WaveSensor & WaveMaster®
Shack-Hartmann Wellenfrontsensoren
Um die Umsetzung aufwendiger optischer Designs nach der Herstellung sicher stellen zu können, muss eine qualifizierte Messtechnik genutzt werden. Hierzu eignet sich insbesondere die Wellenfrontprüfung, die die Abbildungsqualität ortsaufgelöst, das heißt über alle Feldwinkel, und über die gesamte Prüflingsapertur bestimmt. Damit ergibt sich, anders als bei der klassischen MTF-Prüfung, nicht nur ein punktuelles Maß für die Qualität, sondern ein kontinuierlicher Abgleich über die gesamte Apertur.
Produktübersicht
In Echtzeit analysieren Shack-Hartmann Sensoren gesamte Optiken oder einzelne Oberflächen und erlauben die Bestimmung der Wellenfront (PV, RMS), der Zernike-Koeffizienten, der Punktbildfunktion (PSF), der Modulationsübertragungsfunktion (MTF), des Strehl-Verhältnisses, des Krümmungsradius und des Asphärenkoeffizienten. Damit ermöglichen sie nicht nur Rückschlüsse zur Qualitätskontrolle einzelner Linse, sondern auch über den Produktionsprozess.
WaveMaster® PRO 2 / PRO 2 Wafer / PRO 2 PLAN
Serienprüfung von Optiken und Wafern
WaveMaster® PRO 2 erlaubt die Serienprüfung von Optiken und optischen Wafern.
WaveMaster® Field
Außeraxiale Wellenfrontprüfung
Der WaveMaster® Field ist auf die Prüfung von Einzellinsen und Objektiven unter hohen Feldwinkeln ausgelegt.
WaveMaster® PLAN
Messung planer Prüflinge
Zur Qualitätsprüfung planer Flächen mittels Wellenfrontanalyse eignet sich der WaveMaster® PLAN.
WaveMaster® Compact 2
Messung in Transmission für F&E
WaveMaster® Compact 2 misst die Wellenfront von Einzellinsen und optischen Systemen in der Qualitätssicherung.
WaveMaster® Compact 2 Reflex
Messung in Reflexion für F&E
WaveMaster® Compact 2 Reflex ermöglicht die Messung der Oberflächentopographie und den Krümmungsradius von Einzellinsen.
WaveMaster® Compact 2 Universal
Messung in Transmission & Reflexion
Kombinierte Wellenfront- und Oberflächentopographiemessung sind mit dem WaveMaster® Compact 2 Universal möglich.
WaveMaster® UST
Universelle Prüfung von Stepperoptiken
Beidseitig telezentrische Objektive lassen sich mit dem vollautomatisierten WaveMaster® UST messen.
WaveMaster® IOL 2
Wellenfrontmapping von Intraokularlinsen
Die Wellenfront-Messung mit dem WaveMaster® IOL 2 ermöglicht das Power Mapping von Intraokularlinsen.
Anwendungen
Konventionelle Grenzen überschreiten
Umfassende Qualitätskontrolle mit Shack-Hartmann Messtechnik
Der Bedarf an kompakten Linsensystemen, die sich durch eine kleine Größe und ein geringes Gewicht auszeichnen, führt in vielen Fällen zum Austausch mehrerer sphärischer Linsen durch eine asphärische Optik. Zusätzlich nehmen Qualitätskontrollen bereits während der Fertigung an Bedeutung zu. In vielen Fällen können für diese Messaufgaben keine herkömmlichen Verfahren eingesetzt werden. Die Wellenfrontmessung mit Shack-Hartmann Sensoren stellt hier auf Grund ihres großen Dynamikbereiches die Lösung der Wahl dar.
Software
WaveSensor oder WaveMaster® Software
Die Software ist übersichtlich strukturiert, bedienerfreundlich und enthält alle Funktionen, um mit einem WaveSensor® oder WaveMaster® sphärische und asphärische Prüflinge zu messen und zu analysieren. Mit ihrer flexiblen Konfigurierbarkeit, werden alle wichtigen Messergebnisse angezeigt.
Die Software kommuniziert mit dem Shack-Hartmann-Sensor und analysiert die gemessene Wellenfront in Echtzeit. Zusätzlich steuert sie die WaveMaster® Messsysteme, um z. B. Prüflinge auszurichten.
