Wellenfrontsensorik

Die Wellenfrontsensorik misst die Form einer einfallenden Lichtwelle, damit ein adaptives Optiksystem die erforderliche Korrektur bestimmen und anwenden kann, um ein scharfes Bild wiederherzustellen.

Definition

Wellenfrontsensorik ist die Messung der Abweichungen einer Lichtwelle von einer flachen oder idealen Form, typischerweise durch Abtastung ihrer lokalen Neigungen oder Krümmungen, um das Fehlersignal zu liefern, das die Wellenfrontkorrektur steuert.

Scope

Dieses Thema behandelt das Prinzip der Messung von Wellenfrontneigungen oder -krümmungen, den Shack-Hartmann-Sensor mit seinem Linsenarray, Krümmungs- und Pyramidensensoren, die Rekonstruktion der Wellenfront aus Sensormessungen sowie die Rausch- und Abtastgrenzen, die die Schwäche einer Referenzquelle und die Geschwindigkeit des Regelkreises einschränken.

Core questions

• Welche Eigenschaft des Lichts misst ein Wellenfrontsensor?
• Wie funktioniert ein Shack-Hartmann-Sensor?
• Wie unterscheiden sich Krümmungs- und Pyramidensensoren davon?
• Was begrenzt die Empfindlichkeit und Geschwindigkeit der Wellenfrontsensorik?

Key theories

Shack-Hartmann-Sensorik

Ein Linsenarray tastet die Pupille ab und bildet ein Gitter von Punkten, deren Verschiebungen die lokale Wellenfrontneigung messen, woraus die vollständige Wellenfront rekonstruiert wird.

Krümmungs- und Pyramidensensoren

Krümmungssensoren leiten die Wellenfront aus Intensitätsunterschieden in defokussierten Bildern ab, während Pyramidensensoren die Fokalebene aufteilen, um Empfindlichkeit zu gewinnen, wobei jeder für unterschiedliche Regime geeignet ist.

Wellenfrontrekonstruktion

Neigungs- oder Krümmungsmessungen werden, oft mittels Matrixmethoden, kombiniert, um die Wellenfront in einer Basis wie Zernike-Moden zu schätzen, die der Korrektor anwenden kann.

Clinical relevance

Die Wellenfrontsensorik ist die Wahrnehmungsstufe der adaptiven Optik, die festlegt, wie schwach eine Leitquelle sein kann und wie gut die Atmosphäre gemessen wird. Dieselben Sensoren werden zur Ausrichtung und Prüfung von Teleskopoptiken sowie in Bereichen wie der Ophthalmologie eingesetzt.

History

Der Hartmann-Test für optische Figuren wurde von Shack zu dem Linsenarray-Sensor adaptiert, der ihre Namen trägt und zum Standard-Wellenfrontsensor für adaptive Optik wurde. Die von Roddier eingeführte Krümmungssensorik und der spätere Pyramidensensor erweiterten die verfügbaren Techniken.

Key figures

• Johannes Hartmann
• Roland Shack
• Francois Roddier

Seminal works

• hardy1998
• roddier1999

Frequently asked questions

Was detektiert ein Wellenfrontsensor eigentlich?

Anstatt die Wellenfronthöhe direkt zu messen, messen die meisten Sensoren ihre lokale Neigung oder Krümmung über die Teleskoppupille. Ein Shack-Hartmann-Sensor verwendet beispielsweise ein Gitter winziger Linsen, und die Verschiebung jedes fokussierten Punktes offenbart die Neigung der Wellenfront über diesem Teil der Pupille.

Warum benötigt die Wellenfrontsensorik eine helle Referenzquelle?

Der Sensor muss die Wellenfront viele hundert Male pro Sekunde messen, um mit der Atmosphäre Schritt zu halten, sodass jede Messung nur kurz Licht sammelt. Eine schwache Quelle liefert zu wenige Photonen für eine genaue Messung, weshalb helle natürliche oder künstliche Laserleitsterne benötigt werden.