Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Ermittlung einer Wellenfront- Steigung eines Lichtes, insbesondere eines Laserlichts, mit einem Bestrahlen ei- nerTransmissionsfilter-Einheit mit einem Licht mit verschiedenen Winkeln zwischen Licht und einer Haupt-Transmissionsrichtung derTransmissionsfilter-Ein- heit für das Licht, sowie einem Messen einer Intensität des durch die Transmissionsfilter-Einheit transmittierten Lichts für die unterschiedlichen Winkel. Um Wellenfronten von Licht zu messen und insbesondere die Abweichung realer Wellenfronten von idealen, perfekten Wellenfronten zu bestimmen, werden Wellenfrontsensoren eingesetzt. Die gemessenen Abweichungen von der idealen Wellenfront entstehen durch optische Komponenten wie Linsen und Spiegel im Strahlengang des Lichts oder auch durch lokale Brechungsindexschwankungen des vom Lichtstrahl durchlaufenen Mediums, beispielsweise verursacht durch atmosphärische Turbulenzen. Die durch die Wellenfrontsensoren gemessenen bzw. rekonstruierten Wellenfronten werden genutzt, um entweder die jeweiligen von dem Licht durchlaufenen optischen Komponenten wie Linsen, Spiegel, oder das durchlaufene Medium zu charakterisieren, oder auch um im Nachgang die Abweichungen mit Hilfe eines geeigneten Korrektors zu kompensieren. In Abhängigkeit der jeweils vorliegenden Anwendung sind dabei unterschiedliche Eigenschaften wie hohe Messgenauigkeit, Messgeschwindigkeit oder Wellenlängenabhängigkeit des Wellenfrontsensors von Bedeutung.

Entsprechend gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Messmethoden und Wellenfrontsensoren. Wichtige Vertreter sind dabei der Shack-Hartmann-Sensor, wie er in dem Artikel „History in principles of Shack-Hartmann wavefront sensing" von B. C. Platt und R. Shack 2001 im J. Refract. Surg. 17, S-573-7 vorgestellt wurde, der Curvature-Sensor, wie er von F. Rodier im Artikel „Curvature sensing and compensation: a new concept in adaptive opticts" 1988 in Appl. Opt. 27, 1223 vorgestellt wurde, der Pyramid-Sensor, der 1996 von R. Ragazzoni im Artikel „Pupil plane wavefront sensing with an oscillating prism" in J. Mod. Opt. 43 vorgestellt wurde sowie interferometrische Messmethoden wie beispielsweise das Lateral Shearing Interferometer, wie es aus dem 1964 erschienen Aufsatz „The Use of a Single Plane Parallel Plate as a Lateral Shearing Interferometer with a Visible Gas Laser Source" von M. V. R. K. Murty in Appl. Opt. 3 bekannt ist. Sowohl beim Shack-Hartmann-Sensor als auch beim Lateral Shearing Interferometer wird nicht eine Wellenfront, also eine optische Weglängendifferenz, direkt gemessen, sondern eine lokale Neigung der Wellenfront, eine Steigung der Wellenfront oder kurz Wellenfrontsteigung. Aus diesen Gradientenmessungen kann anschließend die Wellenfront wieder rekonstruiert werden.

G. Fütterer stellt in seinem Artikel „Wave front sensing for metrology by using optical filter" 2019 in den Proceedings of SPIE ein Verfahren vor, bei welchem eine einzelne Transmissionsmessung durchgeführt wird und ein gemessener Intensitätswert auf einen Sensor mit Hilfe einer Kalibrierung, welche die Transmission in Relation zu Winkeln setzt, in Einfallswinkel und damit zu Wellenfrontsteigungen überführt wird. Die Auflösung der Kalibrierung wird dabei erhöht, indem mehrere Vergleichsmessungen für die Kalibrierung unter verschiedenen Einfallswinkeln des Lichtes vorgeschlagen werden.

Entsprechend stellt sich die Aufgabe, die Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung zu überwinden und eine verbesserte Ermittlung von Wellenfrontsteigungen zu realisieren.

Diese Aufgabe aber wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.

Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung eines Lichts in zumindest einer Raumrichtung, bevorzugt zwei Raumrichtungen. Bevorzugt handelt es sich bei dem Licht um ein Laserlicht. Teil des Verfahrens ist ein erstes Bestrahlen einer Transmissionsfilter-Einheit mit einem Licht, mit einem ersten Winkel, einem ersten Einfallswinkel, zwischen Licht und einer Haupt-Transmissionsrichtung der Transmissionsfilter-Einheit für das Licht des ersten Bestrahlens. Die Haupt-Transmissionsrichtung ist dabei die Richtung, in welcher ein durch die Transmissionsfilter-Einheit bzw. ein Transmissionsfilter- Element der Transmissionsfilter-Einheit dringendes Licht, hier bevorzugt Laserlicht, die maximale Intensität aufweist, d.h. die Richtung in welcher das Licht einfallen muss, um Reflexion und/oder Absorption durch die Transmissionsfilter-Einheit bzw. das Transmissionsfilter-Element zu minimieren. Die Haupt- Transmissionsrichtung kann somit einem lokalen und/oder globalen Maximum einer zugehörigen Transmissionsfunktion entsprechen. Entsprechend erfolgt ein erstes Messen einer ersten Intensität II des durch die Transmissionsfilter- Einheit transmittierten Lichts durch eine Messeinheit. Ebenfalls Teil des Verfahrens ist ein zweites Bestrahlen der Transmissionsfilter-Einheit mit dem Licht, also Licht der gleichen Quelle, mit einem zweiten Winkel zwischen Licht und der Haupt-Transmissionsrichtung der Transmissionsfilter-Einheit für das Licht des zweiten Bestrahlens. Das Bestrahlen erfolgt also unter den jeweiligen ver- schiedenen Einfallswinkeln. Entsprechend erfolgt auch ein zweites Messen einer zweiten Intensität 12 des durch die Transmissionsfilter-Einheit unter dem zweiten Winkel transmittierten Lichts durch die Messeinheit. Wie weiter unten noch erläutert kann das Licht für das erste/zweite Bestrahlen bzw. Messen in entsprechende Teil-Lichter aufgeteilt werden, welche abgesehen von einer Eigenschaft wie beispielsweise einer Intensität und/oder einer Polarisation die gleichen oder äquivalente restliche Eigenschaften aufweisen und daher im Rahmen dieser Offenbarung als das gleiche Licht betrachtet werden.

