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WaveSensor® & WaveMaster® Broschüre
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Broschüre: WaveMaster® IOL 2
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WaveSensor® & WaveMaster®

Shack-Hartmann Wellenfrontsensoren

Um die Umsetzung aufwendiger optischer Designs nach der Herstellung sicher stellen zu können, muss eine qualifizierte Messtechnik genutzt werden. Hierzu eignet sich insbesondere die Wellenfrontprüfung, die die Abbildungsqualität ortsaufgelöst, das heißt über alle Feldwinkel, und über die gesamte Prüflingsapertur bestimmt. Damit ergibt sich, anders als bei der klassischen MTF-Prüfung, nicht nur ein punktuelles Maß für die Qualität, sondern ein kontinuierlicher Abgleich über die gesamte Apertur.

Produktübersicht

In Echtzeit analysieren Shack-Hartmann Sensoren gesamte Optiken oder einzelne Oberflächen und erlauben die Bestimmung der Wellenfront (PV, RMS), der Zernike-Koeffizienten, der Punktbildfunktion (PSF), der Modulationsübertragungsfunktion (MTF), des Strehl-Verhältnisses, des Krümmungsradius und des Asphärenkoeffizienten. Damit ermöglichen sie nicht nur Rückschlüsse zur Qualitätskontrolle einzelner Linse, sondern auch über den Produktionsprozess.

WaveSensor® stellt die Grundlage der Wellenfrontmessung und -analyse von sphärischen, asphärischen, frei geformten und planen Einzeloptiken und Linsensystemen bei TRIOPTICS dar. Hierbei handelt es sich um einen Shack-Hartmann-Sensor, der sowohl einzeln als auch integriert in kompletten Messsystemen zum Einsatz kommt.

Durch ihre einfache Handhabung und Flexibilität sind die Messsysteme der WaveMaster® Compact Serie sowie der WaveMaster® Plan mit ihren vielen Freiheitsgraden optimiert für den Einsatz in Forschung und Entwicklung sowie die stichprobenartige Qualitätskontrolle von Einzellinsen. Analysen erfolgen dabei über die Oberfläche und/oder die gesamte Optik.

Mit dem WaveMaster® PRO 2 bittet TRIOPTICS ein Messsystem, das für den Einsatz in der Produktion optimiert ist und die Messung in Chargen ermöglicht. Für Anwendung, bei denen die reine axiale Wellenfrontprüfung nicht mehr ausreicht, da hohe Feldwinkel unbeachtet bleiben, bieten der WaveMaster® Field und der WaveMaster® UST Lösungen.

WaveSensor®
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Shack-Hartmann Sensor
WaveSensor®

Der WaveSensor® ist ein Shack-Hartmann Sensor mit einem großen dynamischen Bereich.

  • Sensor zur Wellenfrontmessung und Analyse von spärischen, asphärischen und planen Optiken

  • Flexibler Einsatz in unterschiedlichen Messaufbauten

WaveMaster® PRO 2 / PRO 2 Wafer / PRO 2 Plan

Serienprüfung von Optiken und Wafern
WaveMaster® PRO 2 / PRO 2 Wafer / PRO 2 Plan

WaveMaster® PRO 2 erlaubt die Serienprüfung von Optiken und optischen Wafern.

  • Vollautomatisierte Messung einer großen Anzahl von Prüflingen (Wafer oder beladene Trays)

  • Messzeit von unter 3 Sekunden pro Optik und Messschritt sorgt für einen hohen Probendurchsatz

  • Hohe Wiederholgenauigkeit

  • Benutzerdefinierte Ausschuss-Kriterien für eine anwendungsorientierte Qualitätskontrolle im Vergleich zu Design-Daten oder Musterprüflingen

  • Hohe Transparenz der Messergebnisse durch den Export der Messdaten jeder einzelnen Linse ermöglicht eine optimale Produktionssteuerung in Hinblick auf Materialdefekte und Produktionsfehler

WaveMaster® Plan

Messung planer Prüflinge
WaveMaster® Plan

Zur Qualitätsprüfung planer Flächen mittels Wellenfrontanalyse eignet sich der WaveMaster® Plan.

