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Die Erfindung betrifft einen Wellenfrontsensor sowie eine Vorrichtung zum Aufbau eines Wellenfrontsensors und ein Kalibrierungsverfahren für einen solchen Wellenfrontsensor.
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Wellenfrontsensoren (oftmals auch als Hartmann-Shack-Sensoren bezeichnet) 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 Wellenfront-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 Wellenfront-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 einen verbesserten Wellenfrontsensor zur Verfügung zu stellen bzw. eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels derer ein verbesserter Wellenfrontsensor aufgebaut werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen gelöst.
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Ein erfindungsgemäßer Wellenfrontsensor umfasst eine flächige Aperturmaske mit einer Anzahl von Aperturen, einen Bildsensor, z.B. einen CCD-Sensor, eine Referenzmaske mit Referenzpunkten und eine Optik zwischen Aperturmaske und Bildsensor. Die Optik ist dabei so eingestellt, dass sie eine Objektebene zwischen der Optik und der Aperturmaske auf den Bildsensor abbildet, wobei diese Objektebene von der Aperturmaske beabstandet ist.
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Als Optik und Bildsensor könnte im Grunde eine normale (Digital-)Kamera 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 Wellenfrontsensoren den Vorteil, dass ein weitaus kleinerer Bildsensor verwendet werden kann, bzw. mit einem gegebenen Bildsensor ein weitaus größerer Teil einer Wellenfront vermessen werden kann.
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Durch die Aperturmaske tritt bei einer bestimmungsgemäßen Messung die zu vermessende Lichtwellenfront. Entsprechend der Form der Lichtwellenfront an einer der Aperturen der Aperturmaske tritt Licht unter einem bestimmten Winkel durch diese Apertur hindurch und verläuft unter einem entsprechenden Austrittswinkel in Richtung Optik. Unterschiedliche Formen der Wellenfront führen zu unterschiedlichen Austrittswinkeln.
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Auf dem Weg zur Optik durchqueren die Lichtstrahlen dann die Objektebene. Diese Objektebene wird durch die Optik auf den Bildsensor (scharf) abgebildet.
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Bevorzugt sind Aperturmaske und Objektebene mit einem Abstand A kleiner als 200 cm beabstandet, besonders bevorzugt ist der Abstand jedoch kleiner als 50 cm, insbesondere kleiner als 10 cm. Im Grunde sollte der Abstand zwischen Aperturmaske und Objektebene multipliziert mit dem Vergrößerungsmaßstab des Abbildungsobjektives (der Optik) dem Abstand zwischen Lochmaske/Linsenmatrix und CCD-Bildsensor bei herkömmlichen Hartmann-Shack-Sensoren entsprechen. Umfassen die Aperturen der Aperturmaske Linsen (weiter unten genauer ausgeführt), dann sollte der Abstand A der 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. Der Abstand ist daher bevorzugt größer als 5 mm, insbesondere größer als 8 mm, bevorzugt größer als 12 mm.
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Der Abstand zwischen Aperturmaske und Objektebene führt dazu, dass die Aperturen unscharf auf dem Bildsensor abgebildet werden. Das Licht, welches durch die Aperturmaske bei einer Messung hindurchtritt, trifft also in Form von „Lichtflecken“ auf den Bildsensor. Die Schwerpunkte dieser Lichtflecken können berechnet werden und daraus bei bekannter Position der Aperturen die Austrittswinkel je Apertur berechnet werden. Die Referenzmaske dient dazu, Ungenauigkeiten in der Apparatur zu reduzieren bzw. die („Null“) Position der Lichtflecken (z.B. bei exakt senkrechtem Austritt der Lichtstrahlen aus der Aperturmaske) genau festzulegen. Da das Muster der Referenzmaske bekannt ist, kann anhand des bei der Aufnahme bekannten Musters der Referenzmaske die wahre Geometrie bei Auftreffen der Lichtwellenfront auf die Vorrichtung ohne Weiteres und sehr genau rekonstruiert werden.