Die beiden Winkel zwischen jeweiligem Licht und jeweiliger Haupt-Transmissi- onsrichtung liegen dabei in einer gemeinsamen Messebene und haben den im Wesentlichen gleichen Winkelbetrag, jedoch unterschiedliche Vorzeichen. Die im Wesentlichen gleichen Winkelbeträge sind gleich oder bis auf eine vorgegebene Abweichung gleich, welche bspw. höchstens 45°, höchstens 30°, höchstens 15°, höchstens 10° oder höchstens 5° betragen kann. In den folgenden Erläuterungen wird der kompakteren Schreibweise halber von „gleichen Winkelbeträgen" gesprochen, wobei hierunter, so nicht anders vermerkt, „im Wesentlichen gleiche Winkelbeträge" zu verstehen sind. Mit den so gewählten Winkeln wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die beiden Lichter unter jeweiligen Einfallswinkeln auf die Transmissionsfiltereinheit fallen, welche unterschiedlich geneigten Flanken, nämlich je einer steigenden und einer fallenden Flanke, der zugehörigen Transmissionsfunktion entsprechen. Einer der beiden Winkel zwischen Licht und Haupt-Transmissionsrichtung ist somit einer aufsteigenden Flanke einer der Transmissionsfilter-Einheit zugeordneten Transmissionfilterfunktion zugeordnet ist und der andere der beiden Winkel zwischen Licht und Haupt-Transmissionsrichtung einer absteigenden Flanke. Die Transmissionsfilterfunktion kann folglich als winkelabhängige Transmissionsfilterfunktion bzw. winkelabhängige Transmissionsfunktion bezeichnet werden. Dies hat zur Folge, dass eine bestimmte Änderung der Wellenfrontsteigung in den unterschiedlichen Lichtern unterschiedliche Intensitätsänderungen nach sich zieht und somit wie im Folgenden Beschrieben über den räumlichen Kontrast quantifiziert werden kann.

Ebenfalls Teil des Verfahrens ist ein Berechnen eines räumlichen Kontrastes K aus einer Differenz von erster Intensität II und zweiter Intensität 12 sowie bevorzugt auch einer Summe von erster Intensität II und zweiter Intensität 12. Aus dem berechneten räumlichen Kontrast K und einem vorgegebenen, in einem Kalibrierverfahren ermittelten Kalibrierfaktor c der Transmissionsfilter-Einheit wird eine lokale Wellenfrontsteigung S ermittelt. Der Kalibrierfaktor kann als einfaches Skalar vorgegeben sein, alternativ oder ergänzend jedoch auch in Form einer Tabelle, Look-up-table, welche für jeweilige Kontraste und/oder Einfallswinkel die lokale Wellenfrontsteigung liefert.

Das Ermitteln der lokalen Wellenfrontsteigung kann beispielsweise räumlich aufgelöst erfolgen, wobei dann mittels entsprechender Rekonstruktionsalgorithmen für zonales und/oder modales Rekonstruieren aus der oder den bekannten lokalen Wellenfrontsteigungen S die Wellenfront des Lichts rekonstruiert werden kann. Derartige Rekonstruktionsalgorithmen wurden bereits zahlreich für die Verwendung mit dem etablierten Shack-Hartmann-Sensor entwickelt und können auch in dem hier beschriebenen Ansatz verwendet werden.

Das hat den Vorteil, dass die winkelabhängige Transmission eines optischen Filters, derTransmissionsfilter-Einheit, genutzt wird, um den Gradienten der Wellenfront in lokale Intensitätsunterschiede umzuwandeln, und zwar basierend auf einer Differenzmessung, so dass das beschriebene Verfahren unabhängig von lokalen Änderungen der Bestrahlungsstärke über die Zeit ist. Insbesondere beim Einsatz in adaptive Optik Systemen für die Messung und Korrektur von Wellenfrontstörungen aufgrund atmosphärischer Turbulenz ist dies ein entscheidender Vorteil. Überdies erlaubt die Differenzmessung das Anpassen der jeweiligen Einfallswinkel des Lichts auf die Transmissionsfilter-Einheit an eine jeweilige Transmissionsfunktion des entsprechenden vorliegenden Transmissionsfilter-Elements der Transmissionsfilter-Einheit, so dass der Zusammenhang zwischen Transmission und Einfallswinkel linear oder quasi linear ist, und in Folge eine einfache Zahl als Kalibrierfaktor c bereits eine sehr hohe Genauigkeit bei der Ermittlung der Wellenfrontsteigung ermöglicht. Als Konsequenz wird auch das für das Verfahren erforderliche Kalibrieren vereinfacht.