  • Umfassende Wellenfrontanalyse von planen optischen Elementen

  • Einfache und schnelle Messung: Prüfling wird manuell grob platziert und mit einer XY-Verstellung feinjustiert

  • Stabiles und umgebungsunabhängiges Messsystem durch vibrationsunempfindlichen Aufbau

WaveMaster® Compact 2

Messung in Transmission für F&E
WaveMaster® Compact 2

WaveMaster® Compact 2 misst die Wellenfront von Einzellinsen und optischen Systemen in der Qualitätssicherung.

  • Wellenfrontmessung von Einzellinsen in Forschung und Entwicklung sowie zur Qualitätskontrolle

  • Messung und Analyse der kompletten Optik in Transmission

WaveMaster® Compact 2 Reflex

Messung in Reflexion für F&E
WaveMaster® Compact 2 Reflex

WaveMaster® Compact 2 Reflex ermöglicht die Messung der Oberflächentopographie und den Krümmungsradius von Einzellinsen.

  • Wellenfrontmessung von Einzellinsen in Forschung und Entwicklung sowie zur Qualitätskontrolle

  • Messung und Analyse der Oberflächentopographie in Reflexion

WaveMaster® Compact 2 Universal

Messung in Transmission & Reflexion
WaveMaster® Compact 2

Kombinierte Wellenfront- und Oberflächentopographiemessung sind mit dem WaveMaster® Compact 2 Universal möglich.

  • Wellenfrontmessung von Einzellinsen in Forschung und Entwicklung sowie zur Qualitätskontrolle

  • Messung und Analyse der kompletten Optik in Transmission und der Oberflächentopographie in Reflexion

WaveMaster® Field

Außeraxiale Wellenfrontprüfung
WaveMaster® Field

Der WaveMaster® Field ist auf die Prüfung von Einzellinsen und Objektiven unter hohen Feldwinkeln ausgelegt.

  • Universelle Wellenfrontprüfung unter Feldwinkeln von bis zu 60°

  • Flexible und einfache Einstellung individueller Einfallswinkel und Wellenlängen

  • Variable Prüflingsaufnahme erlaubt die Anpassung an unterschiedliche Prüflinge – ideal für F&E

  • Prüflingscharakterisierung mittels folgender Linsenparameter: EFL, MTF, Verzeichnung, Zernike-Analyse

WaveMaster® UST

Universelle Prüfung von Stepperoptiken
WaveMaster® UST

Beidseitig telezentrische Objektive lassen sich mit dem vollautomatisierten WaveMaster® UST messen.

  • Vollständiges, auch außeraxiales Mapping großer beidseitiger telezentrischer Optiken (bis 300 kg Gewicht) durch die Wellenfrontmessung

  • Universeller Einsatz für Feldgrößen bis 70 x 45 mm² (objektseitig) bzw. 100 x 100 mm² (bildseitig)

  • Einfache und schnelle Messungen durch hohen Automatisierungsgrad

WaveMaster® IOL 2

Wellenfrontmapping von Intraokularlinsen
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Die Wellenfront-Messung mit dem WaveMaster® IOL 2 ermöglicht das Power Mapping von Intraokularlinsen.

  • Universelles Messsystem zur Qualitätskontrolle aller gängigen refraktiven Intraokularlinsen: monofokal, torisch, sphärisch und asphärisch

  • Messung hydrophober und hydrophiler Linsen in Luft oder im optional beheizbaren In-Situ-Augenmodell gemäß ISO 11979

  • Vollautomatisierte und benutzerunabhängige Bestimmung der Linsenaberrationen, MTF, EFL und PSF

