Adaptiver Shack-Hartmann Sensor

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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.

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.

Das Neue am adaptiven Shack-Hartmann Sensor besteht darin, dass das üblicherweise statische Mikrolinsearray durch ein hochauflösendes Flüssigkristalldisplay (

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 Grösse 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

Links

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