DE4007321C2 - Vorrichtung zur Messung der Wellenfront einer elektromagnetischen Welle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Vorrichtung ist in der US 4,141,652 beschrieben. In ihm wird der auf seine Wellenfront-Verzerrungen zu untersuchende, etwa von einem Reflektor stammende Strahl mit einer Subapertur aus nebeneinander angeordneten Sammellinsen in Teilstrahlen aufgegliedert, die jeweils auf einen Vierquadranten-Detektor fokussiert sind. Bei korrekter Justage erzeugt die ebene Wellenfront eines Referenzstrahles Teilstrahlen, die jeweils genau das Zentrum eines Vierquadranten-Detektors anregen. Bei durch Phasenstörungen im zu untersuchenden Strahl auftretenden Wellenfrontverzerrungen dagegen führen die einzelnen Teilstrahlen nicht zu gleichmäßiger Anregung aller vier Quadranten ihrer jeweiligen Detektoren, sondern die Anregung und demzufolge das Ausgangssignal jeweils wenigstens eines Quadranten unterscheidet sich signifikant von denjenigen anderer Quadranten. Diese Verstimmung der Ausgangssignale der Vierquadranten-Detektoren sind ein Maß für die Wellenfront-Verformung der zu untersuchenden, einfallenden Welle im optischen oder infraroten Spektralbereich.

Apparativ und schaltungstechnisch aufwendiger, dabei störanfälliger ist es, gemäß US 4,413,909 nicht einfach die relative Lage der einzelnen Teilstrahl-Brennpunkte zu ermitteln, sondern eine zeitabhängige Interferenzmuster-Verschiebung über die einzelnen Detektor-Quadranten. Dafür müssen die Ebenen des Linsenarrays und des Detektorarrays eines Hartmannsensors soweit auseinander gezogen werden, daß dazwischen eine Sammellinse und eine Kollimationslinse, mit gemeinsamem Brennpunkt, im Strahlengang hintereinander positioniert werden können, mit Anordnung gekreuzt verlaufender Beugungsgitter im gemeinsamen Linsen-Brennpunkt. Für eine hinreichend feine Teilstrahlen-Auflösung der zu untersuchenden Welle ergibt die Hintereinanderschaltung der beiden Sammellinsen in Strahlengangrichtung einen außerordentlich großen Aufbau, dessen konstruktive Stabilisierung (gegen mechanische und thermische Störeinflüsse) kaum möglich erscheint. Von grundsätzlichem Nachteil ist bei einer derartigen Meßanordnung ferner, daß aufgrund der bekannten nicht-idealen Eigenschaften einer Linse abseits ihres Zentrums nur für die mittleren Teilstrahlen der zu untersuchenden Welle hinreichend präzise Abbildungsverhältnisse erreichbar sind, während für die äußeren Teilstrahlen wegen der Abbildungsmängel auch keine aussagekräftigen Beugungs-Interferenzmuster mehr erwartet werden dürfen.

Dagegen handelt es sich nicht mehr um einen Wellenfrontsensor des Hartmann-Typs, wenn gemäß der US 4,438,330 die zu untersuchende Welle im Brennpunkt hinter einer Sammellinse zerhackt wird, um mittels in Zerhacker-Wirkrichtung nebeneinander angeordneter Detektoren jenseits des Brennpunktes, die von der Wellenfront-Verformung abhängige zeitliche Verschiebung der Chopper-Impulse ermitteln zu können. Abgesehen vom auch hierfür relativ großen meßtechnischen Aufwand sind auch hier wieder wegen der Abbildungsfehler einer bikonvexen Linse nur für den zentralen Bereich des Eingangsstrahles aussagekräftige Meßwerte zu erwarten. Und auch für diese Anordnung gilt wieder, daß der Strahlengang durch eine Sammellinse einen in Strahlenrichtung sehr großen mechanischen Aufbau erfordert, dessen hinreichende Stabilität gegen mechanische und thermische Einflüsse auf das Meßergebnis sehr kritisch ist.

