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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein adaptive Optiksysteme und insbesondere
Techniken zum Messen der relativen Phasenneigung eines optischen Strahls
in zwei Dimensionen quer über
eine Planarmatrix. Adaptive Optiksysteme nutzen verstellbare optische
Elemente wie z. B. verformbare Spiegel zum Kompensieren von Aberrationen
in einem optischen Strahl. Aberrationen können z. B. durch Ausbreitung des
Strahls durch die Atmosphäre
verursacht werden. Bei einem typischen adaptiven Optiksystem wird
der aberrationsbehaftete Strahl von einem verformbaren Spiegel reflektiert,
der viele kleine Elemente aufweist, deren Position unter Verwendung
eines jedem beweglichen Spiegelelement zugeordneten separaten Aktuators
verstellt werden kann. Ein Teil des reflektierten Strahls wird abgespalten
und so gerichtet, dass er auf eine Sensormatrix auftrifft, die einen
die Wellenfrontverzerrung im reflektierten Strahl angebenden Messwert
liefert. Die Messwerte der Wellenfrontverzerrung werden dann an
den verformbaren Spiegel zurückgespeist,
um fortwährende Korrekturen
durch entsprechendes Bewegen der Spiegelelemente bereitzustellen.
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Typische
Anordnungen von Wellenfrontsensoren sind z. B. in der Europäischen Patentanmeldung
EP 0546 811 A und
in der US-Patentanmeldung Nummer 5,233,174 A beschrieben.
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Die
Hauptkomponenten einer Wellenfrontsensormatrix sind eine als Matrix
kleiner Linsen bezeichnete aus kleinen Linsen bestehende Matrix
und eine Kamera, die eine Matrix aus Sensorelementen aufweist. Diese
Konfiguration wird als Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor bezeichnet.
Ist die Matrix kleiner Linsen im Weg des Strahls angeordnet, erzeugt
sie mehrere elementare Teile des Strahls, die als Subapertur aufweisende
Teile bezeichnet werden. Jede kleine Linse in der Matrix kleiner
Linsen verarbeitet eine Subapertur des gesamten Strahls. Jede kleine
Linse der Matrix kleiner Linsen ist typischerweise auf einem quadratischen
Gitter positioniert, obwohl die gesamte Matrix vielleicht nicht
quadratisch ist und im Allgemeinen eine Polygonform aufweist, die
ungefähr
dem Umriss eines kreisförmigen
Strahls entspricht. Die Kamerasensorelemente haben im Allgemeinen
eine quadratische oder rechteckige Form und sind im Allgemeinen
auch in einem quadratischen oder rechteckigen Gittermuster winklig
so ausgerichtet, dass sie zum Gittermuster kleiner Linsen parallel
liegen.
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Vom
Shack-Hartmann-Sensor gibt es im Stand der Technik zwei Konfigurationen.
Bei einer Konfiguration ist jede Subapertur oder kleine Linse im gleichen
Abstand zu den Positionen von vier benachbarten Spiegelaktuatoren
zentriert. Überdies
ist die kleine Linse über
einer Gruppe von vier Kamerasensorelementen zentriert, die als eine
Quadzelle bezeichnet werden. Ein Maß der Phasenneigung in einer
Richtung wird von der Differenz zwischen Signalausgängen von
jedem von zwei Paaren der Zellen in der Quadzelle abgeleitet. Wenn
z. B. die Zellen und ihre Ausgangssignale in einer Quadzelle mit
A, B, C und D bezeichnet sind, wobei Zellen A und B in X-Achsen-Richtung
ausgerichtet sind und Zellen A und C in Y-Achsen-Richtung ausgerichtet sind, wird die
X-Achsen-Neigung aus [(A + C) – (B
+ D)]/[A + B + C + D] bestimmt. Entsprechend wird die Y-Achsen-Neigung
aus [(A + B) – (C
+ D)]/[A + B + C + D] bestimmt.
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Der
Hauptnachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass es vorzuziehen
wäre, die
lokale X-Achsen-Neigung
zwischen zwei benachbarten Aktuatoren auf einer gemeinsamen X-Achse
zu messen und die Y-Achsen-Neigung zwischen zwei benachbarten Aktuatoren
auf einer gemeinsamen Y-Achse zu messen. Eine alternative Konfiguration
des Stands der Technik vermeidet diesen Nachteil, bringt aber leider ein
anderes Problem mit sich. Bei dieser alternativen Konfiguration
werden zwei Matrizen kleiner Linsen und zwei Matrizen von Detektoren
benötigt,
eine zum Messen der X-Achsen-Neigung und die andere zum Messen der
Y-Achsen-Neigung.