Insgesamt werden mit dem beschriebenen Verfahren zum Ermitteln der Wellenfrontsteigung wesentliche Nachteile der bisher bekannten Ansätze überwunden und in einer Reihe von Anwendungsfeldern genauere, schnellere, und flexiblere Messungen ermöglicht. Die Messungen der Wellenfronten können dabei sowohl für die Echtzeitmessung und -Korrektur von durch atmosphärische Turbulenz verursachten Wellenfrontdeformationen als Teil einer adaptiven Optik eingesetzt werden, als auch für die Untersuchung und Qualitätsprüfung von optischen Bauteilen, für die Messung und Korrektur von Abbildungsfehlern in der Mikroskopie, für die Vermessung der Abbildungsfehler des menschlichen Auges in der Ophthalmologie, sowie für die Charakterisierung der optischen Eigenschaften eines Laserstrahls in der Lasertechnik. Überdies kann mit dem beschriebenen Verfahren auch eine äußerst genaue Winkelmessung erreicht werden und Oberflächenstrukturen oder -formen flächig in großer Genauigkeit vermessen werden.

Grundsätzlich wird eine Transmissionsfilter-Einheit mit mindestens einem Transmissionsfilter-Element und eine Messeinheit mit mindestens einem Mess- oder Detektorelement genutzt. Zur Messung der lokalen Wellenfrontsteigung können dabei für jede Raumrichtung, x-Richtung und y-Richtung, je zwei Messungen durchgeführt werden. Zur vollständigen Vermessung einer zweidimensionalen Wellenfront werden bei dem Verfahren vier Messungen benötigt. Für diese unterschiedlichen Messungen muss die verwendete Transmissionsfilter-Einheit bzw. das jeweilig verwendete Transmissionsfilter-Element unterschiedliche Winkel zur optischen Achse des Laserstrahls aufweisen. Entsprechend können die Messungen wie weiter unten beschrieben gleichzeitig ausgeführt werden, wenn der Laserstrahl in vier Teilstrahlen geteilt wird. Hier kann es dann sinnvoll sein, für jede Messung und somit jeden Teilstrahl ein separates Transmissionsfilter-Element und Mess- oder Detektorelement zu verwenden. Es ist aber auch möglich, die Messungen nacheinander durchzuführen und zwischen den Messungen die Transmissionsfilter-Einheit bzw. ein einziges involviertes Transmissionsfilter-Element entsprechend zu drehen oder die Richtung des Laserstrahls zu ändern, wie es im Folgenden erläutert wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird entsprechend bei dem ersten Bestrahlen und dem zweiten Bestrahlen ein einziges involviertes Transmissionsfilter-Element der Transmissionsfilter-Einheit bestrahlt. Dabei erfolgt das erste Bestrahlen und das erste Messen zeitlich vor dem zweiten Bestrahlen und dem zweiten Messen, wobei das einzige involvierte Transmissionsfilter-Element der Transmissionsfilter-Einheit zwischen dem erstem Bestrahlen und dem erstem Messen und dem zweitem Bestrahlen und dem zweitem Messen um einen Differenzwinkel der beiden Winkel um eine Verkippachse senkrecht zur Messebene verkippt wird. Die Verkippachse verläuft also derart, dass zu einem Zeitpunkt während des Verkippvorgangs der Strahlgang des Lichts mit der Haupt- Transmissionsrichtung zusammenfällt. Ein Verschieben des Lichts bzw. des Strahlgangs des Lichts hat dabei die gleiche Wirkung und kann als ein Verkippen des Transmissionsfilter-Elements in einem sich bewegenden Bezugssystem des Lichts betrachtet werden. Das hat den Vorteil, dass eine kleinere Vorrichtung mit weniger Komponenten genutzt werden kann.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ermitteln der lokalen Wellenfrontsteigung in zumindest eine Raumrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts erfolgt, bevorzugt in zwei (am besten orthogonale) Raumrichtungen erfolgt. Dabei wird je ein erstes und ein zweites Messen pro Raumrichtung durchgeführt, wobei die dem ersten und zweiten Messen zugeordnete Raumrichtung in der Messebene liegt. Damit kann die zweidimensionale lokale Wellenfrontsteigung ermittelt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Aufteilen eines Ursprungs-Lichts, bevorzugt eines Ursprungs-Laserlichts, in das Licht des ersten Bestrahlens und das Licht des zweiten Bestrahlens durch eine Strahlteilereinheit vorgesehen. Da das Licht des ersten Bestrahlens und des zweiten Bestrahlens die gleiche Quelle aufweisen, entsprechen sich ihre jeweiligen Eigenschaften, es handelt sich also im Rahmen dieser Offenbarung um das gleiche Licht, wenngleich die Lichter in einer Eigenschaft wie der Intensität und/oder der Polarisation verschieden sein können. Bei dem ersten Bestrahlen wird dann ein erstes Transmissionsfilter-Element der Transmissionsfilter-Einheit bestrahlt und bei dem zweiten Bestrahlen ein von dem ersten Transmissionsfilter-Element verschiedenes zweites Transmissionsfilter-Element der Transmissionsfilter-Einheit. Die beiden Transmissionsfilter-Elemente sind dabei bevorzugt funktionsgleich und weisen jeweils die für den ersten beziehungsweise zweiten Winkel zwischen Licht und Transmissionsfilter-Einheit relevante Haupt-Trans- missionsrichtung auf. Die beiden Transmissionsfilter-Elemente können aber auch in Bauteileinheit, d.h. als ein und dasselbe Transmissionsfilter-Element ausgeführt sein, wobei die beiden Lichter dann aus unterschiedlichen Richtun- gen, und somit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf und durch die Transmissionsfilter-Elemente gelenkt werden. Die bietet sich beispielsweise für unterschiedlich polarisierte Lichter als erstes und zweites Licht an. Das hat den Vorteil, dass die Geschwindigkeit des Verfahrens erhöht wird und so beispielsweise die Wellenfrontsteigung mit einer im Vergleich zum seriellen Verfahren von oben jedenfalls doppelt so großen Geschwindigkeit durchgeführt werden kann. Auch wird hier die Anzahl der beweglichen Teile reduziert, was wiederum Verschleiß verringert und die Genauigkeit erhöht.

