DE112009000132B4

DE112009000132B4 - Instrument und Verfahren zur Charakterisierung eines optischen Systems

Info

Publication number: DE112009000132B4
Application number: DE112009000132.7T
Authority: DE
Inventors: Xavier Levecq; Guillaume Dovillaire
Original assignee: Imagine Optic SA
Current assignee: Imagine Optic SA
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2019-04-11
Anticipated expiration: 2029-01-17
Also published as: JP5390534B2; FR2926636A1; JP2011510286A; US20110134417A1; WO2009092975A2; DE112009000132T5; FR2926636B1; US8593623B2; WO2009092975A3

Abstract

Instrument (1) zur Charakterisierung eines optischen Systems (L), enthaltend:- Primärlichtquellenmittel (3) zur Erzeugung eines Beleuchtungslichtstrahls (FE),- Mittel (21), um besagtes optisches System (L) abnehmbar aufzunehmen,-Mittel (6, 5), um diesen Beleuchtungsstrahl (FE) auf besagtes zu charakterisierendes optisches System (L) zu leiten,- Mittel zur Analyse der Wellenfront (4), die zur Aufnahme eines Strahls aus besagtem optischen System (L) ausgebildet sind,- Mittel (10) zur Verarbeitung der Messsignale, die von den Mitteln zur Messung der Wellenfront (4) ausgegeben werden, und zur Lieferung von Charakterisierungsdaten des optischen Systems (L), dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem Streumittel (22) umfasst, die im Wesentlichen in einer Fokussierungsebene besagten optischen Systems (L) angeordnet sind, sodass eine Sekundärlichtquelle erzeugt wird, welche einen Analysenstrahl (FA) genannten sekundären Strahl generiert, der besagtes optisches System (L) durchläuft und anschließend auf die Analysenmittel der Wellenfront (4) geleitet wird.

Description

Vorliegende Erfindung betrifft ein Instrument zur Charakterisierung eines optischen Systems. Ferner betrifft sie auch ein in jenem Instrument angewandten Charakterisierungsverfahren.
STAND DER TECHNIK
Es existieren bereits mehrere Instrumente zur Charakterisierung eines optischen Systems. In der Tat können zwei Instrumentenfamilien unterschieden werden: die Systeme, die auf Wellenfrontmessung (Messung der Aberrationen) beruhen, und die anderen Systeme, die nicht auf Wellenfrontmessung beruhen und die Messung der optischen Aberrationen des zu charakterisierenden Systems nicht ermöglichen.
Die Systeme zur Phasenmessung umfassen:

- mehrere Technologien zur Phasenmessung: Fizeau-Interferometer, Hartmann- bzw. Shack-Hartmann-Technologie, Lateralversatz-Interferometer;
- die Systeme zur Phasenmessung ermöglichen eine Charakterisierung der Aberrationen eines Systems. Anhand dieser Messung ist es in der Regel möglich, außer den Aberrationen die Punktspreizfunktion (PSF: „Point Spread Function“) und die Modulationsübertragungsfunktion (MÜF) des zu charakterisierenden Systems zu ermitteln. Mittels einiger besonderen Anwendungen können auch die Information über die Schnittweite und die numerische Apertur des zu charakterisierenden Systems gewonnen werden.

Dagegen liefern solche Systeme in der Regel weder den Messwert der Brennweite des zu charakterisierenden Systems noch den Wert der Farbabweichung und sind alle wegen ihrer Implementierung als numerische Apertur eingeschränkt. Außerdem messen solche Systeme nur ein Bildfeld nach dem anderen und ermöglichen nicht die Messung der Bildfeldkrümmung oder der Objektivverzerrung.
Die nicht auf Phasenmessung beruhenden Systeme enthalten:

- einige Instrumente, die für die Messung der Brennweite des Objektivs vorgesehen sind. Sie beruhen aber nicht auf Wellenfrontmessung;
- andere Instrumente, die für die Messung der MÜF der Objektive vorgesehen sind. In dieser Instrumentenfamilie ermöglichen manche Instrumente die Messung des Objektivs unter mehreren Feldwinkeln mit der Besonderheit, dass der Einfluss der Bildfeldkrümmung des Objektivs in die Messung einbezogen wird. Jedoch sind die Fähigkeiten solcher Instrumente dadurch begrenzt, dass sie die optischen Aberrationen des zu charakterisierenden Systems nicht messen können (diese Instrumente beruhen nicht auf Wellenfrontmessung);
- andere Systeme erlauben die Messung des Vignettierens und der relativen Intensität als Funktion des Feldwinkels eines zu charakterisierenden Objektivs , die aber keine anderen Daten über die optische Qualität liefern; und
- Instrumente erlauben die Messung der Verzerrung eines zu charakterisierenden Objektivs , die aber keine anderen Daten über die optische Qualität liefern.

Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für die Nachteile und Einschränkungen der vorgenannten Charakterisierungsinstrumente zu finden und dementsprechend ein optisches Messsystem, das auf der Wellenfrontmessung beruht und die Charakterisierung von optischen Komponenten mit positiver Brechkraft (konvergent) ohne Einschränkung bei der numerischen Apertur ermöglicht, anzubieten.
Es handelt sich somit um ein neues Konzept eines Charakterisierungs- und Messinstruments, das in numerischer Apertur nicht begrenzt ist und genügend Daten über die optische Qualität des charakterisierten Systems liefert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe ist mit einem Instrument zur Charakterisierung eines optischen Systems erfüllt, welches umfasst:

- Primärlichtquellenmittel zur Erzeugung eines Beleuchtungslichtstrahls,
- Mittel, um das optische System abnehmbar aufzunehmen,
- Mittel, um diesen Beleuchtungsstrahl auf das zu charakterisierende optische System zu leiten,
- Mittel zur Analyse der Wellenfront, die zur Aufnahme eines Strahls aus dem optischen System ausgebildet sind, und
- Mittel zur Verarbeitung der Messsignale, die von den Messmitteln der Wellenfront ausgegeben werden, und zur Lieferung von Charakterisierungsdaten des optischen Systems.

Erfindungsgemäß enthält das Instrument außerdem Streumittel, die im Wesentlichen an einer Fokussierungsebene des optischen Systems gelagert sind, sodass sie eine Sekundärlichtquelle erzeugen, welche einen sekundären Strahl generiert, der das optische System durchläuft und anschließend auf die Analysemittel der Wellenfront geleitet wird.
Der Lichtstrahl aus dieser Sekundärlichtquelle durchläuft das zu charakterisierende System und die Wellenfront wird am Ausgang des optischen Systems analysiert. Die Streueinrichtung ist auf einer Übertragungseinrichtung angebracht, mittels welcher er ungefähr an der Höhe des Fokussierungspunkts des Lichtstrahls durch das optische, zu charakterisierende System auf der „Hin“-Wegstrecke angeordnet werden kann.
Die Achse der Übertragungseinrichtung verläuft senkrecht zur Streueinrichtung, welche parallel zur Pupille des optischen, zu charakterisierenden Systems gelagert ist und sich tatsächlich an der Position befindet, an der der MatrixSensor (CCD oder CMOS) gekoppelt an dem optischen, zu charakterisierenden System angeordnet wäre.
Die Position der Streueinrichtung gegenüber dem zu charakterisierenden System liefert die Daten über die Schnittweite des zu charakterisierenden Systems. Außerdem ermöglicht die Verschiebung eines bekannten Werts dieser Streueinrichtung links und rechts des Fokussierungspunkts, verbunden mit der Messung der Entwicklung des Wellenfrontkrümmungsradius durch den Wellenfrontsensor, die Brennweite des zu charakterisierenden Systems zu ermitteln.
Die Messebene des Wellenfrontsensors ist mit der Pupille des zu charakterisierenden Systems gekoppelt. Dies ist für die Metrologie der Wellenfront erforderlich.
Die Verwendung mehrerer Quellen mit unterschiedlichen Wellenlängen ermöglicht die Messung der Farbabweichung des zu charakterisierenden Systems.
Es wird empfohlen, die Streueinrichtung und den Beleuchtungsstrahl, der auf letzteren fokussiert, in Relation zueinander zu bewegen, sodass der « Speckle-Effekt » unterdrückt werden kann, insbesondere wenn die Beleuchtungsquellen monochrom sind. Dies kann zum Beispiel erfolgen, indem die Streueinrichtung auf eine Drehung angebracht wird, deren Drehachse senkrecht zum Streueinrichtung verläuft. Es bestehen weitere Methoden, um diese Funktion zu erzielen: die Streueinrichtung in ihrer Ebene vibrieren lassen oder den Beleuchtungsstrahl auf die Streueinrichtung anhand eines an einer Rotation angebrachten Prismas bewegen lassen, wobei dieses System vorzugsweise an einem Abschnitt der optischen Wegstrecke angeordnet ist, die der Beleuchtungs- und der Analysenstrahl gemeinsam haben.
Wichtiger Nutzen dieser Konstruktion ist ihre Fähigkeit, Aberrationen im Bildfeld des zu charakterisierenden Objektivs zu messen. Indem das Gebilde aus Streueinrichtung (auf seiner Übertragungseinrichtung Z) und zu charakterisierendem System auf einer Drehung (ROT Y) angeordnet ist, kann tatsächlich eine Messung der Wellenfront im Bildfeld des zu charakterisierenden Objektivs erfolgen. Entgegen den bereits bestehenden Systemen ermöglicht diese Konstruktion gleichermaßen die Messung der Bildfeldkrümmung des zu charakterisierenden Objektivs.
Weist das Objektiv Bildfeldkrümmung auf, wird tatsächlich die Fokussierungsebene, die sich in der Ebene der Streueinrichtung in der Mitte des Bildfelds (1) befand, von der Ebene der Streueinrichtung verschoben, während das Objektiv in dem Bildfeld arbeitet (2). Da die Streueinrichtung sich nicht mehr in der Fokussierungsebene des Objektivs für den gewählten Bildfeldwinkel befindet, um die Messung auszuführen, wird die Wellenfront aus dem zu charakterisierenden Objektiv nicht mehr kollimiert und der Sensor misst den Defokussierungswert, wodurch die Bildfeldkrümmung des Objektivs ermittelt werden kann.
Eine Messung der Brennweite im Bildfeld ist nach dem gleichen Verfahren wie in der Mitte des Bildfelds möglich: Die Entwicklung der Wellenfrontverkrümmung aus dem zu charakterisierenden System wird gemessen, indem die Streueinrichtung längs verschoben wird. Aus der Messung der Brennweite im Bildfeld und ihrer Entwicklung im Vergleich zu der Brennweite in der Mitte des Bildfelds ergibt sich der Wert der Verzerrung des zu charakterisierenden Objektivs.
Da außerdem der Wellenfrontsensor an der Pupille des zu charakterisierenden Objektivs gekoppelt ist, misst dieser die Form der Pupille für jeden gemessenen Punkt des Bildfelds, wodurch wiederum das eventuelle Vignettieren des Objektivs durch Vergleichen der Größe und der Form der gemessenen Pupille gemäß des Feldwinkels direkt ermittelt werden kann.
Indem man Beleuchtungsquellen nimmt, deren Brechkraft in der Zeit (mindestens während der Zeit eines Messzyklus: maximal einige Dutzend Sekunden) stabil bleibt, ermöglicht die Messung des auf den Sensor einfallenden Flusses dem gemessenen Bildfeld entsprechend die Ermittlung eines fotometrischen Kennwerts des zu charakterisierenden Objektivs, nämlich die Beleuchtungsänderung entsprechend des Feldwinkels („relative illumination“ auf Englisch).
Um außerdem irgendeinen Punkt des Bildfelds des Objektivs (Winkel und Azimut) analysieren zu können, kann das Probestück in ein auf einer Drehung angebrachtes Gestell angeordnet werden, deren Achse senkrecht zur Pupille des zu charakterisierenden Objektivs und durch die Mitte besagter Pupille verläuft.
Selbstverständlich ist es anhand der Messung der Aberrationen einfach, die Punktspreizfunktion (PSF: „Point Spread Function) aber auch und insbesondere die Modulationsübertragungsfunktion (MÜF) zu berechnen, und zwar für alle gemessenen Punkte des Bildfelds.
Einem weiteren Aspekt der Erfindung entsprechend wird ein Verfahren zur Charakterisierung eines optischen Systems vorgeschlagen, das in einem Instrument erfindungsgemäß angewandt wird und umfasst:

