Die Technologie entwickelt sich weiter, und damit auch die Wellenfrontsensoren. Zu den bemerkenswerten Verbesserungen gehört die Dichte der Wellenfrontabtastung. Beispiele für solche Sensoren sind die von Imagine Optics angebotenen HASO LIFT-Sensoren und der QWLSI-Sensor von Phasics. Die Techniken zur Erreichung dieser erhöhten Abtastdichte sind unterschiedlich.
Die LIFT-Technik, die auch für Linearized Focal-plane Technique steht, ist eine neue Variante der Methode, die früher zur Scharfstellung von DVD- und CD-Spielern verwendet wurde. Eine zylindrische Linse wurde hinzugefügt, um einen zusätzlichen Astigmatismus (in der Achse) im reflektierten Strahlengang zu erzeugen. Wenn die Scheibe scharf gestellt war, zeigte der Quadrantendetektor in den beiden diametral gegenüberliegenden Zellen das gleiche Signal an. Außerhalb des Fokus gab es einen Unterschied, einschließlich des Vorzeichens, der als Feedback verwendet werden konnte.
Im gleichen Sinne fügt die LIFT-Technik einen achsenseitigen Astigmatismus hinzu, tastet aber den Brennpunkt mit viel höherer Auflösung ab und kann auf diese Weise viel mehr Terme auflösen als eine einfache Wellenfrontkrümmung.
Der phasische QWLSI-Ansatz hingegen nutzt Interferenzen, um ein zweidimensionales Streifenmuster zu erzeugen. Mithilfe von Fourier-Streifenmethoden werden zwei Wellenfrontgradienten extrahiert und integriert, um die Wellenfront zu erhalten.
Obwohl es scheint, als hätten LIFT und QWLSI nichts gemeinsam, haben sie doch etwas gemeinsam. Keines von ihnen kann die Ablenkung in absoluten Zahlen an dem unten skizzierten verformbaren Spiegelsystem messen. Ist das von Bedeutung? Nun, es kommt darauf an, was man erreichen will. Was man damit recht gut erreichen kann, ist die Messung der Form des Spiegels anhand des Signals, was in vielen Fällen völlig ausreicht. Für das Beispiel in der Skizze unten, bei dem wir nicht den gesamten Spiegel sehen können, haben wir Pech.
Der so oft ignorierte Begriff des Kolbens ist kein Hirngespinst. Bei einem richtig konzipierten Interferometer kann er für alle Arten von Anwendungen eine zuverlässige Hilfe sein. Dieser verformbare Spiegel ist vielleicht etwas esoterisch, aber bei der Kalibrierung eines Flüssigkristall-Phasenmodulators kann man ihn gut gebrauchen. Das optische Gehäuse ist recht ähnlich. Die klare Apertur ist nicht mit einer festen Phase verbunden, und die Wirksamkeit der Verwendung des integrierten Wertes eines Phasengradienten wird durch Streifenfelder beeinträchtigt.
Erstens: Was meine ich mit offenen Freiheitsgraden? Damit meine ich Freiheitsgrade, die direkt zum Messfehler beitragen. Sie können kalibriert werden, und normalerweise sind sie es auch, aber es handelt sich um eine lineare Empfindlichkeit. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Verschiebung der Mikrolinsen in einem Mikrolinsen-Array, die Shack-Hartmann-Sensoren, sofern sie nicht kalibriert sind, für genaue Wellenfrontmessungen praktisch unbrauchbar machen. Sind die Kamera-Pixel-Empfindlichkeiten offen? Für den Shack-Hartmann-Sensor scheinen die linearen Detektorempfindlichkeiten offen zu sein, da sie die aufgezeichneten Intensitäten individuell umformen, aber unter der Annahme, dass die Empfindlichkeiten linear und konstant bleiben, verschwinden sie in der bereits vorhandenen Kalibrierung der Punktmitten.
Sind Interferometer notwendigerweise genau? Nein, natürlich nicht. Viele Faktoren tragen zum Gesamtfehler bei. Im Vergleich zu den meisten Wellenfrontsensoren können wir als Entwickler optischer Systeme jedoch einen gewissen Grad an Kontrolle ausüben. Da wir bei Senslogic unseren eigenen Shack-Hartmann-Sensor entwickeln, wissen wir den Wert der Kalibrierung dieser Geräte und den damit verbundenen Aufwand zu schätzen. Wenn es jedoch um ultimative Genauigkeit geht, ist nichts besser als eine Messtechnik, deren Genauigkeit auf ein einziges Präzisionselement zurückgeführt werden kann.
Das perfekte Beispiel dafür ist das Phasenverschiebungsinterferometer, oder vielleicht hätte ich schreiben sollen, a Phasenverschiebungsinterferometer, um zu betonen, dass die Phasenverschiebung etwas ist, das ein bestimmtes Interfe-rometer ergänzt.