Die Matrix kleiner Linsen zum Messen der X-Achsen-Neigung ist so
positioniert, dass jede Subapertur oder kleine Linse in der Mitte
zwischen den Gitterpositionen, die zwei benachbarten Aktuatoren
auf einer gemeinsamen X-Achse entsprechen, positioniert ist. Entsprechend ist
die andere Matrix kleiner Linsen so positioniert, dass jede Subapertur
oder kleine Linse in der Mitte zwischen den Gitterpositionen, die
zwei benachbarten Aktuatoren auf einer gemeinsamen Y-Achse entsprechen,
positioniert ist. Für
die Messung der X-Achsen-Neigung
stellt eine Kamerasensormatrix eine Bizelle bereit, d. h. zwei benachbarte
Sensorzellen, die sich zwischen den benachbarten Aktuatoren in der
gemeinsamen X-Achse befinden. Das Licht von der kleinen Linse wird
deshalb normalerweise über
der Grenze zwischen den zwei Zellen in der Bizelle positioniert,
und jede Neigung in der X-Achsen-Richtung wird anhand der Differenz
der Ausgangssignale von den zwei Zellen in der Bizelle bestimmt. Ähnlich stellt
eine separate Kamerasensormatrix für Y-Achsen-Neigungsmessung
eine Bizelle zwischen zwei Gitterpositionen bereit, die den benachbarten
Aktuatoren in der gemeinsamen Y-Achse entsprechen. Folglich wird
die Y-Achsen-Neigung von der Differenz zwischen Ausgangssignalen
von zwei Zellen in der Bizelle abgeleitet. Das dieser Konfiguration
anhaftende Problem besteht darin, dass zwei Matrizen kleiner Linsen
und zwei Kameras erforder lich sind. Die zwei Matrizen kleiner Linsen
stören einander
notwendigerweise physisch, wenn sie in einem einzigen Strahl, der
analysiert wird, platziert werden. Die Verwendung von Strahlteilern
zur Bereitstellung zweier separater Strahlen zur Analyse durch die
zwei Matrizen kleiner Linsen und Kameras bringt bezüglich der
Ausrichtung weitere Komplikationen mit sich.
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Was
idealerweise nötig
ist, ist eine Technik zum Messen der Phasenneigung durch Sensorelemente,
die zwischen benachbarten Aktuatoren in der X-Achse und benachbarten
Aktuatoren in der Y-Achse positioniert sind, aber frei von den Schwierigkeiten physischer
Störung
oder Ausrichtung ist, die die alternative Konfiguration vom Stand
der Technik mit sich bringt. Die vorliegende Erfindung erfüllt dieses
Erfordernis.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird mit einem Wellenfrontsensor zur Verwendung
bei der Messung der lokalen Phasenneigung in zwei Dimensionen über einen
optischen Strahlquerschnitt verwirklicht, wobei nur eine Matrix
kleiner Linsen und eine Kamerasensormatrix verwendet werden. Die
Messungen erfolgen bezüglich
einer ersten und zweiten aufeinander senkrecht stehenden Menge Gitterlinien,
die sich an interessierenden Punkten schneiden, die den Positionen
von Aktuatoren für
optische Geräte
entsprechen. Kurz und allgemein ausgedrückt umfasst der Wellenfrontsensor
der Erfindung eine Matrix kleiner Linsen und eine Kamerasensormatrix.
