WO2023088860A1 - Ermittlung einer wellenfrontsteigung eines lichts basierend auf winkelabhängiger transmission - Google Patents

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WO2023088860A1
WO2023088860A1 PCT/EP2022/081877 EP2022081877W WO2023088860A1 WO 2023088860 A1 WO2023088860 A1 WO 2023088860A1 EP 2022081877 W EP2022081877 W EP 2022081877W WO 2023088860 A1 WO2023088860 A1 WO 2023088860A1
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WO
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light
transmission filter
intensity
transmission
angle
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PCT/EP2022/081877
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French (fr)
Inventor
Andreas Zepp
Szymon Gladysz
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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Priority to CA3237215A priority patent/CA3237215A1/en
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Priority to IL312876A priority patent/IL312876A/en

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength

Definitions

  • the present disclosure relates to determining a wavefront gradient of a light, in particular a laser light, with irradiating a transmission filter unit with a light at different angles between the light and a main transmission direction of the transmission filter unit for the light, and measuring an intensity of the light transmitted through the transmission filter unit for the different angles.
  • Wavefront sensors are used to measure wavefronts of light and in particular to determine the deviation of real wavefronts from ideal, perfect wavefronts.
  • the measured deviations from the ideal wavefront are caused by optical components such as lenses and mirrors in the light beam path or by local refractive index fluctuations in the medium the light beam passes through, caused for example by atmospheric turbulence.
  • the wavefronts measured or reconstructed by the wavefront sensors are used either to characterize the respective optical components through which the light passes, such as lenses, mirrors, or the medium passed through, or to subsequently compensate for the deviations with the aid of a suitable corrector.
  • different properties such as high measurement accuracy, measurement speed or wavelength dependency of the wavefront sensor are important.
  • the task arises of overcoming the disadvantages of the known methods and devices for determining a wavefront slope and of realizing an improved determination of wavefront slopes.
  • One aspect relates to a method for determining a wavefront slope of a light in at least one spatial direction, preferably two spatial directions.
  • the light is preferably a laser light.
  • Part of the method is a first irradiation of a transmission filter unit with a light at a first angle, a first angle of incidence, between light and a main transmission direction of the transmission filter unit for the light of the first irradiation.
  • the main transmission direction is the direction in which light penetrating through the transmission filter unit or a transmission filter element of the transmission filter unit, here preferably laser light, has the maximum intensity, ie the direction in which the light must be incident To minimize reflection and / or absorption by the transmission filter unit or the transmission filter element.
  • the main transmission direction can thus correspond to a local and/or global maximum of an associated transmission function. Accordingly, a first measurement of a first intensity II of the light transmitted through the transmission filter unit is carried out by a measuring unit. Also part of the method is a second irradiation of the transmission filter unit with the light, ie light from the same source, with a second angle between the light and the main transmission direction of the transmission filter unit for the light of the second irradiation. Irradiation is therefore carried out under the respective different angles of incidence. Correspondingly, a second measurement of a second intensity 12 of the light transmitted through the transmission filter unit at the second angle is also carried out by the measuring unit.
  • the light for the first/second irradiation or measurement can be divided into corresponding partial lights which, apart from one property such as an intensity and/or a polarization, have the same or equivalent remaining properties and are therefore within range of this revelation are to be regarded as the same light.
  • the two angles between the respective light and the respective main transmission direction lie in a common measurement plane and have essentially the same angle, but different signs.
  • the essentially equal angular amounts are the same or the same up to a predetermined deviation, which can be, for example, at most 45°, at most 30°, at most 15°, at most 10° or at most 5°.
  • a predetermined deviation can be, for example, at most 45°, at most 30°, at most 15°, at most 10° or at most 5°.
  • One of the two angles between light and main transmission direction is thus assigned to a rising edge of a transmission filter function assigned to the transmission filter unit and the other of the two angles between light and main transmission direction is assigned to a falling edge.
  • the transmission filter function can consequently be referred to as an angle-dependent transmission filter function or angle-dependent transmission function. The consequence of this is that a specific change in the wavefront slope in the different lights entails different changes in intensity and can therefore be quantified via the spatial contrast, as described below.
  • Also part of the method is a calculation of a spatial contrast K from a difference between the first intensity II and the second intensity I2 and preferably also a sum of the first intensity II and the second intensity I2.
  • a local wavefront slope S is determined from the calculated spatial contrast K and a predetermined calibration factor c of the transmission filter unit determined in a calibration method.
  • the calibration factor can be specified as a simple scalar, but alternatively or additionally also in the form of a table, look-up table, which supplies the local wavefront gradient for the respective contrasts and/or angles of incidence.
  • the local wavefront slope can be determined, for example, in a spatially resolved manner, in which case the wavefront of the light can then be reconstructed from the known local wavefront slope(s) S using appropriate reconstruction algorithms for zonal and/or modal reconstruction.
  • Such reconstruction algorithms have already been developed in large numbers for use with the established Shack-Hartmann sensor and can also be used in the approach described here.
  • the difference measurement allows the respective angles of incidence of the light on the transmission filter unit to be adapted to a respective transmission function of the corresponding transmission filter element present in the transmission filter unit, so that the relationship between transmission and the angle of incidence is linear or quasi-linear, and as a result a simple one Number as a calibration factor c already allows a very high accuracy in determining the wavefront slope. As a consequence, the calibration required for the method is also simplified.
  • the method described for determining the wavefront slope overcomes significant disadvantages of the previously known approaches and enables more accurate, faster, and more flexible measurements in a number of fields of application.
  • the measurements of the wave fronts can used for the real-time measurement and correction of wavefront deformations caused by atmospheric turbulence as part of adaptive optics, as well as for the examination and quality control of optical components, for the measurement and correction of aberrations in microscopy, for the measurement of the aberrations of the human eye in ophthalmology, as well as for the characterization of the optical properties of a laser beam in laser technology.
  • an extremely precise angle measurement can also be achieved and surface structures or shapes can be measured over an area with great accuracy.
  • a transmission filter unit with at least one transmission filter element and a measuring unit with at least one measuring or detector element are used.
  • two measurements can be carried out for each spatial direction, x-direction and y-direction.
  • the transmission filter unit used or the respective transmission filter element used must have different angles to the optical axis of the laser beam. Accordingly, when the laser beam is divided into four sub-beams, the measurements can be performed simultaneously as described below. In this case, it can make sense to use a separate transmission filter element and measuring or detector element for each measurement and thus for each partial beam.
  • a single involved transmission filter element of the transmission filter unit is correspondingly irradiated during the first irradiation and the second irradiation.
  • the first irradiation and the first measurement take place before the second irradiation and the second measurement, with the only transmission filter element involved in the transmission filter unit between the first irradiation and the first Measuring and the second irradiation and the second measuring is tilted by a difference angle of the two angles about a tilting axis perpendicular to the measuring plane.
  • the tilting axis thus runs in such a way that at a point in time during the tilting process the beam path of the light coincides with the main transmission direction. Shifting the light or the beam path of the light has the same effect and can be viewed as a tilting of the transmission filter element in a moving reference system of the light. This has the advantage that a smaller device with fewer components can be used.
  • the local wavefront slope is determined in at least one spatial direction perpendicular to the propagation direction of the light, preferably in two (ideally orthogonal) spatial directions. A first and a second measurement are carried out for each spatial direction, with the spatial direction assigned to the first and second measurement lying in the measurement plane. The two-dimensional local wavefront slope can thus be determined.
  • a splitting of an original light, preferably an original laser light, into the light of the first irradiation and the light of the second irradiation is provided by a beam splitter unit. Since the light of the first irradiation and the second irradiation have the same source, their respective properties correspond, so it is the same light within the scope of this disclosure, although the lights are different in a property such as intensity and/or polarization can.
  • a first transmission filter element of the transmission filter unit is irradiated, and during the second irradiation, a second transmission filter element, different from the first transmission filter element, of the transmission filter unit.
  • the two transmission filter elements preferably have the same function and each have the main transmission direction that is relevant for the first and second angle between the light and the transmission filter unit.
  • the two transmission filter elements can also be designed as one component unit, ie as one and the same transmission filter element, with the two lights then coming from different directions. gene, and thus different angles of incidence are directed onto and through the transmission filter elements. This is useful, for example, for differently polarized lights as the first and second light.
  • This has the advantage that the speed of the method is increased and thus, for example, the wavefront gradient can be carried out at a speed that is at least twice as high compared to the serial method from above.
  • the number of moving parts is also reduced here, which in turn reduces wear and increases accuracy.
  • Splitting the original light into four lights is particularly advantageous here, so that analogous to the splitting into two lights with the measurement of the wave front in one spatial direction, this can also be done for the second spatial direction in order to achieve the reconstruction of a two-dimensional wave front.
  • a further first irradiation and measurement as well as a further second irradiation and measurement then take place. This is also explained in more detail below.
  • the intensities are measured and the spatial contrast is calculated in each case pixel by pixel for a large number of pixels.
  • the pixels are preferably arranged two-dimensionally on a surface.
  • the measuring unit is then a pixel-based measuring unit, for example with a charge-coupled device measuring or detector element (CCD detector element).
  • CCD detector element charge-coupled device measuring or detector element
  • the absolute value of the two angles corresponds to the absolute value of the angle of the greatest edge steepness of a transmission function of the transmission filter unit or of the respective transmission filter element or elements relative to the associated main transmission direction, in particular the absolute value.
  • the angle amount can also be selected in such a way depending on the edge steepness of the transmission function, the angle that a by the Edge steepness of certain measuring range of measuring the measuring unit is adapted to a measuring range specified by a user.
  • the measuring range can also be dynamically adapted or tracked during the measurement, ie in real time, by readjusting or adapting the angular amounts. If the absolute value of the two angles corresponds to the absolute value of the angle of the greatest edge steepness, the relationship between local contrast and local wavefront gradient S is particularly close to a linear relationship and the dynamics of the measurement are particularly pronounced, which brings with it the advantages described.
