EP3384258A1 - Verfahren und vorrichtung zur vermessung einer gekrümmten wellenfront mit mindestens einem wellenfrontsensor - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur vermessung einer gekrümmten wellenfront mit mindestens einem wellenfrontsensor

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Publication number
EP3384258A1
EP3384258A1 EP17730657.8A EP17730657A EP3384258A1 EP 3384258 A1 EP3384258 A1 EP 3384258A1 EP 17730657 A EP17730657 A EP 17730657A EP 3384258 A1 EP3384258 A1 EP 3384258A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wavefront
sensor
sensors
different positions
wavefront sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17730657.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Schitter
Markus Thier
Rene Paris
Severin UNGER
Han Woong Yoo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Micro Epsilon Optronic GmbH
Original Assignee
Micro Epsilon Optronic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Micro Epsilon Optronic GmbH filed Critical Micro Epsilon Optronic GmbH
Publication of EP3384258A1 publication Critical patent/EP3384258A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J2009/002—Wavefront phase distribution

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for measuring a curved wavefront with at least one wavefront sensor, wherein a plurality of measurements are carried out at different positions along the wavefront with at least one wavefront sensor for determining a local gradient of the wavefront at the different positions.
  • a spherical wavefront which is produced by a test lens, such as a lens, will be considered below as a representative example of a curved wavefront.
  • a typical course of a light beam is shown schematically.
  • a test optics A generates a spherical wavefront B along an optical axis C.
  • the propagation direction in FIG. 1 is from left to right.
  • a planar wavefront which is generated for example by a coherent light source such as a laser, is focused by the inspection optics A, whereby spherical wavefronts B arise.
  • a resulting wave front B can be set in relation to an ideal spherical wavefront, so that a qualitative statement can be made about the test optics A.
  • the measurement of the wavefront A takes place via so-called wavefront sensors.
  • wavefront sensors are nowadays often executed according to the Shack-Hartmann principle in order to measure a local wavefront curvature.
  • Such a wavefront sensor is shown schematically in FIG. 2, wherein a spherical wavefront is scanned locally via a microlens array of the wavefront sensor.
  • a lo- kale tilt of the wavefront causes an offset Ok of the focal points to the optical axis of the microlens.
  • a local inclination of the wavefront is mapped into an offset Ok of the associated focal point.
  • the wavefront has a radius R. Distances from the optical axis are denoted by dk. Furthermore, the angle of incidence of the wavefront on the microlens is marked with ⁇ .
  • the focal length of the microlenses is f.
  • the offsets Ok of the focal points on a 2D detector, for example image sensor, are directly proportional to the local gradients of the wavefront, which enable the spatial reconstruction of the entire wavefront via integration methods.
  • a relationship between the radius R of a spherical wavefront, the distances dk from the optical axis and the local offsets Ok can be established as follows: d k f
  • the occurring local gradient tan (a) of the wavefront can be expressed via the focal length / a microlens as follows:
  • the aim is to limit the maximum occurring gradient tan (amax), since with increasing angle ⁇ the aberration called coma, which is determined by the production quality of the microlens, increases and falsifies the measurement.
  • the following approaches are conceivable: 1.
  • the distance R can be increased.
  • this approach also leads to a higher local sample density.
  • the area of the wavefront to be measured is possibly larger than the aperture - measuring range - of the sensor and, on the other hand, the intensity is lower.
  • a method for measuring a curved wavefront is known from EP 1 192 433 B1.
  • a wavefront sensor is moved translationally over the surface of the wavefront to be measured.
  • a wavefront which is greater than the aperture of the sensor can be measured.
  • the complete wavefront is composed of a so-called "stitching" of the measured subregions
  • stitching methods are known from the prior art for this purpose, the publication H. Li, G. Feng, J. Sun, T. Bourgade, S. Zhou and A.
  • the present invention has for its object to provide a method and an apparatus for measuring a curved wavefront with a wavefront sensor, after which a particularly precise measurement of the wavefront is possible with structurally simple means.
  • the above object is achieved by a method having the features of claim 1. Thereafter, the method is characterized in that the multiple measurements, each with a substantially tangential orientation of a light entry plane of the wavefront sensor or the wavefront sensors done to the curved wavefront.
  • the above object is achieved by a device having the features of claim 18. Thereafter, the device is embodied and developed in such a way that the wavefront sensor or the wavefront sensors can be positioned on the curved wavefront for carrying out the multiple measurements, each with a substantially tangential orientation of a light entry plane of the wavefront sensor or wavefront sensors.
  • the above object is achieved in a surprisingly simple manner by a skilful alignment of one or more wavefront sensors during the measurements.
  • an alignment of the wavefront sensor or the wavefront sensors is selected, in which a light entry plane of the wavefront sensor or wavefront sensors is made substantially tangentially to the curved wavefront.
  • the wavefront sensors are aligned as optimally as possible with each measurement to the wavefront to be measured.
  • a maximum occurring gradient of the wavefront is kept as small as possible during each measurement.
  • the wavefront sensor or the wavefront sensors are adapted during a measurement to the curvature of a wavefront to be measured or aligned therewith.
  • the wavefront sensor or are the wavefront sensors optimally aligned or inclined to the wavefront for each individual measurement. From the several measurements finally the measured wavefront can be reconstructed. Consequently, the method and the device according to the invention provide a method and a device according to which a particularly precise measurement of the wavefront is made possible with structurally simple means.
  • the at least one wavefront sensor can be a Shack-Hartmann sensor. Such sensors are characterized by a simple and robust measuring principle.
  • the Shack-Hartmann sensor or wavefront sensor can be aligned at the different positions such that a function f (at least one distance Ok from a focal point to a reference point of a microlens of the Shack-Hartmann sensor or wavefront sensor is dependent). oi, 02,..., ON) is minimized, the distance Ok of the associated focal point corresponding to an image of a local inclination in the wavefront by means of the respective microlens.
  • a function f at least one distance Ok from a focal point to a reference point of a microlens of the Shack-Hartmann sensor or wavefront sensor is dependent. oi, 02,..., ON) is minimized, the distance Ok of the associated focal point corresponding to an image of a local inclination in the wavefront by means of the respective microlens.
  • the respective wavefront sensor can be aligned in such a way that a quasi arbitrary distance function f (oi, 02,.., ON) is minimized for the wavefront sensor. This results in a regulation for a particularly precise measurement of the wavefront.
  • the function f may mean the weighted average of all distances Ok or the weighted average of the squares of all distances Ok.
  • this also covers the case that the function f is weighted only a single distance OE and all other distances Ok, k * E are weighted by the factor 0.
  • the orientation of one or more wavefront sensors can advantageously take place in such a way that the spacing or distances Ok are as small as possible or below a predefinable threshold value. This results in the end effect of a particularly precise measurement of the wavefront while avoiding or minimizing as far as possible any aberrations.
  • the orientation of one or more wavefront sensors can be carried out before each measurement and / or between two or more measurements. These may in particular be measurements of the wavefront which are carried out for the purpose of reconstructing a single wavefront from these measurements. Thus, the several measurements are measurements of a wavefront to be measured.
  • the orientation of one or more wavefront sensors can be carried out continuously during a movement of one or more wavefront sensors. Such a continuous alignment can take place, in particular, if a wavefront region is to be detected which is larger than the aperture or apertures of the wavefront sensor (s).
