oder die Lichteintrittsebene als ideale Ebene angenommen. Diese ideale Ebene kann tangential auf eine virtuelle Referenzoberfläche ausgerichtet werden, wobei der Mittelpunkt der idealen Ebene die virtuelle Referenzoberfläche berührt. Die virtuelle Referenzoberfläche ist dabei beliebig und wird angepasst an die jeweilige Anwendung gewählt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können insbesondere bei stark gekrümmten Wellenfronten in vorteilhafter Weise eingesetzt werden. Derartige Wellenfronten können räumlich derart weit ausgedehnt sein – wobei sie dies nicht müssen –, dass mehrere Messungen an verschiedenen räumlichen Positionen erforderlich sind, um die gesamte Wellenfront messtechnisch erfassen zu können, und/oder mehrere Messungen mit verschiedenen Orientierungen in Bezug auf die Wellenfront erforderlich sind, um für verschiedene Bereiche der Wellenfront den Dynamikbereich des jeweiligen Wellenfrontsensors nicht zu verlassen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann während der Messung ein nahezu optimales Verhältnis zwischen Dynamikbereich des Wellenfrontsensors und Genauigkeit der Messung erzielt werden. Dafür sollten die Abstände σ_k möglichst klein gehalten werden. Insbesondere können hierdurch auch Wellenfrontgradienten erfasst werden, die ohne relative Ausrichtung den Dynamikbereich des Sensors übersteigen würden.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 in einer schematischen Darstellung eine typische Situation für eine Vermessung einer gekrümmten Wellenfront,
2 in einer schematischen Darstellung eine Messung einer Wellenfront nach dem Shack-Hartmann-Prinzip,
3 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront,
4 in einer schematischen Darstellung eine tangentiale Ausrichtung eines Wellenfrontsensors zu einer Wellenfront,
5 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei der Wellenfrontsensor aus einer einzigen Linse inklusive Detektor besteht,
6 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer statischen Prüfoptik und einem um zwei Achsen schwenkbaren und in zwei Richtungen verschiebbaren Wellenfrontsensor,
7 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer um eine optische Achse drehbaren Prüfoptik und mit einem um eine Achse schwenkbaren Wellenfrontsensor,
8 in einer schematischen Darstellung in einer Seitenansicht und in einer Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem als Pendel aufgehängten Wellenfrontsensor,
9 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Array aus Wellenfrontsensoren, die an einem Träger angeordnet sind,
10 in einer schematischen Darstellung die Verkippbarkeit und Verschiebbarkeit von an einem Träger gemäß 9 angeordneten Wellenfrontsensoren,
11 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem bewegbaren Lichtwellenleiter zur Abtastung der Wellenfront,
12 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Umlenkspiegel zur Reflektion der Wellenfront auf einen ortsfesten Wellenfrontsensor und
13 eine Anordnung eines Umlenkspiegels, wobei der Fokus eines konvergenten Lichtbündels vorzugsweise auf der Spiegeloberfläche liegt.
Die 3 und 4 zeigen in schematischen Darstellungen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront A, wobei als Wellenfrontsensor ein Shack-Hartmann-Sensor verwendet und eine sphärische Wellenfront A vermessen wird. Zur Begrenzung des maximalen lokalen Gradienten tan(α_max) der Wellenfront A wird die gesamte sphärische Wellenfront A in einem bestimmten Abstand R entlang einer kreisförmigen Trajektorie B an spezifischen Punkten 1 bis n abgescannt. Dabei ist der Verlauf der Scantrajektorie B durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Letztendlich wird ein vorgegebener Bereich der Wellenfront A durch Einzelmessungen abgetastet, die durch schraffierte Bereiche C dargestellt sind. Sämtliche Einzelmessungen werden entlang der Scantrajektorie B aufgenommen. Die Bereiche C entsprechen dem erfassten Bereich des einzelnen Wellenfrontsensors zu einem Zeitpunkt.
4 zeigt die tangentiale Ausrichtung des Wellenfrontsensors zur Wellenfront A. Die einzelnen Positionen oder Messpunkte können so gewählt werden, dass sich die einzelnen Wellenfrontbilder überlappen. Die gesamte Wellenfront setzt sich aus der Summe der einzelnen Wellenfronten 1 bis n zusammen, siehe 3. Die Zusammensetzung der Wellenfront erfolgt über ein sogenanntes Wellenfront-Stitching. Der Verschiebe-Abstand ΔS in 4 bestimmt hierbei den Überlappungsbereich, mit dem die Genauigkeit der Messung beeinflusst werden kann. Die Einzelmessungen werden darauf folgend mit einem Algorithmus auf eine sphärische Oberfläche abgebildet.