  • the transmission filter unit contains at least one Fabry-Perot etalon as the respective transmission filter element with secondary main transmission directions, with the secondary main transmission directions corresponding to the secondary transmission maxima.
  • the selection and setting of the angular amount can therefore be carried out as a user input via a corresponding input unit as a function of the measurement range specified by the user.
  • the selection and setting can also be automated or partially automated. This means that the dynamics of the method can be adapted to the real requirements, even while the wavefront slope is being determined.
  • a further advantageous embodiment provides that the spatial contrast K is proportional to (11-I2)/(I1+I2), preferably equal to (11-I2)/(I1+I2).
  • the spatial contrast is independent of the absolute value of the intensity of the light, so that local intensity fluctuations do not affect the measured value, although properties of the measuring unit used, such as an associated dynamic range or sensor noise, can of course still play a role here.
  • a sensor device for determining a wavefront slope with a beam splitter unit, which is designed to split a light, in particular a laser light, for which the wavefront slope is to be determined, into at least a first light and at least a second light, with a first transmission filter -Element of a transmission filter unit, which is arranged in a beam path of the first light with a main transmission direction of the first transmission filter element tilted by a first angle relative to the beam path of the first light after the beam splitter unit, a first measuring element of a measuring unit, which is in the Beam path of the first light is arranged after the beam splitter unit and is designed to measure a first intensity II of the first light transmitted through the first transmission filter element, with a second transmission filter element of the transmission filter unit, which is in a beam path of the second light with a main - Transmission direction of the second transmission filter element is arranged after the beam splitter unit, tilted by a second angle relative to the beam path of the second light, and with
  • the transmission filter elements preferably have the same function.
  • the two angles between the respective lights and main transmission directions lie in a common measurement plane and have essentially the same angle, but different signs based on the associated main transmission direction.
  • the sensor device also has a computing unit which is designed to calculate a spatial contrast K from a difference between first intensity II and second intensity 12 and preferably also from a sum of first intensity II and second intensity 12 and to determine a local wavefront gradient S from the calculated spatial contrast K and a predetermined calibration factor c of the transmission filter unit.
  • the transmission filter unit can include one or more Fabry-Perot etalons and/or one or more interference filters as respective transmission filter elements.
  • a further aspect relates to a device for measuring atmospheric turbulence, with a sensor device according to one of the described embodiments, wherein the beam splitter unit is additionally formed, the light into two first lights, namely the first light as the first x light, and an additional first light as a first y light, and into two second lights, the second light as a second x light, and an additional second light as a second y light.
  • first and second transmission filter element which can then be referred to as the first x-transmission filter element and second x-transmission filter element
  • first y-transmission filter element which in one Beam path of the first y-light with a main transmission direction of the first y-transmission filter element relative to the beam path of the first y-light by an additional first angle, a first y-angle, is arranged tilted after the beam splitter unit.
  • an additional first measuring element in addition to the first measuring element, which can now be referred to as the first x-measuring element, and to the second measuring element, which can accordingly be referred to as the second x-measuring element, an additional first measuring element, a first y-measuring element, in which Beam path of the first y-light arranged after the beam splitter unit and designed to measure an additional first intensity, a first y-intensity II-y of the first y-light transmitted through the first y-transmission filter element.
  • the device also includes an additional second transmission filter element, a second y-transmission filter element, which is redirected in a path of the second y-light with a main transmission direction of the second y-transmission filter element relative to the path of the second y-light an additional second angle, a second y-angle, tilted after the beam splitter unit.
  • An additional second measuring element, a second y-measuring element is also arranged and formed in the beam path of the second y-light after the beam splitter unit, an additional second intensity, a second y-intensity 12-y des through the second y-transmission filter element to measure transmitted second y-light.
  • the additional y transmission filter elements are preferably functionally identical to one another and/or to the x transmission filter elements.
  • the two y-angles between the respective y-lights and main transmission directions lie in a common measuring plane, a y-measuring plane, and essentially have the same angle, but different signs.
  • the y measurement plane is oriented transversely, in particular perpendicularly, to the measurement plane of the angle between the respective x lights and main transmission directions of the associated transmission filter elements, the x measurement plane.
  • the computing unit is designed accordingly, in addition to the spatial contrast K (or Kx) from the intensities II and 12 (or 11-x and 12-x) measured with the x measuring elements, an additional spatial contrast Ky from a difference of first y Intensity ll-y and second y-intensity 12-y and preferably also a sum of first y-intensity ll-y and second y-intensity ll-y to calculate and an additional local wavefront slope Sy from the calculated additional contrast Ky and a predetermined calibration factor cy, which can but does not have to be identical to the calibration factor c, which can also be called calibration factor cx, of the transmission filter unit, as well as from the local wavefront slope S as wavefront slope Sx in the direction of the x-measuring plane, and the additional wavefront slope S - y to calculate a two-dimensional local wavefront slope S or S-xy in the y measurement plane.
  • the arithmetic unit is preferably also designed to calculate a two-dimensional wave front of the light from the determined two-dimensional local wave front gradient S using a reconstruction algorithm for zonal and/or modal reconstruction.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an exemplary sensor device for determining a wavefront slope
  • 3 shows an exemplary calibration function for a transmission filter unit; and 4 shows a schematic view of a further exemplary sensor device for determining a wavefront slope.
  • Fig. 1 shows an exemplary embodiment of a sensor device 1 for determining a wavefront slope of a light 2.
  • the sensor device 1 has a beam splitter unit 3, which is designed to split the light 2 into at least one first light 2a and at least one second light 2b.
  • the sensor device 1 has a transmission filter unit 4 with a first transmission filter element 4a and a second transmission filter element 4b. These transmission filter elements 4a, 4b are arranged in beam paths A, B of the respective associated first light 2a and second light 2b.
  • the first transmission filter element 4a with an associated main transmission direction 4a* is arranged tilted relative to the beam path A by a first angle ⁇ relative to the beam path A of the first light 2a.
  • the second transmission filter element 4b is correspondingly arranged in the beam path B of the second light 2b, specifically with its main transmission direction 4b* tilted relative to the beam path B by a second angle ⁇ a.
  • the sensor device 1 also has a measuring unit 5 with a first measuring element 5a and a second measuring element 5b.
  • the first measuring element is arranged in the beam path A of the first light after the beam splitter unit 3 and after the transmission filter element 4a and is designed to measure a first intensity II of the first light 2a′ transmitted through the first transmission filter element 4a.
  • the second measuring element 5b is accordingly arranged in the beam path B of the second light 2b′ after the beam splitter unit 3 and is designed to measure a second intensity 12 of the second light 2b′ transmitted through the second transmission filter element 4b.
  • the two transmission filter elements are functionally identical and can, for example, be constructed in the same way.
  • a computing unit 6 is coupled to the measuring elements 5a, 5b and is designed to calculate a spatial contrast K from a difference between the first intensity II and the second intensity 12 and a sum of the two intensities II, 12, as well as a local wavefront gradient S from the calculated spatial contrast K and a predetermined calibration factor of the transmission filter unit 4 to determine.
  • the measurement principle for the wavefront slope S in one spatial direction will now be presented in accordance with the exemplary sensor device 1 shown.
  • the determination of a two-dimensional wavefront gradient S-xy results analogously from the combination of the determination for one spatial direction.
  • the transmission T (FIG. 2) of the filter elements 4a, 4b depends on the angle of incidence ⁇ , ⁇ of the laser beam 2a, 2b.
  • the filter element 4a, 4b was rotated, for example, on the optical axis, i.e. the beam path A, B, the smallest wavefront gradient of 0° is no longer transmitted as a maximum, but the which exactly corresponds to the negative of the (rotational) angle a, -a of the transmission filter element 4a, 4b.
  • the operating point on the transmission curve t1, t2 of the filter element 4a, 4b is thus shifted, depending on the direction of rotation, to the rising and falling edge in the example of the Gaussian curve mentioned.
  • a clear transmission value T and thus a clear measured intensity I can be assigned to each wavefront gradient S in the measurement area, and a distinction can be made between positive and negative angles. This is also explained again below in connection with FIG. 3 .
  • the exemplary wavefront sensor shown in FIG. 1 as a sensor device 1 for determining the wavefront gradient uses this effect.
  • the light 1 is first divided into two partial lights 2a, 2b and both partial lights 2a, 2b are guided to a transmission filter element 4a, 4b.
  • the two lights 2a, 2b do not strike the transmission filter elements 4a, 4b perpendicularly, but at exactly opposite angles a, -a.
  • a transmission function as a Gaussian curve with a maximum at 0°
  • the measuring range for the first light 2a is on the rising edge of the transmission curve t1 and the measuring range for the second light 2b is on the falling edge of the transmission curve t2.
  • the transmission value T for wavefront regions without a gradient ie an angle of incidence of 0°
  • the transmission value T for wavefront regions without a gradient should be identical, but no longer maximum due to the rotations that differ from 0°.
  • Negative angles lead to a lower transmission T in the case of the first light 2a, but to an increased transmission T in the case of the second light 2b.
  • positive angles of incidence these lead in the case of the first light 2a, 2a' to a greater transmission T, and in the case of the second light 2b, 2b' to a lower transmission T.
  • the generation of the sensor or measurement response consists of a conceivably simple calculation step, since the spatial contrast K between the two detector images as a sensor measurement value has an almost linear relationship with the local slope of the wavefront S, which is shown in Fig. 3 by way of example.
  • the spatial contrast can be calculated pixel by pixel in the case of, for example, pixel CCD measuring elements 5a, 5b by dividing the difference between the respective intensity measurements II, 12 of the first and second measuring elements 5a, 5b by their sum. Division by the local total intensity, the sum of the two intensity measurements at the location, causes the sensor reading to be independent of the absolute intensity of the light 2. Local intensity fluctuations therefore do not affect the measured value.
