WO2013178611A1 - Anordnung zur optischen charakterisierung von fresnellinsen - Google Patents

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WO2013178611A1
WO2013178611A1 PCT/EP2013/060930 EP2013060930W WO2013178611A1 WO 2013178611 A1 WO2013178611 A1 WO 2013178611A1 EP 2013060930 W EP2013060930 W EP 2013060930W WO 2013178611 A1 WO2013178611 A1 WO 2013178611A1
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WO
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electromagnetic radiation
optical
fresnel lens
microlenses
radiation
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PCT/EP2013/060930
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English (en)
French (fr)
Inventor
Meike LAWIN
Frank KÜHNLENZ
Matthias Stier
Original Assignee
Fresnel Optics Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0228—Testing optical properties by measuring refractive power
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0242—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations
    • G01M11/0257—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by analyzing the image formed by the object to be tested

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for the optical characterization of Fresnel lenses by means of wave surface sensors using a Shack Hartmann sensor.
  • the invention for example, the analysis of global shape deviations in terms of a continuous development, both the Fresnel lenses, as well as the method used for the production of Fresnel lenses is possible.
  • Another aspect is the application in the context of a continuous quality control in the manufacturing itself.
  • the quality of the optical components used in a system is of paramount importance for the functionality of the overall system.
  • the functionality of both local and global shape deviations of the determined optical surfaces of the respective optical component is therefore essential for the functionality of the overall system.
  • Optical components with continuous surfaces is the determination of the shape deviations by means of white light interferometry.
  • the short coherence length of spectral broadband light in the range of a few micrometers for determining the shape deviations of optical surfaces is exploited.
  • the light of the test beam is reflected by the surface of the optical component and then interferes with the light from a reference beam.
  • the resulting in the defined change in the optical path length difference between test and reference beam interference pattern contain the information required for the evaluation of the surface shape.
  • a significant limit of white light interferometry is given by the short coherence length of the light used. Although this allows a high longitudinal resolution limited but the possible optical path difference that is required so that the light from the test beam can interfere with the light from the reference beam.
  • Another limitation is given by the curvature of the optical surface or, as a result, the steepness of the slopes of the surface-applied tangents. If the surface curvature or the increase of the applied tangent exceeds a certain limit, the light reflected from the optical surface no longer hits the detector.
  • a Fresnel lens in contrast to optical elements with a continuous spährisch curved surface, of microprismatic structures with alternating active edges and Störflanken.
  • the optical function of the respective Fresnel lens is refracted by optical refraction on the active flank realized.
  • the required inclinations of the active edges which are each arranged at a certain distance from the optical axis and inclined at a corresponding angle, can with the known Asphsted
  • the respective Fresnel lens can have structure depths of up to a few millimeters and effective edge inclinations of more than 70 °. For this reason, however, the white light interferometry is only conditionally suitable for determining global shape deviations on Fresnel lenses.
  • the Shack-Hartmann sensor is an optical measuring device for determining the wave front deformation caused by the optical components of a system. It usually consists of a microlens array and a CCD sensor. Narrow-band, coherent laser light sources are used by default as radiation sources at a measuring station for determining wavefront deformation according to Shack-Hartmann. If a plane wavefront falls on the microlens array, the microlenses focus the radiation incident on them on their respective optical axis. In contrast, the focus spots when hitting a, z. B. by global shape errors of the optical components curved wavefront, laterally consider- directs.
  • the determination of the positions of the focus spots is carried out by means of gravity determination from the spatially resolved detected intensities of the light. If deviations of the positions of these focus spots occur from positions given by the arrangement of the individual respective microlenses, this can be interpreted as a detected malfunction or an error of the respective optical lens to be tested.
  • the local increase of the wavefront is calculated.
  • the wavefront can be reconstructed from this. Their deviation from a planar wavefront z. For example, by the RMS values and pv values. From such a reconstructed wavefront can finally by means of a polynomial winding, z. For example, according to Zernike, conclusions are drawn to the aberrations caused by the optical components.
  • the standard radiation source used is a diode laser 1 which emits electromagnetic radiation with a low spectral bandwidth of only a few nanometers ( ⁇ 5 nm).
  • the radiation is divergently coupled into the Wellenfrontmeßopathic and then collimated by means of an optical lens 3.
  • the radiation is focused on a pinhole 5 with an aperture of 50 prn.
  • a spherical wave (divergent light) is generated, wherein the pinhole acts as the actual radiation source for the subsequent analysis part of the measuring station.
  • the divergent radiation generated by the pinhole is collimated by the optical lens 6 to be tested.
  • the pupil diameter is reduced by means of a Kepler telescope, consisting of two converging lenses 7 and 9, to the size of the wave surface sensor 10.
  • the pinhole located between the telescopic lenses 7 and 9 8 "Cleans" the beam of unwanted effects, such as stray light and reflections.
  • FIG. 2 shows a pattern of the focus spots generated by the microlenses of an array of the sensor, which was detected during the measurement of a classic aspheric optical lens with a continuous surface. A regular distribution of focus positions can be clearly seen, the respective focus spots show no irregularities.
  • Both the Fresnel lens and the micro lens array are regular structures whose images are superimposed on the detector array. With a correspondingly correlating ratio of the structure sizes of the Fresnel lens and the microlens array, the sub scanning of the Fresnel structure by the microlens array occurs.
  • the resulting interference can be recognized as a structure in the spot pattern.
  • a simulation of the superposition of the microstructures of the Fresnel lens and the microlens array is shown in FIG. This confirms the aliasing effect as the cause of the structure in the spot pattern.
  • the differences in the structure of the image, which can be seen both in the spot pattern and in the simulation Spot patterns in horizontal or vertical and diagonal directions can be explained by the fact that the surface structure of the Fresnel lens has a circular arrangement, whereas those of the microlens array have a linear arrangement.