Ausgehend von einem maximal zulässigen lokalen Gradienten tan(α_max) der Wellenfront muss folgende Gleichung erfüllt werden:
Bei einem maximal zulässigen Wellenfrontgradienten lassen sich hieraus der notwendige Abstand R, die damit verbundene Wellenfrontfläche und die Anzahl der Messungen ableiten, die für ein komplettes Wellenfrontbild notwendig sind.
5 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei es sich hierbei um den Sonderfall handelt, bei dem der Sensor aus einer einzigen Linse inklusive Detektor besteht. Hierfür kann natürlich auch ein handelsübliches Linsenarray verwendet werden, bei dem bis auf eine Linse alle anderen Linsen ignoriert werden. Dieser Sensor wird entlang einer vorgegebenen Scantrajektorie E geführt und ist zusätzlich um zwei Richtungen – Verdrehachsen C und F – drehbar gelagert. Beim Messvorgang wird die Neigung des Sensors über einen Regelkreis so gesteuert, dass der Fokuspunkt entlang der optischen Achse – entspricht der Detektormitte – zu liegen kommt. Die hierbei vom Regler des Regelkreises generierten Steuersignale zur Ausrichtung des Sensors geben Auskunft über die Neigung des kompensierten Wellenfrontgradienten. Im Konkreten ist der Wellenfrontsensor als 2D-Detektor D ausgebildet, der um zwei Achsen entlang einer Scantrajektorie E verdrehbar gelagert ist. Ein Regler versucht während des Abfahrens der Scantrajektorie E den Fokuspunkt G in der Mitte des Detektors D zu halten. Die dabei entstehenden Stellgrößen sind proportional zum Wellenfrontgrandienten. A bezeichnet die Linse und B einen Wellenfrontausschnitt.
6 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist eine Prüfoptik in ihrer Position fixiert und wird ein Wellenfrontsensor entlang einer kreisförmigen Bahn durch ein Schwenken um eine Achse A1a geführt. Zusätzlich sind translatorische Freiheitsgrade parallel zu der optischen Achse und parallel zu der Achse A1a vorgesehen. Abhängig von der Lage der Kreisbahn wird der Sensor um eine weitere Achse A2a geschwenkt, um tangential zur Wellenfront ausgerichtet zu werden. Der zu einem Zeitpunkt vom Wellenfrontsensor erfasste Bereich ist mit S bezeichnet.
Alternativ hierzu sind auch nur zwei rotatorische Freiheitsgrade denkbar, wobei sich die zugehörigen Drehachsen schneiden. Eine weitere Variante dieser Ausführungsform ist in 7 beschrieben.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Prüfoptik um eine Achse A1b drehbar gelagert ist. Durch eine zusätzliche Schwenkbarkeit des Wellenfrontsensors S um eine Achse A2b kann die komplette Wellenfront abgescannt werden. Sowohl die Achse A2b gemäß 7 als auch die Achse A1a gemäß 6 verlaufen durch einen Fokus der Wellenfront, der durch die Prüfoptik erzeugt wird. Die tangentiale Ausrichtung zu einer sphärischen Wellenfront ist durch die zweifache Drehbarkeit des Sensors S gemäß 7 gegeben. Zusätzlich kann der Sensor S gemäß 7 auch translatorisch bewegbar sein.
8 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist der Wellenfrontsensor an einem Pendel aufgehängt. Vor der Messung wird das Pendel samt Sensor ausgelenkt und ein Anfangsimpuls übertragen. Während des Ausschwingvorgangs werden Bilder der Wellenfront aufgenommen. Eine weitere Möglichkeit ist die Aktuierung des Pendels im Aufhängepunkt, um das Pendel in Bewegung zu versetzen. In 8 ist der Wellenfrontsensor an zwei Positionen A und B dargestellt, wobei er sich während seines Ausschwingvorgangs von der Position A zur Position B und dann im Wesentlichen spiralförmig weiterbewegt. Der Sensor ist an einem Kardangelenk C aufgehängt, das mit der Prüfoptik D gekoppelt ist. Die Scantrajektorie des Sensors ist mit E bezeichnet.
In den 9 und 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei hierbei mehrere Wellenfrontsensoren A an einem Träger B befestigt sind. Hierdurch ist anstelle eines einzelnen Wellenfrontsensors ein Sensorarray gebildet, das aus einer Anordnung mehrerer Wellenfrontsensoren A besteht. Die einzelnen Sensoren A sind über den Träger B verbunden, der als Verbindungsrahmen oder Traggerüst dient.
Zur optimalen Anpassung an die zu messende Wellenfront können die einzelnen Wellenfrontsensoren A im Wesentlichen frei positionierbar – verdreh- und verschiebbar – und mittels Aktuatoren verstellbar in ihren Aufhängungspunkten am Träger B gelagert sein, siehe 10. Das gesamte Sensorarray kann zur Messbereichserweiterung über eine vordefinierte Scantrajektorie geführt werden oder – in der Position verharrend – eine Momentaufnahme der Wellenfront vornehmen. Im letzten Fall wird auf eine lückenlose Erfassung verzichtet. Gemäß 10 sind die einzelnen Wellenfrontsensoren A verkippbar und verschiebbar über ein Traggerüst B miteinander verbunden, so dass beliebige Wellenfrontradien R vermessen werden können.