  • Fig. 3 shows such a local contrast K as a function of the local wavefront slope S, and thus the angle of incidence, as a curve Kl. Due to the almost linear relationship between local contrast K and local wavefront slope S, it is sufficient to calculate the slope c of this relationship know in order to determine the wavefront slope from the sensor measurement.
  • the sensor slope c can be determined as a simple scalar in a calibration process.
  • the local angles of incidence and thus the local slopes S of the wavefront are therefore known, so that the reconstruction algorithms known from other methods can be used to calculate the wavefront from the wavefront slopes.
  • Fig. 4 is a further exemplary embodiment of a sensor device 1 for determining a wavefront slope of a light 2. In contrast to the embodiment of Fig.
  • the beam splitter unit 3 is designed to split the light 2 into the at least one first light 2a and the at least one second Split light 2b according to a polarization, for example into the first light 2a as p-polarized light and the second light as s-polarized light.
  • the first light 2a passes through the first transmission filter element 4a after the beam splitter unit 3 at the angle a and then, here after passing through a further beam splitter element 3' for dividing light according to its polarization, hits the measuring element 5a .
  • the second light 2b is directed via the respective deflection elements 7b, 7b' and the further beam splitter element 3' onto the first transmission filter element 4a, which in the present case also serves as the second transmission filter element 4b, since the second light 2b is on the beam path A of the first light 2a in the opposite direction at the angle -a through the transmission filter element 4b.
  • the second light 2b is directed to the measuring element 5b, in this case through the beam splitter unit 3.

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Abstract

Die Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung, mit einem (a1) ersten Bestrahlen einer Transmissionsfilter‐Einheit (4) mit einem Licht (2a, 2b), mit einem ersten Winkel (α) zwischen Licht (2a, 2b) und einer Haupt‐Transmissionsrichtung (4a*, 4b*) der Transmissionsfilter‐Einheit (4) für das Licht (2a, 2b); (a2) ersten Messen einer ersten Intensität I1 des durch die Transmissionsfilter‐Einheit (4) transmittierten Lichtes (2a, 2b); (b1) zweiten Bestrahlen der Transmissionsfilter‐Einheit (4) mit dem Licht (2a, 2b), mit einem zweiten Winkel (‐α ) zwischen Licht (2a, 2b) und der Haupt‐Transmissionsrichtung (4a*, 4b*) der Transmissionsfilter‐Einheit (1) für das Licht (2a, 2b); (b2) zweiten Messen einer zweiten Intensität I2 des durch die Transmissionsfilter‐Einheit (4) transmittierten Lichtes (2a, 2b); wobei die beiden Winkel (α, ‐ α) zwischen Licht (2a, 2b) und Haupt‐Transmissionsrichtung (4a*, 4b*) in einer gemeinsamen Messebene liegen und den gleichen Winkelbetrag, jedoch unterschiedliche Vorzeichen haben; mit einem (c) Berechnen eines räumlichen Kontrastes K aus einer Differenz von erster Intensität I1 und zweiter Intensität I2 und einer Summe von erster Intensität I1 und zweiter Intensität I2; und (d) Ermitteln einer lokalen Wellenfrontsteigung S aus dem berechneten räumlichen Kontrast K und einem in einem Kalibrierverfahren ermitteltem Kalibrierfaktor c der Transmissionsfilter‐Einheit (4), um eine verbesserte Ermittlung von Wellenfrontsteigungen zu realisieren.

Description

Ermittlung einer Wellenfrontsteigung eines Lichts basierend auf winkelabhän- giger Transmission
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Ermittlung einer Wellenfront- Steigung eines Lichtes, insbesondere eines Laserlichts, mit einem Bestrahlen ei- nerTransmissionsfilter-Einheit mit einem Licht mit verschiedenen Winkeln zwischen Licht und einer Haupt-Transmissionsrichtung derTransmissionsfilter-Ein- heit für das Licht, sowie einem Messen einer Intensität des durch die Transmissionsfilter-Einheit transmittierten Lichts für die unterschiedlichen Winkel. Um Wellenfronten von Licht zu messen und insbesondere die Abweichung realer Wellenfronten von idealen, perfekten Wellenfronten zu bestimmen, werden Wellenfrontsensoren eingesetzt. Die gemessenen Abweichungen von der idealen Wellenfront entstehen durch optische Komponenten wie Linsen und Spiegel im Strahlengang des Lichts oder auch durch lokale Brechungsindexschwankungen des vom Lichtstrahl durchlaufenen Mediums, beispielsweise verursacht durch atmosphärische Turbulenzen. Die durch die Wellenfrontsensoren gemessenen bzw. rekonstruierten Wellenfronten werden genutzt, um entweder die jeweiligen von dem Licht durchlaufenen optischen Komponenten wie Linsen, Spiegel, oder das durchlaufene Medium zu charakterisieren, oder auch um im Nachgang die Abweichungen mit Hilfe eines geeigneten Korrektors zu kompensieren. In Abhängigkeit der jeweils vorliegenden Anwendung sind dabei unterschiedliche Eigenschaften wie hohe Messgenauigkeit, Messgeschwindigkeit oder Wellenlängenabhängigkeit des Wellenfrontsensors von Bedeutung.
Entsprechend gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Messmethoden und Wellenfrontsensoren. Wichtige Vertreter sind dabei der Shack-Hartmann-Sensor, wie er in dem Artikel „History in principles of Shack-Hartmann wavefront sensing" von B. C. Platt und R. Shack 2001 im J. Refract. Surg. 17, S-573-7 vorgestellt wurde, der Curvature-Sensor, wie er von F. Rodier im Artikel „Curvature sensing and compensation: a new concept in adaptive opticts" 1988 in Appl. Opt. 27, 1223 vorgestellt wurde, der Pyramid-Sensor, der 1996 von R. Ragazzoni im Artikel „Pupil plane wavefront sensing with an oscillating prism" in J. Mod. Opt. 43 vorgestellt wurde sowie interferometrische Messmethoden wie beispielsweise das Lateral Shearing Interferometer, wie es aus dem 1964 erschienen Aufsatz „The Use of a Single Plane Parallel Plate as a Lateral Shearing Interferometer with a Visible Gas Laser Source" von M. V. R. K. Murty in Appl. Opt. 3 bekannt ist. Sowohl beim Shack-Hartmann-Sensor als auch beim Lateral Shearing Interferometer wird nicht eine Wellenfront, also eine optische Weglängendifferenz, direkt gemessen, sondern eine lokale Neigung der Wellenfront, eine Steigung der Wellenfront oder kurz Wellenfrontsteigung. Aus diesen Gradientenmessungen kann anschließend die Wellenfront wieder rekonstruiert werden.
G. Fütterer stellt in seinem Artikel „Wave front sensing for metrology by using optical filter" 2019 in den Proceedings of SPIE ein Verfahren vor, bei welchem eine einzelne Transmissionsmessung durchgeführt wird und ein gemessener Intensitätswert auf einen Sensor mit Hilfe einer Kalibrierung, welche die Transmission in Relation zu Winkeln setzt, in Einfallswinkel und damit zu Wellenfrontsteigungen überführt wird. Die Auflösung der Kalibrierung wird dabei erhöht, indem mehrere Vergleichsmessungen für die Kalibrierung unter verschiedenen Einfallswinkeln des Lichtes vorgeschlagen werden.
Entsprechend stellt sich die Aufgabe, die Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung zu überwinden und eine verbesserte Ermittlung von Wellenfrontsteigungen zu realisieren.
Diese Aufgabe aber wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung eines Lichts in zumindest einer Raumrichtung, bevorzugt zwei Raumrichtungen. Bevorzugt handelt es sich bei dem Licht um ein Laserlicht. Teil des Verfahrens ist ein erstes Bestrahlen einer Transmissionsfilter-Einheit mit einem Licht, mit einem ersten Winkel, einem ersten Einfallswinkel, zwischen Licht und einer Haupt-Transmissionsrichtung der Transmissionsfilter-Einheit für das Licht des ersten Bestrahlens. Die Haupt-Transmissionsrichtung ist dabei die Richtung, in welcher ein durch die Transmissionsfilter-Einheit bzw. ein Transmissionsfilter- Element der Transmissionsfilter-Einheit dringendes Licht, hier bevorzugt Laserlicht, die maximale Intensität aufweist, d.h. die Richtung in welcher das Licht einfallen muss, um Reflexion und/oder Absorption durch die Transmissionsfilter-Einheit bzw. das Transmissionsfilter-Element zu minimieren. Die Haupt- Transmissionsrichtung kann somit einem lokalen und/oder globalen Maximum einer zugehörigen Transmissionsfunktion entsprechen. Entsprechend erfolgt ein erstes Messen einer ersten Intensität II des durch die Transmissionsfilter- Einheit transmittierten Lichts durch eine Messeinheit. Ebenfalls Teil des Verfahrens ist ein zweites Bestrahlen der Transmissionsfilter-Einheit mit dem Licht, also Licht der gleichen Quelle, mit einem zweiten Winkel zwischen Licht und der Haupt-Transmissionsrichtung der Transmissionsfilter-Einheit für das Licht des zweiten Bestrahlens. Das Bestrahlen erfolgt also unter den jeweiligen ver- schiedenen Einfallswinkeln. Entsprechend erfolgt auch ein zweites Messen einer zweiten Intensität 12 des durch die Transmissionsfilter-Einheit unter dem zweiten Winkel transmittierten Lichts durch die Messeinheit. Wie weiter unten noch erläutert kann das Licht für das erste/zweite Bestrahlen bzw. Messen in entsprechende Teil-Lichter aufgeteilt werden, welche abgesehen von einer Eigenschaft wie beispielsweise einer Intensität und/oder einer Polarisation die gleichen oder äquivalente restliche Eigenschaften aufweisen und daher im Rahmen dieser Offenbarung als das gleiche Licht betrachtet werden.
