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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufbau eines Hartmann-Shack-Sensors sowie einen entsprechenden Hartmann-Shack-Sensor und ein Kalibrierungsverfahren für diesen Hartmann-Shack-Sensor.
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Hartmann-Shack-Sensoren (auch als Shack-Hartmann-Sensoren bezeichnet) sind optische Wellenfrontsensoren und dienen zur Vermessung der Form einer optischen Wellenfront. Ein Hartmann-Shack-Sensor besteht aus einer Matrix aus regelmäßig angeordneten Mikrolinsen gefolgt von einem flächigen Bilddetektor, z.B. einem CCD-Detektor. Fällt eine Wellenfront eines Lichtfeldes auf die Linsenmaske, fokussiert jede Linse einen Teil dieser Wellenfront auf den CCD-Detektor. Die genaue Position eines jeden Lichtpunktes auf dem Detektor hängt dabei von der Ausrichtung der Wellenfront in dem jeweils betrachteten Teilbereichs ab. Beispielsweise würden bei einer exakt ebenen Wellenfront die Lichtpunkte auf dem CCD-Detektor alle die gleichen Abstände zueinander haben. Unregelmäßigkeiten der Wellenfront ergeben Unregelmäßigkeiten im Punktmuster.
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Ein Nachteil bekannter Hartmann-Shack-Detektoren ist, dass sie vergleichsweise aufwändig kalibriert werden müssen, da es z.B. keine idealen Linsenmatrizen gibt und auch keine ideal kollimierte Kalibrationswellenfront auf einfache Weise kreiert werden kann. Zudem ergeben sich aufgrund der elektrischen Ströme auf dem CCD-Detektor thermische Ausdehnungen die sich von der Linsenmatrix unterscheiden und dadurch einen sehr starken Einfluss auf das Ergebnis einer Messung haben.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Durchmesser der Wellenfronten die verfügbare Hartmann-Shack Detektoren messen können, auf die Größe der Detektoren beschränkt sind, in der Praxis aber häufig deutlich größere Wellenfronten geprüft werden müssen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels derer ein verbesserter Hartmann-Shack-Sensor aufgebaut werden kann, bzw. einen verbesserten Hartmann-Shack-Sensor zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Aufbau eines verbesserten Hartmann-Shack-Sensors und umfasst eine flächige Aperturmaske und eine flächige Referenzmaske, die parallel zueinander angeordnet und zueinander mit einem Abstand A kleiner als 20 cm beabstandet sind. Die Aperturmaske weist ein Muster aus Aperturen auf und die Referenzmaske weist ein Muster aus Filterbereichen auf, welche von Transmissionsbereichen begrenzt sind, weshalb die Referenzmaske auch als „Filtermaske“ bezeichnet werden könnte. Der wesentliche Teil des Musters der Referenzmaske liegt dabei innerhalb der senkrechten Projektion der Aperturmaske.
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Durch die Aperturmaske soll beim Einsatz in einem Hartmann-Shack-Sensor die zu vermessende Lichtwellenfront hindurchfallen (zum besseren Verständnis wird hier festgelegt, dass die Aperturmaske in der Vorrichtung oben liegt). Das Licht tritt dann durch die Aperturen hindurch und durchquert die Vorrichtung bis es auf das Referenzmuster trifft. Der Zwischenraum zwischen Aperturmaske und Referenzmaske ist selbstverständlich durchsichtig für das bestimmungsgemäß zu vermessende Licht. Aus dem Muster des Lichts auf der Referenzmaske lässt sich die Neigung der Lichtwellenfront erkennen, wobei die Filterbereiche der Referenzmaske Referenzbereiche bilden, da sie zusammen mit den Aperturen stets ein unveränderliches Muster bilden.
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Aperturmaske und Referenzmaske sind erfindungsgemäß parallel zueinander angeordnet, wobei der wesentliche Teil des Musters der Referenzmaske innerhalb der senkrechten Projektion der Aperturmaske liegt. Die Referenzmaske ist also unterhalb der Aperturmaske angeordnet. Die Referenzmaske kann zwar so ausgerichtet sein, dass sie nicht exakt mit der Aperturmaske überlappt, jedoch sind die Bereiche der Referenzmaske, die nicht vom der Aperturmaske überdeckt werden nicht so wichtig für die erfindungsgemäße Funktion der Vorrichtung in einem Hartmann-Shack-Sensor. Es ist dabei bevorzugt, dass das Muster der Referenzmaske mindestens 80% des Musters der Aperturmaske überdeckt, bevorzugt mindestens 90%, besonders bevorzugt 98%, optimaler Weise 100%. Die Referenzmaske kann dabei auch flächenmäßig größer als die Aperturmaske sein.