  • the wavefront sensor or wavefront sensors may be moved along one or more substantially circular trajectories to reach the different locations. As a result, reliable scanning of the surface area of the wavefront to be measured can be achieved.
  • the measurements can be carried out at least partially overlapping along the wavefront. At least partial areas of the wavefront to be measured are measured several times.
  • the wavefront sensor or the wavefront sensors can be pivotable about one or two different axes.
  • the axes may preferably be aligned at a right angle to each other and / or preferably intersect.
  • the wavefront sensor or the wavefront sensors can be aligned via a controller of a control loop such that a focal point of the wavefront generated by means of a lens of a wavefront sensor lies on one or the optical axis of the lens, preferably for alignment of the wavefront sensor or derived from wavefront sensors control signals of the local gradient of the wavefront is derived.
  • the controller can align the wavefront sensor at each different position such that the focal point lies on the optical axis.
  • Such a control is particularly suitable for the case in which the sensor consists of a single lens including detector.
  • a wavefront-generating optical system for relative positioning of the wavefront to the wavefront sensor or to the wavefront sensors can be rotated about an optical axis or be rotatable.
  • the wavefront to be measured is quasi rotated about the axis of rotation of the optics.
  • merely translational movability of the wavefront sensor or the wavefront sensors with a corresponding tangential orientability is sufficient.
  • one or more wavefront sensors suspended on a suspension point can be set into a swinging motion about the suspension point to reach the different positions. The oscillating movement makes it possible to scan a selected surface area of the wavefront to be measured.
  • a plurality of wavefront sensors can be arranged on a carrier, wherein preferably the wavefront sensors are tiltable relative to the carrier about at least one axis and preferably displaceable relative to the carrier.
  • several measurements at different positions along the wavefront can be carried out simultaneously.
  • the wavefront can in this case be reconstructed based on the measurement data of the individual wavefront sensors.
  • an alignment of the wavefront sensors in each case before a measurement and / or carried out between two or more measurements.
  • a movement of all wavefront sensors arranged on the carrier takes place at the same time during a movement of the carrier.
  • one end of an optical waveguide can scan the wavefront at least in regions, wherein light received at the different positions is forwarded by means of the optical waveguide to the light entry plane of the wavefront sensor or the wavefront sensors.
  • the optical waveguide can be displaced by means of a movement device into a scanning movement, preferably along a circular path. The scanning of the wavefront or moving the end of the optical waveguide usually takes place in the convergent beam path of a focusing optics.
  • the wavefront can be reflected by at least one mirror on the wavefront sensor or the wavefront sensors, wherein the mirror for measuring at the different positions can be pivoted about one or two axes.
  • a wave front of a focusing optical system with one or more mirrors is reflected onto the wavefront sensor or the wavefront sensors.
  • the wavefront sensor or the wavefront sensors can be stationary. It is important that the focal point generated by the focusing optics is located in a respective mirror plane.
  • the orientation of one or more wavefront sensors with respect to the wavefront to be measured is basically adapted to the respective position of the wavefront sensor.
  • the light entrance opening of the wavefront sensor or the Light entry level assumed as ideal level.
  • This ideal plane can be tangent to a reference virtual surface, with the midpoint of the ideal plane touching the virtual reference surface.
  • the virtual reference surface is arbitrary and is adapted to the respective application.
  • the method according to the invention and the device according to the invention can be advantageously used in particular in the case of strongly curved wavefronts.
  • Such wavefronts may be spatially extended, but need not be, in that multiple measurements at different spatial positions are required to metrologically detect the entire wavefront and / or multiple measurements with different orientations relative to the wavefront are required in order not to leave the dynamic range of the respective wavefront sensor for different areas of the wavefront.
  • a nearly optimal relationship between the dynamic range of the wavefront sensor and the accuracy of the measurement can be achieved during the measurement.
  • the distances should be kept as small as possible.
  • wavefront gradients that would exceed the dynamic range of the sensor without relative alignment can also be detected.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a typical situation for a
  • Measurement of a curved wave front 2 is a schematic representation of a measurement of a wavefront according to the Shack-Hartmann principle
  • FIG. 3 is a schematic representation of an embodiment of a method according to the invention for measuring a curved wavefront
  • FIG. 4 is a schematic representation of a tangential alignment of a wavefront sensor to a wavefront
  • FIG. 5 is a schematic representation of a further embodiment of a method according to the invention, wherein the wavefront sensor consists of a single lens including detector,
  • FIG. 6 is a schematic representation of an embodiment of a method according to the invention with a static inspection optics and a pivotable about two axes and movable in two directions wavefront sensor,
  • FIG. 7 is a schematic representation of a further embodiment of a method according to the invention with a test optics which can be rotated about an optical axis and with a wavefront sensor which can be pivoted about an axis,
  • FIG. 8 shows a schematic representation in a side view and in a plan view of a further embodiment of a method according to the invention with a wavefront sensor suspended as a pendulum,
  • FIG. 9 is a schematic representation of another embodiment of a method according to the invention with an array of wavefront sensors, which are arranged on a carrier, 10 is a schematic representation of the tiltability and displaceability of wavefront sensors arranged on a support according to FIG. 9;
  • FIG. 11 is a schematic representation of another embodiment of a method according to the invention with a movable optical waveguide for scanning the wavefront;
  • FIG. 12 is a schematic representation of another embodiment of a method according to the invention with a deflection mirror for
  • FIG. 3 and 4 show in schematic representations an embodiment of a method according to the invention for measuring a curved wavefront A, wherein a Shack-Hartmann sensor is used as wavefront sensor and a spherical wavefront A is measured.
  • a maximum the maximum local gradient tan
  • the entire spherical wavefront A is scanned at a specific distance R along a circular trajectory B at specific points 1 to n.
  • the course of the scanning geometry B is shown by a dashed line.
  • a predetermined region of the wavefront A is scanned by individual measurements, which are represented by hatched regions C. All individual measurements are taken along the scan trajectory B.
  • the areas C correspond to the detected area of the individual wavefront sensor at a time.
  • the individual positions or measuring points can be selected such that the individual wavefront images overlap.
  • the entire wave front sits down from the sum of the individual wavefronts 1 to n together, see FIG. 3.
  • the composition of the wavefront takes place via a so-called wavefront stitching.
  • the displacement distance AS in FIG. 4 in this case determines the overlapping area with which the accuracy of the measurement can be influenced.
  • the individual measurements are subsequently imaged with an algorithm on a spherical surface.
  • the necessary distance R, the associated wavefront surface and the number of measurements necessary for a complete wavefront image can be derived therefrom.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of another embodiment, this being the special case in which the sensor consists of a single lens including detector.
  • the sensor consists of a single lens including detector.
  • This sensor is guided along a predetermined scanning trajectory E and is additionally rotatably mounted about two directions - axes of rotation C and F.
  • the inclination of the sensor is controlled via a control loop so that the focal point along the optical axis - corresponds to the center of the detector - comes to rest.
  • the control signals generated by the controller of the control circuit for aligning the sensor provide information about the inclination of the compensated wavefront gradient.