Die Matrix kleiner Linsen hat eine Mehrzahl kleiner Linsen, deren
optische Achsen auf Schnittpunkten eines rechtwinkligen Gitters
positioniert sind, das in einem Winkel zur ersten und zweiten senkrecht
aufeinander stehenden Menge der Gitterlinien ausgerichtet ist, wobei die
kleinen Linsen so beabstandet sind, dass die optischen Achsen der
Linsen auf der ersten und zweiten Menge der Gitterlinien zwischen
benachbarten interessierenden Punkten in den Schnittpunkten dieser Linien
positioniert sind. Die Kamerasensormatrix hat eine Mehrzahl Sensorzellen,
die in Zeilen und Spalten parallel zur ersten und zweiten senkrecht
aufeinander stehenden Menge Gitterlinien angeordnet und neben der
Matrix kleiner Linsen positioniert sind, um durch die kleinen Linsen
fallendes Licht zu empfangen. Nur ausgewählte etwa den Positionen der
optischen Achsen der kleinen Linsen entsprechende Zellen der Sensormatrix
werden aktiviert, um einen Messwert der Phasenneigung in den Richtungen
der aufeinander senkrecht stehenden Mengen der Gitterlinien bereitzustellen,
und nur eine Matrix kleiner Linsen und eine Kamerasensormatrix sind
erfor derlich, um Neigungsmessungen in beiden zueinander senkrecht
stehenden Richtungen zu gestatten.
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Insbesondere
ist die Kamerasensormatrix bei einer Ausführungsform der Erfindung eine
rechtwinklige Anordnung aus Bizellen, von denen eine jede etwa ein
Viertel der Fläche
jedes von vier benachbarten interessierenden Punkten definierten Quadrates
einnimmt. Nur jede zweite Bizelle in jeder Spalte und Zeile der
Sensormatrix wird aktiviert, und jede aktive Bizelle ist in der
Mitte einer Linie zwischen zwei benachbarten interessierenden Punkten
angeordnet, um die Neigung relativ zur Richtung dieser Linie zu
messen. Bei dieser veranschaulichenden Ausführungsform ist jeder Bizellen-Bildpunkt
ungefähr quadratisch.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist die Kamerasensormatrix eine rechtwinklige Anordnung
aus Zellen, von denen eine jede etwa ein Neuntel der Fläche eines
von vier benachbarten interessierenden Punkten definierten Quadrates
einnimmt. Bei dieser Ausführungsform
werden nur ausgewählte
benachbarte Paare Zellen in jeder Spalte und Zeile der Sensormatrix
aktiviert, um aktive Bizellen zu bilden, die entlang der senkrecht
aufeinander stehenden Mengen der Gitterlinien beabstandet angeordnet
sind. Nur vier von jeweils neun Zellen werden aktiviert, und jede
aktive Bizelle ist ungefähr
in der Mitte einer Linie zwischen zwei benachbarten interessierenden
Punkten angeordnet, um die Neigung relativ zur Richtung dieser Linie
zu messen. Wie dargestellt ist bei dieser Ausführungsform jede Zelle ungefähr quadratisch.
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Bei
beiden offenbarten Ausführungsformen der
Erfindung ist die die Matrix kleiner Linsen definierende rechtwinklige
Matrix unter etwa 45° zur
Kamerasensormatrix und zur ersten und zweiten Menge der aufeinander
senkrecht stehenden Mengen der Gitterlinien ausgerichtet.
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Die
Erfindung kann auch definiert werden als ein Verfahren zur Messung
der lokalen Phasenneigung in zwei Dimensionen über einen optischen Strahlquerschnitt
entlang einer ersten und zweiten aufeinander senkrecht stehender
Menge Gitterlinien, die sich an interessierenden Punkten schneiden,
die den Positionen von Aktuatoren für optische Geräte entsprechen.
Das Verfahren weist die Schritte auf: Schicken eines Strahls durch
eine Matrix kleiner Linsen mit einer Mehrzahl kleiner Linsen, die
auf einem rechtwinkligen Gitter ausgebildet sind; Ausrichten der Matrix
kleiner Linsen mit ihrem rechtwinkligen Gitter kleiner Linsen unter
einem Winkel zur ersten und zweiten Menge der senkrecht aufeinander
stehenden Gitterlinien; Positionieren der Matrix kleiner Linsen so,
dass jede kleine Linse eine Subapertur hat, die nahe der Mitte einer
Linie zwischen zwei benachbarten interessierenden Punkten zentriert
ist; Platzieren einer einzigen Kamerasensormatrix neben der Matrix kleiner
Linsen, um von diesen Licht zu empfangen, wobei die Sensormatrix
Sensorzellen aufweist, deren Anzahl pro Flächeneinheit größer ist
als die Anzahl kleiner Linsen pro Flächeneinheit; Ausrichten der Sensormatrix,
so dass sie mit der ersten und zweiten Menge der senkrecht aufeinander
stehenden Gitterlinien zur Deckung kommt; Aktivieren ausgewählter Zellen
in der Sensormatrix, wobei die ausgewählten Zellen Bizellen sind,
die in entsprechenden Zeilen und Spalten etwa über dem Mittelpunkt jeder Subapertur
der Matrix kleiner Linsen angeordnet sind; und Erfassen eines Messwertes
für jedes
Paar benachbarter interessierender Punkte, wobei der Bizellenmesswert
die Phasenneigung in der Richtung zwischen den benachbarten interessierenden
Punkten angibt.