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Bevorzugt ist die Referenzmaske so ausgestaltet und angeordnet, dass (zumindest in einem Bereich der Vorrichtung) Filterbereiche innerhalb der senkrechten Projektion der Aperturen auf der Referenzmaske angeordnet sind (also von oben betrachtet durch die Aperturen sichtbar sind). Dies hat den Vorteil, dass die Filterbereiche bei einem Einsatz der Vorrichtung in einem Hartmann-Shack-Sensor sehr gut auf der Aufnahme identifiziert werden können. Die Filterbereiche unter den Aperturen sind insbesondere so klein, dass sie nicht die gesamte Ausdehnung der jeweiligen Apertur überdecken, wobei diese Filterbereiche von oben betrachtet bevorzugt im Zentrum der Aperturen liegen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein Teil der Filterbereiche gut auf der Aufnahme identifiziert werden können, aber auch vergleichsweise viel Licht für eine Messung zur Verfügung steht.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Referenzmaske so ausgestaltet und angeordnet, dass (zumindest in einem Bereich der Vorrichtung) Filterbereiche außerhalb der senkrechten Projektion der Aperturen auf der Referenzmaske angeordnet sind (also von oben betrachtet durch die Aperturen nicht sichtbar sind). Dies hat den Vorteil, dass bei einem Einsatz der Vorrichtung in einem Hartmann-Shack-Sensor möglichst viel Licht zur Messung benutzt werden kann, was insbesondere bei einem sehr schwachen Lichtfeld vorteilhaft ist.
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Bevorzugt ist auch eine Kombination der vorangehenden Alternativen. Dabei ist ein Teil der Filterbereiche unter den Aperturen angeordnet und ein Teil der Filterbereiche außerhalb der Aperturen.
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Die Filterbereiche sind erfindungsgemäß von einem Transmissionsbereich begrenzt. Ein Transmissionsbereich ist, wie der Name schon sagt, ein Bereich, in dem eine hohe Transmission vorliegt, also auf jeden Fall höher als in den Filterbereichen. Ein Transmissionsbereich kann ein Material mit einer hohen Transmission umfassen, oder einfach ein nur „leerer“ Bereich sein, also ein Bereich, in dem kein Material der Filterbereiche vorhanden ist. Bevorzugt sind die Filterbereiche dabei im Wesentlichen (oder komplett) von einem (ggf. zusammenhängenden) Transmissionsbereich umgeben. Hier spielt aber insbesondere der generelle Aufbau der Referenzmaske eine Rolle. Ist diese auf einem (durchsichtigen) Träger aufgebracht, dann können die Filterbereiche als voneinander getrennte Bereiche aus Beschichtungsmaterial auf dem Träger ausgeführt sein und der Transmissionsbereich als unbeschichtetes Trägermaterial. Ist die Referenzmaske ohne Träger ausgeführt, ist es vorteilhaft, dass aus Gründen der Stabilität die Filterbereiche miteinander verbunden sind, z.B. durch dünne Materialbrücken. Die Transmissionsbereiche sind dann Bereiche fehlenden Materials. Es wäre aber auch möglich, die Referenzmaske ohne Träger aus zwei Materialien aufzubauen, einem Filtermaterial und einem durchsichtigen Material für die Transmissionsbereiche. In diesem Fall können die Filterbereiche auch komplett von den Transmissionsbereichen umgeben sein.
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Bevorzugt ist im Wesentlichen jeder Apertur ein Filterbereich zugeordnet. Dies erhöht die Genauigkeit von späteren Messungen. Im Grunde kann aber auch ein Filterbereich einer Gruppe von Aperturen zugeordnet sein. Es ist also nicht dramatisch, wenn einzelnen Aperturen kein Filterbereich zugeordnet ist.