  • each active edge of the Fresnel structure is the starting point of a separate wavefront, wherein the wavefronts of two adjacent active edges always have a phase difference whose size depends on the respective structure of the Fresnel lens. If the phase difference assumes an integer multiple of ⁇ / 2, interference occurs between the wavefronts emanating from neighboring active edges. If radiation from in each case a single active flank of the Fresnel lens strikes a microlens, which is the case in FIG. 5 for the two microlenses A and B, then only a single focus spot is generated on the detector array. In contrast, due to the interference effects occurring, z. B.
  • the respective number of focus spots is determined by the number of active flanks of the Fresnel lens detected by a single microlens and of the Phase difference, which depends on the sampled active edges wavefronts. The effect becomes more critical the larger the sub scanning of the Fresnel structure by the microlens array of the inserted optical arrangement becomes, ie the more active edges of the Fresnel lens are scanned by a single microlens of the sensor.
  • the influence of the pattern caused by the aliasing effect in the spot image or the splitting of focus spots on the results of wave front analysis must be assessed differently.
  • the structures occurring in the detected spot pattern due to the aliasing effect are not critical, since the method is based on the determination of spot positions and not of spot intensities. Even completely failed focus spots or focus spot areas can be taken into account by the methods of reconstruction of the wavefront accordingly.
  • the effect of spot splitting is much more critical, as it distorts the results of wavefront analysis. The reason for this is the determination of the positions of the focus spots by determining the respective intensity center of gravity, the radiation focused by individual microlenses, wherein all focus spots detectable on the detector array are included in the evaluation.
  • this object is achieved with an optical arrangement having the features of claim 1.
  • Advantageous refinements and developments of the invention can be achieved with technical features described in the subordinate claims.
  • electromagnetic radiation of a radiation source is directed onto the surface of a Fresnel lens.
  • Electromagnetic radiation refracted therefrom at the active edges of the Fresnel lens strikes a microlens array.
  • electromagnetic radiation is focused on an optical detector array. Intensity centers of the focused radiation can be determined with the individual detectors of the detector array. These in turn serve to determine the positions of focus spots. The positions thus determined can be compared with predetermined positions by means of an evaluation in order to be able to characterize or evaluate the functionality of the Fresnel lens.
  • the object is achieved in an alternative by the use of a broadband radiation source, instead of the narrowband laser light source usually used.
  • a broadband radiation source instead of the narrowband laser light source usually used.
  • the dispersion is the dependence of the optical refractive index of a material on the wavelength of the electromagnetic radiation, whereby radiation of different wavelengths at the interface of an optical lens to the air is refracted to different degrees.
  • the refraction of light is greater for short-wave light than for long-wave light.
  • the focal length of the focusing lenses of the microlens array is shorter for short wavelength light than for longer wavelength radiation.
  • the radiation source used should emit electromagnetic radiation within a wavelength interval about a mean wavelength ⁇ of at least 50 nm ( ⁇ ⁇ 25 nm), preferably at least 60 nm ( ⁇ ⁇ 30 nm) , As a result, a splitting of the focus spots, which are imaged by a microlens onto the detector array, can be effectively avoided.
  • the radiation source should emit electromagnetic radiation in the wavelength range of a central wavelength ⁇ which corresponds to at least one wavelength of electromagnetic radiation for which the respective Fresnel lens to be characterized has been calculated.
  • FIG. 7 illustrates the pattern of the imaged focus spots generated by the microlenses of the optical arrangement in the measurement of a Fresnel lens using a broadband radiation source. It is the same Fresnel lens, which has already been measured with a narrow-band radiation source, on the one hand clear patterns in the spot image and on the other hand a clear splitting of the focus spots could be seen (see Figure 3). As can be seen in FIG. 7, the patterns in the spot image have significantly reduced when using a broadband radiation source. Furthermore, only clear, no longer split focus spots can be recognized. Thus, a reliable determination of the spot positions by determining the intensity focus of the focus spots and thus a characterization of Fresnel lenses using wave front sensors according to Shack-Hartmann is possible.
  • a further alternative of the arrangement according to the invention prevents the above-described effect of subsampling the Fresnel structure by the microlens array used.
  • a suitably adapted ratio of the structure sizes of the Fresnel lens and the microlens array is utilized.
  • the size of the effective usable area of the microlenses of the microlens array may not be greater than the value of the structure size of the active edges of the Fresnel lens.
  • the structure sizes of the active edges of Fresnel lenses in the range of about 0.1 mm can vary to a few millimeters, a correspondingly large number of detectors or microlens arrays with analog structure size variation is required for the described adaptation of the feature size ratio.
  • an optical telescope arranged in front of the microlens array of the optical arrangement with which the Fresnel effective edge structure is transformed by a correspondingly adapted transformation of the imaging scale to the microlenses, an adaptation of the feature size ratio of the effective areas of microlenses to the size of the effective areas of the active edges can also be achieved become. This can be done by the use of optical lenses with appropriately adjusted focal length in the telescope.
  • a further alternative possibility according to the invention for characterizing Fresnel lenses by means of wavefront sensors according to Shack-Hartmann, with elimination of the spot splitting, is to carry out an averaging over the split focus spots.
  • the detector array and the microlens array are displaced laterally perpendicular to the optical axis by the amount of the spot splitting.
  • the basis for this is the prior determination of the size of the spot splitting, which varies depending on the structure of the Fresnel lens.
  • the microlens array and the detector array can then be moved automatically within this determined amount of the distances of the split focus points, wherein a spot image is recorded for each position of the microlens array and the detector array.
  • the intensity focuses of the superimposed focus spots and their positions can be unambiguously determined therefrom.
  • the microlens array and the detector array can be arranged in a housing so that they can be moved together. Piezo elements can be used for this translatory, preferably uniaxial movement, since only small travel paths in the order of the pitch (spacing of adjacent microlenses from one another) of the microlens array, in the range of about a few tenths of a millimeter, are required.
