Wellenfrontmessung und Oberflächenmessung mit Interferometern und Wellenfront-Sensoren

Interferometer

Fizeau Interferometer für Wellenfront- und Oberflächenmessungen

Fizeau-Aufbau
Fizeau-Aufbau

Fizeau-Aufbau
Der am häufigsten verwendete Interferometer-Aufbau

Die letzte Fläche der Interferometeroptik wird als Fizeau-Oberfläche bezeichnet. Sie muss die gleiche Form haben wie der zu messende Prüfling (im Allgemeinen sphärisch oder plan) und ist konzentrisch im optischen Strahlengang platziert, sodass die einzelnen Strahlen die Fizeau-Oberfläche im rechten Winkel durchsetzen. Der größte Teil des Lichts geht durch die Fizeau-Oberfläche und wird an der Prüflingsfläche reflektiert. Dabei wird der Prüflingsflächenfehler als Phasenabweichung der Prüfwellenfront aufgeprägt. Das zurückgeworfene Licht interferiert mit dem Teil des Lichts, der an der Fizeau-Oberfläche reflektiert wurde. Die Fizeau-Oberfläche wirkt also sowohl als Strahlteiler wie auch als Bezugsfläche. Die Kavität, die durch die Fizeau-Ober- und die Prüffläche gebildet wird, enthält somit keine zusätzlichen optischen Elemente, die die Interferenz verfälschen. Dies ist der Grund, warum ein Fizeau-Interferogramm normalerweise die Abweichung des Prüflings von der Bezugsfläche, d.h. der Fizeau-Oberfläche direkt zeigt. Die Qualität der Fizeau-Oberfläche bestimmt die Genauigkeit des Fizeau-Interferometers. Fizeau-Oberflächen stehen gebräuchlicherweise mit einer Qualität von λ/10 – λ/20 PV zur Verfügung, höhere Güten sind auf Anfrage erhältlich.

 

 

Twyman-Green-Interferometer für Wellenfront- und Oberflächenmessungen

Twyman-Green-Aufbau
Twyman-Green-Aufbau

Twyman-Green-Aufbau
Der flexibelste Interferometer-Aufbau

Ein Twyman-Green-Interferometer ist ein modifiziertes Michelson-Interferometer. Hier ist der Strahlteiler von der Bezugsfläche getrennt. Der Vorteil dieser Konfiguration besteht in größerer Flexibilität, weil beide Interferometerarme unabhängig voneinander eingestellt werden können. Die Intensitäten von Bezugsarm und Prüfarm können also problemlos aneinander angepasst werden, um maximalen Streifenkontrast zu erzielen. Nur ein maximaler Streifenkontrast ermöglicht eine maximale Auflösung in der Tiefe. Dies Kontrastanpassung ermöglicht das Messen von Prüflingen mit unterschiedlichen Reflexionsgraden mit maximalem Kontrast und erweitert das Anwendungsspektrum ganz erheblich. Die Bezugsfläche kann eine Oberfläche sein, die kostengünstig ist und unabhängig von der Prüflingsgröße ist. Die Anpassung an die Prüflingsgröße wird erzielt durch Anordnung konventioneller Strahlformungsoptik im Prüfarm. Im Gegensatz zu der Strahlformungsoptik, die in Fizeau-Interferometern verwendet wird, benötigt diese Optik keine teure Fizeau-Oberfläche als letzte Oberfläche.

 
Infolge dieser Flexibilität werden die Interferenzmuster nicht nur durch die Prüflingsfehler verursacht, sondern auch von Aberrationen hervorgerufen von zusätzlichen Optiken in den Interferometerarmen. Da Prüflinge heute jedoch i.A. nicht mehr anhand visueller Interferenzstreifenmustersbewertung analysiert werden, sondern durch computergestützte Phasenanalyse bewertet werden, können die Aberrationen der zusätzlichen Optik leicht bei dieser Analyse berücksichtigt werden. Schließlich liefert die Software ein objektives digitales Messergebnis.

TRIOPTICS Interferometer: µPhase®

Wellenfrontmessung mit Shack-Hartmann-Sensoren

Funktionsprinzip eines Shack-Hartmann-Sensor und Wellenfrontanalyse

Zernike-Analyse
Zernike-Analyse

Ein Shack-Hartmann-Sensors besteht üblicherweise aus einer CCD-Kamera, die in der Brennebene eines Mikrolinsen-Arrays angeordnet ist.

Eine Wellenfront, die auf die Linsen eines Arrays trifft, wird in viele kleine Bereiche zerlegt, in denen das einfallende Licht jeweils in die CCD-Ebene fokussiert wird. Dort entsteht ein von der Form der Wellenfront abhängiges Punktmuster. Im Fall einer perfekt ebenen Wellenfront handelt es sich um ein gleichmäßiges räumliches Muster. Eine durch einen Prüfling eingeführte Aberration führt zu einer Krümmung und somit lokalen Neigung in der Wellenfront. Diese ist mit einer messbaren Verschiebung der einzelnen Brennpunkte verbunden.

Hieraus lassen sich die lokalen Neigungen der Wellenfront bestimmen und eine numerische Integration erlaubt die Rekonstruktion der Wellenfront mit hoher Genauigkeit. 