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Die Referenzmaske kann zusätzlich auch vollständig oder zumindest teilweise durch eine Filterbeschichtung bedeckt sein, die insbesondere streuende oder fluoreszierende Eigenschaften hat. Dies ist für den Fall von Vorteil, in dem die einfallende Welle eine besonders starke Verkippung aufweist, die dazu führt, dass bei einer rein transparenten Referenzmaske die Abbildungsoptik das Licht nicht erfassen und auf den Sensor transportieren oder abbilden kann. In diesem Fall führt eine Streuung oder Fluoreszenz dazu, dass dennoch die durch die Aperturmaske tretende Teilstrahlung wieder in eine Richtung gestreut wird, die von der Abbildungsoptik auf den Sensor gelenkt werden kann.
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Ein erfindungsgemäßer Hartmann-Shack-Sensor umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung, einen Bildsensor, z.B. einen CCD-Sensor, und eine Optik. Die Optik ist dabei so eingestellt, dass sie die Referenzmaske auf den Bildsensor abbildet. Im Grunde kann eine normale (Digital-)Kamera als Optik und Bildsensor verwendet werden, jedoch erzeugt die Optik von handelsüblichen Kameras oft eine Verzerrung des Bildes, insbesondere in den Randbereichen. Diese kann zwar später auf rechnerischem Wege kompensiert werden, vorteilhaft ist es jedoch, ein telezentrisches Objektiv als Optik zu verwenden. Dieser Sensor hat gegenüber bekannten Hartmann-Shack-Sensoren den Vorteil, dass ein weitaus kleinerer Bildsensor verwendet werden kann, bzw. mit einem gegebenen Bildsensor ein weitaus größerer Teil einer Wellenfront vermessen werden kann. Dies liegt in der Referenzmaske begründet. Da das Muster der Referenzmaske bekannt ist, kann anhand des auf der Aufnahme sichtbaren Musters der Filterbereiche der Referenzmaske die wahre Geometrie bei Auftreffen der Lichtwellenfront auf die Vorrichtung ohne Weiteres und sehr genau rekonstruiert werden.
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Bei einer Aufnahme eines Bildes durch einen erfindungsgemäßen Hartmann-Shack-Sensor wird die Referenzmaske, bzw. das durch die Referenzmaske durchscheinende Licht, auf dem Bildsensor abgebildet. Diese Abbildung ist bevorzugt verkleinert, was die Verwendung kleinerer Bildsensoren zur Aufnahme ermöglicht. Eine Auswertung der Bilder kann (ggf. nach einer vorangehenden Transformation auf die Größe der Referenzmaske) wie bei der Auswertung herkömmlicher Hartmann-Shack-Sensoren erfolgen, weil die Referenzmaske in diesem Fall die Rolle des Bildsensors der herkömmlichen Hartmann-Shack-Sensoren übernimmt. Verschiebungen von Intensitäten auf dem Bild der Referenzmaske lassen sich zu Neigungen der Lichtwellenfront zurückrechnen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hartmann-Shack-Sensoren ist die Referenzmaske jedoch z.B. nicht so anfällig gegenüber Verformungen, insbesondere thermischen Ausdehnungen.