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Insbesondere
ist die Kamerasensormatrix eine rechtwinklige Anordnung aus Bizellen,
von denen eine jede etwa ein Viertel der Fläche jedes von vier benachbarten
interessierenden Punkten definierten Quadrates einnimmt. Der Aktivierungsschritt
enthält
die Aktivierung nur jede zweiten Bizelle in jeder Spalte und Zeile
der Sensormatrix, und jede aktive Bizelle ist in der Mitte einer
Linie zwischen zwei benachbarten interessierenden Punkten angeordnet, um
die Neigung relativ zur Richtung dieser Linie zu messen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
des Verfahrens ist die Kamerasensormatrix eine rechtwinklige Anordnung
aus Zellen, von denen eine jede etwa ein Neuntel der Fläche jedes
von vier benachbarten interessierenden Punkten definierten Quadrates
einnimmt, und der Aktivierungsschritt enthält die Aktivierung nur ausgewählter benachbarter
Paare von Zellen in jeder Spalte und Zeile der Sensormatrix, um aktive
Bizellen zu bilden, die entlang der senkrecht aufeinander stehenden
Mengen der Gitterlinien beabstandet angeordnet sind. Nur vier von
jeweils neun Zellen werden aktiviert, und jede aktive Bizelle ist
in der Mitte einer Linie zwischen zwei benachbarten interessierenden
Punkten angeordnet, um die Neigung relativ zur Richtung dieser Linie
zu messen.
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Bei
beiden offenbarten Ausführungsformen des
Verfahrens enthält
der Schritt der Ausrichtung der Matrix kleiner Linsen deren Ausrichtung
unter einem Winkel von ca. 45° zur
ersten und zweiten Menge aufeinander senkrecht stehender Gitterlinien.
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Aufgrund
der oben stehenden Zusammenfassung wird deutlich, dass die vorliegende
Erfindung einen wesentlichen Vorteil auf dem Gebiet der Wellenfrontsensoren
zur Verwendung in adaptiven Optiksystemen darstellt. Insbesondere
gestattet die Erfindung zweidimensionale Messungen der Phasenneigung über den
Querschnitt eines Strahls, aber unter Verwendung von nur einer einzigen
Matrix kleiner Linsen und einer einzigen Kamerasensormatrix. Andere
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren
Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlich.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist ein Blockschaltbild
eines adaptiven Optiksystems vom Stand der Technik;
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2 ist ein unvollständiges Diagramm,
das die Wellenfrontsensormatrix von 1 mit
einer Matrix kleiner Linsen und einer Kamerasensormatrix zeigt;
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3 ist ein Diagramm, das
die Positionsbeziehung der Kamerasensormatrix in Bezug auf die Matrix
kleiner Linsen in einem Wellenfrontsensor vom Stand der Technik
zeigt;
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4 und 5 sind Diagramme, die die Positionsbeziehung
zweier Kamerasensormatrizen in Bezug auf jeweilige Matrizen kleiner
Linsen in einem anderen Wellenfrontsensor vom Stand der Technik
zeigen;
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6 ist ein Diagramm, das
die Positionsbeziehung der Matrix kleiner Linsen von 3 in Bezug auf verformbare
Spiegelaktuatoren zeigt;
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7a und 7b sind Diagramme ähnlich 6, die aber die Positionsbeziehungen
der Matrizen kleiner Linsen von 4 bzw. 5 in Bezug auf verformbare
Spiegelaktuatoren zeigen;
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8 ist ein Diagramm, das
gemäß der Erfindung
die Positions- und Winkelbeziehung einer Matrix kleiner Linsen in
Bezug auf verformbare Spiegelaktuatoren zeigt;
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9 ist ein Diagramm, das
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung die Auswahl aktiver Bildpunkte in einer Kamerasensormatrix