Besonders vorteilhaft ist hier ein Aufteilen des Ursprungs-Lichtes in vier Lichter, so dass analog zu dem Aufteilen in zwei Lichter mit dem Vermessen der Wellenfront in einer Raumrichtung dies auch für die zweite Raumrichtung erfolgen kann, um so zur Rekonstruktion einer zweidimensionalen Wellenfront zu gelangen. Entsprechend erfolgt dann analog zum ersten und zweiten Bestrahlen und Messen ein weiteres erstes Bestrahlen und Messen sowie ein weiteres zweites Bestrahlen und Messen. Dies ist weiter unten auch noch genauer erläutert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Messen der Intensitäten und das Berechnen des räumlichen Kontrastes jeweils pixelweise für eine Vielzahl von Pixeln erfolgt. Bevorzugt sind die Pixel dabei zweidimensional auf einer Oberfläche angeordnet. Entsprechend ist die Messeinheit dann eine pixelbasierte Messeinheit, zum Beispiel mit einem charge-coup- led device-Mess- oder Detektorelement (CCD-Detektorelement). Das hat den Vorteil, dass die Auflösung der Wellenfrontsteigungs-Messung mit der Auflösung der pixelbasierten Messeinheit skaliert, da jeder Messwert der gemittelten Wellenfrontsteigung über dem entsprechenden Pixel entspricht. Damit wird durch die Wahl der Messeinheit bzw. deren räumliche Auflösung eine nahezu beliebige Skalierbarkeit erreicht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Winkelbetrag der beiden Winkel dem Betrag des Winkel der größten Flankensteilheit einer Transmissionsfunktion der Transmissionsfilter-Einheit bzw. des oder der jeweiligen Transmissionsfilter-Elemente relativ zur zugehörigen Haupt- Transmissionsrichtung entspricht, insbesondere der Betrag ist. Allgemein kann der Winkelbetrag dabei den Winkel auch dergestalt in Abhängigkeit der Flankensteilheit der Transmissionsfunktion ausgewählt werden, dass ein durch die Flankensteilheit bestimmter Messbereich des Messens der Messeinheit an einen von einem Nutzer vorgegebenen Messbereich angepasst wird. So kann beispielsweise auch während des Messens, also in Echtzeit, durch ein Nachjustieren oder Anpassen der Winkelbeträge der Messbereich dynamisch angepasst oder nachgeführt werden. Entspricht der Winkelbetrag der beiden Winkel dem Betrag des Winkels der größten Flankensteilheit, ist der Zusammenhang zwischen lokalem Kontrast und lokaler Wellenfrontsteigung S besonders nah an einem linearen Zusammenhang und die Dynamik der Messung besonders ausgeprägt, was die beschriebenen Vorteile mit sich bringt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Transmissionsfilter-Einheit zumindest ein Fabry-Perot-Etalon als jeweiliges Transmissionsfilter-Element mit Neben-Haupttransmissionssrichtungen enthält, wobei die Neben-Haupttransmissionssrichtungen den Neben-Transmissi- onsmaxima entsprechen. Durch ein Auswählen und Einstellen des Winkelbetrags des ersten und zweiten Winkels in Abhängigkeit jeweiliger Flankensteilheiten der Transmissionfunktion des Fabry-Perot-Etalons im Bereich der Ne- ben-Haupttransmissionsrichtungen dergestalt, dass ein durch die Flankensteilheit bestimmter Messbereich des Messens bzw. der Messeinheit an einen von einem Nutzer vorgegebenen Messbereich angepasst wird, kann das Verfahren an unterschiedliche Anwendungsszenarien angepasst werden. Das Auswählen und Einstellen des Winkelbetrags kann also in Abhängigkeit des von dem Nutzer vorgegebenen Messbereichs als Nutzereingabe über eine entsprechende Eingabeeinheit vorgenommen werden. Insbesondere kann das Auswählen und Einstellen auch automatisiert oder teilautomatisiert erfolgen. Damit kann, sogar während der Ermittlung der Wellenfrontsteigung, die Dynamik des Verfahrens an die realen Erfordernisse angepasst werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der räumliche Kontrast K als proportional zu (11-I2)/(I1+I2) gegeben ist, bevorzugt gleich (11-I2)/(I1+I2). Dadurch wird erreicht, dass der räumliche Kontrast unabhängig von dem Absolutbetrag der Intensität des Lichts ist, so dass lokale Intensitätsschwankungen den Messwert nicht beeinflussen, wobei hier natürlich Eigenschaften der verwendeten Messeinheit wie beispielsweise ein zugehöriger Dynamikbereich oder ein Sensor-Rauschen noch eine Rolle spielen können. Ins- besondere wird die lokale Wellenfrontsteigung S als proportional zu c * K, bevorzugt als S=+/-c * K gegeben, also ein linearer Zusammenhang zwischen lokaler Wellenfrontsteigung S und räumlichem Kontrast K angenommen. Dies vereinfacht das Verfahren erheblich, insbesondere die Kalibrierung, welche zum Ermitteln der Steigung der linearen Sensorantwort, c, erforderlich ist und hat sich in der realen Erprobung hervorragend bewährt.

