Wavefront sensing for the evaluation of high performance focusing optics

Abstract

Optische Geräte und Instrumente sind aus der modernen Industrie, der Wissenschaft sowie der Medizin nicht mehr wegzudenken. Unter anderem ermöglichen sie präzise, berührungsfreie Messungen verschiedenster physikalischer Größen sowie bildgebende oder diagnostische Verfahren. Die Herstellung von optischen Geräten und Komponenten ist wiederum auf hochpräzise Fertigungsprozesse angewiesen, da optische Komponenten Toleranzen im Sub-Wellenlängen-Bereich aufweisen, also nur wenige Nanometer. Typische Prüfmethoden für optische Komponenten und Systeme basieren auf interferometrischen Prinzipien oder Koordinatenmessmaschinen. Diese beiden wesentlichen Ansätze sind für Inline-Messtechnik aus verschiedenen Gründen nicht geeignet oder weisen wesentliche Nachteile auf, beispielsweisehohe Anfälligkeit gegenüber Vibrationen oder sehr lange Messzeiten. Insbesondere für Komponenten mit hoher numerischer Apertur (NA) oder Komponenten ohne Symmetrieachsen (Freiform oder Metaform-Optiken) besteht eine Lücke in der verfügbaren Prüftechnik. Der Shack-Hartmann Wellenfrontsensor (SHS) ist ein vielversprechender Kandidat für die industrielle Prüfung von optischen Komponenten und Systemen, da er vibrationsresistent, schnell und vielseitig ist. Sein geringer dynamischer Bereich limitiert seinen Einsatz jedoch bisher auf Systeme mit niedriger numerischer Apertur. Diese Arbeit geht der Frage nach, ob und wie mit einem scannenden Shack-Hartmann Wellenfrontsensor eine flexible und automatisierte Ausrichtung und Prüfung von hochdivergenten optischen Komponenten und Systemen gelingen kann. Dazu wird zunächst ein konfokal-chromatischer Sensor mit einer aktiv kippbaren Linse ausgestattet. Das so entstehende 3D-Messsystem wird in Simulationen und Experimenten charakterisiert und sein Messvolumen mit 1.7 × 1.7 × 1 mm3 sowie lateraler Auflösung von 24.8 μm und axialer Auflösung von 3 μm quantifiziert. Die Experimente zeigen allerdings auch die starke Abhängigkeit eines solchen Systems von der akkuraten Ausrichtung aller Komponenten. Im nächsten Schritt wird daher ein Ausrichtungsproblem mittels Vorschaltoptik, mechatronischem System, SHS und feedback-geregelter Positionierung gelöst. Ein konfokal-chromatischer Sensor dient hierbei als optisches Beispielsystem mit NA von 0.6 um den Ansatz experimentell zu demonstrieren. Anschließend wird untersucht, wie eine Prüfung ohne Vorschaltoptik möglich ist. Es wird experimentell gezeigt, dass der dynamische Bereich eines SHS um einen Faktor 5 erweitert werden kann. Im letzten Kapitel wird der scannende SHS mit geeigneten Registrieralgorithmen kombiniert um die vollständige und automatisierte Prüfung einer hochdivergenten Wellenfront zu ermöglichen. Dazu wird das experimentelle Gesamtsystem zur Messung und Bewertung der Wellenfront eines Mikroskopobjektivs mit einer numerischen Apertur von 0.65 eingesetzt.

Optical systems are ubiquitous in modern science, medicine and industry. Novel optical components such as freeform optics, meta form optics or gradient-index lenses will be the driving forces of innovation in the optical industry for the next decades. These new designs can enhance an optical system’s performance by reducing its weight, size, number of elements and optical aberrations. However, the manufacturing and alignment of these components and systems is challenging which is in part due to the difficulties involved in accurately measuring and assessing their quality. Especially in industrial environments, robust, accurate and flexible measurement approaches are required. The Shack-Hartmann wavefront sensor has the potential to directly characterize the optical performance of nearly arbitrary optical components or systems by measuring the transmitted or reflected wavefront. However, the traditional Shack-Hartmann sensor’s small dynamic range and aperture limit its applicability on strongly curved or extended optical parts, such as encountered in freeform or high-NA focusing optics. This thesis investigates opto-mechatronic approaches to overcome the limitations of the SHS and utilize it for the upcoming performance demands of the optics, medical, space and defense industries. First, a confocal chromatic sensor (CCS) is combined with an actively tilted lens to create a 3D measurement system. This system is characterized in simulations and experiments, and its measurement volume is shown to be 1.7 × 1.7 × 1 mm3, with a lateral resolution of 24.8 μm and an axial resolution of 3 μm. However, the dependence of such a system on accurate alignment is also highlighted. Next, it is shown that combining a Shack-Hartmann sensor with a highly precise positioning system and suitable feedback loops enables the automated alignment of high-NA optical systems. This is demonstrated experimentally on a CCS with an NA of 0.6. However, this approach still relies on collimating null lenses. Subsequently, it is investigated how a scanning SHS System can be used to measure a highly divergent wavefront without any collimating or nullifying optics. Experiments demonstrate that this approach can successfully extend the dynamic range of the SHS by a factor of 5. Finally, a scanning SHS System is combined with an automated measurement strategy and a suitable Registration algorithm to fully automate the measurement of a highly divergent wavefront. The approach employs a Zernike-based feedback loop for automatic reorientation tangentially to the wavefront under test. The registration algorithms effectively enable automatic wavefront measurements on highly divergent wavefronts which can be expected from conventional high-NA lenses or freeform parts. Experiments demonstrate the enabled dynamic range extension on measurements obtained from a microscope objective with NA of 0.65