  • the wavefront sensor is designed as a 2D detector D, which is rotatably mounted about two axes along a scanning trajectory E.
  • a controller tries to hold the focal point G in the middle of the detector D while the scanning trajectory E is running.
  • the resulting manipulated variables are proportional to the wavefront gradient.
  • A denotes the lens and B a wavefront section.
  • Fig. 6 shows a schematic representation of another embodiment of the invention.
  • a test optics is fixed in position and a wavefront sensor is guided along a circular path by pivoting about an axis A1 a.
  • translational degrees of freedom are provided parallel to the optical axis and parallel to the axis A1 a.
  • the sensor is pivoted about a further axis A2a in order to be aligned tangentially to the wavefront.
  • S The area detected by the wavefront sensor at one time is denoted by S.
  • FIG. 7 shows an embodiment of the invention, in which the test optics is rotatably mounted about an axis A1 b.
  • the wavefront sensor S By an additional pivoting of the wavefront sensor S about an axis A2b, the entire wavefront can be scanned.
  • Both the axis A2b according to FIG. 7 and the axis A1a according to FIG. 6 extend through a focus of the wavefront which is generated by the inspection optics.
  • the tangential orientation to a spherical wavefront is given by the twofold rotatability of the sensor S according to FIG.
  • the sensor S according to FIG. 7 can also be translationally movable.
  • Fig. 8 shows a schematic representation of a further embodiment of the invention.
  • the wavefront sensor is suspended from a pendulum. Before the measurement, the pendulum and sensor are deflected and an initial impulse is transmitted. During the decay process images of the wavefront are taken. Another possibility is to actuate the pendulum in the suspension point in order to set the pendulum in motion.
  • the wavefront sensor is shown at two positions A and B, whereby it moves on during its decaying process from position A to position B and then substantially spirally.
  • the sensor is suspended from a universal joint C, which is coupled to the test optics D.
  • the scan trajectory of the sensor is labeled E.
  • FIGS. 9 and 10 show a further exemplary embodiment of the invention, in which case a plurality of wavefront sensors A are fastened to a carrier B.
  • a sensor array is formed, which consists of an arrangement of a plurality of wavefront sensors A.
  • the individual sensors A are connected via the carrier B, which serves as a connection frame or support frame.
  • the individual wavefront sensors A can be positioned substantially freely-rotatable and displaceable-and adjustable by means of actuators in their suspension points on the carrier B, see FIG. 10.
  • the entire sensor array can be extended to extend the measuring range a predefined scan trajectory are guided or - holding in position - take a snapshot of the wavefront. In the latter case, a complete detection is omitted.
  • the individual wavefront sensors A are tiltable and can be displaced via a support frame B, so that any wavefront radii R can be measured.
  • Fig. 1 1 shows a schematic representation of another embodiment of the invention.
  • an optical waveguide A is arranged as a transmission medium between generated by a test optics F wavefront and a detector C.
  • the optical waveguide A is vibrated via spatially arranged actuators E, for example voice coil actuators, in such a way that the beginning of the optical waveguide A curves along a circular path or scanning trajectory D.
  • the optical waveguide A scans the incident wavefront in a convergent region of the light and transfers a segment of the wavefront to an output of the optical waveguide A.
  • the output is statically connected to a base.
  • a wavefront sensor is arranged at the exit a wavefront sensor is arranged.
  • an optic with a lens B which converts the inclination of the wavefront into an offset of the focal point, is located at the output.
  • the entire wavefront generated by the test optics F can be scanned, wherein in each case one segment of the wavefront is transmitted to the output and a second wavefront is transmitted to the output. tion of the wavefront is imaged via a lens system B in an offset of the focal point.
  • the detector C works according to the Shack-Hartmann principle.
  • Fig. 12 shows a schematic representation of another embodiment of the invention.
  • the wavefront generated by means of a test optics A is projected via a deflection mirror B onto a static wavefront sensor C.
  • a deflection mirror B In order to make the principle understandable, only an inclinability of the pivotable mirror B about an axis is shown in FIG.
  • the inclination about a second axis which is preferably orthogonal to the drawn axis, can be realized within the scope of a further embodiment.
  • the entire wavefront is pivoted over the area of the wavefront sensor C and scanned spatially. It is important that the focal point always lies on the mirror surface, otherwise the pivoting is superimposed on a movement of the pivot axis.
  • the optical axis D is deflected by means of the deflection mirror B.
  • the wavefront sensor C is represented by the hatched area in FIG. 12 and is fixed at a measurement position.
  • two orthogonally arranged scanners or deflecting mirrors B reflect the incident wavefront in the direction of the wavefront sensor C. The movement of the scanners or deflecting mirrors B causes the wavefront to be measured to be guided over the measuring range of the sensor C.
  • Wavefront analysis often involves the representation of the measured wavefront through the superimposition of individual fundamental modes - polynomials such as Zernike polynomials - which is referred to as modal analysis.
  • the order of the fundamental mode is directly linked to the number of required sampling points - individual measurements. If only spatially low-frequency fundamental modes are to be analyzed in a wavefront measurement, complete scanning of the entire wavefront is not absolutely necessary. The reconstruction on the basis of non-overlapping, spatially separated partial measurements is thus feasible. This can significantly reduce the time required for a measurement in scanning methods, since no continuous partial measurements are necessary.
  • FIGS. 9 and 10 only a single measurement is taken at all by a simultaneous recording All participating wavefront sensors necessary to reconstruct the entire wavefront with sufficient accuracy.
  • the intensity distribution within the cross section of the wavefront to be measured can vary significantly due to the light source used, for example lasers, whereby the maximum intensity can occur, for example, in the center of the beam and the minimum intensity in the edge region.
  • the light source used for example lasers
  • different intensity profiles can be compensated for either by overlaying images taken at different exposure times or by using image sensors based on multislope integration techniques - pixels with variable exposure time.

Landscapes

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Abstract

Im Hinblick auf eine besonders präzise Vermessung einer Wellenfront mit konstruktiv einfachen Mitteln ist ein Verfahren zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront mit einem Wellenfrontsensor, wobei mehrere Messungen an unterschiedlichen Positionen entlang der Wellenfront mit mindestens einem Wellenfrontsensor zur Ermittlung eines lokalen Gradienten der Wellenfront an den unterschiedlichen Positionen durchgeführt werden, angegeben, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die mehreren Messungen mit jeweils im Wesentlichen tangentialer Ausrichtung einer Lichteintrittsebene des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren an die gekrümmte Wellenfront erfolgen. Des Weiteren ist eine entsprechende Vorrichtung zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront mit einem Wellenfrontsensor angegeben.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR VERMESSUNG EINER GEKRÜMMTEN WELLENFRONT MIT MINDESTENS EINEM
WELLENFRONTSENSOR
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront mit mindestens einem Wellenfrontsensor, wobei mehrere Messungen an unterschiedlichen Positionen entlang der Wellenfront mit mindestens einem Wellenfrontsensor zur Ermittlung eines lokalen Gradienten der Wel- lenfront an den unterschiedlichen Positionen durchgeführt werden.
Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt und existieren in unterschiedlichen Ausführungsformen. Dabei ist häufig eine präzise Vermessung von stark gekrümmten Wellenfronten gewünscht. Zur Erläuterung einer derartigen Messung wird als repräsentatives Beispiel einer gekrümmten Wellenfront im Folgenden eine sphärische Wellenfront betrachtet, die durch eine Prüfoptik wie beispielsweise eine Linse erzeugt wird. In Fig. 1 ist hierzu schematisch ein typischer Verlauf eines Lichtstrahls dargestellt. Hierbei erzeugt eine Prüfoptik A eine sphärische Wellenfront B entlang einer optischen Achse C. Die Ausbreitungsrichtung in Fig. 1 ist dabei von links nach rechts.
Eine in die Prüfoptik A einfallende planare Wellenfront, die beispielsweise durch eine kohärente Lichtquelle wie beispielsweise ein Laser erzeugt wird, wird durch die Prüfoptik A fokussiert, wodurch sphärische Wellenfronten B entstehen. Eine dabei entstehende Wellenfront B kann in Bezug zu einer ideal sphärischen Wellenfront gesetzt werden, so dass eine qualitative Aussage über die Prüfoptik A gemacht werden kann. Die Vermessung der Wellenfront A erfolgt über so genannte Wellenfrontsensoren. Aufgrund eines einfachen und robusten zugrunde liegenden Messprinzips werden heutzutage Wellenfrontsensoren häufig nach dem Shack-Hartmann-Prinzip ausgeführt, um eine lokale Wellenfrontkrümmung zu messen. In Fig. 2 ist ein derartiger Wellenfrontsensor schematisch dargestellt, wobei eine sphärische Wellenfront über ein Mikrolinsenarray des Wellenfrontsensors lokal abgetastet wird. Eine lo- kale Neigung der Wellenfront ruft dabei einen Versatz Ok der Fokalpunkte zur optischen Achse der Mikrolinse hervor. Mit anderen Worten wird eine lokale Neigung der Wellenfront in einen Versatz Ok des zugehörigen Fokalpunkts abgebildet. Die Wellenfront weist einen Radius R auf. Abstände von der optischen Achse sind mit dk bezeichnet. Des Weiteren wird der Einfallswinkel der Wellenfront auf die Mikrolinse mit α gekennzeichnet. Die Brennweite der Mikrolinsen beträgt f.
Die Versätze Ok der Fokalpunkte auf einem 2D-Detektor, beispielsweise Bildsensor, sind direkt proportional zu den lokalen Gradienten der Wellenfront, die über Integrationsverfahren die räumliche Rekonstruktion der gesamten Wellenfront ermöglichen.
Ein Zusammenhang zwischen dem Radius R einer sphärischen Wellenfront, den Abständen dk von der optischen Achse und den lokalen Versätzen Ok kann wie folgt hergestellt werden: dkf
Der auftretende lokale Gradient tan(a) der Wellenfront lässt sich über die Brennweite / einer Mikrolinse wie folgt ausdrücken:
°~k
tan(a) =—
Zur Realisierung einer präzisen Vermessung der sphärischen Wellenfront ist man bestrebt, den maximal auftretenden Gradienten tan(amax) zu begrenzen, da mit zunehmendem Winkel α die Aberration namens Koma, welche durch die Fertigungs- qualität der Mikrolinse bestimmt wird, zunimmt und die Messung verfälscht.
Um den Gradienten der Wellenfront zu beschränken, sind die folgenden Ansätze denkbar: 1. Der Abstand R kann vergrößert werden. Neben einer Verringerung des Wellenfrontgradienten tan(amax) führt dieser Ansatz gleichzeitig zu einer höheren örtlichen Abtastungsdichte. Allerdings wird hierbei zum einen der zu vermessende Bereich der Wellenfront möglicherweise größer als die Apertur - Messbereich - des Sensors und zum anderen die Intensität geringer.
2. Die fokale Länge der Mikrolinsen kann verringert werden. Die genannten Ansätze können natürlich auch kombiniert werden.
Im Hinblick auf den ersten Ansatz ist ein Verfahren zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront aus der EP 1 192 433 B1 bekannt. Gemäß dem bekannten Verfahren wird ein Wellenfrontsensor translatorisch über die zu vermessende Oberfläche der Wellenfront bewegt. Dadurch kann eine Wellenfront vermessen werden, die größer ist als die Apertur des Sensors. Die vollständige Wellenfront wird durch ein so genanntes„Stitching" aus den gemessenen Teilbereichen zusammengesetzt. Entsprechende Stitching-Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Hierzu wird auf die Veröffentlichung H. Li, G. Feng, J. Sun, T. Bourgade, S. Zhou und A. Asundi, „Wavefront subaperture stitching with Shack-Hartmann sensor," 2015, verwiesen, worin eine Vermessung einer stark gekrümmten sphärischen Wellenfront mit einem Shack-Hartmann-Sensor beschrieben wird, wobei die räumliche Position des Sensors mehrmals geändert wird, um die gesamte Wel- lenfront zu erfassen. In der Veröffentlichung wird weiterhin die mathematische Vorgehensweise beschrieben, um mehrere, räumlich versetzt gemessene Teilbereiche der Wellenfront zu einer einzigen Wellenfront zusammenzusetzten, wobei sich die gemessenen Teilbereiche räumlich überlappen. Dabei wird für den Überlappungsbereich von je zwei Teilbereichen berücksichtigt, dass die beiden gemes- senen Wellenfronten relativ zu einander geneigt sind.
Zum weiteren technologischen Hintergrund wird noch auf die US 2008/0018910 A1 sowie auf die DE 10 2013 002 007 A1 verwiesen, wobei gemäß den Veröffentlichungen Systeme und Verfahren zum Messen und Abbilden dreidimen- sionaler Strukturen sowie Verfahren und Vorrichtungen zum Empfangen und Verarbeiten der von einem ausgedehnten Objekt kommenden optischen Signale beschrieben werden. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront mit einem Wellen- frontsensor anzugeben, wonach eine besonders präzise Vermessung der Wellenfront mit konstruktiv einfachen Mitteln ermöglicht ist.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Messungen mit jeweils im Wesentlichen tangentialer Ausrichtung einer Lichteintrittsebene des Wellenfrontsensors oder der Wellenfront- sensoren an die gekrümmte Wellenfront erfolgen.
Des Weiteren wird die voranstehende Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Danach ist die Vorrichtung derart ausgestaltet und weitergebildet, dass der Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsenso- ren zur Durchführung der mehreren Messungen mit jeweils im Wesentlichen tangentialer Ausrichtung einer Lichteintrittsebene des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren an die gekrümmte Wellenfront positionierbar sind.