Ein weiterer Aspekt betrifft eine Sensorvorrichtung zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung, mit einer Strahlteilereinheit, welche ausgebildet ist zum Aufteilen eines Lichts, insbesondere eines Laserlichts, für welches die Wellenfrontsteigung zu ermitteln ist, in zumindest ein erstes Licht und zumindest ein zweites Licht, mit einem ersten Transmissionsfilter-Element einer Transmissionsfilter-Einheit, welches in einem Strahlengang des ersten Lichts mit einer Haupt- Transmissionsrichtung des ersten Transmissionsfilter-Elements relativ zum Strahlengang des ersten Lichts um einen ersten Winkel verkippt nach der Strahlteilereinheit angeordnet ist, einem ersten Messelement einer Messeinheit, welches in dem Strahlengang des ersten Lichts nach der Strahlteilereinheit angeordnet ist und ausgebildet ist, eine erste Intensität II des durch das erste Transmissionsfilter-Element transmittierten ersten Lichts zu messen, mit einem zweiten Transmissionsfilter-Element derTransmissionsfilter-Einheit, welches in einem Strahlengang des zweiten Lichts mit einer Haupt-Transmissionsrichtung des zweiten Transmissionsfilter-Elements relativ zum Strahlengang des zweiten Lichts um einen zweiten Winkel verkippt nach der Strahlteilereinheit angeordnet ist, und mit einem zweiten Messelement der Messeinheit, welches in dem Strahlengang des zweiten Lichts nach der Strahlteilereinheit angeordnet ist und ausgebildet ist, eine zweite Intensität 12 des durch das zweite Transmissionsfilter-Element transmittierten zweiten Lichts zu messen. Dabei sind die Transmissionsfilter-Elemente bevorzugt funktionsgleich. Die beiden Winkel zwischen den jeweiligen Lichtern und Haupt-Transmissionsrichtungen liegen in einer gemeinsamen Messebene und haben den im Wesentlichen gleichen Winkelbetrag, jedoch ausgehend von der zugeordneten Haupt-Transmissionsrichtung unterschiedliche Vorzeichen. Die Sensorvorrichtung weist weiterhin eine Recheneinheit auf, welche ausgebildet ist, einen räumlichen Kontrast K aus einer Differenz von erster Intensität II und zweiter Intensität 12 und bevorzugt auch einer Summe von erster Intensität II und zweiter Intensität 12 zu berechnen und eine lokale Wellenfrontsteigung S aus dem berechneten räumlichen Kontrast K und einem vorgegebenen Kalibrierfaktor c der Transmissionsfilter-Einheit zu ermitteln.

Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der Sensorvorrichtung entsprechen dabei Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen des beschriebenen Verfahrens und umgekehrt.

Die Transmissionsfilter-Einheit kann dabei ein oder mehrere Fabry-Perot-Eta- lons und/oder ein oder mehrere Interferenzfilter als jeweilige Transmissionsfilter-Elemente umfassen.

Ein weiterer Aspekt betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer atmosphärischer Turbulenz, mit einer Sensorvorrichtung nach einer der beschriebenen Ausführungsformen, wobei zusätzlich die Strahlteilereinheit ausgebildet ist, das Licht in zwei erste Lichter, nämlich das erste Licht als erstes x-Licht, und ein zusätzliches erstes Licht als erstes y-Licht, sowie in zwei zweite Lichter, das zweite Licht als zweites x-Licht, und ein zusätzliches zweites Licht als zweites y- Licht, aufzuteilen. Zusätzlich zu erstem und zweitem Transmissionsfilter-Element, welche dann als erstes x-Transmissionsfilter-Element und zweites x- Transmissionsfilter-Element bezeichnet werden können, ist dann auch ein zusätzliches erstes Transmissionsfilter-Element, ein erstes y-Transmissionsfilter- Element, welches in einem Strahlengang des ersten y-Lichts mit einer Haupt- Transmissionsrichtung des ersten y-Transmissionsfilter-Elements relativ zu dem Strahlengang des ersten y-Lichts um einen zusätzlichen ersten Winkel, einen ersten y-Winkel, verkippt nach der Strahlteilereinheit angeordnet ist. Entsprechend ist auch zusätzlich zu dem ersten Messelement, welches nunmehr als erstes x-Messelement bezeichnet werden kann, und zu dem zweiten Messelement, welches entsprechend als zweites x-Messelement bezeichnet werden kann, ein zusätzliches erstes Messelement, ein erstes y-Messelement, in dem Strahlengang des ersten y-Lichts nach der Strahlteilereinheit angeordnet und ausgebildet, eine zusätzliche erste Intensität, eine erste y-lntensität ll-y des durch das erste y-Transmissionsfilter-Element transmittierten ersten y- Lichts zu messen. Die Vorrichtung weist auch ein zusätzliches zweites Transmissionsfilter-Element, ein zweites y-Transmissionsfilter-Element, welches in einem Strahlengang des zweiten y-Lichts mit einer Haupt-Transmissionsrichtung des zweiten y-Transmissionsfilter-Elements relativ zu dem Strahlengang des zweiten y- Lichts um einen zusätzlichen zweiten Winkel, einen zweiten y-Winkel, verkippt nach der Strahlteilereinheit angeordnet ist. Auch ein zusätzliches zweites Messelement, ein zweites y-Messelement, ist in dem Strahlengang des zweiten y- Lichts nach der Strahlteilereinheit angeordnet und ausgebildet, eine zusätzliche zweite Intensität, eine zweite y-lntensität 12-y des durch das zweite y-Transmis- sionsfilter-Element transmittierten zweiten y-Lichts zu messen. Dabei sind die zusätzlichen y-Transmissionsfilter-Elemente bevorzugt funktionsgleich zueinander und/oder zu den x-Transmissionsfilterelementen.