11 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist ein Lichtwellenleiter A quasi als Transmissionsmedium zwischen durch eine Prüfoptik F erzeugter Wellenfront und einem Detektor C angeordnet. Der Lichtwellenleiter A wird über räumlich angeordnete Aktuatoren E, beispielsweise Voice Coil Aktuatoren, derart in Schwingung versetzt, dass sich der Anfang des Lichtwellenleiters A entlang einer Kreisbahn oder Scantrajektorie D krümmt. Der Lichtwellenleiter A tastet die einfallende Wellenfront in einem konvergenten Bereich des Lichts ab und transferiert ein Segment der Wellenfront an einen Ausgang des Lichtwellenleiters A. Der Ausgang ist dabei statisch mit einer Basis verbunden. Am Ausgang ist ein Wellenfrontsensor angeordnet. Im Falle eines Shack-Hartmann-Sensors sitzt am Ausgang eine Optik mit einer Linse B, die die Neigung der Wellenfront in einen Versatz des Fokuspunkts konvertiert. Zusammenfassend kann durch Aktuation des Anfangs des Lichtwellenleiters A die gesamte durch die Prüfoptik F erzeugte Wellenfront abgetastet werden, wobei jeweils ein Segment der Wellenfront an den Ausgang übertragen wird und eine Neigung der Wellenfront über ein Linsensystem B in einen Versatz des Fokuspunkts abgebildet wird. Der Detektor C arbeitet nach dem Shack-Hartmann-Prinzip.
12 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei wird die mittels einer Prüfoptik A erzeugte Wellenfront über einen Umlenkspiegel B auf einen statischen Wellenfrontsensor C projiziert. Um das Prinzip verständlich zu machen, ist in 12 nur eine Neigbarkeit des schwenkbaren Spiegels B um eine Achse dargestellt. Die Neigung um eine zweite Achse, die vorzugsweise orthogonal zu der eingezeichneten Achse steht, ist im Rahmen eines weiteren Ausführungsbeispiels realisierbar. Durch Ansteuerung des Spiegels B wird die gesamte Wellenfront über den Bereich des Wellenfrontsensors C geschwenkt und räumliche abgetastet. Wichtig ist hierbei, dass der Fokuspunkt immer auf der Spiegeloberfläche liegt, da sonst der Schwenkung eine Bewegung der Schwenkachse überlagert wird. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird quasi die optische Achse D mittels des Umlenkspiegels B umgelenkt. Der Wellenfrontsensor C ist durch den schraffierten Bereich in 12 dargestellt und wird an einer Messposition fixiert. Vorzugsweise zwei orthogonal angeordnete Scanner oder Umlenkspiegel B reflektieren die einfallende Wellenfront in Richtung des Wellenfrontsensors C. Durch die Bewegung der Scanner oder Umlenkspiegel B wird die zu vermessende Wellenfront über den Messbereich des Sensors C geführt.
Bei einer Wellenfrontanalyse erfolgt häufig die Darstellung der gemessenen Wellenfront durch die Überlagerung einzelner Grundmoden – Polynome wie beispielsweise Zernikepolynome –, was als Modalanalyse bezeichnet wird. Die Ordnung der Grundmode ist hierbei direkt mit der Anzahl notwendiger Abtastpunkte – Einzelmessungen – verknüpft. Sollen in einer Wellenfrontmessung ausschließlich räumlich niederfrequente Grundmoden analysiert werden, ist ein vollständiges Abtasten der gesamten Wellenfront nicht zwingend notwendig. Die Rekonstruktion auf Basis von nicht überlappenden, räumlich getrennten Teilmessungen ist somit durchführbar. Dies kann die für eine Messung notwendige Zeit in scannenden Verfahren deutlich reduzieren, da keine kontinuierlichen Teilmessungen notwendig sind. Bei Verwendung eines Wellenfrontsensorarrays gemäß beispielsweise 9 und 10 ist überhaupt nur eine einzige Messung durch eine zeitgleiche Aufnahme aller beteiligten Wellenfrontsensoren notwendig, um die gesamte Wellenfront hinreichend genau zu rekonstruieren.