In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass durch eine geschickte Ausrichtung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren während den Messungen die voranstehende Aufgabe auf überraschend einfache Weise gelöst wird. Hierzu ist eine Ausrichtung des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren gewählt, bei der eine Lichteintrittsebene des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren im Wesentlichen tangential an die gekrümmte Wellenfront vorgenommen ist. Letztendlich sind die Wellenfrontsensoren dabei bei jeder Messung möglichst optimal zur zu messenden Wellenfront ausgerichtet. Damit wird ein maximal auftretender Gradient der Wellenfront bei jeder Messung möglichst klein gehalten. Mit anderen Worten wird der Wellenfrontsensor oder werden die Wellenfrontsensoren während einer Messung an die Krümmung einer zu messenden Wellenfront ange- passt beziehungsweise an dieser ausgerichtet. Dabei ist der Wellenfrontsensor oder sind die Wellenfrontsensoren für jede einzelne Messung möglichst optimal zur Wellenfront ausgerichtet oder geneigt. Aus den mehreren Messungen kann schließlich die gemessene Wellenfront rekonstruiert werden. Folglich sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben, wonach eine besonders präzise Vermessung der Wellenfront mit konstruktiv einfachen Mitteln ermöglicht ist. Im Hinblick auf eine besonders einfache Realisierung des Verfahrens kann der mindestens eine Wellenfrontsensor ein Shack-Hartmann-Sensor sein. Derartige Sensoren zeichnen sich durch ein einfaches und robustes Messprinzip aus.
Bei einer konkreten Ausführungsform des Verfahrens kann der Shack-Hartmann- Sensor oder Wellenfrontsensor an den unterschiedlichen Positionen derart ausgerichtet werden, dass eine von mindestens einem Abstand Ok von einem Fokalpunkt zu einem Referenzpunkt einer Mikrolinse des Shack-Hartmann-Sensors oder Wellenfrontsensors abhängige Funktion f(oi ,02 , . . . ,ON) minimiert wird, wobei der Abstand Ok des zugehörigen Fokalpunkts einer Abbildung einer lokalen Nei- gung in der Wellenfront mittels der jeweiligen Mikrolinse entspricht. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 und das dort erläuterte Messprinzip bei einem Shack-Hartmann- Sensor ist festzuhalten, dass die zu vermessende Wellenfront von N Linsen auf N Punkte auf der Detektorebene fokussiert wird. Für jeden dieser Punkte kann der Abstand Ok zu einem Referenzpunkt berechnet werden. Der jeweilige Wellenfront- sensor kann hierbei derart ausgerichtet werden, dass für den Wellenfrontsensor eine quasi beliebige Abstandsfunktion f(oi ,02 , . . . ,ON) minimiert wird. Hieraus ergibt sich eine Vorschrift für eine besonders präzise Vermessung der Wellenfront.
Im Konkreten kann die Funktion f(oi ,02 , . . . ,ON) den gewichteten Mittelwert aller Abstände Ok oder den gewichteten Mittelwert der Quadrate aller Abstände Ok bedeuten. Insbesondere ist hiermit auch der Fall abgedeckt, dass die Funktion f nur einen einzelnen Abstand OE gewichtet und alle anderen Abstände Ok, k * E mit dem Faktor 0 gewichtet werden. Ganz allgemein kann in vorteilhafter Weise die Ausrichtung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren derart erfolgen, dass der oder die Abstände Ok möglichst klein oder unterhalb eines vorgebbaren Schwellwerts liegen. Hierdurch ergibt sich im Endeffekt eine besonders präzise Vermessung der Wellenfront unter Vermei- dung oder weitestgehender Minimierung irgendwelcher Aberrationen.
Je nach Präzisionserfordernis der Vermessung der Wellenfront kann die Ausrichtung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren jeweils vor einer Messung und/oder zwischen zwei oder mehreren Messungen erfolgen. Dabei kann es sich insbesondere um Messungen der Wellenfront handeln, die zu dem Zweck ausgeführt werden, dass aus diesen Messungen eine einzige Wellenfront rekonstruiert wird. Es handelt sich also bei den mehreren Messungen um Messungen einer zu messenden Wellenfront.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Ausrichtung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren kontinuierlich während einer Bewegung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren erfolgen. Eine derartige kontinuierliche Ausrichtung kann insbesondere dann erfolgen, wenn ein Wellenfrontbereich zu erfassen ist, der größer ist als die Apertur oder Aperturen des oder der Wellenfrontsensoren.
Hinsichtlich einer möglichst großen Abdeckung eines Flächenbereichs einer Wellenfront kann der Wellenfrontsensor oder können die Wellenfrontsensoren zum Erreichen der unterschiedlichen Positionen entlang einer oder mehrerer im Wesentlichen kreisförmiger Trajektorien bewegt werden. Hierdurch ist ein sicheres Abscannen des zu messenden Flächenbereichs der Wellenfront erreichbar.
Im Hinblick auf eine besonders hohe Präzision der Vermessung können die Messungen zumindest teilweise überlappend entlang der Wellenfront durchgeführt werden. Dabei werden zumindest Teilbereiche der zu messenden Wellenfront mehrfach gemessen.
Im Hinblick auf eine besonders einfache und sichere Ausrichtung der Wellenfrontsensoren kann der Wellenfrontsensor oder können die Wellenfrontsensoren um eine oder zwei unterschiedliche Achsen schwenkbar sein. Bei einer Realisierung zweier derartiger Achsen können die Achsen vorzugsweise in einem rechten Winkel zueinander ausgerichtet sein und/oder sich vorzugsweise schneiden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Wellenfrontsensor oder können die Wellenfrontsensoren über einen Regler eines Regelkreises derart ausgerichtet werden, dass ein nnittels einer Linse eines Wellenfrontsensors erzeugter Fokuspunkt der Wellenfront auf einer oder der optischen Achse der Linse liegt, wobei vorzugsweise aus zur Ausrichtung des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren erzeugten Steuersignalen der lokale Gradient der Wellenfront abgeleitet wird. Dabei kann der Regler den Wellenfrontsensor an jeder unterschiedlichen Position derart ausrichten, dass der Fokuspunkt auf der optischen Achse liegt. Eine derartige Regelung bietet sich insbesondere für den Fall an, bei dem der Sensor aus einer einzigen Linse inklusive Detektor besteht. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine die Wellenfront erzeugende Optik zur relativen Positionierung der Wellenfront zu dem Wellenfrontsensor oder zu den Wellenfrontsensoren um eine optische Achse gedreht werden oder drehbar sein. Dabei wird durch Drehen der die Wellenfront erzeugenden Optik die zu messende Wellenfront quasi um die Drehachse der Optik gedreht. In entsprechender Weise genügt in diesem Fall zum Abscannen eines gewählten Flächenbereichs der Wellenfront eine lediglich translatorische Bewegbarkeit des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren mit einer entsprechenden tangentialen Ausrichtbarkeit. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform kann ein oder können mehrere an einem Aufhängepunkt aufgehängte Wellenfrontsensoren zum Erreichen der unterschiedlichen Positionen in eine Schwingbewegung um den Aufhängepunkt versetzt werden. Durch die Schwingbewegung wird das Abscannen eines gewählten zu messenden Flächenbereichs der Wellenfront ermöglicht.