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Die Referenzmaske umfasst Referenzpunkte und kann rein virtuell sein, aber auch eine sichtbare Maske darstellen. Im virtuellen Fall definiert die Referenzmaske ein Koordinatensystem, welches durch den Bildsensor festgelegt wird. Beispielsweise können die Koordinaten der Pixel des Bildsensors eine Referenzmaske darstellen, wobei die Koordinatenpunkte der Pixel (z.B. Eckpunkte oder Mittelpunkte) die Referenzpunkte wären. Im realen Fall ist die Referenzmaske zwischen Optik und Aperturmaske positioniert, besonders bevorzugt auf der Objektebene oder zwischen Objektebene und der Aperturmaske, so dass sie durch die Optik auf dem Bildsensor abgebildet wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Referenzmaske parallel zur Objektebene, besonders bevorzugt an der Position der Objektebene. Sie wird also in letzterem Falle scharf auf dem Bildsensor abgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die Referenzmaske auf der Rückseite der Aperturmaske. Die Referenzmaske ist dabei in einer bevorzugten Ausgestaltung von der Aperturmaske beabstandet. Eine solche Ausführungsform wird weiter unten genauer beschrieben. In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung sind die Referenzpunkte der Referenzmaske nicht von den Aperturen beabstandet. Sie sind also auf der Rückseite der Aperturmaske aufgebracht. In diesem Falle sind die Referenzpunkte reflektierend in einem nichtreflektierenden Umfeld, selbstleuchtend oder fluorezierend zwischen den Aperturen angeordnet.
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Selbstverständlich kann auch bei der Verwendung einer sichtbaren Referenzmaske zusätzlich eine virtuelle Referenzmaske, z.B. die Koordinaten der Pixel des Bildsensors verwendet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei oder mehr Referenzmasken in unterschiedlichen Abständen zur Aperturmaske angeordnet. Beispielsweise kann eine erste Referenzmaske auf der Rückseite der Aperturmaske oder nahe bei der Aperturmaske angeordnet sein und eine zweite Referenzmaske in der Objektebene oder nahe bei der Objektebene angeordnet sein. Dies hat den Vorteil dass die Genauigkeit von Messungen verbessert werden kann.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Aufbau eines verbesserten Wellenfrontsensors 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 Referenzpunkten auf.
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Die Referenzpunkte sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform so angeordnet, dass der wesentliche Teil des Musters der Referenzmaske innerhalb der senkrechten Projektion der Aperturmaske liegt. Die Referenzpunkte sind also bezüglich eines Bildes auf dem Bildsensor genau an der Position der Aperturen der Aperturmaske angeordnet. In diesem Falle können die Referenzpunkte auch als „Filterbereiche“ bezeichnet werden, welche in der Referenzmaske von Transmissionsbereichen begrenzt sind, weshalb die Referenzmaske in diesem Fall auch als „Filtermaske“ bezeichnet werden könnte.
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Durch die Aperturmaske soll beim Einsatz in einem Wellenfrontsensor 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 Objektebene (oder auf der Referenzmaske, wenn die Referenzmaske in der Objektebene liegt) lässt sich die Neigung der Lichtwellenfront erkennen, wobei die Filterbereiche der Referenzmaske hier Referenzbereiche bilden, da sie zusammen mit den Aperturen stets ein unveränderliches Muster bilden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Referenzpunkte so angeordnet, dass der wesentliche Teil des Musters der Referenzmaske außerhalb der (senkrechten) Projektion der Aperturmaske liegt. Die Referenzpunkte sind also bezüglich eines Bildes auf dem Bildsensor genau zwischen den Aperturen der Aperturmaske angeordnet. In diesem Falle werden die Referenzpunkte im Allgemeinen nicht von einer zu vermessenden Lichtwellenfront beleuchtet und es ist bevorzugt, dass die Referenzpunkte durch eine zusätzliche Beleuchtung beleuchtet werden. Dies kann durch eine Beleuchtungseinheit erreicht werden, wie sie im Folgenden ausführlicher erklärt wird, wobei in diesem Fall die Referenzpunkte bevorzugt reflektierend gestaltet sind („Reflexionspunkte“), oder dadurch, dass die Referenzpunkte so ausgestaltet sind, dass sie Licht emittieren können (z.B. weil sie fluoreszierend gestaltet sind oder aktive Leuchtmittel umfassen). In diesem Fall können die Referenzpunkte auch als „Leuchtpunkte“ bezeichnet werden.