Die beiden Winkel zwischen jeweiligem Licht und jeweiliger Haupt-Transmissi- onsrichtung liegen dabei in einer gemeinsamen Messebene und haben den im Wesentlichen gleichen Winkelbetrag, jedoch unterschiedliche Vorzeichen. Die im Wesentlichen gleichen Winkelbeträge sind gleich oder bis auf eine vorgegebene Abweichung gleich, welche bspw. höchstens 45°, höchstens 30°, höchstens 15°, höchstens 10° oder höchstens 5° betragen kann. In den folgenden Erläuterungen wird der kompakteren Schreibweise halber von „gleichen Winkelbeträgen" gesprochen, wobei hierunter, so nicht anders vermerkt, „im Wesentlichen gleiche Winkelbeträge" zu verstehen sind. Mit den so gewählten Winkeln wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die beiden Lichter unter jeweiligen Einfallswinkeln auf die Transmissionsfiltereinheit fallen, welche unterschiedlich geneigten Flanken, nämlich je einer steigenden und einer fallenden Flanke, der zugehörigen Transmissionsfunktion entsprechen. Einer der beiden Winkel zwischen Licht und Haupt-Transmissionsrichtung ist somit einer aufsteigenden Flanke einer der Transmissionsfilter-Einheit zugeordneten Transmissionfilterfunktion zugeordnet ist und der andere der beiden Winkel zwischen Licht und Haupt-Transmissionsrichtung einer absteigenden Flanke. Die Transmissionsfilterfunktion kann folglich als winkelabhängige Transmissionsfilterfunktion bzw. winkelabhängige Transmissionsfunktion bezeichnet werden. Dies hat zur Folge, dass eine bestimmte Änderung der Wellenfrontsteigung in den unterschiedlichen Lichtern unterschiedliche Intensitätsänderungen nach sich zieht und somit wie im Folgenden Beschrieben über den räumlichen Kontrast quantifiziert werden kann.
Ebenfalls Teil des Verfahrens ist ein Berechnen eines räumlichen Kontrastes K aus einer Differenz von erster Intensität II und zweiter Intensität 12 sowie bevorzugt auch einer Summe von erster Intensität II und zweiter Intensität 12. Aus dem berechneten räumlichen Kontrast K und einem vorgegebenen, in einem Kalibrierverfahren ermittelten Kalibrierfaktor c der Transmissionsfilter-Einheit wird eine lokale Wellenfrontsteigung S ermittelt. Der Kalibrierfaktor kann als einfaches Skalar vorgegeben sein, alternativ oder ergänzend jedoch auch in Form einer Tabelle, Look-up-table, welche für jeweilige Kontraste und/oder Einfallswinkel die lokale Wellenfrontsteigung liefert.
Das Ermitteln der lokalen Wellenfrontsteigung kann beispielsweise räumlich aufgelöst erfolgen, wobei dann mittels entsprechender Rekonstruktionsalgorithmen für zonales und/oder modales Rekonstruieren aus der oder den bekannten lokalen Wellenfrontsteigungen S die Wellenfront des Lichts rekonstruiert werden kann. Derartige Rekonstruktionsalgorithmen wurden bereits zahlreich für die Verwendung mit dem etablierten Shack-Hartmann-Sensor entwickelt und können auch in dem hier beschriebenen Ansatz verwendet werden.
Das hat den Vorteil, dass die winkelabhängige Transmission eines optischen Filters, derTransmissionsfilter-Einheit, genutzt wird, um den Gradienten der Wellenfront in lokale Intensitätsunterschiede umzuwandeln, und zwar basierend auf einer Differenzmessung, so dass das beschriebene Verfahren unabhängig von lokalen Änderungen der Bestrahlungsstärke über die Zeit ist. Insbesondere beim Einsatz in adaptive Optik Systemen für die Messung und Korrektur von Wellenfrontstörungen aufgrund atmosphärischer Turbulenz ist dies ein entscheidender Vorteil. Überdies erlaubt die Differenzmessung das Anpassen der jeweiligen Einfallswinkel des Lichts auf die Transmissionsfilter-Einheit an eine jeweilige Transmissionsfunktion des entsprechenden vorliegenden Transmissionsfilter-Elements der Transmissionsfilter-Einheit, so dass der Zusammenhang zwischen Transmission und Einfallswinkel linear oder quasi linear ist, und in Folge eine einfache Zahl als Kalibrierfaktor c bereits eine sehr hohe Genauigkeit bei der Ermittlung der Wellenfrontsteigung ermöglicht. Als Konsequenz wird auch das für das Verfahren erforderliche Kalibrieren vereinfacht.
Insgesamt werden mit dem beschriebenen Verfahren zum Ermitteln der Wellenfrontsteigung wesentliche Nachteile der bisher bekannten Ansätze überwunden und in einer Reihe von Anwendungsfeldern genauere, schnellere, und flexiblere Messungen ermöglicht. Die Messungen der Wellenfronten können dabei sowohl für die Echtzeitmessung und -Korrektur von durch atmosphärische Turbulenz verursachten Wellenfrontdeformationen als Teil einer adaptiven Optik eingesetzt werden, als auch für die Untersuchung und Qualitätsprüfung von optischen Bauteilen, für die Messung und Korrektur von Abbildungsfehlern in der Mikroskopie, für die Vermessung der Abbildungsfehler des menschlichen Auges in der Ophthalmologie, sowie für die Charakterisierung der optischen Eigenschaften eines Laserstrahls in der Lasertechnik. Überdies kann mit dem beschriebenen Verfahren auch eine äußerst genaue Winkelmessung erreicht werden und Oberflächenstrukturen oder -formen flächig in großer Genauigkeit vermessen werden.
Grundsätzlich wird eine Transmissionsfilter-Einheit mit mindestens einem Transmissionsfilter-Element und eine Messeinheit mit mindestens einem Mess- oder Detektorelement genutzt. Zur Messung der lokalen Wellenfrontsteigung können dabei für jede Raumrichtung, x-Richtung und y-Richtung, je zwei Messungen durchgeführt werden. Zur vollständigen Vermessung einer zweidimensionalen Wellenfront werden bei dem Verfahren vier Messungen benötigt. Für diese unterschiedlichen Messungen muss die verwendete Transmissionsfilter-Einheit bzw. das jeweilig verwendete Transmissionsfilter-Element unterschiedliche Winkel zur optischen Achse des Laserstrahls aufweisen. Entsprechend können die Messungen wie weiter unten beschrieben gleichzeitig ausgeführt werden, wenn der Laserstrahl in vier Teilstrahlen geteilt wird. Hier kann es dann sinnvoll sein, für jede Messung und somit jeden Teilstrahl ein separates Transmissionsfilter-Element und Mess- oder Detektorelement zu verwenden. Es ist aber auch möglich, die Messungen nacheinander durchzuführen und zwischen den Messungen die Transmissionsfilter-Einheit bzw. ein einziges involviertes Transmissionsfilter-Element entsprechend zu drehen oder die Richtung des Laserstrahls zu ändern, wie es im Folgenden erläutert wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird entsprechend bei dem ersten Bestrahlen und dem zweiten Bestrahlen ein einziges involviertes Transmissionsfilter-Element der Transmissionsfilter-Einheit bestrahlt. Dabei erfolgt das erste Bestrahlen und das erste Messen zeitlich vor dem zweiten Bestrahlen und dem zweiten Messen, wobei das einzige involvierte Transmissionsfilter-Element der Transmissionsfilter-Einheit zwischen dem erstem Bestrahlen und dem erstem Messen und dem zweitem Bestrahlen und dem zweitem Messen um einen Differenzwinkel der beiden Winkel um eine Verkippachse senkrecht zur Messebene verkippt wird. Die Verkippachse verläuft also derart, dass zu einem Zeitpunkt während des Verkippvorgangs der Strahlgang des Lichts mit der Haupt- Transmissionsrichtung zusammenfällt. Ein Verschieben des Lichts bzw. des Strahlgangs des Lichts hat dabei die gleiche Wirkung und kann als ein Verkippen des Transmissionsfilter-Elements in einem sich bewegenden Bezugssystem des Lichts betrachtet werden. Das hat den Vorteil, dass eine kleinere Vorrichtung mit weniger Komponenten genutzt werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ermitteln der lokalen Wellenfrontsteigung in zumindest eine Raumrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts erfolgt, bevorzugt in zwei (am besten orthogonale) Raumrichtungen erfolgt. Dabei wird je ein erstes und ein zweites Messen pro Raumrichtung durchgeführt, wobei die dem ersten und zweiten Messen zugeordnete Raumrichtung in der Messebene liegt. Damit kann die zweidimensionale lokale Wellenfrontsteigung ermittelt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Aufteilen eines Ursprungs-Lichts, bevorzugt eines Ursprungs-Laserlichts, in das Licht des ersten Bestrahlens und das Licht des zweiten Bestrahlens durch eine Strahlteilereinheit vorgesehen. Da das Licht des ersten Bestrahlens und des zweiten Bestrahlens die gleiche Quelle aufweisen, entsprechen sich ihre jeweiligen Eigenschaften, es handelt sich also im Rahmen dieser Offenbarung um das gleiche Licht, wenngleich die Lichter in einer Eigenschaft wie der Intensität und/oder der Polarisation verschieden sein können. Bei dem ersten Bestrahlen wird dann ein erstes Transmissionsfilter-Element der Transmissionsfilter-Einheit bestrahlt und bei dem zweiten Bestrahlen ein von dem ersten Transmissionsfilter-Element verschiedenes zweites Transmissionsfilter-Element der Transmissionsfilter-Einheit. Die beiden Transmissionsfilter-Elemente sind dabei bevorzugt funktionsgleich und weisen jeweils die für den ersten beziehungsweise zweiten Winkel zwischen Licht und Transmissionsfilter-Einheit relevante Haupt-Trans- missionsrichtung auf. Die beiden Transmissionsfilter-Elemente können aber auch in Bauteileinheit, d.h. als ein und dasselbe Transmissionsfilter-Element ausgeführt sein, wobei die beiden Lichter dann aus unterschiedlichen Richtun- gen, und somit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf und durch die Transmissionsfilter-Elemente gelenkt werden. Die bietet sich beispielsweise für unterschiedlich polarisierte Lichter als erstes und zweites Licht an. Das hat den Vorteil, dass die Geschwindigkeit des Verfahrens erhöht wird und so beispielsweise die Wellenfrontsteigung mit einer im Vergleich zum seriellen Verfahren von oben jedenfalls doppelt so großen Geschwindigkeit durchgeführt werden kann. Auch wird hier die Anzahl der beweglichen Teile reduziert, was wiederum Verschleiß verringert und die Genauigkeit erhöht.