- eine Emission eines Beleuchtungslichtstrahls, der auf das zu charakterisierende optische System geleitet wird, welches vorab auf ein Gestell angeordnet wurde,
- eine auf einem Analysenstrahl aus dem optischen System ausgeführte Analyse der Wellenfront, und
- eine Verarbeitung der Messsignale aus der Analyse der Wellenfront, um Daten zur Charakterisierung des optischen Systems zu liefern,

Eine Schwierigkeit, die diese Messkonstruktion mit sich bringt, ist die Handhabung des Störlichts und insbesondere der mit den optischen, dem Beleuchtungsstrahl (FE) und dem Analysenstrahl (FA) gemeinsamen Elementen einhergehenden Störreflexionen. Mehrere Lösungen können zur Behebung dieser Schwierigkeit in Betracht kommen:

- Die Beleuchtungs- und Analysenwege möglichst trennen. Es werden jedoch immer noch mindestens die zu charakterisierende Linse und ein Strahlteiler auf dem gemeinsamen Strahl bleiben;
- den Beleuchtungsstrahl außer Achse und auf eine kleinere Pupille als die Pupille des zu charakterisierenden Systems eintreten lassen; eine kleinere Pupille bewirkt außerdem, dass die Feldtiefe bei der Beleuchtung größer ist (der auf der Streueinrichtung gebildete Quellpunkt bleibt klein, selbst wenn die Streueinrichtung nicht exakt an der Fokussierungsebene des Objektivs gelagert ist);
- ein Filterloch auf die optische Wegstrecke des Sensors anordnen, um die Störreflexionen abzublocken;
- die Polarisation der Strahlen einbeziehen. Die Polarisation des Beleuchtungsstrahls wird entlang einer Achse polarisiert und die Polarisation des Analysenstrahls wird entlang der im Vergleich zur Polarisation des Beleuchtungsstrahls um 90° gedrehten Achse polarisiert (Vorhandensein von Polarisatoren auf den Beleuchtungs- und Analysenstrahlen). Die Depolarisation des Beleuchtungsstrahls wird durch die Streueinrichtung gewährleistet. Sollte die Streueinrichtung den Strahl nicht genügend depolarisieren, kann eine Viertelwellenplatte auf die gemeinsame Beleuchtungs-Analysenwegstrecke angebracht werden, um die Polarisation um 90° drehen zu lassen.

Diese Lösungen können natürlich zur Minderung der Störreflexionen miteinander kombiniert werden.
Figurenliste
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden bei eingehender Betrachtung der detaillierten Beschreibung eines keineswegs einschränkenden Anwendungsmodus und der beiliegenden Skizzen deutlich. Letztere zeigen wie folgt:

- 1 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Charakterisierungsinstruments, das mit einem Null-Drehwinkel der Streueinheit abgebildet ist;
- 2 entspricht dem Blockdiagramm von 1 mit einem festgesetzten Drehwinkel, welcher nicht gleich null ist;
- 3 und 4 sind schematisierte, perspektivische Zeichnungen des in 1 und 2 abgebildeten Charakterisierungsinstruments;
- 5 zeigt eine erste grafische Schnittstelle, welche durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Charakterisierungsverfahrens generiert wird, wodurch quantitative Daten über die Wellenfrontflächen eines zu charakterisierenden, optischen Objektivs dargestellt werden;
- 6 zeigt eine zweite grafische Schnittstelle, welche durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Charakterisierungsverfahrens generiert wird, wodurch quantitative Daten über die Modulationsübertragungsfunktion eines zu charakterisierenden Objektivs dargestellt werden; und
- 7 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen, ein Drehprisma umfassenden Charakterisierungsinstruments.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Ein Charakterisierungsinstrument 1 umfasst in Bezug auf 1 und 2 ein System von Beleuchtungsquellen 3, eine drehbare Trageinheit 2, welche auf einem Gestell 21 ein optisches, zu charakterisierendes System aufnehmen soll, ein Strahltrennermodul 5, ein Modul zur Analyse der Wellenfront 4 und ein Prozessormodul 10, das an einem Datenendgerät 11 angeschlossen werden soll.
Das System der Beleuchtungsquellen 3 umfasst eine erste Quelle 31 zu einer ersten Wellenlänge, eine zweite Quelle 32 zu einer zweiten Wellenlänge und einen dichroitischen Spiegel 33. Beide Quellen sind zum Beispiel laserdiodenförmig ausgebildet. Der erzeugte Beleuchtungsstrahl FE wird von einer Linse 34 fokussiert, von einem Spiegel 6 durch eine Linse 52 und das Strahltrennermodul 5 hindurch abgeleitet, um auf ein zu charakterisierendes, optisches System L zu gelangen, das im Gestell 21 innerhalb der Trageinheit 2 gelagert ist.
Das das optische System L aufnehmende Gestell 21 kann mit der Trageinheit 2 durch magnetische Kupplung verbunden werden. Mittels einer zweckbestimmten Vorrichtung 29 wie zum Beispiel eines Schneckenelektrostellglieds kann das Gestell 21 um einen einstellbaren Winkel 26 um seine Symmetrieachse herum gedreht werden.
Das optische, zu charakterisierende System L kann zum Beispiel ein optisches Objektiv zum Beispiel zur Ausstattung eines Fotoapparats, einer Filmkamera oder eines tragbaren Telefons sein.
Die drehbare Trageinheit 2, die einen einstellbaren, durch eine elektromechanische (nicht abgebildete) Vorrichtung gesteuerten Feldwinkel θ aufweisen kann, umfasst außerdem ein ebenes Element zur optischen Streuung 22, dessen Drehung um die eigene Achse durch einen Motor 23 gesteuert wird, um den Speckle-Effekt zu beseitigen.
Gemäß eines ähnlichen, auf 7 abgebildeten Ausführungsmodus wird der Speckle-Effekt durch die Wirkung eines Prismas 200 beseitigt, das auf einem sich um einen Winkel 202 um die eigene Achse und um die Achse Z drehenden Gestell 201 angeordnet ist. Beim Prisma 200 handelt es sich vorzugsweise um ein gerades Prisma mit einem Dreieck als Grundfläche, wobei die Grundfläche in der durch die Achsen Z und Y gebildeten Ebene angeordnet ist. Das Prisma 200 ist vorzugsweise an einem Abschnitt der dem Beleuchtungsstrahl FE und dem Analysenstrahl FA gemeinsamen, optischen Wegstrecke angeordnet. Die Drehung des Prismas 200 ist derart konzipiert, dass der Beleuchtungsstrahl FE und der Analysenstrahl FA das Prisma 200 in ihrem vollen Querschnitt durchlaufen, egal bei welchem Drehwinkel des besagten Prismas 200. Die Drehung des Prismas 200 ist vorzugsweise aber nicht zwingend erforderlich eine reguläre Drehung. Wenn das Prisma 200 unbeweglich ausgeführt ist, beeinflusst es die Richtung der es durchlaufenden Strahlen, ohne jedoch ihre Fokussierungsebene zu ändern. Anhand der Drehung des Prismas 200 kann somit den Beleuchtungsstrahl FE auf das Streuelement 22 bewegt werden, um den Speckle-Effekt zu beseitigen. Der Winkel des Prismas wird so gewählt, dass er groß genug ist, um eine deutliche Verschiebung des Fokussierungsflecks auf dem Streueinrichtung zu generieren, und so, dass er klein genug ist, um keine großen Schwankungen in den Aberrationen des zu charakterisierenden Objektivs auf der Amplitude der erzeugten Umschaltungen zu verursachen.