  • microlenses and the optical detectors eg CCD arrays
  • the microlenses and the optical detectors in rows and columns as regularly as possible, but should at least be arranged in a known arrangement.
  • the latter statement also applies to other geometrical arrangements of microlenses and detectors. These can also be, for example, circular ring arrangements which can be adapted to the Fresnel structure.
  • Figure 1 is a schematic representation of an arrangement of a conventional Shack-Hartmann sensor assembly
  • Figure 2 is a detected spot pattern of a continuous surface aspheric optical lens using a narrow band laser light source
  • FIG. 3 shows a detected spot pattern of one of the continuous asphere
  • Figure 2 corresponding Fresnel lens using a narrow-band laser light source
  • FIG. 7 shows a detected spot pattern of the Fresnel lens using a broadband radiation source.
  • a Fresnel lens 6 with a structure size (pitch - distance of two adjacent flanks) of 0.23 mm was examined.
  • Fresnel lens 6 was optimized to a center wavelength of 546 nm.
  • the structure size (pitch - constant distance of the adjacent microlenses) was 0.13 mm.
  • a scanning ratio of 0.59 microlenses per effective area of the Fresnel lens 6 resulted, ie each microlens can with two active edges on the respective microlens directed electromagnetic radiation are irradiated.
  • the radiation is irradiated with the wavelength of 635 nm, it comes to the unwanted spot splitting.
  • the broadband electromagnetic radiation around a mean wavelength of 680 nm with a bandwidth of 60 nm to this average wavelength occurs no spot splitting on.
  • the resulting from the higher wavelength of the electromagnetic radiation used optical focal length of the optical lens f 51.38 mm was compensated by a corresponding adjustment of the distance between the pinhole 5 and the optical lens.
  • FIG. 1 The structure used for this example of an arrangement according to the invention is shown in FIG.
  • FIG. 1 also shows the formation of the circular active and interfering ken the Fresnel lens 6 and the formation of a usable in the invention two-dimensional microlens array 10 recognizable.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Charakterisierung von Fresneilinsen mittels Wellenflächensensorik unter Einsatz eines Shack- Hartmann-Sensors. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird elektromagnetische Strahlung einer Strahlungsquelle auf die Oberfläche einer Fresnellinse gerichtet und von dort an Wirkflanken der Fresnellinse gebrochene elektromagnetische Strahlung trifft auf ein Mikrolinsenarray auf. Von den einzelnen Mikrolinsen (A, B, C....) wird elektromagnetische Strahlung auf ein optisches Detektorarray zur Bestimmung von Intensitätsschwerpunkten der mit den Mikrolinsen (A, B, C,.....) fokussierten Strahlung gerichtet, wodurch Positionen von Fokusspots bestimmbar sind, die mit vorgegebenen Postionen mittels einer Auswertung verglichen werden. Die Strahlungsquelle kann breitbandige elektromagnetische Strahlung emittieren. Allein oder zusätzlich kann ein Verhältnis der Größe der effektiven Flächen von Wirkflanken einer jeweiligen zu charakterisierenden Fresnellinse pFRE zur Größe der effektiven Flächen der eingesetzten Mikrolinsen (A, B, C,....) PMLA von > 1 eingehalten sein. Es ist aber auch allein oder zusätzlich möglich ein optisches Teleskop zur Anpassung des Strukturgrößenverhältnisses der effektiven Flächen Mikrolinsen (A, B, C ) in Bezug zur Größe der effektiven Flächen der Wirkflanken im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung zwischen der Fresnellinse und dem Mikrolinsenarray anzuordnen. Das Mikrolinsenarray kann aber auch mit dem Detektorarray senkrecht zur optischen Achse translatorisch bewegt werden.

Description

Anordnung zur optischen Charakterisierung von Fresnellinsen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Charakterisierung von Fresnellinsen mittels Wellenflächensensorik unter Einsatz eines Shack- Hartmann-Sensors. Mit der Erfindung ist beispielsweise die Analyse globaler Formabweichungen im Hinblick auf eine stetige Weiterentwicklung, sowohl der Fresnellinsen, als auch der zur Fertigung der Fresnellinsen eingesetzten Verfahren möglich. Ein weiterer Aspekt ist die Anwendung im Rahmen einer kontinuierlichen Qualitätskontrolle in der Fertigung selbst.
Die Qualität der in einem System eingesetzten optischen Komponenten ist von herausragender Bedeutung für die Funktionalität des Gesamtsystems. Dabei wird, in Bezug auf mikrostrukturierte optische Komponenten, die Funktionalität, sowohl von lokalen als auch von globalen Formabweichungen der optischen Oberflächen der jeweiligen optischen Komponente bestimmt und ist damit wesentlich für die Funktionalität des Gesamtsystems.
Stand der Technik bzgl. der optischen Charakterisierung klassischer
Optikkomponenten mit stetigen Oberflächen, ist die Bestimmung der Formabweichungen mittels Weisslichtinterferometrie. Bei diesem Verfahren wird die kurze Kohärenzlänge von spektral breitbandigem Licht im Bereich von einigen wenigen Mikrometern zur Bestimmung der Formabweichungen von optischen Oberflächen ausgenutzt. Das Licht des Teststrahles wird dabei von der Oberfläche der Optikkomponente reflektiert und interferiert anschließend mit dem Licht aus einem Referenzstrahl. Die bei der definierten Veränderung des optischen Weglängendifferenz zwischen Test- und Referenzstrahl entstehenden Interferenzmuster enthalten die zur Evaluierung der Oberflächenform erforderlichen Informationen.