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Das von den Referenzpunkten stammende (erzeugte oder reflektierte) Licht wird vom Bildsensor gemessen. Durch Mittelpunktbildung dieser Messungen kann ein Koordinatensystem gebildet werden. Aus den Positionen der oben genannten Mittelpunkte der von den Aperturen hervorgerufenen Lichtflecken innerhalb dieses Koordinatensystems kann die Form der auftreffenden Wellenfront ermittelt werden.
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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 Wellenfrontsensor. 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 Wellenfrontsensor 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, bevorzugt bezüglich dem gesamten Bereich der Referenzmaske) Referenzpunkte außerhalb der senkrechten Projektion der Aperturen auf der Referenzmaske angeordnet sind (also von oben betrachtet durch die Aperturen hindurch nicht sichtbar sind). Dies hat den Vorteil, dass bei einem Einsatz der Vorrichtung in einem Wellenfrontsensor möglichst viel Licht zur Messung benutzt werden kann, was insbesondere bei einem sehr schwachen Lichtfeld vorteilhaft ist. Dadurch, dass der gesamte Bereich der Aperturen von einem Bildsensor erfasst werden kann, ist auf einfache Weise eine Berechnung der Schwerpunkte der von dem Bildsensor erfassten „Lichtverteilungen“ der Aperturen möglich. Die Referenzpunkte werden bei dieser Alternative bevorzugt durch eine zusätzliche Beleuchtung (z.B. durch die im Folgenden beschriebene Beleuchtungseinheit) beleuchtet und sind dann ebenfalls sehr gut auf der Aufnahme identifizierbar. Auch hier können die Schwerpunkte der Lichtverteilungen, welche durch Reflexion des Lichtes der Beleuchtungseinheit an den Referenzpunkten entstehen, auf dem Bildsensor ermittelt werden.
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Bevorzugt ist auch eine Kombination der vorangehenden Alternativen. Dabei ist ein Teil der Referenzpunkte unter den Aperturen angeordnet („Filterbereiche“) und ein Teil der Referenzpunkte außerhalb der Aperturen.
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Da die Referenzpunkte in der Regel nicht im leeren Raum schweben können sind die Referenzpunkte in der Vorrichtung bevorzugt 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 Referenzpunkten (bzw. Filterbereichen). Ein Transmissionsbereich kann ein Material mit einer hohen Transmission umfassen. Bevorzugt sind die Referenzpunkte (z.B. 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 Referenzpunkte (z.B. 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 Referenzpunkte (z.B. 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 Referenzpunkte (z.B. die Filterbereiche) auch komplett von den Transmissionsbereichen umgeben sein.
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Bevorzugt ist im Wesentlichen jeder Apertur ein Referenzpunkt (z.B. ein Filterbereich) zugeordnet und/oder es ist jedem Zwischenraum zwischen Aperturen ein Referenzpunkt zugeordnet. Dies erhöht die Genauigkeit von späteren Messungen. Im Grunde kann aber auch ein Referenzpunkt (z.B. ein Filterbereich) einer Gruppe von Aperturen zugeordnet sein. Es ist also nicht dramatisch, wenn einzelnen Aperturen kein Referenzpunkt (z.B. ein 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 bevorzugter Wellenfrontsensor umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung
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Bei einer Aufnahme eines Bildes durch einen erfindungsgemäßen Wellenfrontsensor wird bevorzugt die Referenzmaske, bzw. das durch die Referenzmaske durchscheinende Licht, auf dem Bildsensor abgebildet oder es wird bevorzugt eine Objektebene zwischen Referenzmaske und Optik auf dem Bildsensor abgebildet (in diesem Falle wäre die Referenzmaske unscharf). 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 (bzw. die Objektebene) 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 weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Referenzmaske so gestaltet, dass senkrecht durch die Aperturen verlaufendes Licht im Wesentlichen durch die Transmissionsbereiche (und nicht durch die Referenzpunkte) verläuft und zudem schräg durch die Aperturen verlaufendes oder von den Aperturen gebeugtes Licht bevorzugt ebenfalls im Wesentlichen durch die Transmissionsbereiche verläuft (und ebenfalls nicht auf einen Referenzpunkt trifft). Dies hat den Vorteil, dass möglichst viel Licht von einem Bildsensor aufgenommen werden und sehr einfach der Schwerpunkt der auf den Bildsensor treffenden Lichtverteilungen bestimmt werden kann.