Das Streuelement 22 kann auch genau gemäß einer senkrecht zur Ebene (X, Y) des Gestells 21 verlaufenden Übertragungsachse Z von einer fahrbaren Bühne 28, innerhalb der drehbaren Trageinheit 2 präzis angeordnet werden.
Das Strahltrennermodul 5 ist auf der Wegstrecke des Beleuchtungsstrahls FE und des Analysenstrahls FA zwischen dem Strahlablenkerspiegel 6 und dem optischen, zu charakterisierenden System L gelagert. Es weist eine Strahltrennungsfläche 51 auf. Eine Linse 53 fokussiert den Analysenstrahl FA auf ein räumliches Filterloch 7, unterhalb welches eine Linse 70 angeordnet ist. Die Linsen 51 und 70 spielen eine doppelte Rolle: die Kopplung der Pupille des zu charakterisierenden Systems mit der Messpupille des Sensors und die Ausführung der optischen Vergrößerung zwischen der Pupille des zu charakterisierenden Systems und der Pupille des Sensors.
Zur Erfüllung dieser doppelten Funktion kann eine dritte Linse (nicht abgebildet) notwendig sein. In einem bevorzugten Ausführungsmodus ist das optische System zur Vergrößerung und zur Kopplung der Pupillen ein afokales System ohne Brechkraft. Der Analysenstrahl FA aus dem optischen System 70 wird durch einen Spiegel 8 auf den Eintritt in das Analysenmodul der Wellenfront 4 abgeleitet. Das Analysenmodul 4 umfasst zum Beispiel einen CCD-Matrixsensor (Charge coupled Device) und sendet Analysensignale an ein Prozessormodul 10, das dafür programmiert ist, an einem Datenendgerät 11 Daten über die optische Qualität des zu charakterisierenden Systems zu liefern.
In Bezug auf die 3 und 4 kann das Charakterisierungsinstrument 1 erfindungsgemäß in einem kompakten Gehäuse 100 aufgenommen werden, welches auf einen Tisch oder einen Arbeitsposten gestellt werden kann. Das Gehäuse 100 kann auf seiner Vorderfläche mit einer Öffnung 101 vorgesehen sein, die einem Bediener auf der Dreheinheit 2 einen einfachen Zugang zu einer Empfangsstation des Gestells 21 ermöglicht, auf welchem das optische, zu charakterisierende System L gelagert ist. Durch die Öffnung kann der Bediener auch über einen Träger 27 verfügen, der eine weitere Trageinheit vor derer Lagerung auf die Dreheinheit 2 aufnehmen kann.
Im Folgenden wird in Bezug auf vorgenannte Figuren und auf die 5 und 6 ein praktisches Beispiel 1 für die erfindungsgemäße Anwendung des Charakterisierungsinstruments 1 beschrieben.
Das Charakterisierungsinstrument 1 ist an einem EDV-Arbeitsposten (nicht abgebildet) angeschlossen, auf welchem eine Anwendungssoftware installiert wurde, die den entsprechenden Charakterisierungsverfahren anwendet. Diese Software liefert grafische Schnittstellen I1, I2, die dem Benutzer einerseits Parametrierungsfunktionen zur Messung des Charakterisierungsinstruments und andererseits Übersichten zur Verfügung stellt, welche mengenmäßige Daten über die Qualität des optischen, zu charakterisierenden Systems sammeln.
Zunächst bringt der Bediener ein optisches, zu charakterisierende Objektiv in das Gestell 21 außerhalb des Charakterisierungsinstruments 1 an. Danach stellt er durch die Öffnung 101 das Gestell 21 auf eine magnetische Trageinheit der aufnehmenden Dreheinheit 2.
Anschließend sendet er ab der grafischen Schnittstelle I1 eine Charakterisierungsanfrage. Das Verarbeitungsmodul 10 steuert dann die verschiedenen Positionierungs- und Drehvorrichtungen im Charakterisierungsinstrument, um eine Reihe von quantitativen Daten gemäß des Feldwinkels und des Orientierungswinkels des Objektivs zu ermitteln.
Das erfindungsgemäße Charakterisierungsverfahren ermöglicht eine vollständige Charakterisierung eines optischen Systems mit positiver Brechkraft:

- Messung der Rückbrennweite,
- Messung der Brennweite,
- Messung der Farbabweichung (bei mehreren Beleuchtungsquellen),
- Messung der Aberrationen,
- Messung der Bildfeldkrümmung,
- Messung der Verzerrung,
- Messung des Vignettierens und der Beleuchtungsänderung dem Bildfeld entsprechend,
- Ermittlung der Punktspreizfunktion PSF für alle gemessenen Feldpunkte,
- Ermittlung der Modulationsübertragungsfunktion MÜF für alle gemessenen Feldpunkte (und für die verschiedenen Wellenlängen, sowie falls erforderlich Berücksichtigung der Farbabweichung bei der Berechnung der MÜF).

Bemerkenswert dabei ist, dass es ausreicht, sollte die Charakterisierung eines optischen Systems mit negativer Brechkraft gewünscht sein, ein bekanntes optisches System hinzuzufügen, dessen Brechkraft derart positiv ist, dass das mit dem zu charakterisierenden System und dieser bekannten Vorrichtung gebildete Gefüge eine positive Brechkraft aufweist. Diese optische Vorrichtung mit positiver Brechkraft ist in die Nähe des zu charakterisierenden, optischen Systems auf die Wegstrecke der Beleuchtungs- und Analysenstrahlen zu lagern.
In Bezug auf 5 und 6 kann der Bediener nach der Reihe der durch das Charakterisierungsinstrument 1 automatisch durchgeführten Messungen insbesondere über drei Gruppen von Charakterisierungsmerkmalen verfügen:

- Daten über die Wellenfrontfläche SF in der Form von grafischen Darstellungen der Flächen IS für eine Abfolge von Messwinkeln, Verzerrungs- und Vignettierenswerte umfassend, sowie eine Abfolge CZ von Zernike-Koeffizienten (5);
- Daten über die Modulationsübertragungsfunktion (MTF), Profile (PR) für unterschiedliche Messwinkel umfassend, Kurven CF über die Entwicklung des Kontrasts je nach Frequenz, Kurven CP über die Entwicklung des Kontrasts je nach Fokussierungsposition, sowie eine zusammenfassende Tabelle CA der Kontrast- und Bildfeldkrümmungsmessungen den Messwinkeln entsprechend.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf oben genannte Beispiele beschränkt und viele Änderungen können an diesen Beispielen vorgenommen werden, ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu fallen.
Insbesondere die Anzahl der zur Erzeugung des Beleuchtungsstrahls verwendeten Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen ist nicht auf zwei begrenzt und kann dem Charakterisierungsbedarf entsprechend festgesetzt werden.