Besonders vorteilhaft ist hier ein Aufteilen des Ursprungs-Lichtes in vier Lichter, so dass analog zu dem Aufteilen in zwei Lichter mit dem Vermessen der Wellenfront in einer Raumrichtung dies auch für die zweite Raumrichtung erfolgen kann, um so zur Rekonstruktion einer zweidimensionalen Wellenfront zu gelangen. Entsprechend erfolgt dann analog zum ersten und zweiten Bestrahlen und Messen ein weiteres erstes Bestrahlen und Messen sowie ein weiteres zweites Bestrahlen und Messen. Dies ist weiter unten auch noch genauer erläutert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Messen der Intensitäten und das Berechnen des räumlichen Kontrastes jeweils pixelweise für eine Vielzahl von Pixeln erfolgt. Bevorzugt sind die Pixel dabei zweidimensional auf einer Oberfläche angeordnet. Entsprechend ist die Messeinheit dann eine pixelbasierte Messeinheit, zum Beispiel mit einem charge-coup- led device-Mess- oder Detektorelement (CCD-Detektorelement). Das hat den Vorteil, dass die Auflösung der Wellenfrontsteigungs-Messung mit der Auflösung der pixelbasierten Messeinheit skaliert, da jeder Messwert der gemittelten Wellenfrontsteigung über dem entsprechenden Pixel entspricht. Damit wird durch die Wahl der Messeinheit bzw. deren räumliche Auflösung eine nahezu beliebige Skalierbarkeit erreicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Winkelbetrag der beiden Winkel dem Betrag des Winkel der größten Flankensteilheit einer Transmissionsfunktion der Transmissionsfilter-Einheit bzw. des oder der jeweiligen Transmissionsfilter-Elemente relativ zur zugehörigen Haupt- Transmissionsrichtung entspricht, insbesondere der Betrag ist. Allgemein kann der Winkelbetrag dabei den Winkel auch dergestalt in Abhängigkeit der Flankensteilheit der Transmissionsfunktion ausgewählt werden, dass ein durch die Flankensteilheit bestimmter Messbereich des Messens der Messeinheit an einen von einem Nutzer vorgegebenen Messbereich angepasst wird. So kann beispielsweise auch während des Messens, also in Echtzeit, durch ein Nachjustieren oder Anpassen der Winkelbeträge der Messbereich dynamisch angepasst oder nachgeführt werden. Entspricht der Winkelbetrag der beiden Winkel dem Betrag des Winkels der größten Flankensteilheit, ist der Zusammenhang zwischen lokalem Kontrast und lokaler Wellenfrontsteigung S besonders nah an einem linearen Zusammenhang und die Dynamik der Messung besonders ausgeprägt, was die beschriebenen Vorteile mit sich bringt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Transmissionsfilter-Einheit zumindest ein Fabry-Perot-Etalon als jeweiliges Transmissionsfilter-Element mit Neben-Haupttransmissionssrichtungen enthält, wobei die Neben-Haupttransmissionssrichtungen den Neben-Transmissi- onsmaxima entsprechen. Durch ein Auswählen und Einstellen des Winkelbetrags des ersten und zweiten Winkels in Abhängigkeit jeweiliger Flankensteilheiten der Transmissionfunktion des Fabry-Perot-Etalons im Bereich der Ne- ben-Haupttransmissionsrichtungen dergestalt, dass ein durch die Flankensteilheit bestimmter Messbereich des Messens bzw. der Messeinheit an einen von einem Nutzer vorgegebenen Messbereich angepasst wird, kann das Verfahren an unterschiedliche Anwendungsszenarien angepasst werden. Das Auswählen und Einstellen des Winkelbetrags kann also in Abhängigkeit des von dem Nutzer vorgegebenen Messbereichs als Nutzereingabe über eine entsprechende Eingabeeinheit vorgenommen werden. Insbesondere kann das Auswählen und Einstellen auch automatisiert oder teilautomatisiert erfolgen. Damit kann, sogar während der Ermittlung der Wellenfrontsteigung, die Dynamik des Verfahrens an die realen Erfordernisse angepasst werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der räumliche Kontrast K als proportional zu (11-I2)/(I1+I2) gegeben ist, bevorzugt gleich (11-I2)/(I1+I2). Dadurch wird erreicht, dass der räumliche Kontrast unabhängig von dem Absolutbetrag der Intensität des Lichts ist, so dass lokale Intensitätsschwankungen den Messwert nicht beeinflussen, wobei hier natürlich Eigenschaften der verwendeten Messeinheit wie beispielsweise ein zugehöriger Dynamikbereich oder ein Sensor-Rauschen noch eine Rolle spielen können. Ins- besondere wird die lokale Wellenfrontsteigung S als proportional zu c * K, bevorzugt als S=+/-c * K gegeben, also ein linearer Zusammenhang zwischen lokaler Wellenfrontsteigung S und räumlichem Kontrast K angenommen. Dies vereinfacht das Verfahren erheblich, insbesondere die Kalibrierung, welche zum Ermitteln der Steigung der linearen Sensorantwort, c, erforderlich ist und hat sich in der realen Erprobung hervorragend bewährt.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Sensorvorrichtung zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung, mit einer Strahlteilereinheit, welche ausgebildet ist zum Aufteilen eines Lichts, insbesondere eines Laserlichts, für welches die Wellenfrontsteigung zu ermitteln ist, in zumindest ein erstes Licht und zumindest ein zweites Licht, mit einem ersten Transmissionsfilter-Element einer Transmissionsfilter-Einheit, welches in einem Strahlengang des ersten Lichts mit einer Haupt- Transmissionsrichtung des ersten Transmissionsfilter-Elements relativ zum Strahlengang des ersten Lichts um einen ersten Winkel verkippt nach der Strahlteilereinheit angeordnet ist, einem ersten Messelement einer Messeinheit, welches in dem Strahlengang des ersten Lichts nach der Strahlteilereinheit angeordnet ist und ausgebildet ist, eine erste Intensität II des durch das erste Transmissionsfilter-Element transmittierten ersten Lichts zu messen, mit einem zweiten Transmissionsfilter-Element derTransmissionsfilter-Einheit, welches in einem Strahlengang des zweiten Lichts mit einer Haupt-Transmissionsrichtung des zweiten Transmissionsfilter-Elements relativ zum Strahlengang des zweiten Lichts um einen zweiten Winkel verkippt nach der Strahlteilereinheit angeordnet ist, und mit einem zweiten Messelement der Messeinheit, welches in dem Strahlengang des zweiten Lichts nach der Strahlteilereinheit angeordnet ist und ausgebildet ist, eine zweite Intensität 12 des durch das zweite Transmissionsfilter-Element transmittierten zweiten Lichts zu messen. Dabei sind die Transmissionsfilter-Elemente bevorzugt funktionsgleich. Die beiden Winkel zwischen den jeweiligen Lichtern und Haupt-Transmissionsrichtungen liegen in einer gemeinsamen Messebene und haben den im Wesentlichen gleichen Winkelbetrag, jedoch ausgehend von der zugeordneten Haupt-Transmissionsrichtung unterschiedliche Vorzeichen. Die Sensorvorrichtung weist weiterhin eine Recheneinheit auf, welche ausgebildet ist, einen räumlichen Kontrast K aus einer Differenz von erster Intensität II und zweiter Intensität 12 und bevorzugt auch einer Summe von erster Intensität II und zweiter Intensität 12 zu berechnen und eine lokale Wellenfrontsteigung S aus dem berechneten räumlichen Kontrast K und einem vorgegebenen Kalibrierfaktor c der Transmissionsfilter-Einheit zu ermitteln.
Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der Sensorvorrichtung entsprechen dabei Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen des beschriebenen Verfahrens und umgekehrt.
