Wellenfrontsensor auf Basis von Ronchi-Shearing-Gittern und mit Polarisationsindizierung zur simultanen Erfassung orthogonaler Richtungsableitungen der Wellenfront
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Messung von Wellenfronten lässt sich die Shearing-Interferometrie einsetzen. Dabei werden zwei Kopien der Wellenfront erzeugt, zueinander versetzt („gesheart“) und anschließend wieder überlagert; auf diese Weise ist keine externe Referenzwelle nötig. Durch einen lateralen Versatz einer Wellenfrontkopie beispielsweise kann damit eine Komponente des Gradienten der Wellenfront längs der Shearrichtung gemessen werden. Der Shear wird dabei zweckmäßigerweise mit Hilfe von diffraktiven Gittern erzeugt, da sich auf diese Weise ein kompakter und schwingungsunempfindlicher Aufbau ergibt. Um die Wellenfront vollständig zu rekonstruieren, müssen jedoch zwei solcher Gradienten längs verschiedener, vorzugsweise orthogonaler, Richtungen gemessen werden. Diese Messungen sollten zudem simultan erfolgen, um die Stabilität des Aufbaus vollständig auszunutzen; insbesondere sollte der Prüfling zwischen den Messungen nicht rotiert werden, was bislang nötig war, um den zweiten Shear einzustellen. Um solche Shearing-Interferogramme zu erzeugen und sauber zu trennen, bieten sich zwei verschiedene Möglichkeiten an, die auch beide realisiert wurden. Im ersten Aufbau wird das Wellenfeld zunächst in zwei vollständig lateral getrennte Kopien aufgespaltet. Anschließend werden die beiden Wellenfrontkopien separat längs zweier orthogonaler Richtungen (hier: xbzw. y-Richtung) gesheart. Die entstehenden Interferogramme werden simultan vom Kamera- Chip erfasst. Dabei kommt es wegen der großen lateralen Trennung allerdings auf eine exakte „Registrierung“ an, das heißt, dass die Ortskoordinaten im Rechner mit Sub-Pixelgenauigkeit zur Koinzidenz gebracht werden müssen. In einem zweiten Aufbau wurde der Polarisationsfreiheitsgrad benutzt, um die beiden orthogonalen Shearrichtungen zu indizieren und voneinander trennbar zu machen. Jeweils einer Shearrichtung entspricht dabei eine der beiden linearen Polarisationsrichtungen. Beide Shearogramme können so auf einem gemeinsamen Detektorraster zu liegen kommen, so daß die obigen Anforderungen an die Registrierung entfallen. Zur Erzeugung der Wellenfrontkopien mit orthogonalen Shears wird hierzu ein zweidimensionales Ronchi- Kreuzgitter verwendet, das von schwachen höheren Ordnungen abgesehen im wesentlichen vier erste Beugungsordnungen mit Ablenkung in beiden lateralen Koordinaten hat. Zur Polarisationsindizierung wird mittels einer teleskopischen Abbildung ein Eingriff in das Ortsfrequenzspektrum des ersten Shearinggitters vorgenommen. Für die Trennung der Polarisationsrichtungen in der Detektorebene, die im zweiten Aufbau nötig ist, wurden verschiedene Methoden miteinander verglichen. Zum einen wurde eine rein mathematische Trennung im Fourierraum verwendet, die die Linearität der Fouriertransformation ausnutzt, sowie die Tatsache, daß Wellenfelder unterschiedlicher Polarisation zueinander inkohärent sind. Zum anderen wurden verschiedene, physikalische Methoden zur Trennung umgesetzt. Die einfachste Möglichkeit besteht dabei in einem drehbaren Polarisationsfilter, mit dessen Hilfe die beiden Shearbilder nacheinander eingestellt werden. Mit Hilfe einer pixelierten Polarisationsmaske kann die Auswertung jedoch auch gleichzeitig erfolgen. Die Maske besteht dabei aus einem Feld von Polarisationsfiltern mit abwechselnd orthogonalen Polarisationsrichtungen, deren Größe und Anordnung den Pixeln des Kamera-Chips ensprechen. Die Maske wird direkt vor den Chip gebracht und bildet eine Einheit mit der Kamera. Einen Kompromiß zwischen Einfachheit der Lösung und möglichst simultaner Messung bildet der Einsatz eines LC-Displays. Mittels des Displays lässt sich das gerade unerwünschte Shearbild ausblenden; die Schaltzeiten der Displays sind dabei so gering, daß die Messung dennoch nahezu simultan ist. Zur Auswertung der beiden orthogonalen Shearbilder wurde sowohl die phasenschiebende Interferometrie, als auch die Fourierauswertung nach Takeda verwendet. Mittels phasenschiebender Interferometrie können dabei hohe Genauigkeiten erzielt werden, wobei hingegen die Fourierauswertung den Vorteil besitzt, nur eine einzige Bildaufnahme zu benötigen. Zusammen mit der pixelierten Polarisationsmaske ergibt die Fourierauswertung somit ein echtes „single shot-Verfahren“. Der Nachteil ist in diesem Fall allerdings, daß ein leicht schräger Durchtritt der Lichtstrahlen durch das System in Kauf genommen werden muß, um die für die Auswertung notwendige Trägerfrequenz einzustellen. Außerdem ist die Phasenrekonstruktion mittels des Takeda-Verfahrens im Vergleich zur phasenschiebenden Interferometrie ungenau. Die umgesetzten Methoden lassen sich überall dort anwenden, wo Phasenobjekte stabil und schnell vermessen werden müssen. Eine Anwendung aus der Medizintechnik z. B. besteht in der Vermessung von Phasenplatten, die zur Kalibrierung von Lasikgeräten verwendet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Wellenfrontmessung mit Shearing-Interferometrie bei simultaner Erfassung beider Richtungsableitungen“, DGaO-Proceedings (2008)
J. Schwider
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„Lateral Shearing interferometry with simultaneous detection of both gradient fields on a common detector grid“, W. Osten, M. Kujawinska (Hrsg.), „FRINGE 2009“, S. 701-704, Springer (2009)
V. Nercissian
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„Simultaneous lateral shearing-interferometry“, DGaO-Proceedings (Abstract) (2009)
V. Nercissian
