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Hartmann-Shacksensor

EIN Hartmann-Shack-Sensor (ebenfalls Shack-Hartmann-Sensor genannt) ist a Wellenfrontsensor zum Messen von a optisch Wellenfront.

Struktur

Prinzip des Hartmann-Shack-Sensors
PWF = flache Wellenfront, DWF = verzerrte Wellenfront, AML = Array of Mikrolinsen, CCD = CCD-Sensor
Eine Linse des Hartmann-Shack-Sensors
d = Durchmesser, f = Brennweite, Δja = Steigung der lokalen Wellenfront; L = Objektiv, CCD = CCD-Sensor

Der Hartmann-Shack-Sensor besteht aus einem zweidimensionalen Linsenfeld mit allen gleichen Brennweiteund ein optischer 2D-Detektor. Jede der Linsen erzeugt ein Bild in der Brennebene, das entsprechend der lokalen Steigung der Wellenfront gegenüber der Referenzposition verschoben ist. Die Verschiebung all dieser Pixel kann sein Positionsempfindliche Detektoren oder mit a CMOS- oder CCDKamerachip gemessen.

Operation

Eine einfallende Wellenfront erzeugt auf dem Kamerachip ein charakteristisches Punktmuster. Jede Linse erzeugt einen Lichtpunkt auf dem Chip. Bei einer ebenen und senkrecht einfallenden Wellenfront entsprechen die gegenseitigen Abstände der Lichtpunkte den gegenseitigen Abständen der Linsen. Durch die Analyse der lokalen Abweichung der Punkte von ihrer idealen Position können Rückschlüsse auf die lokale Steigung der Wellenfront gezogen werden. Mathematisch lässt sich die Wellenfront beispielsweise beschreiben mit Zernike Polymomen. Mit einer Lichtwelle direkt Phasenmessung nicht möglich. Der Hartmann-Shacksensor bietet eine Methode, diese Phaseninformation in eine messbare Intensitätsverteilung stellen.

Dynamikumfang und Empfindlichkeit

Ein Nachteil des Hartmann-Shack-Sensors ist, dass die Messgenauigkeit und der Dynamikbereich nicht unabhängig voneinander sind. Wie eine Wellenfront in einem Winkel auf eine einzelne Linse einfallend, wird die kleinste beobachtbare Neigung des Wellenfonts bestimmt durch:

.

Gleichzeitig ist die größte detektierbare Wellenfrontneigung gegeben durch:

In Ergänzung, f die Brennweite und d der Durchmesser der Linse und jaMindest die kleinste von diesem Sensor erkennbare Verschiebung des Brennpunktes.

Wollen Sie nun die Messgenauigkeit für denselben Detektor? ΘMindest vergrößern, dann muss man die Brennweite anpassen f der Linsen. Eine Vergrößerung der Brennweite verringert jedoch gleichzeitig den Dynamikumfang Θmax. Dadurch sind Messgenauigkeit und Dynamikbereich voneinander abhängig und können nicht beliebig verändert werden. Daher müssen die Parameter eines Hartmann-Shack-Sensors an das gewünschte Einsatzgebiet angepasst werden.

Geschichte

Das Prinzip des Sensors wurde bereits um 1900 eingeführt Johannes Franz Hartmann veröffentlicht.[1] Etwa 70 Jahre später bauten Roland Shack und Ben Platt ein funktionierendes Gerät.[2][3] Aus diesem Grund wird Shack in den USA meistens zuerst genannt, während anderswo in der historischen Reihenfolge und wie von Shack selbst vorgeschlagen, Hartmann normalerweise zuerst erwähnt wird. Das Grundprinzip scheint aber schon 400 Jahre früher, noch früher Christian Huygens, vom österreichischen Jesuiten Christopher Scheiner zu dokumentieren.[4] Der Sensor wurde erstmals 1994 zur Messung eingesetzt Bildfehler des menschlichen Auges.[5]

Anwendungen

  • In der Qualitätskontrolle optischer Komponenten, zur Beurteilung von Oberflächen- und Transmissionsqualitäten.
  • In dem Lasertechnologie, zur Charakterisierung der optischen Eigenschaften des Laserstrahls.
  • In dem Astronomie, zur Messung atmosphärischer Störungen der Wellenfront des Sternenlichts. Mit den Ergebnissen, die adaptive Optik von Spiegelteleskope kontrolliert.
  • In dem Augenheilkunde, um die Abbildungsfehler des menschlichen Auges genau zu messen, insbesondere für Planungszwecke refraktive Chirurgie Eingriffe.

Verweise

  1. ↑J. Hartmann: Bemerkungen über den Bau und die Justierung von Spektrographen. Z. Instrumentenk 20:47, (1900).
  2. ↑Platt, Ben C. & Shack, Roland: Geschichte und Prinzipien der Shack-Hartmann-Wellenfrontsensorik. J.l of Refractive Surgery, Vol. 2, No. 17. Sept./Okt. 2001, S. 573-S577.
  3. ↑Hütte, Platt: Herstellung und Verwendung einer linsenförmigen Hartmann-Schirm. JOSAH 61: 656 (1971).
  4. ↑C. Scheiner: Oculus, Sive Fundamentum Opticum, Innsbruck (1619).
  5. ↑Liang, Grimm, Gölz, Bille: Objektive Messung von Wellenfehlern des menschlichen Auges mit einem Hartmann-Shack-Wellenfrontsensor. YOSA-A 11:1949-57 (1994).

Externe Links