Dagegen handelt es sich nicht um einen gattungsgemäßen oder um einen gattungsähnlichen Wellenfrontsensor, wenn gemäß US 4,591,266 die strahlenaufnehmende oder strahlenabgebende Probe für eine optisch-spektroskopische Untersuchung im gemeinsamen Brennpunkt zweier aufeinander orientierter Parabolspiegel angeordnet wird, um reproduzierbare Verhältnisse beim Probenwechsel sowie für aktiven und passiven Strahlungsbetrieb zu ermöglichen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gattungsgemäßer Art zu schaffen, die mittels eines konstruktiv sehr stabilen und kompakten Aufbaus eine einfache meßtechnische Auswertung zur Wellenfrontbestimmung eröffnet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung gattungsgemäßer Art gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 ausgestaltet ist.

Der über Parabolspiegel gefaltete Strahlengang ermöglicht kurze axiale Abmessungen bei lichter und dadurch gegen Aufheizeffekte aus hochenergetischen Strahlen heraus unempfindlicher Bauweise. Die Verbindungsstäbe lassen sich aus thermisch hochstabilen Materialien leicht herstellen. Die reflektive Fokussierung (an Parabolspiegeln) ist leichter zu kühlen als ein Linsenaufbau und erbringt den wesentlichen zusätzlichen Vorteil, für alle Teilstrahlen des zu untersuchenden Wellenquerschnitts gleiche Abbildungsverhältnisse und somit auch für die äußere Querschnittsbereiche der interessierenden Wellenfront aussagekräftige Meßergebnisse zu erzielen. Deren Auswertung ist unproblematisch, da es sich nun nicht mehr um Gleichspannungssignale, sondern um modulierte Signale handelt, wobei der hierfür vorgesehene Modulator im gemeinsamen Brennpunkt der beiden Parabolspiegel liegt und somit nur eine sehr kleine wirksame Fläche aufzuweisen braucht, die sowohl einfach realisierbar wie auch unproblematisch hochfrequent betreibbar ist.

So läßt sich ein sehr kompakter Wellenfrontsensor erstellen, dessen mechanische Stabilität derjenigen eines Laserresonators vergleichbar ist, wie es beispielsweise durch hintereinander angeordnete Sammellinsen kaum realisierbar erschiene.

Vorzugsweise ist jeder Quadrantendetektor dafür ausgelegt, Strahlungsenergie in zwei Spektralbereichen des elektromagnetischen Spektrums verarbeiten zu können, so daß gleichzeitig zwei einlaufende Wellen auf ihre Phasenfronten analysiert werden können, nämlich insbesondere der an einem Ziel reflektierte Laserstrahl und gleichzeitig die vom, mittels des Laserstrahls aufgeheizten, Reflektor ausgehende thermische Strahlung. Das ist insbesondere bei Einsatz eines solchen Wellenfrontsensors in einer Nachführeinrichtung nach der DE 34 22 232 C2 von Vorteil, weil dann der Zielkontakt nicht verloren geht, wenn durch eine plötzliche Ausweichbewegung des Zieles zwar der reflektierte Laserstrahl momentan nicht mehr erfaßt wird, wohl aber die vom Ziel ausgehende weniger stark gebündelte thermische Strahlung erfaßt bleibt und danach der Laser-Tracker erneut ausgerichtet werden kann. Für einen solchen auch sogenannten Zweifarben-Betrieb der einzelnen Quadranten des Detektorarrays können Detektorelemente unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit übereinander angeordnet sein. Derartige Detektionsmaterialien sind beispielsweise in den Prospekten der deutschen Firma Laser Components GmbH (1989/90, S. 470) oder der amerikanischen Firma EG Judson (1988, Seiten 26/27) beschrieben. Für das vorerwähnte Zielverfolgungs-Anwendungsbeispiel würden dann Materialien gewählt, mittels derer Simultanmessungen in Spektralbereichen der Größenordnungen zwischen 3 und 5 µm und zwischen 8 und 12 µm liegen. Eine andere für die Praxis interessante Gruppierung wären Messungen in den Spektralbereichen einerseits zwischen etwa 0,6 und 0,9 µm und andererseits zwischen etwa 1,1 und 1,8 µm.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch angedeuteten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 als Blockschaltbild die Einbeziehung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den Regelkreis zwischen einem Sender und einem davon angestrahlten reflektierenden Ziel,

Fig. 2 teilweise aufgeschnitten in Seitenansicht den mechanischen Aufbau der Vorrichtung,

Fig. 3 die in Fig. 2 am Ende des Strahlenweges gelegene Detektoreinrichtung und

Fig. 4 einen Ausschnitt aus der Detektoreinrichtung.