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Erfindungsgemäß sind Aperturmaske und Referenzmaske mit einem Abstand A kleiner als 20 cm beabstandet, bevorzugt ist der Abstand jedoch kleiner als 10 cm, insbesondere kleiner als 5 cm. Im Grunde sollte der Abstand zwischen Aperturmaske und Referenzmaske multipliziert mit dem Vergrößerungsmaßstab des Abbildungsobjektives dem Abstand zwischen Lochmaske/Linsenmatrix und CCD-Bildsensor bei herkömmichen Hartmann-Shack-Sensoren entsprechen. Umfassen die Aperturen der Aperturmaske Linsen (im Folgenden genauer ausgeführt), dann sollte der Abstand Ader Brennweite der Linsen entsprechen. Sind die Aperturen der Aperturmaske nur Löcher, dann sollte der Abstand A so bemessen sein, dass sich im Rahmen der Messgenauigkeit eines Bildsensors ein Beugungsscheibchen ausbilden kann. Beugungsscheibchen, in der Optik als „Airy-Scheibchen“ (engl. „Airy disc“) bezeichnet, entstehen bei der Beugung eines Lichtstrahls an einer Apertur. Ihre Größe ist abhängig von der Größe der Apertur, der Wellenlänge des Lichtes und dem Betrachtungsabstand. Die Form des Scheibchens hängt von der Form der Apertur ab, insbesondere ist seine Größe umgekehrt proportional zur Größe der Apertur. Bei einer kreisförmigen Apertur ist das Beugungsscheibchen z.B. rotationssymmetrisch, mit einem zentralen Maximum (Maximum 0ter Ordnung) und schwachen, konzentrischen Ringen. Insbesondere diese Ringe sollten größer als ein unter der betreffenden Apertur ausgebildeten Filterbereich sein. Bei gegebener Lichtwellenlänge einer zu vermessenden Lichtwellenfront, und gegebener Größe der Filterbereiche und Aperturen sollte der Abstand A entsprechend gewählt werden. Der Abstand ist daher bevorzugt größer als 5 mm, insbesondere größer als 8 mm bevorzugt größer als 12 mm. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Filterbereich so groß wie die Halbwertbreite des des Beugungsscheibchens in 0ter Ordnung und direkt unter einer Apertur angeordnet, so dass das Beugungsscheibchen bei senkrechtem Einfall einer ebenen Wellenfront durch den Filterbereich im Wesentlichen überdeckt wird. In diesem Fall würde bei einem schrägen Einfall eines Bereichs einer Wellenfront ein Teil des Beugungsscheibchens durch den Transmissionsbereich zu sehen sein und generell (sowohl bei schrägem als auch bei bei senkrechtem Einfall) die Beugungsringe höherer Ordnung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Referenzmaske so gestaltet, dass senkrecht durch die Aperturen verlaufendes Licht im Wesentlichen durch die Filterbereiche verläuft und schräg durch die Aperturen verlaufendes oder von den Aperturen gebeugtes Licht zumindest teilweise durch einen Transmissionsbereich verlaufen kann. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere die Teile einer Lichtwellenlänge, die nicht einer ebenen Welle entsprechen, die senkrecht auf die Vorrichtung trifft, vermessen werden können und nicht von diesen ebenen Anteilen überstrahlt werden.
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Die Anordnung von Filterbereichen unter den Aperturen hat den Vorteil, dass die Filterbereiche bei nahezu parallel einfallender Strahlung homogen ausgeleuchtet und erfasst werden können. Kleinste Verschiebungen von dem als Kalibration dienenden Filterbereich, sind dadurch erkennbar, während bei größeren Neigungen der Wellenfrontbereiche die gleichzeitige Sichtbarkeit der Kalibrationsposition für eine gleichbleibend hohe relative Messgenauigkeit nicht zwingend erforderlich ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt das Muster der Referenzmaske im Wesentlichen eine inverse Kopie des Musters der Aperturmaske dar. Dies hat den Vorteil, dass die beiden Masken sehr einfach und mit einer sehr hohen Präzision als zueinander invertierte Muster hergestellt werden können. Die Formulierung „im Wesentlichen“ bedeutet hier, dass kleinere Abweichungen auftreten können, jedoch bei einer Überlagerung der beiden Muster weniger als 10% der Flächen der Zwischenräume der Aperturen (also hier das undurchsichtige Material der Aperturmaske) und der Flächen der Filterbereiche überlappen (bei minimalem Überlapp), insbesondere weniger als 5% oder gar weniger als 1 %, bzw. der fehlende Überlapp (also die Flächen der Aperturen und der Transmissionsbereiche) entsprechend klein ist. In dieser Ausführungsform weist die Referenzmaske im Wesentlichen dort, wo die erste Aperturmaske Aperturen umfasst, Filterbereiche auf und umgekehrt.
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In dem Fall, in dem das Muster der Referenzmaske im Wesentlichen eine inverse Kopie des Musters der Aperturmaske darstellt, ist auch ein sehr einfaches Fertigungsverfahren für die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt, welches ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren ist. Dieses Herstellungsverfahren umfasst die Schritte:
- - Auftragen von Filterbereichen einer Referenzmaske auf einem ersten durchsichtigen Trägermaterial,
- - Bereitstellen eines zweiten durchsichtigen Trägermaterials, welches mit einer photosensitiven Beschichtung versehen ist. Sofern die photosensitive Beschichtung später nicht den Zwischenraum zwischen den Aperturen darstellen soll, weist das Trägermaterial unter der photosensitiven Beschichtung bevorzugt eine weitere, im Wesentlichen lichtundurchlässige Beschichtung auf.