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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 Referenzpunkte (z.B. 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, Referenzpunkte (z.B. Filterbereiche) auf und umgekehrt. Durch eine Verschiebung einer solchen Referenzmaske um die Hälfte der Abstände der Aperturen zu der Aperturmaske (in beiden Dimensionen der jeweiligen Ebene) können die Referenzpunkte (z.B. Filterbereiche) genau zwischen den Aperturen angeordnet werden.
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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 Referenzpunkten (z.B. 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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Bevorzugt werden die beiden Masken so zueinander verschoben, dass die Referenzpunkte (z.B. Filterbereiche) genau zwischen Aperturen positioniert werden. Alternativ werden die Masken zueinander bevorzugt so positioniert, dass die Referenzpunkte (z.B. Filterbereiche) genau unter den Mittelpunkten der Aperturen liegen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Referenzpunkte (z.B. Filterbereiche) der Referenzmaske Filterelemente der Gruppe Binärmaskenelemente, Graumaskenelemente, Spektral-selektive Maskenelemente, Streuende Maskenelemente, Fluoreszenzmaskenelemente, Leuchtelemente, Teildurchsichtige Elemente 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. 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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Leuchtelemente sind Elemente, die Leuchtmittel (chemische oder elektrische) umfassen, wobei Leuchtdioden (ggf. mit einer Linsenoptik) bevorzugt sind.
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Teildurchsichtige Elemente sind Referenzpunkte, welche flächig ausgeführt sind (z.B. wie die vorgenannten Elemente), jedoch in ihrem Inneren durchsichtig sind. Bevorzugt ist das Material eines solchen Elements ringförmig um einen durchsichtigen Bereich der Referenzmaske herum angeordnet. Dies hat den Vorteil dass eine Beleuchtung eines solchen Referenzpunktes von hinten bessere Ergebnisse auf dem Bildsensor liefert. Man könnte auch sagen, dass ein Referenzpunkt eine Apertur in seinem Inneren (bevorzugt seinem Zentrum) aufweist.
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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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Bevorzugt sind die Referenzpunkte (z.B. die Filterbereiche) an der Seite, die bestimmungsgemäß dem Bildsensor zugewandt ist, verspiegelt. Dazu weisen sie an dieser Seite bevorzugt eine reflektierende Schicht auf, insbesondere eine Chromschicht. Bevorzugt ist die Seite der Referenzpunkte (z.B. der Filterbereiche) , die den Aperturen zugewandt ist, nichtreflektierend. Diese Seite umfasst bevorzugt eine Oberfläche aus low reflective Chromium (LRC).
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Die Aperturmaske ist bevorzugt an der Seite, die bestimmungsgemäß dem Bildsensor zugewandt ist, nichtreflektierend. Diese Seite umfasst bevorzugt eine Oberfläche aus low reflective Chromium (LRC).
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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. Die Aperturen können beliebig geformt sein, sind aber bevorzugt rund.
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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 Referenzpunkte (z.B. 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 Referenzpunkte (z.B. Filterbereiche) trägt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung der Referenzmaske auf. Die Beleuchtungseinheit umfasst eine Lichtquelle, z.B. eine (UV-) LED, und ist so ausgestaltet, dass sie Licht in den Raum zwischen Aperturmaske und Referenzmaske, insbesondere in ein durchsichtiges Trägermaterial, einstrahlen kann und/oder Licht auf die äußere Oberfläche der Referenzmaske strahlen kann, insbesondere senkrecht zur Oberfläche der Referenzmaske. Die Beleuchtungseinheit kann alleine die Lichtquelle umfassen (und dann auch nur als „Lichtquelle“ bezeichnet werden), sie kann aber auch zusätzlich noch eine Anzahl optischer Elemente wie z.B. Elemente der Gruppe Spiegel, Prismen, Lichtleiter, Strahlteiler und Linsen, insbesondere Kondensorlinsen, umfassen.