in Bezug auf die Positionen von verformbaren Spiegelaktuatoren und
Subaperturen der Matrix kleiner Linsen zeigt; und
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10 ist ein Diagramm ähnlich 9, das aber die Auswahl
aktiver Bildpunkte in einer Kamerasensormatrix gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Wie
zu Veranschaulichungszwecken auf den Zeichnungen gezeigt, betrifft
die vorliegende Erfindung Techniken zum Messen der elementaren Phasenneigung
in einem Lichtstrahl, der einer Wellenfrontverzerrung ausgesetzt
worden ist wie z. B. durch Ausbreitung durch die Atmosphäre. Adaptive
Optiksysteme werden zum Kompensieren von Wellenfrontverzerrung mittels
eines einstellbaren optischen Elements wie z. B. eines verformbaren
Spiegels eingesetzt. Ein verformbarer Spiegel hat typischerweise eine
ununterbrochene aber flexible reflektierende Oberfläche, die
von der nicht reflektierenden Seite des Spiegels aus durch viele
elementare Aktuatoren wie z. B. durch elektrische Signale bewegte
Kolben verformt wird. Wie in 1 gezeigt
kann ein adaptives Optiksystem einen verformbaren Spiegel dieses allgemeinen
Typs, der mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist und
eine Wellenfrontsensormatrix 12 enthalten. Ein auf den
verformbaren Spiegel 10 fallender Lichtstrahl 14 wird
in einen Strahlteiler 16 reflektiert, der zwei Ausgangsstrahlen 14a und 14b bereitstellt.
Der Strahl 14a wird auf ein Gerät (nicht dargestellt) gerichtet,
das die vom Strahl transportierten Informationen nutzt. Ist das
adaptive Optiksystem z. B. Teil eines astronomischen Teleskops,
wird der Strahl 14a in herkömmliche Komponenten eines Teleskops
(nicht dargestellt) gerichtet. Der andere Ausgangsstrahl 14b trifft
auf die Wellenfrontsensormatrix 12. Ausgangssignale von
der Matrix 12 werden in einer Steuerung 18 der
adaptiven Optik, die Steuersignale auf Leitungen 20 zum
Steuern der einzelnen Aktuatoren 22 im verformbaren Spiegel 10 erzeugt,
verarbeitet. Die Steuerung 18 verformt den Spiegel 10 derart,
dass die Wellenfrontverzerrung auf nahe null verringert wird.
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Wie
in 2 gezeigt sind die
Hauptkomponenten der Wellenfrontsensormatrix 12 eine Matrix 26 kleiner
Linsen und eine Kamerasensormatrix 28, von denen nur Abschnitte
in der Figur gezeigt sind. Die Matrix 26 kleiner Linsen
enthält
eine große
Anzahl kleiner auf einem rechteckigen Gittermuster positionierter
Linsen. In 2 ist eine
der kleinen Linsen mit ihrer Achse auf der Mittellinie 30 positioniert.
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3 zeigt einen unvollständigen Teil
der Kamerasensormatrix 28 in der Draufsicht, einschließlich einer
Zellen 28a, 28b, 28c und 28d aufweisenden
Quadzelle. Bei einer Konfiguration gemäß dem Stand der Technik ist
die Matrix 26 kleiner Linsen bezüglich der Kamerasensormatrix 28 so
positioniert, dass jede Mittellinie einer kleinen Linse durch den Mittelpunkt
einer Quadzelle verläuft,
wie in der Figur angegeben. Außerdem
ist die Quadzelle 28a–28d so groß, dass
ihre vier Ecken den Positionen von vier benachbarten Spiegelaktuatoren 22 entsprechen. Diese
Positionen sind in den Zeichnungen mit dem Bezugszeichen 22' ge kennzeichnet.
Wenn Licht, das durch die über
der Quadzelle 28a–28d positionierte einzelne
kleine Linse tritt, genau in den Mittelpunkt der Quadzelle fällt, erzeugt
jede der vier Zellen 28a–28d ein identisches
elektrisches Ausgangssignal. Die Apertur jeder kleinen Linse wird
als Strahlsubapertur bezeichnet, und zu Erklärungszwecken wird angenommen,
dass jede Subapertur eine quadratische Fläche umfasst, die in diesem
Fall der Fläche
der Quadzelle 28a–28d in 3 entspricht. Die Mitte
der Subapertur ist die Mittellinie 30.