Gemäß Fig. 1 emittiert ein Sender 10 eine elektromagnetische Welle 12, deren wirksame Phasen- oder Wellenfront mittels einer adaptiven Optik 14 einstellbar ist, wie sie etwa in der DE 34 22 232 C2 als deformierbare Spiegelfläche näher beschrieben ist. Die Welle 12 wird an einem Ziel 16 reflektiert und läuft als hinsichtlich ihrer aktuellen Wellen- oder Phasenfront zu untersuchende Welle 18 in eine Meßvorrichtung 20 ein. Dessen Detektoreinrichtung 22 weist einen Ausgang 24 auf, der mit der adaptiven Optikeinrichtung 14 wirkverbunden ist. Diese Wirkverbindung ist durch den Pfeil 26 angedeutet.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung 20 zur Messung der Wellen- bzw. Phasenfront einer elektromagnetischen Welle. Die Vorrichtung 20 weist eine Einkoppeloptikeinrichtung 28 für die elektromagnetische Welle 18 auf, deren Wellen- bzw. Phasenfront gemessen werden soll. Außerdem ist die Vorrichtung 20 mit der Detektoreinrichtung 22 versehen, die weiter unten in Verbindung mit den Fig. 3 und 4 detailliert beschrieben wird. Mit der Bezugsziffer 24 ist auch in Fig. 2 der Ausgang der Detektoreinrichtung 22 bezeichnet. Die Einkoppeloptikeinrichtung 28 und die Detektoreinrichtung 22 sind an einer Montageeinrichtung 30 angeordnet, die passiv thermisch stabilisiert ist. Selbstverständlich wäre es auch möglich, die Montageeinrichtung 30 aktiv thermisch zu stabilisieren, d. h. mit mindestens einer Kühleinrichtung zwangszukühlen. Die Montageeinrichtung 30 weist Plattenelemente 32, 34, 36, 38 und 40 auf, wobei das Plattenelement 32 mit einer Einlaßöffnung 42 für die elektromagnetische Welle 18 ausgebildet ist. Das Plattenelement 36 weist ein Parabolspiegelelement 44 und das Plattenelement 38 weist ein Parabolspiegelelement 46 auf. Die Parabolspiegelelemente 44 und 46 sind gegeneinander seitlich versetzt und voneinander so weit beabstandet, daß ihre Brennpunkte 48 genau zusammenfallen. Das Parabolspiegelelement 44 fluchtet mit der Einlaßöffnung 42 im Plattenelement 32 und die Detektoreinrichtung 22 fluchtet mit dem am Plattenelement 38 vorgesehenen Parabolspiegelelement 46. Im gemeinsamen Brennpunkt 48 ist ein Modulator 50 vorgesehen, der an der Montageeinrichtung 30 befestigt ist. Der Modulator 50 kann eine mechanische Zerhackereinrichtung bspw. in Gestalt eines Chopper-Blattes, eines Spiegels, einer Blende o. dgl., oder eine elektrooptische Zerhackereinrichtung aufweisen, bei der es sich bspw. um eine Kerrzelle o. dgl. handeln kann.

Die Plattenelemente 32, 34, 36, 38 und 40 der Montageeinrichtung 30 sind miteinander durch Verbindungsstäbe 52 verbunden. Auf diese Weise ergibt sich eine Montageeinrichtung 30, die in vorteilhafter Weise sehr gut kühlbar ist.

In Fig. 3 ist teilweise aufgeschnitten die Detektoreinrichtung 22 gezeichnet, die ein hülsenförmiges Gehäuse 54 und zwei im Gehäuse 54 angeordnete Teile 56 und 58 aufweist. Das Teil 56 ist mit Durchgangslöchern 60 ausgebildet, die mit Löchern 62 im zweiten Teil 58 der Detektoreinrichtung 22 axial fluchten. In den Durchgangslöchern 60 des ersten Teiles 56 sind Sammellinsen 64 befestigt. In den Löchern 62 des zweiten Teils 58 sind Detektoren 66 angeordnet, deren Ausgänge zu dem Ausgang 24 zusammengefaßt sind, wie er auch in Fig. 1 schematisch angedeutet ist.

