Die Technologie entwickelt sich weiter, und damit auch die Wellenfrontsensoren. Eine bemerkenswerte Verbesserung betrifft die Dichte der Wellenfrontabtastung. Beispiele für solche Sensoren sind die HASO LIFT-Sensoren von Imagine Optics und der QWLSI-Sensor von Phasics. Beide verwenden eine andere Technik, um eine höhere Abtastdichte zu erreichen.
Das LIFT-Verfahren - die Abkürzung steht für Linearized Focal-plane Technique - ist eine moderne Weiterentwicklung einer Methode, die früher für die Schärfeeinstellung in CD- und DVD-Playern verwendet wurde. Bei dieser älteren Anwendung führte eine zylindrische Linse zu einem Astigmatismus in der Achse des reflektierten Strahls. Wenn die Scheibe scharf gestellt war, zeigte ein Quadrantendetektor gleiche Signale in zwei gegenüberliegenden Zellen an. War die Scheibe unscharf, konnte die Differenz der Signale (einschließlich ihres Vorzeichens) zur Rückmeldung verwendet werden.
In ähnlicher Weise fügt das LIFT-Verfahren einen achsenseitigen Astigmatismus hinzu, tastet aber den Brennpunkt mit viel höherer Auflösung ab. Dadurch lassen sich weitaus mehr Wellenfrontterme auflösen als bei der einfachen Krümmung.
Der QWLSI-Ansatz von Phasics hingegen nutzt Interferenzen, um ein zweidimensionales Streifenmuster zu erzeugen. Mit der Fourier-Streifenanalyse werden zwei Wellenfrontgradienten extrahiert, die dann integriert werden, um die Wellenfront zu rekonstruieren.
Interferometrie, Genauigkeit und Auflösung
Obwohl LIFT und QWLSI auf den ersten Blick nichts gemeinsam zu haben scheinen, haben sie tatsächlich etwas gemeinsam. Keiner von beiden kann die absolute Ablenkung des unten gezeigten verformbaren Spiegelsystems messen. Ist das von Bedeutung? Das kommt auf das Ziel an. Was beide Methoden sehr gut können, ist die Messung der Form des Spiegels auf der Grundlage des Signals - was oft mehr als ausreichend ist. In dem unten gezeigten Beispiel, in dem der gesamte Spiegel nicht sichtbar ist, haben wir jedoch Pech.
Der oft ignorierte Begriff des Kolbens ist kein Hirngespinst von irgendjemandem. In einem gut konzipierten Interferometer kann er für viele Anwendungen ein zuverlässiger Vorteil sein. Auch wenn dieser verformbare Spiegel esoterisch anmuten mag, ist das Konzept doch recht nützlich - zum Beispiel bei der Kalibrierung eines Flüssigkristall-Phasenmodulators. Der optische Fall ist ähnlich: Die klare Apertur ist nicht an eine feste Phase gebunden, und die Streufelder verringern die Effektivität, wenn man sich auf den integrierten Wert eines Phasengradienten verlässt.
Genauigkeit und offene Freiheitsgrade
Erstens: Was meine ich mit offene Freiheitsgrade? Dies sind Freiheitsgrade, die direkt zum Messfehler beitragen. Sie kann kalibriert werden - was in der Regel der Fall ist -, aber sie stellen lineare Empfindlichkeiten dar. Ein klassisches Beispiel ist die Verschiebung von Mikrolinsen in einem Mikrolinsen-Array. Wenn sie nicht ordnungsgemäß kalibriert sind, macht diese Verschiebung die Shack-Hartmann-Sensoren für genaue Wellenfrontmessungen praktisch unbrauchbar.
Sind die Empfindlichkeiten der Kamerapixel “offen”? Im Falle von Shack-Hartmann-Sensoren scheinen die linearen Detektorempfindlichkeiten offen zu sein, da sie die aufgezeichneten Intensitäten individuell umgestalten. Wenn man jedoch davon ausgeht, dass diese Empfindlichkeiten linear und konstant sind, heben sie sich bei der bereits durchgeführten Kalibrierung für die Punktmitten auf.
Sind Interferometer unbedingt genau? Nein, natürlich nicht. Viele Faktoren tragen zum Gesamtfehler bei. Dennoch haben die Konstrukteure optischer Systeme im Vergleich zu den meisten Wellenfrontsensoren ein gewisses Maß an Kontrolle. Bei Senslogic, wo wir unseren eigenen Shack-Hartmann-Sensor entwickeln, wissen wir, wie wichtig es ist, diese Geräte zu kalibrieren - und welchen Aufwand es bedeutet, dies richtig zu tun. Wenn es jedoch um ultimative Genauigkeit geht, gibt es nichts Besseres als Messtechnik, die sich auf ein einziges Präzisionselement zurückführen lässt.
Ein perfektes Beispiel dafür ist das Phasenverschiebungsinterferometer - oder vielleicht sollte ich sagen a Phasenverschiebungsinterferometer, um zu betonen, dass die Phasenverschiebung eine Technik ist, die auf eine bestimmte Interferometerkonfiguration aufgesetzt wird.
Phasenverschiebung
Lassen Sie uns einen kurzen Überblick über die Phasenverschiebungsmethode geben und was das Besondere daran ist. Praktisch jeder interferometrische Aufbau kann durch Phasenverschiebung erweitert werden, d. h. einer der beiden Wege, die das Licht nehmen kann, wird um einen weiteren, wohlbekannten Abstand unterhalb der Wellenlänge erweitert, 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 üblichen 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 von 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 Nichtlinearitäten des Detektors zweiter und sogar dritter Ordnung und Skalenfehler des Stellantriebs. Das PSI-Modul in WaveMe bietet sowohl die 4-Bild-Methode als auch die (4+1)-Bild-Methode an, mit denen man überprüfen kann, ob die Annahmen, die wir bezüglich unserer Einrichtung 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.
Zusammenfassung
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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