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Wenn
Licht von der kleinen Linse nicht genau auf der Quadzelle 28a–28d zentriert
ist, kann der Grad der "Neigung" des Strahls in einer
X-Achsen-Richtung und einer Y-Achsen-Richtung anhand der Signale
bestimmt werden, die von den vier Elementen 28a–28d der
Quadzelle ausgegeben werden. Die von der Mitte 30 der Quadzelle
ausgehenden Pfeile zeigen die Richtungen der X-Achsen- und Y-Achsen-Neigung
an. Wenn die von der Quadzelle 28a–28d ausgegebenen
Signale A, B, C bzw. D sind, ist insbesondere die Y-Achsen-Neigung
proportional zu:
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Entsprechend
ist die X-Achsen-Neigung proportional zu:
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Unter
Verwendung dieser Ausdrücke
kann die Steuerung 18 des adaptiven Optiksystems geeignete
Einstellungen der Aktuatoren 22 zum Eliminieren der Neigung
in jeder Richtung vornehmen. Eine wesentliche Schwierigkeit bei
dieser Konfiguration besteht darin, dass die Neigungsmessungen in
der Mitte jeder Quadzelle durchgeführt werden, aber diese Messungen
in Korrekturen umgesetzt werden müssen, die an den Positionen
der Ecken der Quadzelle angewendet werden, wo sich die Aktuatoren
befinden. Eine Bewegung eines Aktuators 22 an einer entsprechenden
Ecke 22' der
Quadzelle führt
offensichtlich zu einer in der Mitte der Quadzelle gemessenen Neigungsänderung
in der X-Achsen- und Y-Achsen-Richtung. Dann wäre idealerweise die Verwendung
einer Konfiguration wünschenswert,
bei der Neigungsmessungen zwischen zwei benachbarten Aktuatorpositionen
in derselben X-Achsen- oder Y-Achsen-Linie
vorgenommen würden.
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Die
in den 4 und 5 dargestellte Konfiguration
vermeidet den Nachteil der oben besprochenen Konfiguration durch
Bereitstellen zweier separater Matrizen kleiner Linsen und zweier
entsprechender Kamerasensormatrizen, um zwei Mengen Neigungsmessungen
vorzu nehmen. Wie in 4 gezeigt,
ist eine erste Matrix kleiner Linsen mit der Mittellinie bei 30x mit
ihrer Subapertur nominell über dem
Mittelpunkt einer Bizelle 32e–32f, die Teil einer ersten
Kamerasensormatrix 32 ist, positioniert. Die Bizelle 32e–32f ist
auch über
einer horizontalen (X-Achsen-)Linie positioniert, die zwei benachbarte Aktuatorpositionen 22' verbindet,
wie in 4 gezeigt ist.
Sind die von den Zellen 32e und 32f erzeugten
elektrischen Ausgangssignale E bzw. F, ist die X-Achsen-Neigung
des Subaperturstrahls proportional zu:
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Wie
in 5 gezeigt hat die
zweite Matrix kleiner Linsen einen Mittelpunkt bei 30y in
der Mitte zwischen zwei benachbarten Aktuatorpositionen 22' auf einer Y-Achsen-Linie.
Eine zweite Kamerasensormatrix hat eine Bizelle 34g–34h,
die auch über
der Mittellinie 30y positioniert ist, um eine Messung der Y-Achsen-Neigung
des Subaperturstrahls zu gestatten. Sind die Ausgangssignale der
Bizelle 34g–34h G bzw.
H, ist die Y-Achsen-Neigung proportional zu:
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Leider
würden
die zwei Matrizen kleiner Linsen dieser Konfiguration einander physisch
stören, wenn
sie im selben Strahl platziert würden,
daher besteht die übliche
Methode in der Verwendung eines zusätzlichen Strahlteilers (nicht
dargestellt) und in der Durchführung
der Y-Achsen- und Y-Achsen-Messungen mit separaten Strahlen. Dadurch
ergeben sich Ausrichtungsschwierigkeiten, die beinahe zwangsläufig eine
nachteilige Wirkung auf die Leistung haben. Außerdem erhöhen sich durch die Verwendung
einer zweiten Matrix kleiner Linsen und einer zweiten Kamerasensormatrix
die Gesamtkosten des Geräts.