Claims

Instrument (1) zur Charakterisierung eines optischen Systems (L), enthaltend: - Primärlichtquellenmittel (3) zur Erzeugung eines Beleuchtungslichtstrahls (FE), - Mittel (21), um besagtes optisches System (L) abnehmbar aufzunehmen, -Mittel (6, 5), um diesen Beleuchtungsstrahl (FE) auf besagtes zu charakterisierendes optisches System (L) zu leiten, - Mittel zur Analyse der Wellenfront (4), die zur Aufnahme eines Strahls aus besagtem optischen System (L) ausgebildet sind, - Mittel (10) zur Verarbeitung der Messsignale, die von den Mitteln zur Messung der Wellenfront (4) ausgegeben werden, und zur Lieferung von Charakterisierungsdaten des optischen Systems (L), dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem Streumittel (22) umfasst, die im Wesentlichen in einer Fokussierungsebene besagten optischen Systems (L) angeordnet sind, sodass eine Sekundärlichtquelle erzeugt wird, welche einen Analysenstrahl (FA) genannten sekundären Strahl generiert, der besagtes optisches System (L) durchläuft und anschließend auf die Analysenmittel der Wellenfront (4) geleitet wird.
Instrument (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem Mittel (28) zur Positionierung der Streumittel (22) im Wesentlichen an der Höhe des Fokussierungspunkts des Strahls durch das optische, zu charakterisierende System (L) auf der Hin-Wegstrecke umfasst.
Instrument (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsmittel (28) derart angeordnet sind, um die Streumittel in Richtung zu bewegen, die im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des zu charakterisierenden, optischen Systems (L) verläuft.
Instrument (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem Mittel zur Steuerung der Bewegung besagter Streumittel (22) gegenüber dem zu charakterisierenden optischen System (L) enthält; und dass die Verarbeitungsmittel derart ausgebildet sind, um diese Bewegungsmessung und die aus den Analysenmitteln der Wellenfront (4) kommenden Signale zu verarbeiten, sodass Daten über die Brennweite des zu charakterisierenden, optischen Systems (L) geliefert werden können.
Instrument (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem Mittel zur optischen Kopplung der Messebene der Analysenmittel der Wellenfront (4) an der Pupille des zu charakterisierenden, optischen Systems (L) enthält.
Instrument (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur optischen Kopplung keine Brechkraft aufweisen.
Instrument (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem optische Mittel (5) zur Trennung des Beleuchtungsstrahls (FE) von dem aus dem optischen, zu charakterisierenden System (L) kommenden Analysenstrahl (FA) und zur Leitung besagten Analysenstrahls (FA) auf die Analysenmittel der Wellenfront (4) enthält.
Instrument (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärlichtquellenmittel (3) eine erste Lichtquelle (31) zu einer ersten Wellenlänge und eine zweite Lichtquelle (32) zu einer zweiten Wellenlänge umfassen, und dass die Verarbeitungsmittel (10) derart ausgebildet sind, um eine Messung der Farbabweichung des optischen, zu charakterisierenden Systems (L) zu liefern.
Instrument (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem derart ausgeführte Gestellmittel (21) umfasst, um das optische, zu charakterisierende System (L) abnehmbar aufzunehmen, wobei die Gestellmittel (21) eine Gestellebene (X, Y) abgrenzen, die im Wesentlichen parallel zur Ebene der Streumittel (22) verläuft.
Instrument (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem Mittel (29) zur Drehung der Gestellmittel (21) um einen vorbestimmten Winkel im Verhältnis zu ihrer Drehachse (Z) enthält.
Instrument (1) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestellmittel (21) und die Streumittel (22) in einer Einheit (2) angeordnet sind, die um einen vorbestimmten Winkel (θ) um eine Umdrehungsachse (X) drehbar aufgenommen ist, wobei diese Achse im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung des Beleuchtungsstrahls (FE) auf das optische, zu charakterisierenden System (L) verläuft.
Instrument (1) nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem Mittel enthält, um die Streumittel (22) in ihrer im Wesentlichen parallel zur Ebene der Gestellmittel (21) verlaufenden Ebene vibrieren zu lassen.
Instrument (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem Mittel (23) zur Drehung der Streumittel (22) um eine Drehachse umfasst, die im Wesentlichen durch den Fokussierungspunkt des Beleuchtungsstrahls (FE) auf besagten Streumitteln (22) verläuft.
Instrument (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem Mittel enthält, um den Fokussierungspunkt des Beleuchtungsstrahls, der das optische System durchlaufen hat, auf die Streumittel hin zu bewegen.
Instrument nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlbewegungsmittel ein Prisma (200) umfassen, das in einem um einen Winkel (202) um die eigene Achse und um die Achse Z drehenden Gestell (201) aufgenommen ist und auf einem Abschnitt der den Beleuchtungs- und Analysenstrahlen gemeinsamen optischen Wegstrecke angeordnet ist.
Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem Mittel (7) zur Einschränkung der Störreflexionen enthält, die durch die Beleuchtung/Analyse gemeinsame Wegstrecke zwischen dem Beleuchtungsstrahl (FE) und dem Analysenstrahl (FA) entstehen.
Instrument (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es bezüglich der Mittel zur Einschränkung der Störreflexionen außerdem Raumfiltermittel (7) umfasst, welche zwischen den Trennungsmitteln (5) und den Analysenmitteln der Wellenfront (4) gelagert sind.