Im Hinblick auf eine besonders einfache und schnelle Vermessung der Wellenfront können mehrere Wellenfrontsensoren an einem Träger angeordnet werden, wobei vorzugsweise die Wellenfrontsensoren relativ zu dem Träger um mindestens eine Achse verkippbar und vorzugsweise relativ zu dem Träger verschiebbar sind. Hier- bei können mit einer gleichzeitigen Messung durch mehrere an dem Träger angeordnete Wellenfrontsensoren mehrere Messungen an unterschiedlichen Positionen entlang der Wellenfront gleichzeitig durchgeführt werden. Die Wellenfront kann in diesem Fall basierend auf den Messdaten der einzelnen Wellenfrontsen- soren rekonstruiert werden. Auch hier kann eine Ausrichtung der Wellenfrontsensoren jeweils vor einer Messung und/oder zwischen zwei oder mehreren Messungen erfolgen. Mit einem derartigen Träger erfolgt zwangsweise bei einer Bewegung des Trägers gleichzeitig eine Bewegung sämtlicher am Träger angeordneter Wellenfrontsensoren.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann ein Ende eines Lichtwellenleiters die Wellenfront zumindest bereichsweise abscannen, wobei an den unterschiedlichen Positionen aufgenommenes Licht mittels des Lichtwellenleiters zu der Lichteintrittsebene des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren weiter- geleitet werden. Dabei kann der Lichtwellenleiter mittels einer Bewegungseinrichtung in eine scannende Bewegung, vorzugsweise entlang einer Kreisbahn, versetzt werden. Das Abscannen der Wellenfront oder das Bewegen des Endes des Lichtwellenleiters findet üblicherweise im konvergenten Strahlengang einer fokussierenden Optik statt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Wellenfront über mindestens einen Spiegel auf den Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsensoren reflektiert werden, wobei der Spiegel zur Messung an den unterschiedlichen Positionen um eine oder zwei Achsen geschwenkt werden kann. Hierbei wird eine Wellen- front einer fokussierenden Optik mit einem oder mehreren Spiegeln auf den Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsensoren reflektiert. Der Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsensoren können dabei ortsfest sein. Dabei ist von Bedeutung, dass der durch die fokussierende Optik erzeugte Fokuspunkt in einer jeweiligen Spiegelebene liegt.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erfolgt grundsätzlich eine Anpassung der Orientierung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren in Bezug auf die zu vermessende Wellenfront an der jeweiligen Position des Wellenfrontsensors. Dabei wird die Lichteintrittsöffnung des Wellenfrontsensors oder die Lichteintrittsebene als ideale Ebene angenommen. Diese ideale Ebene kann tangential auf eine virtuelle Referenzoberfläche ausgerichtet werden, wobei der Mittelpunkt der idealen Ebene die virtuelle Referenzoberfläche berührt. Die virtuelle Referenzoberfläche ist dabei beliebig und wird angepasst an die jeweilige Anwen- dung gewählt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können insbesondere bei stark gekrümmten Wellenfronten in vorteilhafter Weise eingesetzt werden. Derartige Wellenfronten können räumlich derart weit ausgedehnt sein - wobei sie dies nicht müssen -, dass mehrere Messungen an verschiedenen räumlichen Positionen erforderlich sind, um die gesamte Wellenfront messtechnisch erfassen zu können, und/oder mehrere Messungen mit verschiedenen Orientierungen in Bezug auf die Wellenfront erforderlich sind, um für verschiedene Bereiche der Wellenfront den Dynamikbereich des jeweiligen Wellenfrontsensors nicht zu verlassen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann während der Messung ein nahezu optimales Verhältnis zwischen Dynamikbereich des Wellenfrontsensors und Genauigkeit der Messung erzielt werden. Dafür sollten die Abstände Ok möglichst klein gehalten werden. Insbesondere können hierdurch auch Wellenfrontgradien- ten erfasst werden, die ohne relative Ausrichtung den Dynamikbereich des Sensors übersteigen würden.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine typische Situation für eine
Vermessung einer gekrümmten Wellenfront, Fig. 2 in einer schematischen Darstellung eine Messung einer Wellenfront nach dem Shack-Hartmann-Prinzip,
Fig. 3 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront,
Fig. 4 in einer schematischen Darstellung eine tangentiale Ausrichtung eines Wellenfrontsensors zu einer Wellenfront,
Fig. 5 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei der Wellenfrontsensor aus einer einzigen Linse inklusive Detektor besteht,
Fig. 6 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer statischen Prüfoptik und einem um zwei Achsen schwenkbaren und in zwei Richtungen verschiebbaren Wellenfrontsensor,
Fig. 7 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer um eine optische Achse drehbaren Prüfoptik und mit einem um eine Achse schwenkbaren Wellenfrontsensor,
Fig. 8 in einer schematischen Darstellung in einer Seitenansicht und in einer Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem als Pendel aufgehängten Wellenfrontsensor,
Fig. 9 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Array aus Wellen- frontsensoren, die an einem Träger angeordnet sind, Fig. 10 in einer schematischen Darstellung die Verkippbarkeit und Verschiebbarkeit von an einem Träger gemäß Fig. 9 angeordneten Wellenfrontsensoren, Fig. 1 1 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem bewegbaren Lichtwellenleiter zur Abtastung der Wellenfront,
Fig. 12 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Umlenkspiegel zur
Reflektion der Wellenfront auf einen ortsfesten Wellenfrontsensor und eine Anordnung eines Umlenkspiegels, wobei der Fokus eines konvergenten Lichtbündels vorzugsweise auf der Spiegeloberfläche liegt.
Die Fig. 3 und 4 zeigen in schematischen Darstellungen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront A, wobei als Wellenfrontsensor ein Shack-Hartmann-Sensor verwendet und eine sphärische Wellenfront A vermessen wird. Zur Begrenzung des maximalen lokalen Gradienten tan(amax) der Wellenfront A wird die gesamte sphärische Wellenfront A in einem bestimmten Abstand R entlang einer kreisförmigen Trajektorie B an spezifischen Punkten 1 bis n abgescannt. Dabei ist der Verlauf der Scantra- jektorie B durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Letztendlich wird ein vorgegebener Bereich der Wellenfront A durch Einzelmessungen abgetastet, die durch schraffierte Bereiche C dargestellt sind. Sämtliche Einzelmessungen werden entlang der Scantrajektorie B aufgenommen. Die Bereiche C entsprechen dem er- fassten Bereich des einzelnen Wellenfrontsensors zu einem Zeitpunkt.
Fig. 4 zeigt die tangentiale Ausrichtung des Wellenfrontsensors zur Wellenfront A. Die einzelnen Positionen oder Messpunkte können so gewählt werden, dass sich die einzelnen Wellenfrontbilder überlappen. Die gesamte Wellenfront setzt sich aus der Summe der einzelnen Wellenfronten 1 bis n zusammen, siehe Fig. 3. Die Zusammensetzung der Wellenfront erfolgt über ein sogenanntes Wellenfront- Stitching. Der Verschiebe-Abstand AS in Fig. 4 bestimmt hierbei den Überlappungsbereich, mit dem die Genauigkeit der Messung beeinflusst werden kann. Die Einzelmessungen werden darauf folgend mit einem Algorithmus auf eine sphärische Oberfläche abgebildet.
Ausgehend von einem maximal zulässigen lokalen Gradienten tan(amax) der Wellenfront muss folgende Gleichung erfüllt werden: dk
tan(amax) >—
Bei einem maximal zulässigen Wellenfrontgradienten lassen sich hieraus der notwendige Abstand R, die damit verbundene Wellenfrontfläche und die Anzahl der Messungen ableiten, die für ein komplettes Wellenfrontbild notwendig sind.