Lassen Sie uns einen kurzen Überblick über die Phasenverschiebungsmethode geben und was das Besondere an ihr ist. Praktisch jeder interferometrische Aufbau kann durch Phasenverschiebung erweitert werden, was bedeutet, dass einer der beiden Wege, die das Licht nehmen kann, eine zusätzliche und wohlbekannte Sub-Wellenlängen-Distanz hinzufügt, um die Streifenanalyse in eine einfache Gleichung für die relative Phase zwischen den Wegen zu verwandeln.
Die Phasenverschiebung ist keineswegs eine neue Technologie, und in der Literatur finden sich recht aufwendige Methoden mit vielen Phasenschritten, um die Unzulänglichkeiten der damals vorherrschenden Technologie zu überwinden. Der 90°-Phasenschritt, der von Anfang an eingeführt wurde, bietet jedoch so viel eingebaute Fehlerkompensation, dass es mindestens zwei Jahrzehnte lang keinen Grund gab, etwas anderes für die Analyse von Zweistrahl-Interferenzanordnungen zu verwenden.
Daraus ergibt sich der Ausdruck für die Phase,
wobei der Index die Anzahl der 90°-Schritte angibt, die wir mit unserem Aktor gemacht haben. A und B sind die realen Amplituden der beiden interferierenden Strahlen, real, weil wir die Phasendifferenz zwischen ihnen in die Phase verschoben haben. Noch wichtiger ist es zu beachten, dass, wenn die Intensitäten auf einer Kamera aufgezeichnet werden, jedes Pixel uns einen der obigen Ausdrücke liefert, den wir nur dividieren müssen,
Der obige Ausdruck ist nun frei von A und B. Dies ist ein größeres Problem, als vielleicht auf den ersten Blick ersichtlich ist, da sowohl A als auch B von der Empfindlichkeit der Kamerapixel abhängen, die sie an der gegebenen Position aufnehmen, und nun sind sie weg. Wir haben auch nicht erwähnt, dass jede der Intensitäten in einem Labor aufgenommen worden sein könnte, in dem es eine Hintergrundlichtquelle gibt. Dieser Beitrag verschwand in der Differenz zwischen den Intensitäten im Zähler und im Nenner.
Die 90°-Phasenabstufung wird manchmal als 4+1-Messung angewandt, bei der die (scheinbar) redundante Phasenverschiebung von 360&\deg; gemessen wird. So rudimentär es auch erscheinen mag, der 4+1-Ansatz unterdrückt Detektor-Nichtlinearitäten zweiter und sogar dritter Ordnung und Skalenfehler des Stellantriebs. Das PSI-Modul in WaveMe bietet sowohl die 4-Bild- als auch die (4+1)-Bild-Methode an, mit denen man überprüfen kann, ob die Annahmen, die wir in Bezug auf unseren Aufbau haben, richtig sind.
Bei der Phasenverschiebung müssen wir in erster Linie sicherstellen, dass die Unterschiede zwischen den erfassten Intensitäten nur die Wirkung unseres Aktuators widerspiegeln, und da die Bilder zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen werden, wird jede zeitliche Abweichung als Fehler erscheinen. Es gibt Methoden, die alle vier Phasen gleichzeitig erfassen, aber dafür ist eine ganz andere Kamera erforderlich, und auch die Fehleranalyse wird ganz anders aussehen. James C. Wyant ist ein viel beachteter Verfechter dieses Ansatzes.
Mit diesem Technik-Talk wollte ich einige Dinge beleuchten, die zu beachten sind, wenn man vor der Wahl steht, einen Shack-Hartmann-Sensor oder ein Interferometer zu verwenden. Wenn Sie sich für Ersteres entscheiden, gibt es hochauflösende Produkte auf dem Markt. Wenn die Auflösung nicht Ihren Vorstellungen entspricht, können Sie nicht viel tun, außer nach einer anderen Lösung zu suchen. Das Gleiche gilt, wenn Sie den Kolbenterm oder den Mittelwert der Weglängendifferenz benötigen. Ihre Wahl ist dann das phasenverschiebende Interferometer. Wenn Sie mit der Auflösung nicht zufrieden sind, wählen Sie eine andere Kamera. Sie haben die Kontrolle. Dies ändert nichts an der Anwendung. Keine neue Kalibrierung. Um nur ein Beispiel aus meiner eigenen Vergangenheit zu nennen, wo ich zufällig das verwendete, was gerade auf dem Tisch lag, nämlich eine Kamera, die für Videoaufnahmen gedacht war (nicht, dass das ein so großer Unterschied wäre), aber der Punkt ist, dass Sie sich bei so viel eingebauter Kompensation nicht so sehr um Ihre eigene optische Einrichtung kümmern müssen.
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