Basierend auf der Wellenfrontanalyse mittels WaveSensor®, TRIOPTICS etabliertem Shack-Hartmann Sensor, misst der WaveMaster® IOL 2 alle Kernparameter von monofokalen und torischen, sphärischen oder asphärischen Intraokularlinsen. Hierdurch findet er seinen Einsatz in Forschung und Entwicklung sowie in der Produktion. Messparameter wie die Brechkraft, Aberrationen und die Modulationsübertragungsfunktion werden durch die Analyse der Wellenfront berechnet, die in einem schnellen Messprozess ermittelt wird. Zusätzlich wird die vollautomatisierte Messung von torischen Linsen (MTF in beiden Hauptschnitten, Markererkennung) unterstützt. Alle Aspekte der in-Luft- oder in-Situ-Messung werden über die neue intuitiv nutzbare Software dargestellt, die den Nutzer durch den Prozess führt.

  • Die Wellenfront-Messung ermöglicht das vollständige Power Mapping
  • Höchste Sicherheit bei der Linsenevaluierung, da die Messung 3x so genau ist, wie die in der ISO geforderten Toleranzen
  • Individuelle Auswertung von Linsenaberrationen in Forschung und Entwicklung durch Zernike-Analyse
  • Optimale Prüfung der Abbildungsqualität von torischen Linsen durch die automatisierte MTF-Messung in beiden Linsenhauptschnitten
  • Vollautomatische Bestimmung der Achsabweichung bei torischen Linsen zwischen Markern und Hauptschnitt
  • Kameralivebild erlaubt die visuelle Beurteilung der Linsen bezüglich Herstellungsgüte
  • Prüflingsspezifisch anpassbare Maskendurchmesser entsprechend der benötigten Auflösung und Dynamik
Anfrage WaveMaster®
WaveMaster Anwendung

Anwendungen

Konventionelle Grenzen überschreiten

Umfassende Qualitätskontrolle mit Shack-Hartmann Messtechnik

Der Bedarf an kompakten Linsensystemen, die sich durch eine kleine Größe und ein geringes Gewicht auszeichnen, führt in vielen Fällen zum Austausch mehrerer sphärischer Linsen durch eine asphärische Optik. Zusätzlich nehmen Qualitätskontrollen bereits während der Fertigung an Bedeutung zu. In vielen Fällen können für diese Messaufgaben keine herkömmlichen Verfahren eingesetzt werden. Die Wellenfrontmessung mit Shack-Hartmann Sensoren stellt hier auf Grund ihres großen Dynamikbereiches die Lösung der Wahl dar.

Software

WaveSensor® oder WaveMaster® Software

Die Software ist übersichtlich strukturiert, bedienerfreundlich und enthält alle Funktionen, um mit einem WaveSensor® oder WaveMaster® sphärische und asphärische Prüflinge zu messen und zu analysieren. Mit ihrer flexiblen Konfigurierbarkeit, werden alle wichtigen Messergebnisse angezeigt.

Die Software kommuniziert mit dem Shack-Hartmann-Sensor und analysiert die gemessene Wellenfront in Echtzeit. Zusätzlich steuert sie die WaveMaster® Messsysteme, um z. B. Prüflinge auszurichten.

  • Übersichtliche, menügesteuerte und konfigurierbare Bedienerführung

  • Einfache und intuitive Messung und Analyse von Wellenfronten der gesamten Optik oder an Oberflächen in Echtzeit

  • Eine Software für alles: Datenerfassung, Datenberechnung, Kalibrierung und Anzeige der Daten

  • Absoluter und relativer Messmodus für den instantanen Vergleich mit den theoretischen Designdaten aus ZEMAX und Code V oder mit einer Referenzlinse

  • Komplette Dokumentation durch die Ausgabe von Messzertifikaten

  • Übersichtliche Darstellung in einstellbaren Mess- und Analysebereich von

    • 2D-Wellenfront
    • PV und RMS
    • Intensität
    • Kamerabild
  • Vollständige Darstellung der Oberflächentopographie durch mehrere Parametrisierungen:

    • Asphärengleichung
    • Zernike-Polynome
    • Konische Gleichung
    • Sphärische Gleichung
    • Freiformfläche