Ein maßgebliches Limit der Weisslichtinterferometrie ist durch die kurze Kohärenzlänge des verwendeten Lichtes gegeben. Diese ermöglicht zwar eine hohe longitudinale Auflösung limitiert aber den möglichen optischen Wegunterschied der erforderlich ist, damit das Licht aus dem Teststrahl mit dem Licht aus dem Referenzstrahl interferieren kann. Eine weitere Begrenzung ist durch die Krümmung der optischen Oberfläche bzw. daraus resultierend, die Steilheit der Anstiege der an die Oberfläche angelegten Tangenten gegeben. Übersteigt die Oberflächenkrümmung bzw. der Anstieg der angelegten Tangente eine bestimmte Grenze, trifft das von der optischen Oberfläche reflektierte Licht nicht mehr auf den Detektor.
Eine Fresnellinse besteht im Gegensatz zu optischen Elementen mit stetig spährisch gekrümmter Oberfläche, aus mikroprismatischen Strukturen mit alternierend angeordneten Wirkflanken und Störflanken. Die optische Funktion der jeweiligen Fresnellinse wird mittels optischer Brechung an den Wirk- flanken realisiert. Die dabei erforderlichen Neigungen der Wirkflanken, die jeweils in einem bestimmten Abstand zur optischen Achse angeordnet und mit einem entsprechenden Winkel geneigt sind, können mit der bekannten Asphärengleichung
Z = (1/r * h2) / (1 + Vi + (1 - cc) * h2 / r2 + A2h2 + A4h4 + A6h6 ... dargestellt werden.
Nach diesem Prinzip entspricht einem definierten Abstand zur optischen Achse ein definierter Ablenkwinkel und damit ein definierter Auftreffpunkt der elektromagnetischen Strahlung auf einer zu beleuchtenden Fläche. Abhängig von der mit einer Fresnellinse zu realisierenden optischen Funktion, kann die jeweilige Fresnellinse Strukturtiefen bis hin zu einigen Millimetern und Wirkflankenneigungen von mehr als 70° aufweisen. Aus diesem Grund, ist aber die Weisslichtinterferometrie zur Ermittlung von globalen Formabweichungen an Fresnellinsen nur bedingt geeignet.
Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Charakterisierung von optischen Komponenten ist die Wellenfrontanalyse mittels eines Shack-Hartmann-Sensors. Der Shack-Hartmann-Sensor ist ein optisches Meßmittel zur Ermittlung der durch die optischen Komponenten eines Systems hervorgerufenen Wellen- frontdeformation. Er besteht üblicherweise aus einem Mikrolinsenarray und einem CCD-Sensor. Als Strahlungsquellen an einem Meßplatz zur Bestimmung der Wellenfrontdeformation nach Shack-Hartmann werden standardmäßig schmalbandige, kohärente Laserlichtquellen eingesetzt. Fällt eine ebene Wellenfront auf das Mikrolinsenarray so fokussieren die Mikrolinsen die auf sie auftreffende Strahlung auf ihrer jeweiligen optischen Achse. Im Gegensatz dazu werden die Fokusspots beim Auftreffen einer, z. B. durch globale Formfehler der optischen Komponenten gekrümmten Wellenfront, lateral abge- lenkt. Die Bestimmung der Positionen der Fokusspots erfolgt mittels Schwerpunktbestimmung aus den ortsaufgelöst detektierten Intensitäten des Lichts. Treten Abweichungen der Positionen dieser Fokusspots von durch die Anordnung der einzelnen jeweiligen Mikrolinsen vorgegebenen Positionen auf, kann dies als eine detektierte Fehlfunktion oder eines Fehlers, der jeweiligen zu prüfenden optischen Linse interpretiert werden.
Aus dem Maß der Ablenkung der Fokusspots aus ihrer jeweiligen Nominalposition wird der lokale Anstieg der Wellenfront berechnet. Durch geeignete Verfahren kann daraus die Wellenfront rekonstruiert werden. Deren Abweichung von einer ebenen Wellenfront kann z. B. durch die RMS-Werte und pv- Werte angegeben werden. Aus einer so rekonstruierten Wellenfront kann schließlich mittels einer Polynomentwicklung, z. B. nach Zernike, auf die von den optischen Komponenten hervorgerufenen Aberrationen zurückgeschlos- sen werden.
Ein herkömmlicher optischer Aufbau ist in Figur 1 gezeigt. Als Strahlungsquelle wird standardmäßig ein Diodenlaser 1, der elektromagnetische Strahlung mit einer geringen spektralen Bandbreite von nur einigen Nanometern( ± 5 nm) emittiert, eingesetzt. Über eine Lichtleitfaser 2 wird die Strahlung divergent in den Wellenfrontmeßaufbau eingekoppelt und anschließend mittels einer optischen Linse 3 kollimiert. Durch ein Mikroskopobjektiv 4 wird die Strahlung auf eine Lochblende 5 mit einer Blendenöffnung von 50 prn fokussiert. Durch Beugung an der kleinen Blendenöffnung wird eine Kugelwelle (divergentes Licht) erzeugt, wobei die Lochblende als eigentliche Strahlungsquelle für den nachfolgenden Analyseteil des Meßplatzes fungiert. Die mittels der Lochblende erzeugte divergente Strahlung wird durch die zu prüfende optische Linse 6 kollimiert. Anschließend wird der Pupillendurchmesser mittels eines Keplerteleskopes, bestehend aus zwei Sammellinsen 7 und 9, auf die Größe des Wellenflächensensors 10 verkleinert. Die zwischen den Teleskoplinsen 7 und 9 befindliche Lochblende 8 „reinigt" den Strahl von unerwünschten Effekten, wie z.B. Streulicht und Reflexionen.
Das Prinzip der Wellenfrontvermessung an Fresnellinsen soll im Folgenden anhand eines Beispiels erläutert werden. Die Figur 2 zeigt ein von den Mikro- linsen eines Arrays des Sensors generiertes Muster der Fokusspots, das bei der Vermessung einer klassischen asphärischen optischen Linse mit stetiger Oberfläche detektiert worden ist. Deutlich ist eine regelmäßige Verteilung der Fokusspotpositionen zu erkennen, die jeweiligen Fokusspots weisen keinerlei Irregularitäten auf.