- - Anordnen der Referenzmaske auf oder direkt über der photosensitiven Beschichtung.
- - Anfertigen einer Kontaktkopie der Referenzmaske auf dem zweiten durchsichtigen Trägermaterial. Dies wird bevorzugt durch Belichten der Referenzmaske erreicht, wodurch auf der photosensitiven Beschichtung ein Negativ des Musters der Referenzmaske entsteht. Bevorzugt findet nun ein Entwicklungsschritt statt, in dem die Aperturen der Aperturmaske entstehen. Die photosensitive Beschichtung kann als Zwischenraum zwischen den Aperturen wirken, es ist aber auch bevorzugt, dass der Entwicklungsschritt einen abtragenden Prozess für die lichtundurchlässige Beschichtung umfasst und die photosensitive Beschichtung anschließend insbesondere entfernt wird.
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Zuletzt werden die beiden Trägermaterialien so gedreht, dass die den beiden Masken zugewandten Seiten nun einander abgewandt sind und die Trägermatierialien fest zueinander fixiert werden, bevorzugt durch Verbinden (z.B. Verkleben) der beiden Trägermaterialien.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Filterbereiche der Referenzmaske Filterelemente der Gruppe Binärmaskenelemente, Graumaskenelemente, Spektral-selektive Maskenelemente, Streuende Maskenelemente, Fluoreszenz und Hybridmaskenelemente.
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Ein Binärmaskenelement ist so gestaltet, dass es im Wesentlichen kein Licht durchtreten lässt. Dort, wo sich in der Referenzmaske Binärmaskenelemente befinden, wird also Licht abgeblockt, dort wo sich Transmissionsbereiche befinden, kann es durchtreten. Eine mit Binärmaskenelementen versehene Referenzmaske kann auch als „Punktmaske“ bezeichnet werden. Ein bevorzugtes Binärmaskenelement umfasst einen Lack bzw. Metall, insbesondere „Black Chromium“, eine antireflektiv wirkende Mehrfachschicht aus Chrom und Chromoxiden, bzw. eine entsprechend dicke Chromschicht.
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Ein Graumaskenelement ist so gestaltet, dass es nur einem Bruchteil der Intensität von auftreffendem Licht durchtreten lässt. Dort wo sich in der Referenzmaske Graumaskenelemente befinden, wird also Licht abgeschattet, dort wo sich Transmissionselemente befinden, kann es (insbesondere ungehindert) durchtreten. Eine mit Graumaskenelementen versehene Referenzmaske kann als „abschwächende Punktmaske“ bezeichnet werden. Ein bevorzugtes Graumaskenelement umfasst einen Lack bzw. Metall, insbesondere eine dünne Chromschicht, die mehr als 10% der auftreffenden Intensität, insbesondere mehr als 30% durchlässt. Sie lässt aber auf der anderen Seite bevorzugt weniger als 90% der auftreffenden Intensität, insbesondere weniger als 70% durch.
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Spektral-selektive Maskenelemente lassen nur einen spektralen Anteil der auftreffenden Intensität durch, dabei wird in Abhängigkeit von der Wellenlänge ein Teil des Lichts geblockt bzw. abgeschwächt und ein anderer Teil durchgelassen.
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Bevorzugte spektral-selektiven Maskenelemente umfassen Edgepass-Filter (Longpass-Filter und/oder Shortpass-Filter) und/oder Bandpass-Filter.
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Streuende Maskenelemente streuen das auftreffende Licht bei dessen Durchgang durch dieses Maskenelement.
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Fluoreszenzmaskenelemente können auf auftreffendes Licht wie eines der vorangehend beschriebenen Maskenelemente wirken. Sie umfassen jedoch ein fluoreszierendes Material, was insbesondere in Form einer zusätzlichen Fluoreszenzschicht vorliegt. Fluoreszenzmaskenelemente haben den Vorteil, dass sie für eine verbesserte Kalibration verwendet werden können wie weiter unten beschrieben wird. Die Fluoreszenzmaskenelemente können dabei insbesondere als kleinere Bereiche auf einem größeren anderen Maskenelement (z.B. einem Binärmaskenelement) aufgebracht sein.