Die beiden y-Winkel zwischen den jeweiligen y-Lichtern und Haupt-Transmissi- onsrichtungen liegen in einer gemeinsamen Messebene, einer y-Messebene und haben den im Wesentlichen den gleichen Winkelbetrag, jedoch unterschiedliche Vorzeichen. Die y-Messebene ist dabei quer, insbesondere senkrecht, zu der Messebene der Winkel zwischen den jeweiligen x-Lichtern und Haupt-Transmissionsrichtungen der zugeordneten Transmissionsfilter-Elemente, der x-Messebene, orientiert.

Die Recheneinheit ist entsprechend ausgebildet, zusätzlich zum räumlichen Kontrast K (oder K-x) aus den mit den x-Messelementen gemessenem Intensitäten II und 12 (oder ll-x und 12-x), einen zusätzlichen räumlichen Kontrast K-y aus einer Differenz von erster y-lntensität ll-y und zweiter y-lntensität 12-y und bevorzugt auch einer Summe von erster y-lntensität ll-y und zweiter y-lntensi- tät ll-y zu berechnen und eine zusätzliche lokale Wellenfrontsteigung S-y aus dem berechneten zusätzlichen Kontrast K-y und einem vorgegebenen Kalibrierfaktor cy, welcher identisch mit dem auch als Kalibrierfaktor cx bezeichenbaren Kalibrierfaktor c sein kann aber nicht muss, der Transmissionsfilter-Einheit zu ermitteln, sowie aus der lokalen Wellenfrontsteigung S als Wellenfrontsteigung S-x in Richtung der x-Messebene, und der zusätzlichen Wellenfrontsteigung S- y in dery-Messebene eine zweidimensionale lokale Wellenfrontsteigung S oder S-xy zu berechnen. Bevorzugt ist die Recheneinheit auch ausgebildet, eine zweidimensionale Wellenfront des Lichts aus der ermittelten zweidimensionalen lokalen Wellenfrontsteigung S mit einem Rekonstruktionsalgorithmus für zonales und/oder modales Rekonstruieren zu rekonstruieren. Die geschilderten Vorteile und vorteilhaften Ausführungsformen der Sensorvorrichtung gelten analog.

Die vorstehend in der Beschreibung, auch im einleitenden Teil, genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.

Anhand der in den nachfolgenden Figuren gezeigten schematischen Zeichnungen soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Sensorvorrichtung zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung;

Fig. 2 beispielhafte Transmissionsfunktionen zweier Transmissionsfilter-Elemente einer Transmissionsfilter-Einheit;

Fig. 3 eine beispielhafte Kalibrierfunktion für eine Transmissionsfilter-Einheit; und Fig. 4 eine schematische Ansicht einer weiteren beispielhaften Senorvorrich- tung zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung.

Dabei sind in den unterschiedlichen Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Sensorvorrichtung 1 zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung eines Lichts 2. Die Sensorvorrichtung 1 weist dabei eine Strahlteilereinheit 3 auf, welche ausgebildet ist, das Licht 2 in zumindest ein erstes Licht 2a und zumindest ein zweites Licht 2b aufzuteilen. Die Sensorvorrichtung 1 weist eine Transmissionsfilter-Einheit 4 mit einem ersten Transmissionsfilter-Element 4a und einem zweiten Transmissionsfilter-Element 4b auf. Diese Transmissionsfilter-Elemente 4a, 4b sind in Strahlengängen A, B des jeweiligen zugehörigen ersten Lichts 2a bzw. zweiten Lichts 2b angeordnet. Relativ zum Strahlengang A des ersten Lichts 2a ist dabei das erste Transmissionsfilter-Element 4a mit einer zugehörigen Haupt-Transmissions- richtung 4a* relativ zum Strahlengang A um einen ersten Winkel a verkippt angeordnet. Das zweite Transmissionsfilter-Element 4b ist entsprechend in dem Strahlengang B des zweiten Lichts 2b angeordnet, und zwar mit seiner Haupt- Transmissionsrichtung 4b* relativ zum Strahlengang B um einen zweiten Winkel -a verkippt. Eine Messebene, in welcher beide Winkel a, -a und die Haupt- Transmissionsrichtungen 4a*, 4b* liegen fällt vorliegend mit der Zeichenebene zusammen