Um die Eignung der Wellenflächensensorik für die optische Charakterisierung nachzuweisen, wurde eine Fresnellinse, die die gleiche optische Funktionalität, wie die optische Linse mit der stetigen Asphäre aufweist, vermessen. Das von den Mikrolinsen des Sensors generierte Muster der resultierenden Fokusspotpositionen ist in Figur 3 dargestellt. Im Gegensatz zur stetigen Asphäre ist dieses Spotmuster nicht mehr regelmäßig, sondern es weist eine deutliche Struktur auf. Die Struktur im mit einem Detektorarray erfassten Spotmuster kann mit dem
Alias-Effekt erklärt werden. Sowohl bei der Fresnellinse, als auch beim Mikro- linsenarray handelt es sich um regelmäßige Strukturen, deren Abbildungen sich auf dem Detektorarray überlagern. Bei einem entsprechend korrelierendem Verhältnis der Strukturgrößen der Fresnellinse und des Mikrolinsenarrays kommt es zur Unterabtastung der Fresnelstruktur durch das Mikrolinsenarray.
Die sich dabei ergebenden Interferenzen sind als Struktur im Spotmuster zu erkennen. Eine Simulation der Überlagerung der Mikrostrukturen der Fresnellinse und des Mikrolinsenarrays ist in Figur 4 gezeigt. Dies bestätigt den Alias- Effekt, als Ursache für die Struktur im Spotmuster. Die sowohl im Spotmuster, als auch in der Simulation zu erkennenden Unterschiede in der Struktur des Spotmusters in waagerechter bzw. senkrechter und diagonaler Richtung können damit erklärt werden, dass die Oberflächenstruktur der Fresnellinse eine zirkuläre, die des Mikrolinsenarrays hingegen eine lineare Anordnung aufweisen.
Zusätzlich dazu ist zu erkennen, dass anstelle von nur einem Fokusspot je Mik- rolinse an bestimmten Positionen im Spotmuster mehrere Fokusspots generiert werden, es kommt so zu einer Spotaufspaltung in mehrere Fokusspots der von einer Mikrolinse fokussierten Strahlung , was in Figur 3 rechts gezeigt ist. Die Ursache für die Aufspaltung einzelner Fokusspots ist ein Nebeneffekt der oben beschriebenen Unterabtastung der Fresnelstruktur durch das Mikro- linsenarray, wenn auf eine Mikrolinse Strahlung von mindestens zwei benachbarten Wirkflanken der Fresnellinse auftrifft.
Das dieser Spotaufspaltung zugrunde liegende Prinzip wird mit Figur 5 verdeutlicht. Ein Charakteristikum einer Fresnellinse ist, dass jede Wirkflanke der Fresnelstruktur der Ausgangspunkt einer separaten Wellenfront ist, wobei die Wellenfronten von zwei benachbarten Wirkflanken immer einen Phasenunterschied aufweisen, dessen Größe von der jeweiligen Struktur der Fresnellinse abhängig ist. Nimmt die Phasendifferenz dabei ganzzahlige Viel-fache von λ/2 an, kommt es zur Interferenz zwischen den von benachbarten Wirkflanken ausgehenden Wellenfronten. Trifft nun auf eine Mikrolinse Strahlung von jeweils einer einzigen Wirkflanke der Fresnellinse auf, was in Figur 5 bei den beiden Mikrolinsen A und B, der Fall ist, so wird auf dem Detektorarray nur ein einziger Fokusspot erzeugt. Im Gegensatz dazu werden, bedingt durch die auftretenden Interferenzeffekte, z. B. zwei Fokusspots abgebildet, wenn durch eine einzige Mikrolinse Strahlung von zwei benachbarten Wirkflanken der Fresnellinse fokussiert wird, was aus Figur 5, bei der Mikrolinse C, der Fall ist. Die jeweilige Anzahl der Fokusspots ist dabei von der Anzahl der von einer einzelnen Mikrolinse erfassten Wirkflanken der Fresnellinse sowie von der Phasendifferenz, der von den abgetasteten Wirkflanken ausgehenden Wellenfronten abhängig. Der Effekt wird kritischer, je größer die Unterab-tastung der Fresnelstruktur durch das Mikrolinsenarray der eingesetzten optischen Anordnung wird, d.h. je mehr Wirkflanken der Fresnellinse von einer einzigen Mikrolinse des Sensors abgetastet werden.