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Hybridmaskenelemente stellen Mischformen von Maskenelementen, insbesondere der vorangehend beschriebenen Maskenelemente, dar, z.B. eine Mischform aus Grau- und Fluoreszenzmaske.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Aperturen der Aperturmaske Löcher (die Aperturmaske kann in diesem Fall auch als „Lochmaske“ bezeichnet werden). Alternativ können sie auch (diffraktive oder refraktive) Linsen umfassen oder als Linsen ausgestaltet sein, z. B. als (Phasen- oder Amplituden-) Fresnel-Zonenplatten. Als „Apertur“ im Sinne der Erfindung kann also auch eine Apertur bezeichnet werden die Licht fokussiert. Eine Linsenmatrix wäre in diesem Sinne auch eine Aperturmaske.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich zwischen der Aperturmaske und der Referenzmaske ein durchsichtiges Trägermaterial, bevorzugt Glas. Dieses Trägermaterial kann (ggf. segmentiert) den gesamten Zwischenraum ausfüllen oder auch nur einem Teil, wobei es bevorzugt ist, dass in diesem Fall der gesamte Zwischenraum von einem uniformen, durchsichtigen Material gefüllt ist, damit keine Störungen an Grenzflächen bzw. Übergängen zwischen unterschiedlichen Brechungsindices innerhalb der Vorrichtung stattfinden. Das Trägermaterial dient vorteilhaft einer besseren Robustheit und einer besseren thermischen Uniformität.
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Aperturmaske und/oder Referenzmaske sind bevorzugt auf einem durchsichtigen Trägermaterial, z.B. Glas aufgebracht. Diese können also auf gegenüberliegenden Seiten des vorbeschriebenen Trägermaterials aufgebracht sein, sie können aber auch jede auf einem separaten Träger(material) aufgebracht sein. Sind beide Masken auf separaten Trägern aufgebracht, sind in der Vorrichtung die den Masken jeweils abgewandten Seiten der Träger bevorzugt miteinander verbunden, insbesondere mit einem Klebstoff mit gleichen Brechungsindex wie eines der Trägermaterialien, wobei die Trägermaterialien in diesem Falle den gleichen Brechungsindex haben sollten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Aperturen der Aperturmaske im Wesentlichen alle gleich geformt und/oder gleich groß. Bevorzugt sind die (größten) Durchmesser der Aperturen kleiner als 500 µm, insbesondere kleiner als 100 µm, besonders bevorzugt kleiner als 50 µm. Damit genügend Licht durch die Aperturmaske durchfällt, sollte der Flächenanteil der Aperturen bezüglich der Gesamtfläche der Aperturmaske größer als 0,5%, bevorzugt größer als 10% sein.
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Bevorzugt stellt das Muster aus Aperturen und/oder das Muster der Filterbereiche ein regelmäßiges Muster dar, insbesondere in Form einer Matrix.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind Aperturmaske und Referenzmaske ebene Flächen. Dies hat den Vorteil, dass sie so einfach herstellbar sind.
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Es ist aber generell von Vorteil, wenn bei einer zu vermessenden Lichtwellenfront mit vorbekannter Grundform Aperturmaske und Referenzmaske gemäß dieser Grundform geformt sind. Dies hat den Vorteil, dass bei späteren Messungen Abweichungen von der vorbestimmten Form sehr einfach erkannt werden können. Bei einer ebenen Grundform sind die vorbeschriebenen ebenen Flächen diesbezüglich von Vorteil. Soll aber beispielsweise eine vorbekannte gewölbte Wellenfront vermessen werden, wäre es von Vorteil, wenn auch Aperturmaske und Referenzmaske entsprechend gewölbt sind, oder aber die Referenzmaske an zuvor berechneten Positionen entsprechende Filterbereiche trägt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Lichtquelle auf, z.B. eine (UV-) LED, welche so angeordnet ist, dass sie Licht in den Raum zwischen Aperturmaske und Referenzmaske, insbesondere in ein durchsichtiges Trägermaterial, einstrahlen kann. Dabei ist eine seitliche Einstrahlung bevorzugt. Dies ist für eine Kalibration vorteilhaft, wie sie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird.