Technische Daten
Shack-Hartmann Sensor
WaveSensor | 150 | 150 mit Reflex-Modul |
---|---|---|
Sensorbereich | 15 mm x 15 mm | 15 mm x 15 mm |
Wellenlänge | 405 nm ... 1100 nm1) | 405 nm ... 1100 nm1) |
Wellenfront Genauigkeit | < λ/20 (RMS) | 0,05 μm (RMS) |
Wellenfront Wiederholgenauigkeit | < λ/200 (RMS) | 0,005 μm (RMS) |
Dynamikbereich | 2.000 λ | 2.000 λ |
Messfrequenz | Bis zu 12 Hz | Bis zu 12 Hz |
Laterale Auflösung | 138 x 138 Mikrolinsen | 138 x 138 Mikrolinsen |
Forschung & Entwicklung
WaveMaster® | Compact 2 | Compact 2 Reflex | Compact 2 Universal |
---|---|---|---|
Prüflingsdurchmesser | 0,5 mm ... 14 mm2),3) | 4,5 mm ... 18 mm3),5) | Transmission: 0,5 mm ... 14 mm2),3) Reflexion: 4,5 mm ... 14 mm3),5) |
Brennweite (Messkonfiguration) | -30 mm ... +100 mm4) | -30 mm ... +100 mm4) | |
Krümmungsradius | -50 mm ... 30 mm6) | -50 mm ... 30 mm6) | |
Prüflingshalter | Einzelprüfplatz, manuelle Positionierung | Einzelprüfplatz, manuelle Positionierung | Einzelprüfplatz, manuelle Positionierung |
Maximum Asphärizität | ≤ 7°7) | ≤ 7°7) |
WaveMaster® | PLAN | Field | UST |
---|---|---|---|
Prüflingsdurchmesser | 0,5 mm ... 14 mm2),3) | 0,5 mm ... 14 mm2),3) | Bis zu 1.100 mm x 650 mm x 1.200 mm |
Prüflingshalter | Einzelprüfplatz, manuelle Positionierung | Einzelprüfplatz, manuelle Positionierung | Schnittstelle für kundenspezifische Linsenhalter |
Maximum Prüflingsgewicht | 450 kg | ||
Maximaler Abstand zwischen Objekt- und Bildebene | 1200 mm | ||
Maximale Feldgröße, bildseitig | ±20 mm | 100 mm x 100 mm | |
Maximale Feldgröße, objektseitig | ±70° | 70 mm x 45 mm |
Produktion
WaveMaster® | PRO 2 | PRO 2 Wafer | PRO 2 PLAN |
---|---|---|---|
Prüflingsdurchmesser | 0,5 mm ... 14 mm2) | 0,5 mm ... 14 mm2) | 0,5 mm ... 14 mm2) |
Anlagemaß | -12 mm ... +50 mm4) | -12 mm ... +50 mm4) | |
Prüflingshalter | Tray | Wafer-Halter | Tray |
Messzeit pro Optik | < 3 s8) | < 3 s8) | < 3 s8) |
Prüflingsdurchsatz pro Stunde | ≥ 1.200 Linsen8) | ≥ 1.200 Linsen8) | ≥ 1.200 Linsen8) |
Linsen pro Tray | Max. 1488) | Max. 1488) | |
Austauschzeit für Tray mit Linsen | 10 s | 10 s | 10 s |
Wafer tray Austauschzeit, inkl. Einrichtung | < 2 min | < 2 min | < 2 min |
Einrichtzeit für neues Linsendesign | < 5 min | < 5 min | < 5 min |
1) Nach Kundenwunsch
2) Abhängig vom Teleskop
3) Weitere auf Anfrage
4) Abhängig vom Mikroskop
5) Abhängig vom Krümmungsradius und der Beleuchtungsoptik
6) Abhängig vom Prüflingsdurchmesser und der Beleuchtungsoptik
7) Lokale Abweichungen von der best-passenden Sphäre
8) Abhängig vom Prüfling
Upgrades & Zubehör
Alle WaveMaster®-Systeme zeichnen sich durch einen flexiblen Aufbau aus, so dass sie an die speziellen Anforderungen Ihrer Anwendung angepasst werden können.
Die vollständige Analyse wird durch eine individuelle Anpassung an den Prüfling möglich. Kinematische Halterungen erlauben so u. A. den einfachen Austausch von Lichtquellen und Teleskopen:
• Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge und numerischer Apertur
• Teleskope zur Erreichung der optimalen Vergrößerung zwischen Prüfling und Sensor
• Optiken für Oberflächen mit verschiedenen Krümmungsradien
• Prüflingshalter und Trays
• Referenzprüflinge
Die Softwarefunktionalität wird durch spezifische Module bezüglich der Messaufgabe optimiert:
ZERNIKE-Analyse-Modul
- Zernike-Fit und Analyse der Wellenfront in Echtzeit
- Numerische und grafische Anzeige der Fit-Ergebnisse und Residuen
- Import von Wellenfront-Designdaten aus ZEMAX und CODE V für Echtzeit-Vergleiche
- Export von Wellenfront-Daten und des Analyse-Ergebnissen in ASCII- und ZEMAX-Format
MTF/PSF-Analyse-Modul
- Echtzeit-Berechnung und -Anzeige der 3D-MTF- und PSF-Daten
- Tabelle mit MTF-Messergebnissen
- Exportfunktion für Messergebnisse
- Berechnung des Strehlverhältnis
• Erweiterung des Messbereichs
• Upgrade für torische Linsen (automatische Markererkennung, vereinfachte MTF-Messung, visuelle Begutachtung)
• Upgrade für 546 nm
• Linsenhalter mit verschiedenen Aperturgrößen
• Modellauge, optional beheizbar
Knowledge Base
Wellenfrontmessung mit Shack-Hartmann Sensoren
Funktionsprinzip eines Shack-Hartmann Sensors und Wellenfrontanalyse
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. 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.
Mehr Wissen für Experten
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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
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.
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 2 und WaveMaster® PRO verwendet.
Finite Konfiguration
Bei dieser Konfiguration wird zusätzlich zum umgekehrten infiniten Messaufbau der Prüfling entsprechend seiner vorgesehenen Anwendung beleuchtet. Dies bedeutet, dass die Punktlichtquelle sich nicht in der Brennebene des Prüflings befindet, sondern in einer hierzu durch das Design vorgegebenen Distanz. Zur vollständigen Abbildung des Strahlenbündels auf dem Sensor wird zwischen der zu prüfenden Linse und dem Teleskop weiterhin eine Kollimierlinse eingesetzt. 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. Einzelprüflinge können sowohl mit dem WaveMaster® Compact Reflex und dem WaveMaster® Compact 2 Universal gemessen werden.