Die Transmissionsfilter-Einheit kann dabei ein oder mehrere Fabry-Perot-Eta- lons und/oder ein oder mehrere Interferenzfilter als jeweilige Transmissionsfilter-Elemente umfassen.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer atmosphärischer Turbulenz, mit einer Sensorvorrichtung nach einer der beschriebenen Ausführungsformen, wobei zusätzlich die Strahlteilereinheit ausgebildet ist, das Licht in zwei erste Lichter, nämlich das erste Licht als erstes x-Licht, und ein zusätzliches erstes Licht als erstes y-Licht, sowie in zwei zweite Lichter, das zweite Licht als zweites x-Licht, und ein zusätzliches zweites Licht als zweites y- Licht, aufzuteilen. Zusätzlich zu erstem und zweitem Transmissionsfilter-Element, welche dann als erstes x-Transmissionsfilter-Element und zweites x- Transmissionsfilter-Element bezeichnet werden können, ist dann auch ein zusätzliches erstes Transmissionsfilter-Element, ein erstes y-Transmissionsfilter- Element, welches in einem Strahlengang des ersten y-Lichts mit einer Haupt- Transmissionsrichtung des ersten y-Transmissionsfilter-Elements relativ zu dem Strahlengang des ersten y-Lichts um einen zusätzlichen ersten Winkel, einen ersten y-Winkel, verkippt nach der Strahlteilereinheit angeordnet ist. Entsprechend ist auch zusätzlich zu dem ersten Messelement, welches nunmehr als erstes x-Messelement bezeichnet werden kann, und zu dem zweiten Messelement, welches entsprechend als zweites x-Messelement bezeichnet werden kann, ein zusätzliches erstes Messelement, ein erstes y-Messelement, in dem Strahlengang des ersten y-Lichts nach der Strahlteilereinheit angeordnet und ausgebildet, eine zusätzliche erste Intensität, eine erste y-lntensität ll-y des durch das erste y-Transmissionsfilter-Element transmittierten ersten y- Lichts zu messen. Die Vorrichtung weist auch ein zusätzliches zweites Transmissionsfilter-Element, ein zweites y-Transmissionsfilter-Element, welches in einem Strahlengang des zweiten y-Lichts mit einer Haupt-Transmissionsrichtung des zweiten y-Transmissionsfilter-Elements relativ zu dem Strahlengang des zweiten y- Lichts um einen zusätzlichen zweiten Winkel, einen zweiten y-Winkel, verkippt nach der Strahlteilereinheit angeordnet ist. Auch ein zusätzliches zweites Messelement, ein zweites y-Messelement, ist in dem Strahlengang des zweiten y- Lichts nach der Strahlteilereinheit angeordnet und ausgebildet, eine zusätzliche zweite Intensität, eine zweite y-lntensität 12-y des durch das zweite y-Transmis- sionsfilter-Element transmittierten zweiten y-Lichts zu messen. Dabei sind die zusätzlichen y-Transmissionsfilter-Elemente bevorzugt funktionsgleich zueinander und/oder zu den x-Transmissionsfilterelementen.
Die beiden y-Winkel zwischen den jeweiligen y-Lichtern und Haupt-Transmissi- onsrichtungen liegen in einer gemeinsamen Messebene, einer y-Messebene und haben den im Wesentlichen den gleichen Winkelbetrag, jedoch unterschiedliche Vorzeichen. Die y-Messebene ist dabei quer, insbesondere senkrecht, zu der Messebene der Winkel zwischen den jeweiligen x-Lichtern und Haupt-Transmissionsrichtungen der zugeordneten Transmissionsfilter-Elemente, der x-Messebene, orientiert.
Die Recheneinheit ist entsprechend ausgebildet, zusätzlich zum räumlichen Kontrast K (oder K-x) aus den mit den x-Messelementen gemessenem Intensitäten II und 12 (oder ll-x und 12-x), einen zusätzlichen räumlichen Kontrast K-y aus einer Differenz von erster y-lntensität ll-y und zweiter y-lntensität 12-y und bevorzugt auch einer Summe von erster y-lntensität ll-y und zweiter y-lntensi- tät ll-y zu berechnen und eine zusätzliche lokale Wellenfrontsteigung S-y aus dem berechneten zusätzlichen Kontrast K-y und einem vorgegebenen Kalibrierfaktor cy, welcher identisch mit dem auch als Kalibrierfaktor cx bezeichenbaren Kalibrierfaktor c sein kann aber nicht muss, der Transmissionsfilter-Einheit zu ermitteln, sowie aus der lokalen Wellenfrontsteigung S als Wellenfrontsteigung S-x in Richtung der x-Messebene, und der zusätzlichen Wellenfrontsteigung S- y in dery-Messebene eine zweidimensionale lokale Wellenfrontsteigung S oder S-xy zu berechnen. Bevorzugt ist die Recheneinheit auch ausgebildet, eine zweidimensionale Wellenfront des Lichts aus der ermittelten zweidimensionalen lokalen Wellenfrontsteigung S mit einem Rekonstruktionsalgorithmus für zonales und/oder modales Rekonstruieren zu rekonstruieren. Die geschilderten Vorteile und vorteilhaften Ausführungsformen der Sensorvorrichtung gelten analog.
Die vorstehend in der Beschreibung, auch im einleitenden Teil, genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.
Anhand der in den nachfolgenden Figuren gezeigten schematischen Zeichnungen soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Sensorvorrichtung zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung;
Fig. 2 beispielhafte Transmissionsfunktionen zweier Transmissionsfilter-Elemente einer Transmissionsfilter-Einheit;
Fig. 3 eine beispielhafte Kalibrierfunktion für eine Transmissionsfilter-Einheit; und Fig. 4 eine schematische Ansicht einer weiteren beispielhaften Senorvorrich- tung zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung.
Dabei sind in den unterschiedlichen Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Sensorvorrichtung 1 zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung eines Lichts 2. Die Sensorvorrichtung 1 weist dabei eine Strahlteilereinheit 3 auf, welche ausgebildet ist, das Licht 2 in zumindest ein erstes Licht 2a und zumindest ein zweites Licht 2b aufzuteilen. Die Sensorvorrichtung 1 weist eine Transmissionsfilter-Einheit 4 mit einem ersten Transmissionsfilter-Element 4a und einem zweiten Transmissionsfilter-Element 4b auf. Diese Transmissionsfilter-Elemente 4a, 4b sind in Strahlengängen A, B des jeweiligen zugehörigen ersten Lichts 2a bzw. zweiten Lichts 2b angeordnet. Relativ zum Strahlengang A des ersten Lichts 2a ist dabei das erste Transmissionsfilter-Element 4a mit einer zugehörigen Haupt-Transmissions- richtung 4a* relativ zum Strahlengang A um einen ersten Winkel a verkippt angeordnet. Das zweite Transmissionsfilter-Element 4b ist entsprechend in dem Strahlengang B des zweiten Lichts 2b angeordnet, und zwar mit seiner Haupt- Transmissionsrichtung 4b* relativ zum Strahlengang B um einen zweiten Winkel -a verkippt. Eine Messebene, in welcher beide Winkel a, -a und die Haupt- Transmissionsrichtungen 4a*, 4b* liegen fällt vorliegend mit der Zeichenebene zusammen
Die Sensorvorrichtung 1 weist auch eine Messeinheit 5 mit einem ersten Messelement 5a und einem zweiten Messelement 5b auf. Das erste Messelement ist im Strahlengang A des ersten Lichts nach der Strahlteilereinheit 3 und nach dem Transmissionsfilter-Element 4a angeordnet und ausgebildet, eine erste Intensität II des durch das erste Transmissionsfilter-Element 4a transmittierten ersten Lichts 2a' zu messen. Das zweite Messelement 5b ist entsprechend im Strahlengang B des zweiten Lichts 2b' nach der Strahlteilereinheit 3 angeordnet und ausgebildet, eine zweite Intensität 12 des durch das zweite Transmissionsfilter-Element 4b transmittierten zweiten Lichts 2b' zu messen. Die beiden Transmissionsfilter-Elemente sind funktionsgleich und können beispielsweise baugleich ausgeführt sein. Die beiden Winkel a, -a zwischen den jeweiligen Lichtern 2a, 2b und Haupt- Transmissionsrichtungen 4a*, 4b* liegen in der gemeinsamen Messebene und weisen den gleichen Winkelbetrag, jedoch unterschiedliche Vorzeichen auf, was vorliegend in ihrer Benennung ausgedrückt ist. Mit den Messelementen 5a, 5b ist eine Recheneinheit 6 gekoppelt, welche ausgebildet ist, einen räumlichen Kontrast K aus einer Differenz der ersten Intensität II und der zweiten Intensität 12 und einer Summe der beiden Intensitäten II, 12 zu berechnen sowie eine lokale Wellenfrontsteigung S aus dem berechneten räumlichen Kontrast K und einem vorgegebenen Kalibrierfaktor der Transmissionsfilter-Einheit 4 zu ermitteln.
Entsprechend der dargestellten beispielhaften Sensorvorrichtung 1 wird nun das Messprinzip für die Wellenfrontsteigung S in einer Raumrichtung vorgestellt. Das Ermitteln einer zweidimensionalen Wellenfrontsteigung S-xy ergibt sich analog aus der Kombination der Ermittlung für eine Raumrichtung.
Die Transmission T (Fig. 2) der Filterelemente 4a, 4b hängt vom Einfallswinkel a, -a des Laserstrahls 2a, 2b ab. Geeignete Filtertypen sind entsprechend beispielsweise, aber nicht zwingend Fabry-Perot-Etalons und/oder Interferenzfilter. Ist nun beispielsweise eine Transmissionsfunktion eines Transmissionsfilter-Elements 4a, 4b durch eine Gauß-Funktion mit dem (Haupt)Maximum bei senkrechtem Einfall, also einem Einfallswinkel von a = 0 gegeben, sinkt die Transmission entsprechend für Lichtstrahlen 2a, 2b, welche unter einem kleineren oder größeren Winkel auf das Transmissionsfilter-Element 4a, 4b treffen. Trifft nun eine deformierte Wellenfront auf die Transmissionsfilter-Elemente 4a, 4b, ist die Transmission in dem Bereich der Wellenfront mit einer Steigung von 0 maximal und je größer die Steigung ist, desto weniger Licht wird an diesen Stellen transmittiert.
Diese Information könnte bereits zur Ermittlung der lokalen Steigung S genutzt werden. Allerdings kann so nicht unterschieden werden, ob der Einfallswinkel positiv oder negativ ist, da aufgrund der symmetrischen Transmissionskurve tl, t2 (Fig. 2) des Filterelements 4a, 4b und des Transmissionsmaximums bei 0° beide die gleiche Transmission T und somit gemessene Intensität zur Folge ha- ben. Zudem ist der Zusammenhang zwischen Transmission T und Wellenfrontsteigung S nicht linear, sondern entspricht der Transmissionsfunktion tl, t2. Ein entscheidendes Problem für viele Anwendungen ist aber die Abhängigkeit der transmittierten Intensitätswerte von der räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls. Ist diese zeitlich nicht konstant und variiert schnell, kann das Problem nicht durch zusätzliche Kalibrierschritte behoben werden.