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Die 6, 7a und 7b zeigen
für die
zwei Konfigurationen gemäß dem Stand
der Technik die Positionsbeziehung zwischen den Aktuatorpositionen 22' und den Mittellinienpositionen
der Matrizen kleiner Linsen. Wie in 6 gezeigt
ist für
die erste Konfiguration jede Mittellinie 30 einer kleinen
Linse von vier benachbarten Aktuatorpositionen 22' gleich weit
entfernt positioniert. Ähnlich
sind für
die zweite Konfiguration vom Stand der Technik wie in den 7a und 7b gezeigt erste Mittellinienpositionen 30x kleiner
Linsen jeweils in der Mitte zwischen benachbarten Aktuatorpositionen 22' auf derselben
horizontalen (X-Achsen-)Linie positioniert und zweite Mittellinienpositionen 30y kleiner
Linsen zwischen benachbarten Aktuatorpositionen auf derselben vertikalen
(Y-Achsen-) Linie positioniert. Aus den 6, 7a und 7b wird auch klar, dass bei
den Konfigurationen gemäß dem Stand
der Technik die kleinen Linsen in den Matrizen kleiner Linsen alle
auf rechteckigen oder quadratischen Gittermustern angeordnet sind,
die winklig auf die Kamerasensormatrix und auf das Gittermuster,
auf dem die Aktuatorpositionen 22' angeordnet sind, ausgerichtet
sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist das Gittermuster einer Matrix kleiner Linsen mit Mittellinien 40 kleiner
Linsen im Winkel von 45° zum
dem Gittermuster positioniert, auf dem die Aktuatorpositionen 22' angeordnet
sind, wie in 8 dargestellt, und
eine einzige Kamerasensormatrix 42 mit ausgewählten X-Bizellen 42a–42b und
ausgewählten
Y-Bizellen 42c–42d ist
in der Mitte zwischen benachbarten Aktuatorpositionen 22' in der X-Achse
bzw. der Y-Achse positioniert, wie in 9 dargestellt.
Weil die Bizellen der Kamerasensormatrix 42 in mindestens
einer Dimension um den Faktor zwei kleiner sind als die bei der
Konfiguration der 4 und 5 verwendeten, können X-Achsen-
und Y-Achsen-Neigungsmessungen ohne physische Störung zwischen den zwei Mengen
erforderlicher Bizellen durchgeführt werden.
Bei der Konfiguration von 9 wird
nur die Hälfte
der Gesamtzahl der Bizellen in der Matrix 42 aktiviert.
Die Messwerte der X-Achsen- und Y-Achsen-Neigung werden von den
Ausgangssignalen der aktivierten Zellen abgeleitet. Insbesondere
ist die X-Achsen-Neigung
zu von der Bizelle 42a–42b abgeleiteten
Ausgängen
(A–B)
proportional und die Y-Achsen-Neigung
zu der von der Bizelle 42c–42d abgeleitet Ausgangsdifferenz
(C – D)
proportional.
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Bei
der Konfiguration von 10 hat
die mit dem Bezugszeichen 44 gekennzeichnete Kamerasensormatrix
noch kleinere Bizellen. Jede der zwei Zellen 44a, 44b oder 44c, 44d in
einer Bizelle in 10 misst
ein Drittel des Abstands zwischen zwei Aktuatorpositionen 22'. Aus 10 ist auch ersichtlich,
dass bei dieser Konfiguration nur vier von allen neun Zellen aktiviert
werden.
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Folglich
liefert die Erfindung die Vorteile der in den 4 und 5 gezeigten
Konfiguration gemäß dem Stand
der Technik, bei der Neigungsmessungen in jeder Achse in der Mitte
zwischen benachbarten Aktuatorpositionen in dieser Achse erfolgen,
aber es werden nur eine einzige Matrix kleiner Linsen und eine einzige
Kamerasensormatrix benötigt.
Es ist deshalb klar, dass die Erfindung einen bedeutenden Vorteil
auf dem Gebiet der Wellenfrontsensoren zur Verwendung in adaptiven
Optiksystemen darstellt. Obwohl die Erfindung zu Veranschaulichungszwecken
detailliert beschrieben wurde, versteht es sich, dass verschiedene
Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Gültigkeitsbereich
der beiliegenden Ansprüche
abzuweichen. Die Erfindung wird folglich nur durch die beiliegenden
Ansprüche eingeschränkt.