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Im Rahmen der Erfindung kann auch ein besonderes Verfahren zur Kalibration des erfindungsgemäßen Hartmann-Shack-Sensors angewandt werden. Dazu ist es besonders bevorzugt, wenn die Referenzmaske fluoreszierende Filterbereiche aufweist, die von der vorgenannten Lichtquelle zur Fluoreszenz angeregt werden können. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte.
- - Einstrahlung einer Referenz-Lichtwellenfront
Die Referenz-Lichtwellenfront triff dabei von oben auf die Aperturmaske. Die Referenz-Lichtwellenfront sollte ein möglichst ideale Wellenfront aufweisen, also bei Ausführung von Aperturmaske und Referenzmaske als flache Ebenen eine ebene Welle sein. Im Grunde kann aber eine beliebige Wellenfront verwendet werden, da die Abweichungen von der idealen Wellenfront auch durch Rechnung kompensiert werden kann.
- - Aufnahme eines Bildes
Mit dem Bildsensor wird ein Bild angefertigt. Das Bild wird wie bei einer normalen Messung eine Abbildung der Referenzmaske durch Optik auf den Bildsensor dar.
- - Seitliche Einstrahlung von Licht
Das Licht wird von der vorgenannten Lichtquelle (z.B einer UV-LED) seitlich in den Zwischenraum zwischen Aperturmaske und Referenzmaske eingestrahlt. Die Lichtwellenlänge kann dabei bei Verwendung eines vorgenannten fluoreszierenden Maskenelements vorteilhaft so gewählt werden, dass das Maskenelement zur Fluoreszenz angeregt wird.
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Es kann hier nun vor dem folgenden Schritt, ein Stoppen der Einstrahlung der Referenz-Lichtwellenfront von oben auf die Aperturmaske stattfinden. Dies hat den Vorteil, dass die Rechnungen zur Kalibration einfacher werden. Im Grunde ist dies aber nicht unbedingt notwendig.
- - Aufnahme eines weiteren Bildes
Diese Aufnahme erfolgt mit dem Bildsensor wie vorangehend beschrieben.
- - Stoppen der seitlichen Einstrahlung von Licht
Es wird nun kein Licht mehr seitlich in den Zwischenraum zwischen Aperturmaske und Referenzmaske eingestrahlt, so dass eine Folgeaufnahme nicht mehr diesen Lichtanteil umfasst.
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Bevorzugt werden auf diese Weise weitere Aufnahmen durch Wiederholung der Schritte über eine (große) Anzahl von Messungen angefertigt. Je größer die Anzahl der Messungen ist (insbesondere 1000 oder mehr oder gar 10000 oder mehr), desto genauer ist die erreichbare Kalibration.
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Zuletzt erfolgt eine statistische Auswertung der aufgenommenen Bilder.
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Es sei abschließend angemerkt, dass die Bezeichnungen „ein“ bzw. „eine“ ein „mindestens ein“ bzw. „mindestens eine“ umfassen.
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Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Abbildungen schematisch dargestellt.
- 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
- 2 zeigt eine Aperturmaske einer bevorzugten Ausführungsform.
- 3 zeigt eine Referenzmaske einer bevorzugten Ausführungsform.
- 4 zeigt einen bevorzugten Hartmann-Shack-Sensor.
- 5 zeigt ein Blockschaltbild eines bevorzugten Kalibrierverfahrens.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Oben ist eine Aperturmaske 1 angeordnet und unten eine Referenzmaske 2. Beide Masken sind als ebene Flächen ausgeführt und parallel zueinander angeordnet. Der Abstand zwischen Aperturmaske 1 und Referenzmaske 2 könnte beispielsweise 12,5 mm betragen. Die Aperturmaske 1 zeigt ein regelmäßiges Muster aus Aperturen 1a, die hier beispielsweise einfache Löcher sein können. Die Referenzmaske 2 zeigt als „Negativbild“ der Aperturmaske 1 ein Muster aus Filterbereichen 2a die in einem Transmissionsbereich 2b liegen. Die Aperturmaske 1 und Referenzmaske 2 sind also hier als Lochmaske und Punktmaske ausgeführt, wobei die Punkte in diesem Beispiel exakt unter den Löchern angeordnet sind. Zwischen der Aperturmaske 1 und der Referenzmaske 2 ist ein Trägermaterial 3 angeordnet, auf das in diesem Beispiel die Aperturmaske 1 und die Referenzmaske 2 aufgebracht sind. Seitlich im Trägermaterial 3 ist eine Lichtquelle 4 angeordnet die Licht in den Raum zwischen Aperturmaske 1 und Referenzmaske 2, einstrahlen, also das Trägermaterial 3 ausleuchten, kann.