Technische Daten

Shack-Hartmann Sensor

WaveSensor®150150 mit Reflex-Modul
Sensorbereich15 mm x 15 mm15 mm x 15 mm
Wellenlänge405 nm ... 1100 nm1)405 nm ... 1100 nm1)
Wellenfront Genauigkeit< λ/20 (RMS)0,05 μm (RMS)
Wellenfront Wiederholgenauigkeit< λ/200 (RMS)0,005 μm (RMS)
Dynamikbereich2.000 λ2.000 λ
MessfrequenzBis zu 12 HzBis zu 12 Hz
Laterale Auflösung138 x 138 Mikrolinsen138 x 138 Mikrolinsen

Forschung & Entwicklung

WaveMaster® Compact 2 Compact 2 ReflexCompact 2 Universal
Prüflingsdurchmesser 0,5 mm ... 14 mm2),3)4,5 mm ... 18 mm3),5)Transmission: 0,5 mm ... 14 mm2),3)
Reflexion: 4,5 mm ... 14 mm3),5)
Brennweite (Messkonfiguration) -30 mm ... +100 mm4) -30 mm ... +100 mm4)
Krümmungsradius -50 mm ... 30 mm6) -50 mm ... 30 mm6)
PrüflingshalterEinzelprüfplatz, manuelle PositionierungEinzelprüfplatz, manuelle PositionierungEinzelprüfplatz, manuelle Positionierung
Maximum Asphärizität≤ 7°7)≤ 7°7)
WaveMaster® Plan FieldUST
Prüflingsdurchmesser 0,5 mm ... 14 mm2),3)0,5 mm ... 14 mm2),3)Bis zu 1.100 mm x 650 mm x 1.200 mm
PrüflingshalterEinzelprüfplatz, manuelle PositionierungEinzelprüfplatz, manuelle PositionierungSchnittstelle für
kundenspezifische Linsenhalter
Maximum Prüflingsgewicht450 kg
Maximaler Abstand zwischen
Objekt- und Bildebene
1200 mm
Maximale Feldgröße, bildseitig±20 mm100 mm x 100 mm
Maximale Feldgröße, objektseitig±70°70 mm x 45 mm

Produktion

WaveMaster® PRO 2 PRO 2 Wafer PRO 2 Plan
Prüflingsdurchmesser 0,5 mm ... 14 mm2) 0,5 mm ... 14 mm2) 0,5 mm ... 14 mm2)
Anlagemaß -12 mm ... +50 mm4) -12 mm ... +50 mm4)
PrüflingshalterTrayWafer-HalterTray
Messzeit pro Optik< 3 s8)< 3 s8)< 3 s8)
Prüflingsdurchsatz pro Stunde≥ 1.200 Linsen8)≥ 1.200 Linsen8)≥ 1.200 Linsen8)
Linsen pro TrayMax. 1488)Max. 1488)
Austauschzeit für Tray mit Linsen10 s10 s10 s
Wafer tray Austauschzeit,
inkl. Einrichtung
< 2 min< 2 min< 2 min
Einrichtzeit für neues Linsendesign< 5 min< 5 min< 5 min

1) Nach Kundenwunsch
2) Abhängig vom Teleskop
3) Weitere auf Anfrage
4) Abhängig vom Mikroskop
5) Abhängig vom Krümmungsradius und der Beleuchtungsoptik
6) Abhängig vom Prüflingsdurchmesser und der Beleuchtungsoptik
7) Lokale Abweichungen von der best-passenden Sphäre
8) Abhängig vom Prüfling

Download Technische Daten WaveMaster
Anfrage WaveMaster®

Upgrades & Zubehör

Alle WaveMaster®-Systeme zeichnen sich durch einen flexiblen Aufbau aus, so dass sie an die speziellen Anforderungen Ihrer Anwendung angepasst werden können.