Die Sensorvorrichtung 1 weist auch eine Messeinheit 5 mit einem ersten Messelement 5a und einem zweiten Messelement 5b auf. Das erste Messelement ist im Strahlengang A des ersten Lichts nach der Strahlteilereinheit 3 und nach dem Transmissionsfilter-Element 4a angeordnet und ausgebildet, eine erste Intensität II des durch das erste Transmissionsfilter-Element 4a transmittierten ersten Lichts 2a' zu messen. Das zweite Messelement 5b ist entsprechend im Strahlengang B des zweiten Lichts 2b' nach der Strahlteilereinheit 3 angeordnet und ausgebildet, eine zweite Intensität 12 des durch das zweite Transmissionsfilter-Element 4b transmittierten zweiten Lichts 2b' zu messen. Die beiden Transmissionsfilter-Elemente sind funktionsgleich und können beispielsweise baugleich ausgeführt sein. Die beiden Winkel a, -a zwischen den jeweiligen Lichtern 2a, 2b und Haupt- Transmissionsrichtungen 4a*, 4b* liegen in der gemeinsamen Messebene und weisen den gleichen Winkelbetrag, jedoch unterschiedliche Vorzeichen auf, was vorliegend in ihrer Benennung ausgedrückt ist. Mit den Messelementen 5a, 5b ist eine Recheneinheit 6 gekoppelt, welche ausgebildet ist, einen räumlichen Kontrast K aus einer Differenz der ersten Intensität II und der zweiten Intensität 12 und einer Summe der beiden Intensitäten II, 12 zu berechnen sowie eine lokale Wellenfrontsteigung S aus dem berechneten räumlichen Kontrast K und einem vorgegebenen Kalibrierfaktor der Transmissionsfilter-Einheit 4 zu ermitteln.

Entsprechend der dargestellten beispielhaften Sensorvorrichtung 1 wird nun das Messprinzip für die Wellenfrontsteigung S in einer Raumrichtung vorgestellt. Das Ermitteln einer zweidimensionalen Wellenfrontsteigung S-xy ergibt sich analog aus der Kombination der Ermittlung für eine Raumrichtung.

Die Transmission T (Fig. 2) der Filterelemente 4a, 4b hängt vom Einfallswinkel a, -a des Laserstrahls 2a, 2b ab. Geeignete Filtertypen sind entsprechend beispielsweise, aber nicht zwingend Fabry-Perot-Etalons und/oder Interferenzfilter. Ist nun beispielsweise eine Transmissionsfunktion eines Transmissionsfilter-Elements 4a, 4b durch eine Gauß-Funktion mit dem (Haupt)Maximum bei senkrechtem Einfall, also einem Einfallswinkel von a = 0 gegeben, sinkt die Transmission entsprechend für Lichtstrahlen 2a, 2b, welche unter einem kleineren oder größeren Winkel auf das Transmissionsfilter-Element 4a, 4b treffen. Trifft nun eine deformierte Wellenfront auf die Transmissionsfilter-Elemente 4a, 4b, ist die Transmission in dem Bereich der Wellenfront mit einer Steigung von 0 maximal und je größer die Steigung ist, desto weniger Licht wird an diesen Stellen transmittiert.

Diese Information könnte bereits zur Ermittlung der lokalen Steigung S genutzt werden. Allerdings kann so nicht unterschieden werden, ob der Einfallswinkel positiv oder negativ ist, da aufgrund der symmetrischen Transmissionskurve tl, t2 (Fig. 2) des Filterelements 4a, 4b und des Transmissionsmaximums bei 0° beide die gleiche Transmission T und somit gemessene Intensität zur Folge ha- ben. Zudem ist der Zusammenhang zwischen Transmission T und Wellenfrontsteigung S nicht linear, sondern entspricht der Transmissionsfunktion tl, t2. Ein entscheidendes Problem für viele Anwendungen ist aber die Abhängigkeit der transmittierten Intensitätswerte von der räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls. Ist diese zeitlich nicht konstant und variiert schnell, kann das Problem nicht durch zusätzliche Kalibrierschritte behoben werden.

Steht die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls nicht senkrecht auf dem Filterelement 4a, 4b, weil das Filterelement 4a, 4b beispielsweise auf der optischen Achse, also dem Strahlgang A, B gedreht wurde, wird nicht mehr die kleinste Wellenfrontsteigung von 0° maximal transmittiert, sondern die, welche gerade dem Negativen des (Dreh-)Winkels a, -a des Transmissionsfilter-Elements 4a, 4b entspricht. Der Arbeitspunkt auf der Transmissionskurve tl, t2 des Filterelements 4a, 4b wird so je nach Drehrichtung in die aufsteigende und abfallende Flanke im genannten Beispiel der Gauß-Kurve verlegt. Durch die Drehung des Transmissionsfilter-Elements 4a, 4b kann somit jeder Wellenfrontsteigung S im Messbereich ein eindeutigerTransmissionswert T und somit eine eindeutige gemessene Intensität I zugeordnet werden und zwischen positiven und negativen Winkel unterschieden werden. Dies ist unten auch in Zusammenhang mit Fig. 3 nochmals erläutert.