Die Intensitätsverteilung innerhalb des Querschnitts der zu vermessenden Wellenfront kann bedingt durch die verwendete Lichtquelle, beispielsweise Laser, deutlich variieren, wobei die maximale Intensität beispielsweise in der Strahlmitte und die minimale Intensität im Randbereich auftreten kann. Werden Bildsensoren als Detektoren verwendet, können entweder durch Überlagerung von Bildern, die mit unterschiedlichen Belichtungszeiten aufgenommen worden sind, oder durch die Verwendung von Bildsensoren, die auf multislope Integrationsverfahren – Pixel mit variabler Belichtungszeit – basieren, unterschiedliche Intensitätsprofile ausgeglichen werden.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lehre lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1192433 B1 [0010]
US 2008/0018910 A1 [0012]
DE 102013002007 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. Li, G. Feng, J. Sun, T. Bourgade, S. Zhou und A. Asundi, „Wavefront subaperture stitching with Shack-Hartmann sensor,“ 2015 [0011]

Claims

Verfahren zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront mit mindestens einem Wellenfrontsensor, wobei mehrere Messungen an unterschiedlichen Positionen entlang der Wellenfront mit mindestens einem Wellenfrontsensor zur Ermittlung eines lokalen Gradienten der Wellenfront an den unterschiedlichen Positionen durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Messungen mit jeweils im Wesentlichen tangentialer Ausrichtung einer Lichteintrittsebene des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren an die gekrümmte Wellenfront erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontsensor ein Shack-Hartmann-Sensor ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Shack-Hartmann-Sensor oder Wellenfrontsensor an den unterschiedlichen Positionen derart ausgerichtet wird, dass eine von mindestens einem Abstand σ_k von einem Fokalpunkt zu einem Referenzpunkt einer Mikrolinse des Shack-Hartmann-Sensors oder Wellenfrontsensors abhängige Funktion f(σ₁, σ₂, ...,σ_N) minimiert wird, wobei der Abstand σ_k des zugehörigen Fokalpunkts einer Abbildung einer lokalen Neigung in der Wellenfront mittels der jeweiligen Mikrolinse entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion f(σ₁, σ₂, ...,σ_N) den gewichteten Mittelwert aller Abstände σ_k oder den gewichteten Mittelwert der Quadrate aller Abstände σ_k bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren derart erfolgt, dass der oder die Abstände σ_k möglichst klein oder unterhalb eines vorgebbaren Schwellwerts liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren jeweils vor einer Messung und/oder zwischen zwei oder mehreren Messungen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren kontinuierlich während einer Bewegung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsensoren zum Erreichen der unterschiedlichen Positionen entlang einer oder mehrerer im Wesentlichen kreisförmiger Trajektorien bewegt wird oder werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen zumindest teilweise überlappend entlang der Wellenfront durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsensoren um eine oder zwei unterschiedliche Achsen schwenkbar ist oder sind, wobei bei zwei Achsen die Achsen vorzugsweise in einem rechten Winkel zueinander ausgerichtet sind und/oder vorzugsweise sich schneiden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsensoren über einen Regler eines Regelkreises derart ausgerichtet wird oder werden, dass ein mittels einer Linse eines Wellenfrontsensors erzeugter Fokuspunkt der Wellenfront auf einer optischen Achse der Linse liegt, wobei vorzugsweise aus zur Ausrichtung des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren erzeugten Steuersignalen der lokale Gradient der Wellenfront abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Wellenfront erzeugende Optik zur relativen Positionierung der Wellenfront zu dem Wellenfrontsensor oder zu den Wellenfrontsensoren um eine optische Achse gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere an einem Aufhängepunkt aufgehängte Wellenfrontsensoren zum Erreichen der unterschiedlichen Positionen in eine Schwingbewegung um den Aufhängepunkt versetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wellenfrontsensoren an einem Träger angeordnet werden, wobei vorzugsweise die Wellenfrontsensoren relativ zu dem Träger um mindestens eine Achse verkippbar und vorzugsweise relativ zu dem Träger verschiebbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende eines Lichtwellenleiters die Wellenfront zumindest bereichsweise abscannt und an den unterschiedlichen Positionen aufgenommenes Licht mittels des Lichtwellenleiters zu der Lichteintrittsebene des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren weitergeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter mittels einer Bewegungseinrichtung in eine scannende Bewegung, vorzugsweise entlang einer Kreisbahn, versetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenfront über mindestens einen Spiegel auf den Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsensoren reflektiert wird, wobei der Spiegel zur Messung an den unterschiedlichen Positionen um eine oder zwei Achsen geschwenkt wird.
Vorrichtung zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront mit mindestens einem Wellenfrontsensor, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei mehrere Messungen an unterschiedlichen Positionen entlang der Wellenfront mit mindestens einem Wellenfrontsensor zur Ermittlung eines lokalen Gradienten der Wellenfront an den unterschiedlichen Positionen durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsensoren zur Durchführung der mehreren Messungen mit jeweils im Wesentlichen tangentialer Ausrichtung einer Lichteintrittsebene des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren an die gekrümmte Wellenfront positionierbar sind.