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Bevorzugt ist eine Beleuchtungseinheit so ausgestaltet, dass eine seitliche Einstrahlung von Licht durch eine seitlich angeordnete Lichtquelle in den Raum zwischen Referenzmaske und Bildsensor erfolgt und dieses Licht, insbesondere durch einen Spiegel oder einen Strahlteiler, auf die Oberfläche der Referenzmaske gelenkt wird. Das Licht verläuft bevorzugt zusätzlich durch eine Kondensorlinse.
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Alternativ kann auch eine Einstrahlung des Lichtes von Seiten des Bildsensors direkt auf die Oberfläche der Referenzmaske erfolgen, z.B. durch eine Lichtquelle, die über der Referenzmaske angeordnet ist (z.B. neben einem Bildsensor).
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Wird die Referenzmaske von Seiten des Bildsensors beleuchtet, ist es vorteilhaft, wenn die Referenzpunkte (z.B. die Filterbereiche) dieses Licht gut reflektieren. Dazu weisen sie bevorzugt eine reflektierende Oberfläche auf, z.B. eine Chromschicht. In einer bevorzugten Vorrichtung zum Aufbau eines Wellenfrontsensors sind also die Referenzpunkte (z.B. die Filterbereiche) bevorzugt an der Außenseite der Referenzmaske verspiegelt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung (bzw. die Beleuchtungseinheit) 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 Wellenfrontsensors angewandt werden. Dazu ist es besonders bevorzugt, wenn die Referenzmaske fluoreszierende Referenzpunkte (z.B. 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 trifft 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 stellt wie bei einer normalen Messung eine Abbildung der Referenzmaske durch Optik auf den Bildsensor dar.
- - Einstrahlung von Licht
Nun wird Licht von einer Lichtquelle (einer Beleuchtungseinheit) eingestrahlt, damit die Referenzpunkte besser von dem Bildsensor aufgenommen werden können. Dabei können die Referenzpunkte aus Richtung gegenüber des Bildsensors angeleuchtet im Gegenlicht erscheinen oder von der Seite des Bildsensors angeleuchtet Licht auf den Bildsensor reflektieren.
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Es erfolgt dafür bevorzugt einer der beiden nachfolgend beschriebenen Schritte:
- - Einstrahlung von Licht seitens des Bildsensors
Hier beleuchtet eine Lichtquelle direkt oder über optische Elemente abgelenkt, bevorzugt eine Kondensorlinse und einen Strahlteiler, die Referenzpunkte von Seiten des Bildsensors. Die Referenzpunkte sind bevorzugt auf dieser Seite reflektierend gestaltet, z.B. mittels einer Chromschicht.
- - Seitliche Einstrahlung von Licht in den Zwischenraum zwischen Aperturmaske und Referenzmaske
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.
- - (optional) Stoppen der seitlichen Einstrahlung von Licht in den Zwischenraum zwischen Aperturmaske und Referenzmaske
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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 Merkmale, die sich auf Aperturmaske und Referenzmaske des Wellenfrontsensors beziehen auch auf die Vorrichtung angewandt werden können und umgekehrt. Ferner umfassen Bezeichnungen wie „ein“ bzw. „eine“ ein „mindestens ein“ bzw. „mindestens eine“.
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Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Abbildungen schematisch dargestellt.
- 1 zeigt einen bevorzugten Wellenfrontsensor.
- 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
- 3 zeigt eine Aperturmaske einer bevorzugten Ausführungsform.
- 4 zeigt eine Referenzmaske einer bevorzugten Ausführungsform.
- 5 zeigt ein Blockschaltbild eines bevorzugten Kalibrierverfahrens.
- 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
- 7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einer besonderen Beleuchtung.
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1 zeigt einen bevorzugten Wellenfrontsensor. 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 eine Objektebene O scharf auf den Bildsensor 6 ab. Diese Objektebene O liegt hier zwischen der Referenzmaske 2 und der Optik 5 (und damit auch zwischen der Aperturmaske 1 und der Optik 5).