Hoher Dynamischer Bereich

Der Dynamikbereich eines Shack-Hartmann-Sensors hängt zu einem großen Teil von den Algorithmen ab, mit denen jeder einzelne Messpunkt der entsprechenden Mikrolinse zugeordnet wird. Nur wenn diese Korrelation eingehalten wird, kann eine Wellenfront korrekt rekonstruiert werden. Insbesondere bei stark gekrümmten Wellenfronten reicht die einfache Zuordnung eines vordefinierten Suchbereichs in der CCD-Ebene mit der Größe einer Mikrolinse nicht mehr aus. Mit modernen Verfahren lassen sich Wellenfront-Dynamikbereiche von mehr als 2000 λ erreichen.

Aufgrund dieses hohen Dynamikbereiches sind Shack-Hartmann-Sensoren in der Lage, Wellenfronten mit großen Aberrationen zu messen. Interferometer hingegen haben einen geringeren dynamischen Bereich. 

Echtzeitanalyse von Wellenfronten
Zernike-Polynome

Die gemessene Wellenfront wird mittels Zernike- Polynomen analysiert, welche typische optische Eigenschaften und Fehler einer Linse bzw. eines Linsensystems beschreiben. Hierzu gehören z. B. sphärische Aberrationen, Astigmatismus und Koma.

Die Zernikeanalyse ermöglicht eine numerische Darstellung aller Abbildungsfehler des Prüflings, die im Wesentlichen auf zwei Ursachen zurückzuführen sind: Aberrationen, welche auf das Linsendesign zurückgeführt werden können und/oder aus Fertigungsfehlern resultieren.

MTF, PSF und Strehl-Verhältnis

Die Auswirkungen von Aberrationen werden auch durch die Berechnung der Punktbildfunktion (Point Spread Function, PSF), der Modulationsübertragungsfunktion (Modulation Transfer Function, MTF, oft auch als optische Übertragungsfunktion bezeichnet) oder des Strehl-Verhältnisses des optischen Systems charakterisiert. Diese Größen lassen sich ebenfalls aus der Wellenfront ableiten.

Die Wellenfrontmessung und ihre weiterführenden Analysen liefern demnach eine umfangreiche Beschreibung der Abbildungseigenschaften des Prüflings.

 

 

Unterschiedliche Aufbauten mit Shack-Hartmann-Sensoren

Finite Konfiguration mit Shack-Hartmann-Sensor
Finite Konfiguration mit Shack-Hartmann-Sensor
Infinite Konfiguration
Infinite Konfiguration
Umgekehrte infinite Konfiguration
Umgekehrte infinite Konfiguration
Messung in Reflexion
Messung in Reflexion

Messaufbauten in Transmission und Reflexion

Zur Messung der Wellenfront sind unterschiedliche Konfigurationen des Messaufbaus möglich. Entscheidend für die Auswahl der Konfiguration ist jeweils, ob die optischen Eigenschaften oder die Topographie eines Prüflings untersucht werden soll.


Messung in Transmission

Die Messung in Transmission liefert Informationen über die optischen Eigenschaften einer Linse bzw. eines Linsensystems. In diesem Fall wird die Wellenfront der Austrittspupille auf den Sensor abgebildet. Dabei wird die gemessene Wellenfront sowohl durch die Oberflächen als auch des Brechungsindex der verwendeten Materialen beeinflusst.  


Infinite Konfiguration

Bei diesem Messaufbau für Messungen in Transmission wird der Prüfling mit kollimiertem Licht beleuchtet. Anschließend wird das transmittierte Licht mit Hilfe einer Linse und eines Teleskops erneut kollimiert und auf dem Wellenfrontsensor abgebildet.

Umgekehrte infinite Konfiguration 

Bei dieser Konfiguration wird der Prüfling von einer Punktlichtquelle beleuchtet, die sich in der Brennebene des Prüflings befindet. Die Austrittsspupille der Linse wird mit Hilfe des Teleskops auf dem Wellenfrontsensor abgebildet. Der Abstand zwischen Lichtquelle und Prüfling, die laterale Position der zu prüfenden Linse und die Bildebene des Shack-Hartmann-Sensors werden separat festgelegt.

Dieser Messaufbau wird bei den Instrumenten WaveMaster® COMPACT und WaveMaster® PRO verwendet.

Finite Konfiguration

Bei dieser Konfiguration wird zusätzlich zum umgekehrten infiniten Messaufbau zwischen der zu prüfenden Linse und dem Sensor eine Kollimierlinse eingesetzt.

Weiterhin wird der Prüfling so beleuchtet wie in seiner vorgesehenen Anwendung, d.h. die Punktlichtquelle befindet sich nicht in der Brennebene des Prüflings sondern um eine durch Design vorgegebene Distanz. Diese Konfiguration ist nur bei dem für Forschungs- und Entwicklungszwecke empfohlenen Instrument möglich.

Messung in Reflexion

Messungen in Reflexion liefern Informationen über die Oberflächentopographie des Prüflings. Bei dieser Messung ist die Beleuchtungseinheit mit dem Strahlteiler vor dem Wellenfrontsensor montiert. Eine Kombination aus Kollimierlinse und Teleskop dient zur Beleuchtung des Prüflings und zur Abbildung der reflektierten Wellenfront auf dem Shack-Hartmann-Sensor.

Der Reflexions-Messaufbau ist als leicht zu montierendes Modul für alle WaveSensor®-Produkte erhältlich. Zum Testen unter Produktionsbedingungen dient das WaveMaster® PRO Reflex, während Einzelprüflinge sowohl mit dem WaveMaster® COMPACT Reflex und dem WaveMaster® COMPACT Universal gemessen werden können.

 

 

TRIOPTICS Shack-Hartmann Sensoren: WaveSensor® & WaveMaster®