Fig. 5 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei es sich hierbei um den Sonderfall handelt, bei dem der Sensor aus einer einzigen Linse inklusive Detektor besteht. Hierfür kann natürlich auch ein handelsübliches Linsenarray verwendet werden, bei dem bis auf eine Linse alle anderen Linsen ignoriert werden. Dieser Sensor wird entlang einer vorgegebenen Scantrajektorie E geführt und ist zusätzlich um zwei Richtungen - Verdrehachsen C und F - drehbar gelagert. Beim Messvorgang wird die Neigung des Sensors über einen Regelkreis so gesteuert, dass der Fokuspunkt entlang der optischen Achse - entspricht der Detektormitte - zu liegen kommt. Die hierbei vom Regler des Re- gelkreises generierten Steuersignale zur Ausrichtung des Sensors geben Auskunft über die Neigung des kompensierten Wellenfrontgradienten. Im Konkreten ist der Wellenfrontsensor als 2D-Detektor D ausgebildet, der um zwei Achsen entlang einer Scantrajektorie E verdrehbar gelagert ist. Ein Regler versucht während des Abfahrens der Scantrajektorie E den Fokuspunkt G in der Mitte des Detektors D zu halten. Die dabei entstehenden Stellgrößen sind proportional zum Wellenfrontgrandienten. A bezeichnet die Linse und B einen Wellenfrontaus- schnitt. Fig. 6 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist eine Prüfoptik in ihrer Position fixiert und wird ein Wellen- frontsensor entlang einer kreisförmigen Bahn durch ein Schwenken um eine Achse A1 a geführt. Zusätzlich sind translatorische Freiheitsgrade parallel zu der optischen Achse und parallel zu der Achse A1 a vorgesehen. Abhängig von der Lage der Kreisbahn wird der Sensor um eine weitere Achse A2a geschwenkt, um tangential zur Wellenfront ausgerichtet zu werden. Der zu einem Zeitpunkt vom Wellenfrontsensor erfasste Bereich ist mit S bezeichnet.
Alternativ hierzu sind auch nur zwei rotatorische Freiheitsgrade denkbar, wobei sich die zugehörigen Drehachsen schneiden. Eine weitere Variante dieser Ausführungsform ist in Fig. 7 beschrieben. Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Prüfoptik um eine Achse A1 b drehbar gelagert ist. Durch eine zusätzliche Schwenkbarkeit des Wel- lenfrontsensors S um eine Achse A2b kann die komplette Wellenfront abgescannt werden. Sowohl die Achse A2b gemäß Fig. 7 als auch die Achse A1 a gemäß Fig. 6 verlaufen durch einen Fokus der Wellenfront, der durch die Prüfoptik erzeugt wird. Die tangentiale Ausrichtung zu einer sphärischen Wellenfront ist durch die zweifache Drehbarkeit des Sensors S gemäß Fig. 7 gegeben. Zusätzlich kann der Sensor S gemäß Fig. 7 auch translatorisch bewegbar sein.
Fig. 8 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist der Wellenfrontsensor an einem Pendel aufgehängt. Vor der Messung wird das Pendel samt Sensor ausgelenkt und ein Anfangsimpuls übertragen. Während des Ausschwingvorgangs werden Bilder der Wellenfront aufgenommen. Eine weitere Möglichkeit ist die Aktuierung des Pendels im Aufhängepunkt, um das Pendel in Bewegung zu versetzen. In Fig. 8 ist der Wel- lenfrontsensor an zwei Positionen A und B dargestellt, wobei er sich während seines Ausschwingvorgangs von der Position A zur Position B und dann im Wesentlichen spiralförmig weiterbewegt. Der Sensor ist an einem Kardangelenk C aufgehängt, das mit der Prüfoptik D gekoppelt ist. Die Scantrajektorie des Sensors ist mit E bezeichnet. In den Fig. 9 und 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei hierbei mehrere Wellenfrontsensoren A an einem Träger B befestigt sind. Hierdurch ist anstelle eines einzelnen Wellenfrontsensors ein Sensorarray gebil- det, das aus einer Anordnung mehrerer Wellenfrontsensoren A besteht. Die einzelnen Sensoren A sind über den Träger B verbunden, der als Verbindungsrahmen oder Traggerüst dient.
Zur optimalen Anpassung an die zu messende Wellenfront können die einzelnen Wellenfrontsensoren A im Wesentlichen frei positionierbar - verdreh- und verschiebbar - und mittels Aktuatoren verstellbar in ihren Aufhängungspunkten am Träger B gelagert sein, siehe Fig. 10. Das gesamte Sensorarray kann zur Messbe- reichserweiterung über eine vordefinierte Scantrajektorie geführt werden oder - in der Position verharrend - eine Momentaufnahme der Wellenfront vornehmen. Im letzten Fall wird auf eine lückenlose Erfassung verzichtet. Gemäß Fig. 10 sind die einzelnen Wellenfrontsensoren A verkippbar und verschiebbar über ein Traggerüst B miteinander verbunden, so dass beliebige Wellenfrontradien R vermessen werden können. Fig. 1 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist ein Lichtwellenleiter A quasi als Transmissionsmedium zwischen durch eine Prüfoptik F erzeugter Wellenfront und einem Detektor C angeordnet. Der Lichtwellenleiter A wird über räumlich angeordnete Aktuatoren E, beispielsweise Voice Coil Aktuatoren, derart in Schwingung versetzt, dass sich der Anfang des Lichtwellenleiters A entlang einer Kreisbahn oder Scantrajektorie D krümmt. Der Lichtwellenleiter A tastet die einfallende Wellenfront in einem konvergenten Bereich des Lichts ab und transferiert ein Segment der Wellenfront an einen Ausgang des Lichtwellenleiters A. Der Ausgang ist dabei statisch mit einer Basis verbunden. Am Ausgang ist ein Wellenfrontsensor angeordnet. Im Falle ei- nes Shack-Hartmann-Sensors sitzt am Ausgang eine Optik mit einer Linse B, die die Neigung der Wellenfront in einen Versatz des Fokuspunkts konvertiert. Zusammenfassend kann durch Aktuation des Anfangs des Lichtwellenleiters A die gesamte durch die Prüfoptik F erzeugte Wellenfront abgetastet werden, wobei jeweils ein Segment der Wellenfront an den Ausgang übertragen wird und eine Nei- gung der Wellenfront über ein Linsensystem B in einen Versatz des Fokuspunkts abgebildet wird. Der Detektor C arbeitet nach dem Shack-Hartmann-Prinzip.
Fig. 12 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei wird die mittels einer Prüfoptik A erzeugte Wellenfront über einen Umlenkspiegel B auf einen statischen Wellenfrontsensor C projiziert. Um das Prinzip verständlich zu machen, ist in Fig. 12 nur eine Neigbarkeit des schwenkbaren Spiegels B um eine Achse dargestellt. Die Neigung um eine zweite Achse, die vorzugsweise orthogonal zu der eingezeichneten Achse steht, ist im Rahmen eines weiteren Ausführungsbeispiels realisierbar. Durch Ansteuerung des Spiegels B wird die gesamte Wellenfront über den Bereich des Wellenfrontsensors C geschwenkt und räumliche abgetastet. Wichtig ist hierbei, dass der Fokuspunkt immer auf der Spiegeloberfläche liegt, da sonst der Schwenkung eine Bewegung der Schwenkachse überlagert wird. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird quasi die optische Achse D mittels des Umlenkspiegels B umgelenkt. Der Wellenfrontsensor C ist durch den schraffierten Bereich in Fig. 12 dargestellt und wird an einer Messposition fixiert. Vorzugsweise zwei orthogonal angeordnete Scanner oder Umlenkspiegel B reflektieren die einfallende Wellenfront in Richtung des Wellenfrontsensors C. Durch die Bewegung der Scanner oder Umlenkspiegel B wird die zu vermessende Wellenfront über den Messbereich des Sensors C geführt.