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2 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 Referenzpunkten (z.B. 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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3 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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4 zeigt eine Referenzmaske 2 die ebenfalls auf einem Trägermaterial 3 aufgebracht ist. Die Referenzpunkte (z.B. 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 3 und 4 können mit den der jeweiligen Maske gegenüberliegenden Seiten miteinander verklebt werden, um eine erfindungsgemäße Vorrichtung zu formen.
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5 zeigt ein Blockschaltbild eines bevorzugten Kalibrierverfahrens eines Wellenfrontsensors, wie er z.B. in 1 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 1 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 6.
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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.
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6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wie sie in der Praxis eine Anwendung finden könnte. Die Aperturmaske 1 und die Referenzmaske 2 sind zusammen mit der Optik 5 und dem Bildsensor 6 in einem Tubus 8 angeordnet, um die Apparatur möglichst stabil und unempfindlich gegen äußere Einwirkungen zu gestalten. Eine von vorne (hier von links) eintretende Lichtwellenfront 7 kann vermessen werden, wie vorangehend beschrieben wurde. In dem hier gezeigten Fall liegt die oObjektebene O im Bereich der Referenzmaske 2.
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In diesem Beispiel überlappen sich die Aperturen 1a und die Referenzpunkte 2a bewusst nicht, damit möglichst viel Licht, welches durch die Aperturen 1a fällt vom Bildsensor registriert werden und der Schwerpunkt (Mittelpunkt) der auf dem Bildsensor 6 auftretenden Lichtkreise (ein beispielhafter Strahlverlauf ist gestrichelt eingezeichnet) berechnet werden kann.
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7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einer besonderen Beleuchtung. Diese Figur basiert auf dem in 6 dargestellten Aufbau, wobei für eine bessere Übersicht die Objektebene O hier nicht eingezeichnet ist. Sie kann beispielsweise wie in der 6 im Bereich der Referenzmaske 2 liegen. Im Unterschied zu 6 ist hier zwischen der Referenzmaske 2 und der Optik 5 ein Strahlteiler 9 in den Tubus 8 eingesetzt worden und in den Wänden des Tubus 8 eine Kollimatorlinse 10 eingesetzt worden. Diese Kollimatorlinse 10 kollimiert das Licht einer Lichtquelle 4 an der Seite des Tubus auf die Referenzmaske 2 und beleuchtet dadurch die Referenzpunkte 2a der Referenzmaske 2 (gestrichelter Strahlverlauf). Das reflektierte Licht der beleuchteten Referenzpunkte (parallele Pfeile) verläuft zusätzlich zu dem Licht der Wellenfront durch die Aperturen (nicht eingezeichnet, siehe 6) durch den Strahlteiler hindurch (abzüglich eines reflektierten Anteils) und trifft auf den Bildsensor 6. Der Bildsensor nimmt also die durch die Aperturen 1a erzeugten beleuchteten Bereiche zusätzlich zu den hellen Reflexen von den Referenzpunkten 2a auf. Dieses Prinzip funktioniert am besten, wenn die Aperturmaske 1 an der der Referenzmaske zugewandten Seite keine reflektierende Oberfläche aufweist, so dass das Licht der Beleuchtungseinheit nicht von der Aperturmaske 1 reflektiert wird, sondern nur von den Referenzpunkten 2a, die vorzugsweise bildsensorseitig reflektierend (z.B. Chrom auf Glas) ausgeführt sind.
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Die (reflektierenden) Referenzpunkte 2a könnten auch auf der Rückseite der Aperturmaske 1 aufgebracht sein. Wichig ist aber dann, dass die Obejtebene O nicht auf der Aperturmaske 1 liegt, sondern erfindungsgemäß beabstandet ist, z.B. in der Position, welche in der 6 dargestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aperturmaske
- 1a
- Apertur
- 2
- Referenzmaske
- 2a
- Referenzpunkt / Filterbereich
- 2b
- Transmissionsbereich
- 3
- Trägermaterial
- 4
- Lichtquelle
- 5
- Optik
- 6
- Bildsensor
- 7
- Lichtwellenfront
- 8
- Tubus
- 9
- Strahlteiler
- 10
- Kollimatorlinse
- O
- Optische Achse