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2 zeigt eine Aperturmaske 1, die hier eine Matrix aus Mikrolinsen umfasst und auf einem Trägermaterial 3 aufgebracht ist. Beispielsweise kann die Aperturmaske 1 auf das Trägermaterial 3 aufgeklebt werden, oder mittels eines Fertigungsverfahrens auf das Trägermaterial aufgebracht werden. Es ist auch möglich das Linsenmuster in die Oberfläche des Trägermaterials einzubringen, z.B. durch bekannte abtragende oder formende Verfahren.
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3 zeigt eine Referenzmaske 2 die ebenfalls auf einem Trägermaterial 3 aufgebracht ist. Die Filterbereiche 2a und Transmissionsbereiche 2b können auf das Trägermaterial beispielsweise aufgedruckt oder mittels eines photographischen Verfahrens aufgebracht werden. Dies gilt im Übrigen auch für die Aperturmaske 1.
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Die Trägermaterialien 3 der Ausführungsformen der 2 und 3 können mit den der jeweiligen Maske gegenüberliegenden Seiten miteinander verklebt werden, um eine erfindungsgemäße Vorrichtung zu formen.
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4 zeigt einen bevorzugten Hartmann-Shack-Sensor. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfassend eine Aperturmaske 1, eine Referenzmaske 2 die auf einem Trägermaterial 3 angeordnet sind (wobei das Trägermaterial 3 bei entsprechend stabiler Ausführung der Masken nicht unbedingt notwendig ist). Seitlich am Trägermaterial 3 ist eine Lichtquelle 4 angeordnet, die Licht in das Trägermaterial 3 zwischen Aperturmaske 1 und Referenzmaske 2 einstrahlen kann. Fällt eine Lichtwellenfront 7 auf die Vorrichtung wird die Referenzmaske entsprechend der Form der Lichtwellenfront 7 und der Form der Aperturmaske 1 beleuchtet. Das Licht, welches durch die Transmissionsbereiche 2b der Referenzmaske 2 fällt, wird durch die Optik 5, die hier durch eine einfache Linse dargestellt wird, aber bevorzugt eine telezentrische Optik ist, auf den Bildsensor 6 geführt. Dabei bildet die Optik 5 die Referenzmaske 2 auf den Bildsensor 6 ab.
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5 zeigt ein Blockschaltbild eines bevorzugten Kalibrierverfahrens eines Hartmann-Shack-Sensors, wie er z. B. in 4 dargestellt ist.
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In Schritt I erfolgt eine Einstrahlung einer Referenz-Lichtwellenfront 7 von oben auf die Aperturmaske 1, wie z.B. in 4 dargestellt ist.
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In Schritt II erfolgt eine Aufnahme eines Bildes mit dem Bildsensor 6,
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In Schritt III erfolgt eine Einstrahlung von Licht durch die Lichtquelle 4 seitlich in den Zwischenraum zwischen Aperturmaske 1 und Referenzmaske 2.
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In Schritt IV erfolgt eine Aufnahme eines weiteren Bildes mit dem Bildsensor 5.
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In Schritt V wird die Lichtquelle 4 ausgeschaltet und eine Einstrahlung von Licht seitlich in den Zwischenraum zwischen Aperturmaske 1 und Referenzmaske 2 findet nicht mehr statt. Bevorzugt wird bei Verwendung eines fluoreszierenden Maskenelements noch gewartet, bis die Fluoreszenz erlischt.
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Nach Schritt V erfolgt optional eine Wiederholung der Schritte über eine Anzahl von Messungen.
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In Schritt VI erfolgt eine statistische Auswertung der aufgenommenen Bilder.