Die vollständige Analyse wird durch eine individuelle Anpassung an den Prüfling möglich. Kinematische Halterungen erlauben so u. A. den einfachen Austausch von Lichtquellen und Teleskopen:
• Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge und numerischer Apertur
• Teleskope zur Erreichung der optimalen Vergrößerung zwischen Prüfling und Sensor
• Optiken für Oberflächen mit verschiedenen Krümmungsradien
• Prüflingshalter und Trays
• Referenzprüflinge

Die Softwarefunktionalität wird durch spezifische Module bezüglich der Messaufgabe optimiert:

ZERNIKE-Analyse-Modul

  • Zernike-Fit und Analyse der Wellenfront in Echtzeit
  • Numerische und grafische Anzeige der Fit-Ergebnisse und Residuen
  • Import von Wellenfront-Designdaten aus ZEMAX und CODE V für Echtzeit-Vergleiche
  • Export von Wellenfront-Daten und des Analyse-Ergebnissen in ASCII- und ZEMAX-Format

MTF/PSF-Analyse-Modul

  • Echtzeit-Berechnung und -Anzeige der 3D-MTF- und PSF-Daten
  • Tabelle mit MTF-Messergebnissen
  • Exportfunktion für Messergebnisse
  • Berechnung des Strehlverhältnis

• Erweiterung des Messbereichs
• Upgrade für torische Linsen (automatische Markererkennung, vereinfachte MTF-Messung, visuelle Begutachtung)
• Upgrade für 546 nm
• Linsenhalter mit verschiedenen Aperturgrößen
• Modellauge, optional beheizbar

Knowledge Base

Wellenfrontmessung mit Shack-Hartmann Sensoren

Funktionsprinzip eines Shack-Hartmann Sensors und Wellenfrontanalyse

Eine Wellenfront, die auf die Linsen eines Arrays trifft, wird in viele kleine Bereiche zerlegt, in denen das einfallende Licht jeweils in die CCD-Ebene fokussiert wird. Dort entsteht ein von der Form der Wellenfront abhängiges Punktmuster. Im Fall einer perfekt ebenen Wellenfront handelt es sich um ein gleichmäßiges räumliches Muster. Eine durch einen Prüfling eingeführte Aberration führt zu einer Krümmung und somit lokalen Neigung in der Wellenfront. Diese ist mit einer messbaren Verschiebung der einzelnen Brennpunkte verbunden.

Hieraus lassen sich die lokalen Neigungen der Wellenfront bestimmen. Eine numerische Integration erlaubt die Rekonstruktion der Wellenfront mit hoher Genauigkeit.

Hoher Dynamischer Bereich

Der Dynamikbereich eines Shack-Hartmann Sensors hängt zu einem großen Teil von den Algorithmen ab, mit denen jeder einzelne Messpunkt der entsprechenden Mikrolinse zugeordnet wird. Nur wenn diese Korrelation eingehalten wird, kann eine Wellenfront korrekt rekonstruiert werden. Insbesondere bei stark gekrümmten Wellenfronten reicht die einfache Zuordnung eines vordefinierten Suchbereichs in der CCD-Ebene mit der Größe einer Mikrolinse nicht mehr aus. Mit modernen Verfahren lassen sich Wellenfront-Dynamikbereiche von mehr als 2000 λ erreichen.

Aufgrund dieses hohen Dynamikbereiches sind Shack-Hartmann Sensoren in der Lage, Wellenfronten mit großen Aberrationen zu messen. Interferometer hingegen haben einen geringeren dynamischen Bereich.

Mehr Wissen für Experten

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Shack-Hartmann-Sensor

Ein Shack-Hartmann Sensor besteht üblicherweise aus einer CCD-Kamera, die in der Brennebene eines Mikrolinsen-Arrays angeordnet ist.

Zernike-Analyse

Zernkike-Polynome bis zur 6. Ordnung

Echtzeitanalyse von Wellenfronten Zernike-Polynome

Die gemessene Wellenfront wird mittels Zernike-Polynomen analysiert, welche typische optische Eigenschaften und Fehler einer Linse bzw. eines Linsensystems beschreiben. Hierzu gehören z. B. sphärische Aberrationen, Astigmatismus und Koma.

