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Pixelierte
Flüssigkristalldisplays (LCDs) eignen sich zur Generierung
dynamischer diffraktiver Mikrolinsen. Dabei können Parameter
wie
Brennweite und Linsengrösse frei gewählt werden. Das
Shack-Hartmann Prinzip zur Wellenfrontmessung lässt sich mit
Hilfe
solcher Linsen dynamisieren. Sie ersetzten die üblicherweise
statischen Mikrolinsen, wodurch der Sensor enorm an
Flexibilität
gewinnt. Unter Anderem lassen sich einzelne Linsen sich schalten oder
Wellenfrontdeformationen bei der Berechnung der Mikrolinsen
berücksichtigen. Das bedeutet einen Gewinn an Genauigkeit und
erzielbarer Dynamik des Wellenfrontsensors.
Fällt Licht auf eine Sammellinse, so entsteht im Abstand der
Brennweite f ein Fokus, dessen Ort davon abhängt, unter
welchem
Winkel die Linse beleuchtet wird. Fügt man nun viele
Sammellinsen
zu einem Mikrolinsenarray zusammen
(Abb. 1),
so lässt sich aus der Vielzahl der Fokuslagen die lokale
Steigung
(der Winkel) der Wellenfront am Ort jeder Mikrolinse berechnen.
Abbildung 1:
Grundprinzip des Shack-Hartmann Sensors
Mathematisch lässt sich der
Zusammenhang folgendermassen ausdrücken:
 , wobei
auf der linken Seite die Ableitungen (Verkippungen) der Wellenfront W
in x- und y-Richtung stehen, und Δx und Δy die
Abstände des Fokus von der optischen Achse bezeichnen. Um die
gesamte Wellenfront zu rekonstruieren, müssen die Steigungen
nur
noch aufintegriert werden.
Innovation:Adaptiver
Shack-Hartmann Sensor |
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Abbildung 2a: Modifizierte Mikrolinse (rechts). In diesem Beispiel wird
der von der zu vermessenden Wellenfront herrührende
Astigmatismus
beim Design der dynamischen Mikrolinse berücksichtigt
Abbildung 2b: Unterscheidbare Mikrolinsen. Durch Verrückung
der
Einzellinsen in verschiedene Richtungen werden die Spots unterscheidbar
und können der jeweiligen Linse zugeordnet werden.
 LCD)
ersetzt wird. Durch die pixelweise Ansteuerung des LCDs ist es
möglich, diffraktive Mikrolinsen zu erzeugen, die sich sehr
flexibel an die zu bewältigende Messaufgabe anpassen lassen:
-
Lokale Wellenfrontkrümmungen, die bei statischen Mikrolinsen
aberrierte (fehlerhafte, verschwommene) Foki verursachen,
können
bei der Berechnung dynamischer Mikrolinsen berücksichtigt
werden
(Abb. 2a). Dadurch entstehen sehr scharfe Foki, deren Position
hochgenau ausgewertet werden kann
- Um bei
starken Wellenfrontverkippungen
Eindeutigkeit darüber zu erhalten, welcher Spot zu welcher
Mikrolinse gehört, können die Mikrolinsen gezielt
ein- und
ausgeschaltet oder modifiziert werden (Abb. 2b)
-
Durch die Einstellbarkeit der
Mikrolinsenbrennweite lässt sich die Messdynamik und die
Messgenauigkeit an das Messproblem anpassen
-
Durch schrittweise Verschiebung der Mikrolinsen lassen sich viele
Messwerte gewinnen
Auch
andere Arbeitsgruppen beschäftigen sich mit der Dynamisierung
des Shack-Hartmann Sensors. in [1] ist ein System beschrieben,
in dem ein LCD als dynamische Blende fungiert, die sich vor einer
grossen Linse befindet. In [2]
werden mit einem LCD auch diffraktive Mikrolinsen generiert, die
allerdings nur in ihrer Grösssse variiert werden.
- Gleitsichtglas-Vermessung
-
Individuell gefertigte Gleitsichtgläser erfordern hochflexible
Messsyteme wie den adaptiven Shack-Hartmann-Sensor, der in der Lage
ist, hochdynamische Wellebfronten zu vermessen
-
Wellenfrontkorrektur
-
Inhomogene Medien, wie zum Beispiel eine turbulente
Erdatmosphäre
oder biolgische Proben, vermindern die Abbildungsqualität
optischer Systeme. Eine Wellenfrontmessung kann in Verbindung mit einer
aktiven Fehlerkorrektur (z.B. mit deformierbaren Spiegeln) die
Abbildungsqualität verbessern.
Die Auswirkung der
Aberrationskorrektur der Mikrolinsen wird am Beispiel einer Wellenfront
hinter einem Gleitsichtglas deutlich. In
Abb. 3a ist einfach zu erkennen, wie im Falle unkorrigierter
Mikrolinsen aberrierte Foki entstehen, deren Positionen nicht genau
bestimmbar sind. Im Gegensatz dazu wurden in Abb. 3b die Linsen durch
eine Brechkraftänderung oder durch einen Astigmatismus
korrigiert. Die Foki sind sehr scharf, wodurch eine genaue
Lagebestimmung möglich wird.  |  | | Abbildung 3a: Die
Foki sind aberriert | Abbildung 3b:
Scharfe Foki nach Korrektur der Mikrolinsen |
[1]
|
S. Olivier, V. Laude, J.-P. Huignard, "Liquid crystal Hartmann
wave-front scanner", Applied Optics, 39, pp 3838-3846, (2000)
| [2]
|
J. Rha, M.K. Giles, "Implementation of an adaptive Shack-Hartmann
sensor using a phase-modulated liquid crystal spatial light modulator",
Proc. SPIE, 4493, pp 80-87, (2002)
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Technische Optik zuletzt geändert: Aug 21 18:31:55
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