Der Einfluss der durch den Alias-Effekt hervorgerufenen Muster im Spotbild bzw. der Aufspaltung von Fokusspots auf die Resultate der Wellenfrontanaly- se ist unterschiedlich zu bewerten. Für das Prinzip der Wellenflächensensorik sind die durch den Alias-Effekt auftretenden Strukturen im erfassten Spotmuster nicht kritisch, da das Verfahren auf der Bestimmung von Spotpositionen und nicht von Spotintensitäten beruht. Selbst vollständig ausgefallene Fokusspots bzw. Fokusspotbereiche können durch die Verfahren der Rekonstruktion der Wellenfront entsprechend berücksichtigt werden. Im Gegensatz dazu, ist der Effekt der Spotaufspaltung wesentlich kritischer zu bewerten, da hierdurch die Resultate der Wellenfrontanalyse verfälscht werden. Der Grund hierfür ist die Ermittlung der Positionen der Fokusspots mittels Bestimmung des jeweiligen Intensitätsschwerpunktes, der von einzelne Mikrolinsen fokus- sierten Strahlung, wobei alle auf dem Detektorarray detektierbaren Fokusspots in die Auswertung mit einbezogen werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten vorzuschlagen, mit denen die Charakterisierung von optischen Elementen, die eine Fresnelstruktur aufweisen mittels Wellenflächensensorik unter Einsatz eines Shack-Hartmann- Sensors möglich machen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer optischen Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst, Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten technischen Merkmalen erreicht werden. Mit Einsatz der Erfindung können die oben beschriebenen Effekte der Aufspaltung der Fokusspots eliminiert und die tatsächlichen Positionen der von den einzelnen Mikrolinsen auf das Detektorarray fokussierten Fokusspots genau ermittelt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur optischen Charakterisierung von Fresnellinsen wird elektromagnetische Strahlung einer Strahlungsquelle auf die Oberfläche einer Fresnellinse gerichtet. Von dort an Wirkflanken der Fres- nellinse gebrochene elektromagnetische Strahlung trifft auf ein Mikrolinsen- array auf. Von den einzelnen Mikrolinsen A, B, C... wird elektromagnetische Strahlung auf ein optisches Detektorarray fokussiert gerichtet. Mit den einzelnen Detektoren des Detektorarrays können Intensitätsschwerpunkte der fokussierten Strahlung bestimmt werden. Diese dienen wiederum dazu die Positionen von Fokusspots zu bestimmen. Die so bestimmten Positionen können mit vorgegebenen Postionen mittels einer Auswertung verglichen werden, um die Fresnellinse in ihrer Funktionalität charakterisieren bzw. beurteilen zu können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in einer Alternative durch den Einsatz einer breitbandigen Strahlungsquelle, anstelle der üblicherweise eingesetzten schmalbandigen Laserlichtquelle gelöst. Dabei kann beim Einsatz breitbandi- ger Strahlungsquellen der auftretende Effekt der Dispersion ausgenutzt werden. Die Dispersion ist die Abhängigkeit des optischen Brechungsindex eines Materials von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, wodurch Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen an der Grenzfläche einer optischen Linse zur Luft unterschiedlich stark gebrochen wird. Dabei ist die Lichtbrechung für kurzwelliges Licht größer als für langwelliges Licht. Als Folge ist die Brennweite der fokussierenden Linsen des Mikrolinsenarrays für kurzwelliges Licht kürzer als für langwelligere Strahlung. Dadurch kommt es beim Einsatz einer breitbandigen Strahlungsquelle zu einer Verbreiterung, der durch die Mikrolinsen erzeugten Fokusspots, Die eingesetzte Strahlungsquelle sollte elektromagnetische Strahlung innerhalb eines Wellenlängenintervalls um eine mittlere Wellenlänge λ von mindestens 50 nm (λ ± 25 nm), bevorzugt mindestens 60 nm (λ ± 30 nm) emittieren. Dadurch kann eine Aufspaltung der Fokusspots, die von einer Mikrolinse auf das Detektorarray abgebildet werden, wirksam vermieden werden.
Die Strahlungsquelle sollte elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich einer mittleren Wellenlänge λ emittieren, die mindestens einer Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung entspricht, für die die jeweilige zu charakterisierende Fresnellinse berechnet worden ist.
Dieses Prinzip ist in Figur 6 gezeigt. Trifft dabei Strahlung eine Mikrolinse, die nur von einer einzige Wirkflanke der Fresnellinse beeinflusst wurde, was in Figur 6 bei den Mikrolinsen A und B, der Fall ist, so wird auf dem Detektorarray von jeder Mikrolinse wiederum nur ein einziger Fokusspot abgebildet. Dieser Fokusspot ist im Gegensatz zu den Fokusspots beim Einsatz einer schmalbandigen Strahlungsquelle aufgrund der Dispersion der Strahlung verbreitert. Trifft auf eine Mikrolinse Strahlung auf, die von zwei benachbarten Wirkflanken der Fresnellinse beeinflusst worden ist, so werden wieder separate Fokusspots abgebildet, was in Figur 6, bei der Mikrolinse C, der Fall ist. Bedingt durch die Dispersion der Strahlung kommt es auch hier zu einer Verbreiterung der beiden Fokusspots, die sich schließlich überlagern und vom Detektor nicht mehr getrennt wahrgenommen werden können. Es wird an dieser Position nur ein Fokusspot detektiert.
Beispielhaft ist in Figur 7 das von den Mikrolinsen der optischen Anordnung generierte Muster der abgebildeten Fokusspots bei der Vermessung einer Fresnellinse unter Einsatz einer breitbandigen Strahlungsquelle dargestellt. Es handelt sich um die gleiche Fresnellinse, die bereits mit einer schmalbandigen Strahlungsquelle vermessen wurde, wobei einerseits deutliche Muster im Spotbild und andererseits eine deutliche Aufspaltung der Fokusspots zu erkennen war (s. Figur 3). Wie in Figur 7 zu erkennen ist, haben sich die Muster im Spotbild bei Verwendung einer breitbandigen Strahlungsquelle deutlich reduziert. Des Weiteren sind nur noch eindeutige, nicht mehr aufgespaltene Fokusspots zu erkennen. Damit ist eine sichere Bestimmung der Spotpositionen durch Ermittlung des Intensitätsschwerpunktes der Fokusspots und damit eine Charakterisierung von Fresnellinsen mittels Wellenfrontsensorik nach Shack-Hartmann möglich.
Eine weitere Alternative der erfindungsgemäßen Anordnung verhindert den oben beschriebenen Effekt der Unterabtastung der Fresnelstruktur durch das eingesetzte Mikrolinsenarray. Dabei wird ein entsprechend angepasstes Ver- hältnis der Strukturgrößen der Fresnellinse und des Mikrolinsenarrays ausgenutzt. Die Größe der effektiv nutzbaren Fläche der Mikrolinsen des Mikrolinsenarrays darf dabei nicht größer als der Wert der Strukturgröße der Wirkflanken der Fresnellinse sein. Es gilt PFRE/PMLA ^ 1 mit pFRE als Größe der effektiven Flächen der Wirkflanken der jeweiligen Fresnellinse und PMLA als Größe der effektiven Fläche der Mikrolinsen, wobei dies bei einem größer werdenden Verhältnis PFRE/PMLA besser wird und zu einer immer deutlicheren Reduzierung der Spotaufspaltung bzw. zu einem eindeutig erfassbaren Spotmuster führt.