Die Zernikeanalyse ermöglicht eine numerische Darstellung aller Abbildungsfehler des Prüflings, die im Wesentlichen auf zwei Ursachen zurückzuführen sind: Aberrationen, welche auf das Linsendesign zurückgeführt werden können und/oder aus Fertigungsfehlern resultieren.

MTF, PSF und Strehl-Verhältnis

Die Auswirkungen von Aberrationen werden auch durch die Berechnung der Punktbildfunktion (Point Spread Function, PSF), der Modulationsübertragungsfunktion (Modulation Transfer Function, MTF, oft auch als optische Übertragungsfunktion bezeichnet) oder des Strehl-Verhältnisses des optischen Systems charakterisiert. Diese Größen lassen sich ebenfalls aus der Wellenfront ableiten.

Die Wellenfrontmessung und ihre weiterführenden Analysen liefern demnach eine umfangreiche Beschreibung der Abbildungseigenschaften des Prüflings.

Unterschiedliche Aufbauten mit Shack-Hartmann Sensoren

Zur Messung der Wellenfront sind unterschiedliche Konfigurationen des Messaufbaus möglich. Entscheidend für die Auswahl der Konfiguration ist jeweils, ob die optischen Eigenschaften oder die Topographie eines Prüflings untersucht werden soll.

Messung in Transmission

Die Messung in Transmission liefert Informationen über die optischen Eigenschaften einer Linse bzw. eines Linsensystems. In diesem Fall wird die Wellenfront der Austrittspupille auf den Sensor abgebildet. Dabei wird die gemessene Wellenfront sowohl durch die Oberflächen als auch des Brechungsindex der verwendeten Materialen beeinflusst.

Messung in Transmission mit infiniter Konfiguration

Umgekehrte infinite Konfiguration

Bei dieser Konfiguration wird der Prüfling von einer Punktlichtquelle beleuchtet, die sich in der Brennebene des Prüflings befindet. Die Austrittsspupille der Linse wird mit Hilfe des Teleskops auf dem Wellenfrontsensor abgebildet. Der Abstand zwischen Lichtquelle und Prüfling, die laterale Position der zu prüfenden Linse und die Bildebene des Shack-Hartmann-Sensors werden separat festgelegt.

Dieser Messaufbau wird bei den Instrumenten WaveMaster® Compact 2 und WaveMaster® PRO verwendet.

Finite Konfiguration

Bei dieser Konfiguration wird zusätzlich zum umgekehrten infiniten Messaufbau der Prüfling entsprechend seiner vorgesehenen Anwendung beleuchtet. Dies bedeutet, dass die Punktlichtquelle sich nicht in der Brennebene des Prüflings befindet, sondern in einer hierzu durch das Design vorgegebenen Distanz. Zur vollständigen Abbildung des Strahlenbündels auf dem Sensor wird zwischen der zu prüfenden Linse und dem Teleskop weiterhin eine Kollimierlinse eingesetzt. Diese Konfiguration ist nur bei dem für Forschungs- und Entwicklungszwecke empfohlenen Instrument möglich.

Messung in Reflexion

Messungen in Reflexion liefern Informationen über die Oberflächentopographie des Prüflings. Bei dieser Messung ist die Beleuchtungseinheit mit dem Strahlteiler vor dem Wellenfrontsensor montiert. Eine Kombination aus Kollimierlinse und Teleskop dient zur Beleuchtung des Prüflings und zur Abbildung der reflektierten Wellenfront auf dem Shack-Hartmann Sensor.

Der Reflexions-Messaufbau ist als leicht zu montierendes Modul für alle WaveSensor®-Produkte erhältlich. Einzelprüflinge können sowohl mit dem WaveMaster® Compact  Reflex und dem WaveMaster® Compact 2 Universal gemessen werden.

Umgekehrte infinite Konfiguration

Finite-Konfiguration

Finite Konfiguration

Messung in Reflexion

Messung in Reflexion