Hochschulschrift:
Dissertation, Technische Universität Ilmenau, 2020
Anmerkungen:
Tag der Verteidigung: 20.11.2020
Beschreibung:
Die Leistungsfähigkeit hochpräziser optischer Systeme mit sphärischer Optik ist im Allgemeinen durch Aberrationen begrenzt. Durch die Verwendung asphärischer und Freiform-Optiken können die geometrischen Aberrationen reduziert oder beseitigt werden. Gleichzeitig können die erforderliche Anzahl von Komponenten, die Größe und das Gewicht des Systems reduziert werden. Heutzutage existieren neue Produktionstechniken, die die Herstellung hochpräziser Freiformflächen ermöglichen. Eine geeignete Messtechnik (universell, hochgenau, berührungslos, kostengünstig und schnell/echtzeitfähig) ist jedoch der Schlüssel für die Herstellung, Entwicklung und Anwendung dieser Oberflächen. Diese Arbeit beschreibt die Ableitung, Implementierung und Erprobung eines neuen Wellenfront-Messprinzips für Freiformoptik. Eine der wichtigsten Eigenschaften des vorgestellten Wellenfrontsensors ist die Möglichkeit der gleichzeitigen Charakterisierung der Freiform im Transmissions- und Reflexionsmodus. Der neuartige Wellenfrontsensor basiert auf der Beugungstheorie und der Fourier-Analyse mit einem modifizierten Winkelspektrum-Propagator. Aus experimenteller Sicht wird die Ausbreitung einer Wellenfront hinter einem zweidimensionalen Gitter beobachtet. Dann wird ein universelles Verfahren verwendet, um den Phasengradienten direkt aus einem aufgezeichneten Intensitätsbild zu extrahieren. Hierzu wird die Intensitätsverteilung im Spektralbereich analysiert und die Verarbeitung durch eine entsprechende Zerlegung des Propagatorkerns vereinfacht. Diese Methode funktioniert für beliebige Abstände hinter dem Gitter. Unsere neue Formulierung wurde durch zahlreiche Simulationen getestet. Die von einer Freiformfläche erzeugte Wellenfront wird nach der neuen Methode gemessen und mit Messergebnissen eines handelsüblichen Shack-Hartmann-Sensors verglichen. Für die Messung reflektierender Oberflächen wurde der vorgestellte Aufbau leicht modifiziert. Somit können alle optischen Elemente auf einer optischen Achse platziert werden, ohne dass eine Verschattung zwischen der Beleuchtung und der Messeinheit auftritt. Das Fehlen einer seitlichen Beleuchtung oder eines Strahlteilers sowie die Möglichkeit der Verwendung einer partiell kohärenten Beleuchtung sind die Hauptmerkmale des im Rahmen dieser Dissertation erforschten Messsystems.