Steht die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls nicht senkrecht auf dem Filterelement 4a, 4b, weil das Filterelement 4a, 4b beispielsweise auf der optischen Achse, also dem Strahlgang A, B gedreht wurde, wird nicht mehr die kleinste Wellenfrontsteigung von 0° maximal transmittiert, sondern die, welche gerade dem Negativen des (Dreh-)Winkels a, -a des Transmissionsfilter-Elements 4a, 4b entspricht. Der Arbeitspunkt auf der Transmissionskurve tl, t2 des Filterelements 4a, 4b wird so je nach Drehrichtung in die aufsteigende und abfallende Flanke im genannten Beispiel der Gauß-Kurve verlegt. Durch die Drehung des Transmissionsfilter-Elements 4a, 4b kann somit jeder Wellenfrontsteigung S im Messbereich ein eindeutigerTransmissionswert T und somit eine eindeutige gemessene Intensität I zugeordnet werden und zwischen positiven und negativen Winkel unterschieden werden. Dies ist unten auch in Zusammenhang mit Fig. 3 nochmals erläutert.
Der in Fig. 1 dargestellte beispielhafte Wellenfrontsensor als Sensorvorrichtung 1 zum Ermitteln der Wellenfrontsteigung nutzt diesen Effekt aus. Das Licht 1 wird zunächst in zwei Teil-Lichter 2a, 2b geteilt und beide Teil-Lichter 2a, 2b jeweils auf ein Transmissionsfilter-Element 4a, 4b geführt. Die beiden Lichter 2a, 2b treffen nicht senkrecht auf die Transmissionsfilter-Elemente 4a, 4b auf, sondern unter gerade entgegengesetzten Winkeln a, -a. Somit liegt in dem Beispiel einer Transmissionsfunktion als Gauß-Kurve mit Maximum bei 0° der Messbereich für das erste Licht 2a auf der ansteigenden Flanke der Transmissi- onskurve tl und der Messbereich für das zweite Licht 2b auf der abfallenden Flanke der Transmissionskurve t2. Bei einer symmetrischen Transmissionskurve sollte der Transmissionswert T für Wellenfrontbereiche ohne Steigung, d.h. einen Auftreffwinkel von 0°, identisch sein, aber aufgrund der von 0° verschiedenen Drehungen nicht mehr maximal. Negative Winkel führen beim ersten Licht 2a zu einer geringeren, beim zweiten Licht 2b jedoch zu einer vergrößerten Transmission T. Bei positiven Auftreffwinkeln ist es umgekehrt, diese führen beim ersten Licht 2a, 2a' zu einer größeren, beim zweiten Licht 2b, 2b' hingegen zu einer geringeren Transmission T. Die beiden entsprechenden Transmissionskurven tl, t2 der beiden im vorliegenden Beispiel um a = 0,4° bzw. -a = -0,4° verkippten Transmissionsfilter-Elemente 4a, 4b sind in Fig. 2 gezeigt.
Fig. 2 zeigt entsprechend die beispielhafte Transmissionskurve tl des ersten Transmissionsfilter-Elements 4a und die beispielhafte Transmissionskurve t2 des zweiten Transmissionsfilter-Elements 4b mit der jeweiligen Transmission T über dem Einfallswinkel a, hier für die beispielhafte Verkippung von + 0,4° für das erste Transmissionsfilter-Element 4a und - 0,4° für das zweite Transmissionsfilter-Element 4b. Nach derTransmission werden die beiden Lichter 2a', 2b' mit den beiden Messelementen 5a, 5b erfasst und entsprechend jeweilige individuelle Intensitäten II, 12 einer Intensitätsverteilung I aufgezeichnet. Die Auswertung, also die Erzeugung der Sensor- oder Messantwort besteht aus einem denkbar einfachen Rechenschritt, da der räumliche Kontrast K zwischen beiden Detektorbildern als Sensormesswert einen nahezu linearen Zusammenhang mit der lokalen Steigung der Wellenfront S aufweist, was beispielhaft in Fig. 3 gezeigt ist. Entsprechend kann der räumliche Kontrast pixelweise für den Fall von beispielsweise Pixel-CCD-Messelementen 5a, 5b berechnet werden, indem die Differenz der jeweiligen Intensitätsmessungen II, 12 des ersten bzw. zweiten Messelements 5a, 5b durch deren Summe dividiert wird. Die Division durch die lokale Gesamtintensität, die Summe der beiden Intensitätsmessungen an dem Ort, bewirkt, dass der Sensor-Messwert unabhängig von der absoluten Intensität des Lichts 2 ist. Lokale Intensitätsschwankungen beeinflussen somit den Messwert nicht.
Fig. 3 zeigt beispielhaft solch einen lokalen Kontrast K in Abhängigkeit von der lokalen Wellenfrontsteigung S, und damit dem Einfallswinkel, als Kurve Kl. Aufgrund des nahezu linearen Zusammenhangs zwischen lokalem Kontrast K und lokaler Wellenfrontsteigung S ist es ausreichend, die Steigung c dieses Zusammenhangs zu kennen, um aus der Sensormessung die Wellenfrontsteigung zu ermitteln. Die Sensorsteigung c kann dabei in einem Kalibriervorgang als einfacher Skalar bestimmt werden. Somit sind die lokalen Einfallswinkel und damit die lokalen Steigungen S der Wellenfront bekannt, so dass die aus anderen Verfahren bekannten Rekonstruktionsalgorithmen eingesetzt werden können, um aus den Wellenfrontsteigungen die Wellenfront zu berechnen. In Fig. 4 ist eine weiter beispielhafte Ausführungsform einer Sensorvorrichtung 1 zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung eines Lichts 2. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von Fig. 1 ist die Strahlteilereinheit 3 ausgebildet, das Licht 2 in das zumindest eine erste Licht 2a und das zumindest eine zweite Licht 2b entsprechend einer Polarisation aufzuteilen, beispielsweise in das erste Licht 2a als p-polarisiertes Licht und das zweite Licht als s-polarisiertes Licht. Das erste Licht 2a durchläuft wie für Fig. 1 beschrieben nach der Strahlteilereinheit 3 das erste Transmissionsfilter-Element 4a unter dem Winkel a und trifft dann, hier nach dem Durchlaufen eines weiteren Strahlteilerelements 3' zum Aufteilen von Licht entsprechend seiner Polarisation, auf das Messelement 5a.
Das zweite Licht 2b wird im gezeigten Beispiel über jeweilige Umlenkelemente 7b, 7b' und das weitere Strahlteilerelement 3' auf das erste Transmissionsfilter- Element 4a gelenkt, welches vorliegend zugleich als zweites Transmissionsfilter-Element 4b dient, da das zweite Licht 2b auf dem Strahlgang A des ersten Lichtes 2a in entgegengesetzter Richtung unter dem Winkel - a durch dasTrans- missionsfilter-Element 4b geführt wird. Nach dem Durchlaufen des Transmissionsfilter-Element 4b wird das zweite Licht 2b zu dem Messelement 5b gelenkt, vorliegend durch die Strahlteilereinheit 3.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung, mit einem al) ersten Bestrahlen einer Transmissionsfilter-Einheit (4) mit einem Licht (2a, 2b), mit einem ersten Winkel (a) zwischen Licht (2a, 2b) und einer Haupt-Transmissionsrichtung (4a*, 4b*) derTransmissionsfilter- Einheit (4) für das Licht (2a, 2b); a2) ersten Messen einer ersten Intensität II des durch die Transmissionsfilter-Einheit (4) transmittierten Lichtes (2a', 2b'); bl) zweiten Bestrahlen der Transmissionsfilter-Einheit (4) mit dem Licht (2a, 2b), mit einem zweiten Winkel (-a ) zwischen Licht (2a, 2b) und der Haupt-Transmissionsrichtung (4a*, 4b*) der Transmissionsfilter-Einheit (1) für das Licht (2a, 2b); b2) zweiten Messen einer zweiten Intensität 12 des durch die Transmissionsfilter-Einheit (4) transmittierten Lichtes (2a', 2b'); dadurch gekennzeichnet, dasseiner der beiden Winkel (a , - a) zwischen Licht (2a, 2b) und Haupt-Transmissionsrichtung (4a*, 4b*) einer aufsteigenden Flanke einer der Transmissionsfilter-Einheit (4) zugeordneten Transmissionfilterfunktion zugeordnet ist und der andere der beiden Winkel (a , - a) zwischen Licht (2a, 2b) und Haupt- Transmissionsrichtung (4a*, 4b*) einer absteigenden Flanke der der Transmissionsfilter-Einheit (4) zugeordneten Transmissionfilterfunktion zugeordnet ist; sowie durch ein c) Berechnen eines räumlichen Kontrastes K aus einer Differenz von erster Intensität II und zweiter Intensität 12; d) Ermitteln einer lokalen Wellenfrontsteigung S aus dem berechneten räumlichen Kontrast K und einem in einem Kalibrierverfahren ermitteltem Kalibrierfaktor c der Transmissionsfilter-Einheit (4).