Bei einer Wellenfrontanalyse erfolgt häufig die Darstellung der gemessenen Wellenfront durch die Überlagerung einzelner Grundmoden - Polynome wie beispiels- weise Zernikepolynome -, was als Modalanalyse bezeichnet wird. Die Ordnung der Grundmode ist hierbei direkt mit der Anzahl notwendiger Abtastpunkte - Einzelmessungen - verknüpft. Sollen in einer Wellenfrontmessung ausschließlich räumlich niederfrequente Grundmoden analysiert werden, ist ein vollständiges Abtasten der gesamten Wellenfront nicht zwingend notwendig. Die Rekonstruktion auf Basis von nicht überlappenden, räumlich getrennten Teilmessungen ist somit durchführbar. Dies kann die für eine Messung notwendige Zeit in scannenden Verfahren deutlich reduzieren, da keine kontinuierlichen Teilmessungen notwendig sind. Bei Verwendung eines Wellenfrontsensorarrays gemäß beispielsweise Fig. 9 und 10 ist überhaupt nur eine einzige Messung durch eine zeitgleiche Aufnahme aller beteiligten Wellenfrontsensoren notwendig, um die gesamte Wellenfront hinreichend genau zu rekonstruieren.
Die Intensitätsverteilung innerhalb des Querschnitts der zu vermessenden Wellen- front kann bedingt durch die verwendete Lichtquelle, beispielsweise Laser, deutlich variieren, wobei die maximale Intensität beispielsweise in der Strahlmitte und die minimale Intensität im Randbereich auftreten kann. Werden Bildsensoren als Detektoren verwendet, können entweder durch Überlagerung von Bildern, die mit unterschiedlichen Belichtungszeiten aufgenommen worden sind, oder durch die Verwendung von Bildsensoren, die auf multislope Integrationsverfahren - Pixel mit variabler Belichtungszeit - basieren, unterschiedliche Intensitätsprofile ausgeglichen werden.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschrie- benen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lehre lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront mit mindestens einem Wellenfrontsensor, wobei mehrere Messungen an unterschiedlichen Positionen entlang der Wellenfront mit mindestens einem Wellenfrontsensor zur Ermittlung eines lokalen Gradienten der Wellenfront an den unterschiedlichen Positionen durchgeführt werden,
dad u rch geken nze ich net, dass die mehreren Messungen mit jeweils im Wesentlichen tangentialer Ausrichtung einer Lichteintrittsebene des Wellen- frontsensors oder der Wellenfrontsensoren an die gekrümmte Wellenfront erfolgen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellen- frontsensor ein Shack-Hartmann-Sensor ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Shack-Hartmann-Sensor oder Wellenfrontsensor an den unterschiedlichen Positionen derart ausgerichtet wird, dass eine von mindestens einem Abstand Okvon einem Fokalpunkt zu einem Referenzpunkt einer Mikrolinse des Shack-Hartmann- Sensors oder Wellenfrontsensors abhängige Funktion f(oi ,02 ,...,ON) minimiert wird, wobei der Abstand Ok des zugehörigen Fokalpunkts einer Abbildung einer lokalen Neigung in der Wellenfront mittels der jeweiligen Mikrolinse entspricht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion f(oi ,02 ,...,ON) den gewichteten Mittelwert aller Abstände Ok oder den gewichteten Mittelwert der Quadrate aller Abstände Ok bedeutet.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus- richtung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren derart erfolgt, dass der oder die Abstände Ok möglichst klein oder unterhalb eines vorgebbaren Schwellwerts liegen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren jeweils vor einer Messung und/oder zwischen zwei oder mehreren Messungen erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren kontinuierlich während einer Bewegung eines oder mehrerer Wellenfrontsensoren erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsensoren zum Erreichen der unterschiedlichen Positionen entlang einer oder mehrerer im Wesentlichen kreisförmiger Trajektorien bewegt wird oder werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen zumindest teilweise überlappend entlang der Wellenfront durchgeführt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsensoren um eine oder zwei unterschiedliche Achsen schwenkbar ist oder sind, wobei bei zwei Achsen die Achsen vorzugsweise in einem rechten Winkel zueinander ausgerichtet sind und/oder vorzugsweise sich schneiden.
1 1. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wellen- frontsensor oder die Wellenfrontsensoren über einen Regler eines Regelkreises derart ausgerichtet wird oder werden, dass ein mittels einer Linse eines Wellen- frontsensors erzeugter Fokuspunkt der Wellenfront auf einer optischen Achse der Linse liegt, wobei vorzugsweise aus zur Ausrichtung des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren erzeugten Steuersignalen der lokale Gradient der Wel- lenfront abgeleitet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Wellenfront erzeugende Optik zur relativen Positionierung der Wel- lenfront zu dem Wellenfrontsensor oder zu den Wellenfrontsensoren um eine optische Achse gedreht wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere an einem Aufhängepunkt aufgehängte Wellenfrontsensoren zum Erreichen der unterschiedlichen Positionen in eine Schwingbewegung um den Aufhängepunkt versetzt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wellenfrontsensoren an einem Träger angeordnet werden, wobei vorzugsweise die Wellenfrontsensoren relativ zu dem Träger um mindestens eine Achse verkippbar und vorzugsweise relativ zu dem Träger verschiebbar sind.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende eines Lichtwellenleiters die Wellenfront zumindest bereichsweise abscannt und an den unterschiedlichen Positionen aufgenommenes Licht mittels des Lichtwellenleiters zu der Lichteintrittsebene des Wellenfrontsensors oder der Wellenfrontsensoren weitergeleitet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter mittels einer Bewegungseinrichtung in eine scannende Bewegung, vorzugsweise entlang einer Kreisbahn, versetzt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenfront über mindestens einen Spiegel auf den Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsensoren reflektiert wird, wobei der Spiegel zur Messung an den unterschiedlichen Positionen um eine oder zwei Achsen geschwenkt wird.
18. Vorrichtung zur Vermessung einer gekrümmten Wellenfront mit mindestens einem Wellenfrontsensor, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei mehrere Messungen an unterschiedlichen Positionen entlang der Wellenfront mit mindestens einem Wellenfrontsensor zur Ermittlung eines lokalen Gradienten der Wellenfront an den unterschiedlichen Positionen durchgeführt werden, dad u rch geke n nze ich n et, dass der Wellenfrontsensor oder die Wellenfrontsensoren zur Durchführung der mehreren Messungen mit jeweils im Wesentlichen tangentialer Ausrichtung einer Lichteintrittsebene des Wellenfrontsen- sors oder der Wellenfrontsensoren an die gekrümmte Wellenfront positionierbar sind.
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