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Charakterisierung und Kalibrierung von optischen Wellenfrontsensoren

An der PTB wird aktuell ein Messsystem aufgebaut, um Wellenfrontsensoren mit ebenen und sphärischen Wellenfronten rückgeführt zu kalibrieren und später auch Dienstleistungen anzubieten. Wellenfrontsensoren, wie z. B. Shack-Hartmann-Sensoren werden vielfältig eingesetzt, z. B. in der Interferometrie, der Opthalmologie oder bei adaptiven Optiken. Shack-Hartmann-Sensoren bestehen aus einem Mikrolinsen¬array und einem sich dahinter befindendem Bildsensor.

Bedingt durch das nicht perfekte Mikrolinsenarray oder durch Ausrichtungsfehler zwischen Mikrolinsenarray und Bildsensor entstehen systematische Sensorfehler, die im Rahmen einer Kalibrierung bestimmt werden. Dafür werden sowohl ebene als auch sphärische Test-Wellenfronten verwendet. Mit den ebenen Wellenfronten wird der Nullpunkt der Spotpositionen und mit den gekrümmten / sphärischen Wellenfronten die Auslenkungen der Spotpositionen kalibriert.

Für eine rückgeführte Charakterisierung der Wellenfrontsensoren müssen die Abweichungen der genutzten Test-Wellenfronten von der idealen Form bekannt sein. Bei den eingesetzten Verfahren werden die aktuell vorliegenden Test-Wellenfronten während der Messungen selbst mitgemessen, so dass hochgenaue Kalibrierungen von Wellenfrontsensoren möglich sind. Die beiden Verfahren (Nutzung ebener bzw. sphärischer Test-Wellenfronten) werden im Folgenden kurz vorgestellt.


Kalibrierung mit ebenen Wellenfronten

Abbildung 1 zeigt das Messprinzip: Mit einem Kollimator und einer Lichtquelle (Laser oder LED) wird eine nahezu ebene Wellenfront erzeugt, dessen Durchmesser mindestens zweimal größer ist als die Fläche des zu kalibrierenden Wellenfrontsensors. Der Wellenfrontsensor wird quer durch das vom Kollimator erzeugte Strahlbündel verschoben. Innerhalb des Scanbereichs werden Positionen im Mikrolinsenabstand angefahren. An jeder Position werden die von den Mikrolinsen des Wellenfrontsensors angezeigten Wellenfrontgradienten aufgezeichnet. Zusätzlich wird die - bei jeder Translationsbewegung zwar kleine, aber unvermeidliche - Verkippung des Wellenfrontsensors mit einem Autokollimationsfernrohr gemessen. Basierend auf dem Traceable Multi-Sensor-Verfahren (TMS) [Wie09] werden aus den Messdaten die Eingangswellenfront und die systematischen Sensorfehler bestimmt. Entscheidend dabei ist, dass keine Vorkenntnisse der Test-Wellenfront notwendig sind. Einzige Voraussetzung ist, dass sich die Wellenfront während des Scanvorgangs nicht ändert.


Abbildung 1: Prinzipskizze für die Kalibrierung mit ebenen Wellenfronten.


Damit kann mit dem aktuellen Aufbau die Referenzspotposition jeder Mikrolinse des Wellenfrontsensors mit einer Messunsicherheit von ca. 2 µrad ( k=2) bestimmt werden [Bau18].


Kalibrierung mit sphärischen Wellenfronten


Hier wird eine nahezu punktförmige Lichtquelle verwendet. Diese wird durch den Faserausgang einer optischen Faser realisiert. Es können auch hier wahlweise Laser oder LEDs verwendet werden. Der entsprechende Aufbau ist in Abb. 2 skizziert [Bau19]. Die punktförmige Lichtquelle wird senkrecht zur optischen Achse verfahren. Der Scanbereich entspricht auch hier der doppelten Sensorgröße. Es wird in einem Raster entsprechend dem Abstand der Mikrolinsen gescannt und bei jeder Position werden die Daten des Wellenfrontsensors aufgezeichnet


Abbildung 2: Prinzipskizze für die Kalibrierung mit sphärischen Wellenfronten.


Auch dieses Verfahren ermöglicht die gleichzeitige Bestimmung von Testwellenfront sowie der mikrolinsenspezifischen Referenzpositionen [Bau20]. Abschätzungen für die Messunsicherheit der Referenzspotpositionen ergeben mit dem aktuell realisierten Aufbau einen Wert von etwa 4 µrad (k=2) [Bau20].

Um diesen Messaufbau kompakter, stabiler und die Positionsbestimmung genauer zu gestalten, soll der Aufbau modifiziert werden (Abb. 3) Durch die Verwendung von 2 Längeninterferometern (LI-1 und LI-2 jeweils mit 3 Strahlen) werden die Positionen und Verkippungen der Lichtquelle genauer bestimmt und die Verschiebungen werden auf das Meter rückgeführt. Es wird erwartet, dass dadurch eine geringere Messunsicherheit erreicht wird.


Abbildung 3: Konstruktionsskizze des Messaufbaus zur rückgeführten Charakterisierung von WFS mit sphärischen Wellenfronten.


Veröffentlichungen


[Bau20] J. Bautsch, M. Schake, G. Ehret, U. Berg, L. Wagner, J. Pfund, R. Tutsch, „Traceable calibration of Shack-Hartmann wavefront sensors employing spherical wavefronts,“ Optical Engineering, Optical Engineering, 59(8), 084104 (2020). doi.org/10.1117/1.OE.59.8.084104

[Ehr20] G. Ehret, J. Bautsch, M. Schulz: „Kalibrierung von Wellenfrontsensoren mit ebenen und sphärischen Wellenfronten.“ DGaO Proceedings (2020). www.dgao-proceedings.de/download/121/121_p6.pdf

 [Bau19] J. Bautsch, G. Ehret, U. Berg, L. Wagner, J. Pfund, „Charakterisierung von Wellenfrontsensoren mittels sphärischer Wellenfronten,“ (2019). www.dgao-proceedings.de/download/120/120_b12.pdf

[Bau18] J. Bautsch, G. Ehret, U. Berg, L. Wagner, J. Pfund, „Hochgenaue und rückgeführte Charakterisierung von Wellenfrontsensoren,“ (2018). www.dgao-proceedings.de/download/119/119_p34.pdf

[Wie09] A. Wiegmann: „Multiple Sensorsysteme zur Topographiebestimmung optischer Oberflächen“, Dissertation (2009). opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2009/2394/pdf/wiegmann_axel.pdf


Ansprechpartner

Dr.-Ing. Gerd Ehret
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