Der in Fig. 1 dargestellte beispielhafte Wellenfrontsensor als Sensorvorrichtung 1 zum Ermitteln der Wellenfrontsteigung nutzt diesen Effekt aus. Das Licht 1 wird zunächst in zwei Teil-Lichter 2a, 2b geteilt und beide Teil-Lichter 2a, 2b jeweils auf ein Transmissionsfilter-Element 4a, 4b geführt. Die beiden Lichter 2a, 2b treffen nicht senkrecht auf die Transmissionsfilter-Elemente 4a, 4b auf, sondern unter gerade entgegengesetzten Winkeln a, -a. Somit liegt in dem Beispiel einer Transmissionsfunktion als Gauß-Kurve mit Maximum bei 0° der Messbereich für das erste Licht 2a auf der ansteigenden Flanke der Transmissi- onskurve tl und der Messbereich für das zweite Licht 2b auf der abfallenden Flanke der Transmissionskurve t2. Bei einer symmetrischen Transmissionskurve sollte der Transmissionswert T für Wellenfrontbereiche ohne Steigung, d.h. einen Auftreffwinkel von 0°, identisch sein, aber aufgrund der von 0° verschiedenen Drehungen nicht mehr maximal. Negative Winkel führen beim ersten Licht 2a zu einer geringeren, beim zweiten Licht 2b jedoch zu einer vergrößerten Transmission T. Bei positiven Auftreffwinkeln ist es umgekehrt, diese führen beim ersten Licht 2a, 2a' zu einer größeren, beim zweiten Licht 2b, 2b' hingegen zu einer geringeren Transmission T. Die beiden entsprechenden Transmissionskurven tl, t2 der beiden im vorliegenden Beispiel um a = 0,4° bzw. -a = -0,4° verkippten Transmissionsfilter-Elemente 4a, 4b sind in Fig. 2 gezeigt.

Fig. 2 zeigt entsprechend die beispielhafte Transmissionskurve tl des ersten Transmissionsfilter-Elements 4a und die beispielhafte Transmissionskurve t2 des zweiten Transmissionsfilter-Elements 4b mit der jeweiligen Transmission T über dem Einfallswinkel a, hier für die beispielhafte Verkippung von + 0,4° für das erste Transmissionsfilter-Element 4a und - 0,4° für das zweite Transmissionsfilter-Element 4b. Nach derTransmission werden die beiden Lichter 2a', 2b' mit den beiden Messelementen 5a, 5b erfasst und entsprechend jeweilige individuelle Intensitäten II, 12 einer Intensitätsverteilung I aufgezeichnet. Die Auswertung, also die Erzeugung der Sensor- oder Messantwort besteht aus einem denkbar einfachen Rechenschritt, da der räumliche Kontrast K zwischen beiden Detektorbildern als Sensormesswert einen nahezu linearen Zusammenhang mit der lokalen Steigung der Wellenfront S aufweist, was beispielhaft in Fig. 3 gezeigt ist. Entsprechend kann der räumliche Kontrast pixelweise für den Fall von beispielsweise Pixel-CCD-Messelementen 5a, 5b berechnet werden, indem die Differenz der jeweiligen Intensitätsmessungen II, 12 des ersten bzw. zweiten Messelements 5a, 5b durch deren Summe dividiert wird. Die Division durch die lokale Gesamtintensität, die Summe der beiden Intensitätsmessungen an dem Ort, bewirkt, dass der Sensor-Messwert unabhängig von der absoluten Intensität des Lichts 2 ist. Lokale Intensitätsschwankungen beeinflussen somit den Messwert nicht.

Fig. 3 zeigt beispielhaft solch einen lokalen Kontrast K in Abhängigkeit von der lokalen Wellenfrontsteigung S, und damit dem Einfallswinkel, als Kurve Kl. Aufgrund des nahezu linearen Zusammenhangs zwischen lokalem Kontrast K und lokaler Wellenfrontsteigung S ist es ausreichend, die Steigung c dieses Zusammenhangs zu kennen, um aus der Sensormessung die Wellenfrontsteigung zu ermitteln. Die Sensorsteigung c kann dabei in einem Kalibriervorgang als einfacher Skalar bestimmt werden. Somit sind die lokalen Einfallswinkel und damit die lokalen Steigungen S der Wellenfront bekannt, so dass die aus anderen Verfahren bekannten Rekonstruktionsalgorithmen eingesetzt werden können, um aus den Wellenfrontsteigungen die Wellenfront zu berechnen. In Fig. 4 ist eine weiter beispielhafte Ausführungsform einer Sensorvorrichtung 1 zum Ermitteln einer Wellenfrontsteigung eines Lichts 2. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von Fig. 1 ist die Strahlteilereinheit 3 ausgebildet, das Licht 2 in das zumindest eine erste Licht 2a und das zumindest eine zweite Licht 2b entsprechend einer Polarisation aufzuteilen, beispielsweise in das erste Licht 2a als p-polarisiertes Licht und das zweite Licht als s-polarisiertes Licht. Das erste Licht 2a durchläuft wie für Fig. 1 beschrieben nach der Strahlteilereinheit 3 das erste Transmissionsfilter-Element 4a unter dem Winkel a und trifft dann, hier nach dem Durchlaufen eines weiteren Strahlteilerelements 3' zum Aufteilen von Licht entsprechend seiner Polarisation, auf das Messelement 5a.

Das zweite Licht 2b wird im gezeigten Beispiel über jeweilige Umlenkelemente 7b, 7b' und das weitere Strahlteilerelement 3' auf das erste Transmissionsfilter- Element 4a gelenkt, welches vorliegend zugleich als zweites Transmissionsfilter-Element 4b dient, da das zweite Licht 2b auf dem Strahlgang A des ersten Lichtes 2a in entgegengesetzter Richtung unter dem Winkel - a durch dasTrans- missionsfilter-Element 4b geführt wird. Nach dem Durchlaufen des Transmissionsfilter-Element 4b wird das zweite Licht 2b zu dem Messelement 5b gelenkt, vorliegend durch die Strahlteilereinheit 3.