Wellenfrontsensor mit hoher lateraler Auflösung und großem Dynamikbereich für Optikprüfung

Ziel war die Untersuchung eines neuen Ansatzes zur Wellenfrontprüfung mit deutlich verbessertem Dynamikumfang und hoher lateraler Auflösung. Der Bedarf an einer solchen Messtechnik ist durch die weite Verbreitung stark asphärischer Optiken gegeben, wie sie z. B. in der Ophthalmologie, in der Laserstrahlformung oder bei komplexen Kunststoffoptiken auftreten. Bei der Betrachtung des Stands der Technik zur Weilenfrontprüfung hat sich ein Prinzip zur Steigerung des Dynamikumfangs als besonders vielversprechend dargestellt: Die eindeutige Kodierung der einzelnen Subaperturen mit einem räumlichen Lichtmodulator. Die bisherigen Ansätze wiesen aber weiterhin deutliche Defizite bezüglich des Messbereichs, der lateralen Auflösung oder der Messgeschwindigkeit auf. Als wesentliche Ursache wurden verfahrensbedingte Eigenschaften und der verwendete Lichtmodulator auf LCD-Basis identifiziert. Daher wurde ein neuer Ansatz zur Kodierung der Subaperturen mit einer digitalen Mikrospiegelmatrix (DMD) untersucht. Die Eigenschaften des DMD versprachen eine Steigerung des Dynamikumfangs bei gleichzeitiger Steigerung der lateralen Auflösung und akzeptablen Messzeiten. Um zu klären, ob DMD tatsächlich als abtastendes Element in einem Wellenfrontsensor eingesetzt werden können, wurden insbesondere folgende Fragen untersucht und beantwortet: (1) Sind die Beugungseffekte am DMD so zu beherrschen, dass ein auswertbares Signal erzeugt wird? (2) Sind die Winkelpositionen der einzelnen DMD-Spiegel ausreichend stabil für ein winkelmessendes Verfahren? Bei der Untersuchung des Demonstratorsystems hat sich herausgestellt, dass das DMD durch seine MikroStruktur starke Beugungseffekte hervorruft, die eine Auswertung erschweren können. Allerdings können die Beugungseffekte durch eine geeignete Wahl der Wellenlänge in dem Maße beherrscht werden, dass das Signal gut auswertbar bleibt. Die Grundlage zur Bestimmung geeigneter Wellenlängen ist die mathematische Beschreibung der Beugungseffekte.Weiterhin hat sich bei den Untersuchungen gezeigt, dass eine ausreichend gute Winkelstabilität des DMD gegeben ist. Die Wiederholpräzision des Winkelsignals ist besser als 10 µrad und die Stabilität bei einer Messdauer von über 5 Stunden ist besser als 25 µrad. Dabei wurde deutlich, dass der wesentliche Einfluss auf die Standardabweichungen der Messungen nicht die mechanische Stabilität des DMD ist, sondern die Eigenschaften der Auswerteelektronik in Verbindung der Signalstärke. Die erzielten Standardabweichungen, die teilweise in der Größenordnung des Digitalisierungsfehlers des A/D Wandlers zeigen, dass die Messgenauigkeit auch durch den A/D Wandler begrenzt wird. Es kann festgestellt werden, dass DMD als abtastendes Element in einem Wellenfrontensor nach dem Shack-Hartmann Prinzip prinzipiell geeignet sind.