Instrument nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass es bezüglich der Mittel zur Einschränkung der Störreflexionen außerdem erste Mittel zur Polarisierung des Beleuchtungsstrahls, zweite Mittel zur Polarisierung des Analysenstrahls gemäß einer um 90° gegenüber der Polarisierung des Beleuchtungsstrahls versetzten Achse enthält, wobei die Depolarisierung des Beleuchtungsstrahls durch die Streumittel sichergestellt wird.
Instrument nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass es bezüglich der Mittel zur Einschränkung der Störreflexionen außerdem eine Viertelwellenplatte umfasst, welche auf der Beleuchtung-Analyse gemeinsamen Wegstrecke gelagert ist.
Verfahren zur Charakterisierung eines optischen Systems (L), in einem Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche angewandt, enthaltend: - eine Emission eines Beleuchtungslichtstrahls (FE), der auf das zu charakterisierende, optische System (L) geleitet wird, welches vorab auf einem Gestell (21) angeordnet wurde, - eine auf einem Analysenstrahl aus besagtem optischen System (L) ausgeführte Analyse der Wellenfront, - eine Verarbeitung der Messsignale aus der Analyse der Wellenfront, um Daten zur Charakterisierung des optischen Systems (L) zu liefern, dadurch gekennzeichnet, dass der das optische System (L) durchlaufende Beleuchtungsstrahl (FE) auf ein Diffusionselement fokussiert ist, sodass eine sekundäre Lichtquelle erzeugt wird, die einen sekundären, besagtes optisches System (L) durchlaufenden und anschließend mit einer Wellenfrontanalyse behandelten Analysenstrahl generiert.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem eine Positionierung des Streuelements (22) im Wesentlichen an der Höhe des Fokussierungspunkts des Strahls durch das optische, zu charakterisierende System (L) auf der Hin-Wegstrecke umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem eine Steuerung der Bewegung des Streuelements (22) gegenüber des optischen, zu charakterisierenden Systems (L) enthält, und dass es außerdem eine Verarbeitung dieser Messung der Bewegung und der Signale der Wellenfrontanalyse enthält, um Daten über die Brennweite besagten optischen Systems (L) zu liefern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20-22, dadurch gekennzeichnet, dass die Emission eines Beleuchtungsstrahls (FE) eine Emission zu einer ersten Wellenlänge und eine Emission zu einer zweiten Wellenlänge umfasst, und dass der Verarbeitungsprozess für eine Messung der Farbabweichung des optischen, zu charakterisierenden Systems (L) anhand von Analysen der Wellenfront ausgebildet ist, die zu den genannten ersten und zweiten Wellenlängen ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20-23, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem eine Abfolge von Drehung des optischen, zu charakterisierenden Systems (L) um die eigene Achse umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20-24, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem eine Abfolge von Umdrehung des optischen, zu charakterisierenden Systems (L) und des Streuelements (22) um einen vorbestimmten Winkel um eine im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung des Beleuchtungsstrahls (FE) auf besagtem optischen System (L) verlaufende Drehachse (X) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20-25, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem eine Abfolge von relativer Bewegung zwischen dem Fokussierungspunkt des Beleuchtungsstrahls (FE) enthält, der das optische System (L) und das Streuelement (22) durchlaufen hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20-26, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem umfasst: - eine erste Abfolge von Messungen, in welcher die Messungen in der Mitte des Bildfelds des optischen, zu charakterisierenden Systems (L) ausgeführt werden, - eine zweite Abfolge von Messungen, in welcher die Messungen im Bildfeld des optischen, zu charakterisierenden Systems (L) ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelverschiebung, um zwischen den Messungen in der Mitte des Bildfelds zu den Messungen im Bildfeld des optischen, zu charakterisierenden Systems (L) übergehen zu können, durch eine Umdrehung besagten optischen, zu charakterisierenden Systems (L) und des Streuelements (22) um einen gemäß einer im Wesentlichen senkrecht der Einfallsrichtung des Beleuchtungsstrahls (FE) verlaufenden Achse vorbestimmten Feldwinkel erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem eine Ermittlung der Bildfeldkrümmung des optischen, zu charakterisierenden Systems (L) anhand der ersten und zweiten, zu variablen Feldwinkeln ausgeführten Messungsabfolgen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27-29, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem eine Messung der Brennweite im Bildfeld anhand der ersten und zweiten, zu variablen Feldwinkeln ausgeführten Messungsabfolgen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem eine Messung der Entwicklung der Brennweite im Bildfeld gegenüber der Brennweite in der Mitte des Bildfelds umfasst, um einen Messwert über die Verzerrung des optischen, zu charakterisierenden Systems (L) zu liefern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27-31, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem eine Messung der Form der Pupille des optischen, zu charakterisierenden Systems (L) für jeden gemessenen Punkt des Bildfelds für variable Feldwinkel umfasst, wobei dadurch eine direkte Ermittlung eines möglichen Vignettierens besagten optischen Systems (L) erzielt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27-32, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem eine Messung der auf einen Wellenfrontsensor (4) einfallenden Flusses gemäß des gemessenen Bildfelds umfasst, wobei dadurch eine Ermittlung der Beleuchtungsänderung dem Bildfeldwinkel entsprechend erzielt wird.