Da die Strukturgrößen der Wirkflanken von Fresnellinsen im Bereich von etwa 0,1 mm bis hin zu einigen Millimetern variieren können, ist für die beschriebene Anpassung des Strukturgrößen Verhältnisses eine entsprechend große Anzahl an Detektoren bzw. Mikrolinsenarrays mit analoger Strukturgrößenvariation erforderlich. Durch ein vor dem Mikrolinsenarray der Optischen Anordnung angeordnetes optisches Teleskop, mit dem durch eine entsprechend angepasste Transformation des Abbildungsmaßstabes der Fresnelwirkflankenstruktur auf die Mik- rolinsen erfolgt, kann ebenfalls eine Anpassung des Strukturgrößenverhältnisses der effektiven Flächen Mikrolinsen in Bezug zur Größe der effektiven Flächen der Wirkflanken erreicht werden. Dies kann durch den Einsatz von optischen Linsen mit entsprechend angepasster Brennweite im Teleskop erfolgen.
Es kann zur Verkleinerung der Abbildung der Fresnellstruktur auf ein Mikrolinsenarray ein so genanntes Keplerteleskop eingesetzt werden. Dabei können zwei optische Linsen, wie sie in Figur 1 mit 7 und 9 gekennzeichnet sind, eingesetzt werden. Die erreichbare Verkleinerung des Abbildungsmaßstabs kann aus dem Verhältnis der Brennweiten f7 /f9 berechnet werden, wobei die Brennweite f7 der optischen Linse 7 und die Brennweite f9 der optischen Linse 9 sind. In einem angepassten Aufbau können mit einer Brennweite f7 = 150 mm und einer Brennweite f9 = 50 mm ein Abbildungsmaßstab von - 3 der Fresnellstruktur auf dem Mikrolinsnenarray erreicht werden. Was bedeutet, dass die Größe der Fresnellstruktur um den Faktor 3 kleiner abgebildet wird. Bei einer solchen Verkleinerung des Abbildungsmaßstabes muss die Brennweite der optischen Linse, die im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung vor der zweiten optischen Linse angeordnet ist, größer als die Brennweite der zweiten optischen Linse sein.
Dies stellt eine weitere erfindungsgemäße Alternative dar, die allein oder mit mindestens einer der beiden vorab erläuterten Alternativen, bei einer erfindungsgemäßen Anordnung genutzt werden kann.
Des Weiteren kann bei einer entsprechenden Auslegung des Teleskopes ein variabler, einstellbarer Abbildungsmaßstab, durch z. B. eine Änderung des Abstandes der Teleskoplinsen zueinander, realisiert werden, wodurch sich der Aufwand für die Anpassung der Strukturgrößenverhältnisse nochmals reduzieren lässt.
Eine weitere alternative erfindungsgemäße Möglichkeit zur Charakterisierung von Fresnellinsen mittels Wellenfrontsensorik nach Shack-Hartmann, unter Eliminierung der Spotaufspaltung, besteht darin eine Mittelung über die aufgespaltenen Fokusspots durchzuführen. Hierfür werden das Detektorarray und das Mikrolinsenarray lateral senkrecht zur optischen Achse um den Betrag der Spotaufspaltung verschoben. Basis hierfür ist die vorherige Bestimmung der Größe der Spotaufspaltung, die abhängig von der Struktur der Fres- nellinse unterschiedlich groß ausfällt. Das Mikrolinsenarray und das Detektorarray können anschließend innerhalb dieses ermittelten Betrags der Abstände der aufgespaltenen Fokuspunkte automatisch verfahren werden, wobei für jede Position des Mikrolinsenarrays und des Detektorarrays ein Spotbild aufgenommen wird. Durch Überlagerung der einzelnen Spotbilder mittels einer Auswertesoftware können daraus die Intensitätsschwerpunkte der überlagerten Fokusspots und daraus deren Postionen eindeutig bestimmt werden. Das Mikrolinsenarray und das Detektorarray können in einem Gehäuse angeordnet sein, so dass sie gemeinsam bewegt werden können. Für diese translatorische, bevorzugt einachsige Bewegung können Piezoelemente eingesetzt werden, da nur kleine Stellwege in der Größenordnung des Pitches (Abstand benachbarter Mikrolinsen zueinander) des Mikrolinsenarrays, im Bereich von ca. einigen Zehntelmillimetern erforderlich sind.
Auch diese Alternative kann allein oder in Kombination mit mindestens einer der drei vorab erläuterten Alternativen bei der Erfindung eingesetzt werden.
Bei der Erfindung können bevorzugt zweidimensionale Mikrolinsen- und Detektorarrays eingesetzt werden, bei denen die Mikrolinsen und die optischen Detektoren(z.B. CCD-Arrays) in Reihen und Spalten möglichst regelmäßig, zumindest jedoch in bekannter Anordnung angeordnet sein sollten. Letztgenannte Aussage trifft auch auf andere geometrische Anordnungen von Mikro- linsen und Detektoren zu. Dies können beispielsweise auch Kreisringanordnungen sein, die an die Fresnellstruktur angepasst sein können.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Darstellung eine Anordnung eines herkömmlichen Shack-Hartmann-Sensoraufbaus;
Figur 2 ein detektiertes Spotmuster einer asphärischen optischen Linse mit stetiger Oberfläche unter Verwendung einer schmalbandigen Laserlichtquelle;
Figur 3 ein detektiertes Spotmuster einer der stetigen Asphäre nach
Figur 2 entsprechenden Fresnellinse unter Verwendung einer schmalbandigen Laserlichtquelle;
Figur 4 Simulation der Überlagerung der Mikrostrukturen der Fresnel linse und des Mikrolinsenarrays als Bestätigung des Alias
Effektes als Ursache für die Struktur im Spotmuster;
Figur 5 Prinzip der Spotaufspaltung bei Verwendung
schmalbandigen Laserlichtquelle;
Figur 6 Prinzip der Vermeidung der Spotaufspaltung durch den Einsatz einer breitbandigen Strahlungsquelle und Figur 7 ein detektiertes Spotmuster der Fresnellinse unter Einsatz einer breitbandigen Strahlungsquelle.