Fig. 4 zeigt längsgeschnitten in einem vergrößerten Maßstab einen Abschnitt des ersten Teiles 56 mit einem der Durchgangslöcher 60 und mit einer der Sammellinsen 64, sowie einen Abschnitt des zweiten Teiles 58 mit einem der Löcher 62 und einem der Detektoren 66 mit seinem Ausgang 24′. Eine Justiereinrichtung 68 im entsprechenden Loch 62 des zweiten Teiles 58 ist dazu vorgesehen, den entsprechenden Detektor 66 in bezug auf die zugehörige Sammellinse 64 wunschgemäß in axialer Richtung einzustellen, was durch den Doppelpfeil 70 angedeutet ist. Jeder der Detektoren 66 der Detektoreinrichtung 22 ist mit einer eigenen Justiereinrichtung 68 ausgebildet, so daß es wunschgemäß möglich ist, jeden Detektor 66 zur zugehörigen Sammellinse 64 axial passend einzustellen. Bei den Justiereinrichtungen 68 handelt es sich vorzugsweise um piezoelektrische Elemente, die mit Anschlüssen versehen sind, die durch die Pfeile 72 angedeutet sind. Wird eine derartige piezoelektrische Elemente aufweisende Justiereinrichtung 68 über die Anschlüsse 72 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, so ergibt sich eine Abmessungsänderung der piezoelektrischen Elemente der entsprechenden, zwischen dem entsprechenden Detektor 66 und dem zweiten Teil 58 festgelegten Justiereinrichtung 68 und folglich eine entsprechende Verstellung des Detektors 66 in bezug auf die zugehörige Sammellinse 64.

Aus Fig. 4 ist auch deutlich ersichtlich, daß jede Sammellinse 64 und der zugehörige Detektor 66 miteinander in axialer Richtung fluchten. Entsprechend fluchten die einzelnen Durchgangslöcher 60 des ersten Teiles 56 mit den zugehörigen Löchern 62 im zweiten Teil 58 der Detektoreinrichtung 22.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Messung der Wellenfront einer elektromagnetischen Welle

• - mit einer Detektoreinrichtung (22), die ein Sammellinsenarray und ein Detektorarray aufweist, wobei
• - jeder Sammellinse (64) des Sammellinsenarrays ein Detektor (66) des Detektorarrays zugeordnet ist,
• - das Detektorarray vom Sammellinsenarray einen Abstand aufweist, der der Brennweite jeder Sammellinse (64) des Sammellinsenarrays entspricht, und
• - jeder Detektor (66) des Detektorarrays ein Vierquadrantendetektor ist,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß eine thermisch stabile Montageeinrichtung (30) vorgesehen ist, die miteinander durch Verbindungsstäbe (52) verbundene Plattenelemente (32, 34, 36, 38, 40) aufweist,
• - daß an der Montageeinrichtung (30) die Detektoreinrichtung (22) und eine der Detektoreinrichtung (22) vorgeschaltete Einkoppeloptikeinrichtung (28) für die elektromagnetische Welle angeordnet sind,
• - daß die Einkoppeloptikeinrichtung (28) zwei seitlich gegeneinander versetzte Parabolspiegel (44, 46) aufweist, die einander zugewandt und derartig ausgerichtet sind, daß ihre Brennpunkte zusammenfallen,
• - daß im gemeinsamen Brennpunkt (48) der Parabolspiegel (44, 46) ein Modulator (50) angeordnet ist und
• - daß die Detektoren (66) bezüglich der zugeordneten Sammellinsen (64) justierbar angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den seitlich gegeneinander versetzten Parabolspiegeln (44, 46) einer, in Richtung der einfallenden elektromagnetischen Welle gesehen, hinter einer Eintrittsöffnung (42) in einem Plattenelement (32) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (22) zwei miteinander verbundene Teile (56, 58) aufweist und daß die Sammellinse (64) und die Vierquadranten-Detektoren (66) in jeweils miteinander fluchtenden Löchern (60, 62) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vierquadranten-Detektoren (66) von piezo-elektrischen Justiereinrichtungen (68) gehaltert sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für zwei voneinander verschiedene Spektralbereiche geeignete Vierquadranten-Detektoren (66) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (56, 58) der Detektoreinrichtung (22) aus einem Material mit vernachlässigbar kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit vernachlässigbar kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten Glaskeramik verwendet ist.