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Winkel (a , - a) zwischen Licht (2a, 2b) und Haupt- Transmissionsrichtung (4a*, 4b*) in einer gemeinsamen Messebene liegen und den im Wesentlichen gleichen Winkelbetrag, jedoch unterschiedliche Vorzeichen haben
3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der räumliche Kontrast K aus der Differenz von erster Intensität II und zweiter Intensität 12 und einer Summe von erster Intensität II und zweiter Intensität 12 berechnet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein
Rekonstruieren der Wellenfront des Lichtes (2a, 2b) aus der ermittelten lokalen Wellenfrontsteigung S mit einem Rekonstruktionsalgorithmus für zonales und/oder modales Rekonstruieren.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
- bei dem ersten Bestrahlen und dem zweiten Bestrahlen ein einziges Transmissionsfilter-Element (4a, 4b) der Transmissionsfilter-Einheit (4) bestrahlt wird; wobei
- das erste Bestrahlen und erste Messen zeitlich vor dem zweiten Bestrahlen und zweiten Messen erfolgt und das einzige Transmissionsfilter-Element (4a, 4b) der Transmissionsfilter-Einheit (4) zwischen erstem Bestrahlen und erstem Messen und zweitem Bestrahlen und zweitem Messen um einen Differenzwinkel der beiden Winkel (a , - a) verkippt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der lokalen Wellenfrontsteigung in zumindest eine Raumrichtung erfolgt, bevorzugt in zwei Raumrichtungen erfolgt, und je ein erstes und ein zweites Messen pro Raumrichtung erfolgt, wobei die dem jeweiligen ersten und zweiten Messen zugeordnete Raumrichtung in der Messebene liegt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch ein
- Aufteilen eines Ursprungs-Lichtes (2) in das Licht (2a) des ersten Bestrahlens und das Licht (2b) des zweiten Bestrahlens; sodass
- bei dem ersten Bestrahlen ein erstes Transmissionsfilter-Element (4a) der Transmissionsfilter-Einheit (4) bestrahlt wird und bei dem zweiten Bestrahlen ein von dem ersten Transmissionsfilter-Element (4a) verschiedenes zweites Transmissionsfilter-Element (4b) der Transmissionsfilter-Einheit (1) bestrahlt wird, wobei die beiden Transmissionsfilter-Elemente (4a, 4b) funktionsgleich sind und die jeweils für den ersten beziehungsweise zweiten Winkel (a , - a) zwischen Licht (2a, 2b) und Transmissionsfilter-Einheit (4) relevante Haupt-Transmissionsrichtung (4a*, 4b*) aufweisen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen der Intensitäten und das Berechnen des räumlichen Kontrastes jeweils pixelweise für eine Vielzahl von Pixeln erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelbetrag der beiden Winkel (a , - a) dem Betrag des Winkel der größten Flankensteilheit einer Transmissionsfunktion der Transmissionsfilter-Einheit (4) relativ zur Haupt-Transmissionsrichtung (4a*, 4b*) entspricht, insbesondere der Betrag ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Transmissionsfilter-Einheit (4) zumindest ein Fabry-Perot-Etalon als Transmissionsfilter-Element (4a, 4b) mit Neben- Haupttransmissionssrichtungen enthält; und durch ein
- Auswählen und Einstellen des Winkelbetrags des ersten und zweiten Winkels (a , - a) in Abhängigkeit jeweiliger Flankensteilheiten einer Transmissionfunktion (tl, t2) des Fabry-Perot-Etalons im Bereich der Neben-Haupttransmissionsrichtungen dergestalt, dass ein durch die Flankensteilheit bestimmter Messbereich des Messens an einen von einem Nutzer vorgegebenen Messbereich angepasst wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der räumliche Kontrast K als proportional zu (11-12)/(l 1+12) gegeben ist, bevorzugt gleich (11-I2)/(11+12), und insbesondere die lokale Wellenfrontsteigung S als proportional zu c*K, bevorzugt als S=+/-c*K.
12. Sensorvorrichtung (1) zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung, mit
- einer Strahlteilereinheit (3), welche ausgebildet ist zum Aufteilen eines Lichtes (2), für welches die Wellenfrontsteigung zu ermitteln ist, in zumindest ein erstes Licht (2a) und zumindest ein zweites Licht (2b);
- einem ersten Transmissionsfilter-Element (4a), welches in einem Strahlengang des ersten Lichts (2a) mit einer Haupt- Transmissionsrichtung (4a*) relativ zum Strahlengang (A) um einen ersten Winkel (et) verkippt angeordnet ist;
- einem ersten Messelement (5a), welches in dem Strahlengang (A) des ersten Lichts (2a) nach der Strahlteilereinheit (3) angeordnet ist und 22 ausgebildet ist eine erste Intensität II des durch das erste Transmissionsfilter-Element (4a) transmittierten ersten Lichts (2a', 2b') zu messen;
- einem zweiten Transmissionsfilter-Element (4b), welches in einem Strahlengang (B) des zweiten Lichts (2b) mit einer Haupt- Transmissionsrichtung (4b*) relativ zum Strahlengang (B) um einen zweiten Winkel (-a) verkippt angeordnet ist;
- einem zweiten Messelement (5b), welches in dem Strahlengang (B) des zweiten Lichts (2b) nach der Strahlteilereinheit (3) angeordnet ist und ausgebildet ist eine zweite Intensität 12 des durch das zweite Transmissionsfilter-Element (4b) transmittierten zweiten Lichts (2b') zu messen; dadurch gekennzeichnet, dass
- die beiden Winkel (a , -a) zwischen den jeweiligen Lichtern (2a, 2b) und Haupt-Transmissionsrichtungen (4a*, 4b*) in einer gemeinsamen Messebene liegen und den im Wesentlichen gleichen Winkelbetrag, jedoch unterschiedliche Vorzeichen haben; sowie durch
- eine Recheneinheit (6), welche ausgebildet ist, einen räumlichen Kontrast K aus einer Differenz von erster Intensität II und zweiter Intensität 12 zu berechnen und eine lokale Wellenfrontsteigung S aus dem berechneten räumlichen Kontrast K und einem vorgegebenen Kalibrierfaktor c der Transmissionsfilter-Einheit (4) zu ermitteln.
13. Sensorvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissionsfilter-Einheit (4) ein oder mehrere Fabry-Perot- Etalons und/oder ein oder mehrere Interferenzfilter als jeweilige Transmissionsfilter-Elemente (4a, 4b) umfasst.
14. Vorrichtung zum Messen einer Wellenfrontsteigung für ein turbulentes Medium wie Wasser oder Atmosphäre, mit einer Sensorvorrichtung (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Strahlteilereinheit (3) ausgebildet ist das Licht (2) in zwei erste Lichter, das erste Licht (2a), erstes x-Licht (2a), und ein zusätzliches erstes Licht, erstes y-Licht, sowie in zwei zweite Lichter, das zweite Licht (2b), zweites x-Licht (2b), und ein zusätzliches zweites Licht, zweites y-Licht, aufzuteilen;
- ein zusätzliches erstes Transmissionsfilter-Element, ein erstes y- Transmissionsfilter-Element, welches in einem Strahlengang des ersten y-Lichtes mit einer Haupt-Transmissionsrichtung relativ zu dem 23
Strahlengang um einen zusätzlichen ersten Winkel, einen ersten y- Winkel, verkippt angeordnet ist;
- ein zusätzliches erstes Messelement, ein erstes y-Messelement, in dem Strahlengang des ersten y-Lichts nach der Strahlteilereinheit (3) angeordnet ist und ausgebildet ist eine zusätzliche erste Intensität, eine erste y-lntensität ll-y des durch das erste y-Transmissionsfilter- Element transmittierten ersten y-Lichts zu messen;
- ein zusätzliches zweites Transmissionfilter-Element, ein zweites y- Transmissionsfilter-Element (4a, 4b), welches in einem Strahlengang des zweiten y-Lichtes (2a, 2b) mit einer Haupt-Transmissionsrichtung (4a*, 4b*) relativ zu dem Strahlengang um einen zusätzlichen zweiten Winkel, einen zweiten y-Winkel, verkippt angeordnet ist;
- ein zusätzliches zweites Messelement, ein zweites y-Messelement, in dem Strahlengang des zweiten y-Lichtes nach der Strahlteilereinheit angeordnet ist und ausgebildet ist eine zusätzliche zweite Intensität, eine zweite y-lntensität 12-y des durch das zweite y-Transmissionfilter- Element transmittierten zweiten y-Lichtes zu messen; wobei
- die beiden y-Winkel zwischen den jeweiligen y-Lichtern und Haupt- Transmissionsrichtungen in einer gemeinsamen Messebene, einer y- Messebene liegen und den im Wesentlichen gleichen Winkelbetrag, jedoch unterschiedliche Vorzeichen haben;
- die y-Messebene quer, insbesondere senkrecht, zu der Messebene der Winkel (a , -a) zwischen den jeweiligen x-Lichtern (2a, 2b) und Haupt-Transmissionsrichtungen (4a*, 4b*) der zugeordneten Transmissionsfilter-Elemente (4a, 4b), der x-Messebene, orientiert ist; sowie dadurch, dass
- die Recheneinheit (6) ausgebildet ist, den räumliche Kontrast K als räumlichen Kontrast K-x aus der Differenz von erster Intensität ll-x und zweiter Intensität 12-x und einer Summe von erster Intensität ll-x und zweiter Intensität 12-x zu berechnen, einen zusätzlichen räumlichen Kontrast K-y aus einer Differenz von erster y-lntensität ll-y und zweiter y-lntensität 12-y und auch einer Summe von erster y- Intensität ll-y und zweiter y-lntensität 12-y zu berechnen und eine zusätzliche lokale Wellenfrontsteigung S-y aus dem berechneten zusätzlichen Kontrast K-y und dem vorgegebenen Kalibrierfaktor c der Transmissionsfilter-Einheit (4) zu ermitteln, und aus der lokalen Wellenfrontsteigung S als Wellenfrontsteigung S-x in Richtung der x- Messebene, und der zusätzlichen Wellenfrontsteigung S-y in der y- Messebene eine zweidimensionale lokale Wellenfrontsteigung S zu berechnen, sowie bevorzugt auch ausgebildet ist, eine zweidimensionale Wellenfront des Lichtes (2) aus der ermittelten zweidimensionalen lokalen Wellenfrontsteigung S mit einem 24
Rekonstruktionsalgorithmus für zonales und/oder modales Rekonstruieren zu rekonstruieren.
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