Bei einem konkreten Beispiel wurde eine Fresnellinse 6 mit einer Strukturgröße (Pitch - Abstand von zwei nebeneinander angeordneten Störflanken) von 0,23 mm untersucht. Die Fresnellinse 6 war auf eine mittlere Wellenlänge von 546 nm optimiert. Die Strukturgröße (Pitch - konstanter Abstand der nebeneinander angeordneten Mikrolinsen) betrug dabei 0,13 mm. Unter Berücksichtigung des Abbildungsmaßstabes des eingesetzten Keplerteleskops von -3 (f7 = 150 mm und f9 = 50 mm) ergab sich ein Abtastverhältnis von 0,59 Mikrolinsen je Wirkfläche der Fresnellinse 6, d.h. jede Mikrolinse kann mit von zwei Wirkflanken auf die jeweilige Mikrolinse gerichteter elektromagnetischer Strahlung bestrahlt werden.
Bei Einsatz einer schmalbandigen Strahlunsgquelle 1, die Strahlung mit der Wellenlänge von 635 nm bestrahlt wird, kommt es zu der unerwünschten Spotaufspaltung.
Bei Einsatz einer Strahlungsquelle 1, die breitbandige elektromagnetische Strahlung um eine mittlere Wellenlänge von 680 nm mit einer Bandbreite von 60 nm um diese mittlere Wellenlänge tritt dagegen keine Spotaufspaltung auf. Die aus der höheren Wellenlänge der eingesetzten elektromagnetischen Strahlung resultierende optische Brennweite der optischen Linse f = 51,38 mm wurde durch eine entsprechende Anpassung des Abstandes zwischen der Lochblende 5 und der optischen Linse kompensiert.
Der eingesetzte Aufbau dieses Beispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung ist Figur 1 zu entnehmen.
In Figur 1 ist außerdem die Ausbildung der kreisförmigen Wirk- und Störflan- ken der Fresnellinse 6 sowie die Ausbildung eines bei der Erfindung einsetzbaren zweidimensionalen Mikrolinsenarrays 10 erkennbar.

Claims

Patentansprüche
Anordnung zur optischen Charakterisierung von Fresnellinsen, bei der elektromagnetische Strahlung einer Strahlungsquelle auf die Oberfläche einer Fresnellinse (6) gerichtet und von dort an Wirkflanken der Fresnellinse (6) gebrochene elektromagnetische Strahlung auf ein Mik- rolinsenarray (10) auftrifft und von den einzelnen Mikrolinsen (A, B, C....) elektromagnetische Strahlung auf ein optisches Detektorarray zur Bestimmung von Intensitätsschwerpunkten der mit den Mikrolinsen
(A, B, C, ) fokussierten Strahlung gerichtet ist, wodurch Positionen von Fokusspots bestimmbar sind, die mit vorgegebenen Postionen mittels einer Auswertung verglichen werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strahlungsquelle breitbandige elektromagnetische Strahlung emittiert
und/oder
ein Verhältnis der Größe der effektiven Flächen von Wirkflanken einer jeweiligen zu charakterisierenden Fresnellinse PFRE zur Größe der effektiven Flächen der eingesetzten Mikrolinsen (A, B, C,....) pM von > 1 eingehalten ist
und/oder
ein optisches Teleskop zur Anpassung des Strukturgrößen Verhältnisses der effektiven Flächen Mikrolinsen (A, B, C ) in Bezug zur Größe der effektiven Flächen der Wirkflanken im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung zwischen der Fresnellinse (6) und dem Mikrolinsen- array (10) angeordnet ist
und/oder
das Mikrolinsenarray (10) mit dem Detektorarray senkrecht zur optischen Achse translatorisch bewegbar ist. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle elektromagnetische Strahlung mit einer Bandbreite von mindestens 50 nm um eine mittlere Wellenlänge λ emittiert.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle elektromagnetische Strahlung mit einer Bandbreite von mindestens 60 nm um eine mittlere Wellenlänge λ emittiert.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich einer mittleren Wellenlänge λ
emittiert, für die die jeweilige zu charakterisierende Fresnellinse (6) berechnet worden ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrolinsenarray (10) mit dem Detektorarray zwischen zwei Umkehrpunkten, deren Abstand zueinander den Betrag einer Spotaufspaltung, die durch Auftreffen elektromagnetischer Strahlung, die an mindestens zwei Wirkflächen einer Fresnellinse (6) gebrochen worden ist, auf eine Mikrolinse (C) hervorgerufen worden ist, berücksichtigt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Teleskop zur Anpassung des Strukturgrößenverhältnisses der effektiven Flächen Mikrolinsen (A, B, C ) in
Bezug zur Größe der effektiven Flächen der Wirkflanken im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung zwischen der Fresnellinse (6) und dem Mikrolinsenarray (10), so ausgebildet ist, dass die Abbildung der Fresnellstruktur auf das Mikrolinsenarray (1) verkleinert ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Teleskop die Brennweite der optischen Linse (7), die im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung vor einer zweiten optischen Linse (9) angeordnet ist, größer als die Brennweite der zweiten optischen (9) Linse ist.
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