Development of an innovative metrology technique for freeform optics based on a modified Talbot-wavefront-sensor

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.The performance of high-precision optical systems with spherical optics is generally limited by aberrations. By using aspheric and free-form optics, the geometric aberrations can be reduced or eliminated. Meanwhile, the required number of components, size, and weight of the system can be reduced. Nowadays, new production techniques that enable the fabrication of high-precision free-form surfaces exist. However, suitable metrology (universal, highly accurate, contactless, non-expensive and fast/realtime) is the key to the production, development and application of these surfaces. This work describes the derivation, implementation and testing of a new wavefront measuring principle for freeform optics. One of the most relevant features of the presented wavefront sensor is the possibility for simultaneous characterization of the freeform element in transmission and reflection modes. The novel wavefront sensor is based on diffraction theory and Fourier analysis with a modified angular spectrum propagator. From an experimental point of view, the propagation of a wavefront behind a two-dimensional grating is observed. Then, a universal method to extract the phase gradient directly from a recorded intensity image is utilized. For this purpose, the intensity distribution in the spectral range is analyzed and the processing is simplified by a corresponding decomposition of the propagator core. This method works for arbitrary distances behind the grating. Our new formulation is tested by numerous simulations. The wavefront generated by a free-form surface is measured by the new method and compared successfully with the result of a measurement with a commercial Shack-Hartmann sensor. For the measurement of reflecting surfaces, the presented setup for transmitting optical elements is slightly modified. Thus, all optical elements can be placed on a single optical axis without shading between the illumination and the measuring unit. The absence of a side illumination or a conventional beam splitter as well as the use of a partially coherent illumination are the main features of this part of the dissertation

La fréquence des symptômes physiques dans les troubles anxio-dépressifs: étude transversale chez une population de 202 consultants psychiatriques

Introduction: les symptômes physiques associés aux troubles anxio-dépressifs ont fait l'objet de plusieurs études depuis plusieurs décennies, vu leurs fréquences et leurs conséquences. Le but de notre étude est de préciser la fréquence des principaux symptômes physiques des troubles anxieux: trouble panique (TP), trouble anxiété généralisée (TAG), troubles phobiques (TPh), et dépressifs: épisode dépressif majeur (EDM) dans le cadre d'un trouble dépressif). Méthodes: nous avons mené une étude transversale à visée descriptive, réalisée sur un échantillon de 202 consultants dans un Service de Psychiatrie. Résultats: l'âge moyen des patients est de 42 ans (19 à 70 ans), avec une légère prédominance féminine: 118 (58%). Les troubles anxio-dépressifs constatés sont: l'EDM: 113(56%), le TP: 61 (30.2%), le TAG: 55 (27.2%) et les TPh: 30 (14.9%). La fréquence des patients présentant de 2 à 5, et plus de 5 symptômes était respectivement de 15.9% et 39.6% dans les troubles dépressifs, et de 9.5% et 62.9% dans les troubles anxieux. Les symptômes les plus rapportés sont d'ordre cardiopulmonaire (75%), général (73.8%) et neurologique (65.8%). Conclusion: les symptômes physiques qui accompagnent les troubles anxio-dépressifs, sont variables et souvent nombreux. Ils peuvent aggraver le pronostic de ces troubles psychiatriques, en rendant difficile leur prise en charge. Un dépistage précoce de ces troubles, en portant une attention particulière à ces symptômes physiques, permettra de prévenir ces complications

Wavefront sensor based on modified Talbot effect

Wavefront measurements are important in many fields of applied optics such as wavefront control of laser beams, optical diagnostics of the surface, human-eye aberration measurements, etc. The sensor, based on the Talbot effect, can be a good alternative to the Shack–Hartmann sensor. A modified method of shearing grating interferometry is presented.This novel method allows measuring of freeform wavefronts with high accuracy. The experimental results are obtained using a binary amplitude grating and a spatial filter for the zero order. The filtering of the zero diffraction order results in an improved contrast and measurement performance. By means of robust and fast software, we are able to precisely reconstruct the wavefront. A comparison of this method with Shack Hartmann Sensor (SHS) is presented

Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung zumindest teilweise reflektierender Oberflächen

Die vorliegende Vorrichtung betrifft ein Verfahren zur optischen Formerfassung glänzender, glatter Freiformoberflächen, mit denen auch Freiformoptiken mit großen Neigungen absolut vermessen und deren Oberfläche rekonstruiert werden können. Das Verfahren baut auf dem Prinzip der Rasterreflektometrie auf, bei dem von der zu untersuchenden, zumindest teilweise spiegelnden Oberfläche ein Abtaststrahl (Lichtmuster) reflektiert und mit Hilfe eines Schirms im Raum zurück propagiert wird. Der Kreuzungspunkt dieses zurück propagierten Strahls mit dem abgetasteten Strahl entspricht einem Punkt auf der Oberfläche des Messobjektes. Diese Punkte werden im Raum mit den 3 Koordinaten x,y und z definiert

Innovative Verfahren zur Metrologie von Freiform Oberflächen

Wir stellen ein neuartiges Verfahren zur Vermessung und Charakterisierung optisch glatter Freiformoberflächen in Reflexion vor. Die Idee ist eine Erweiterung des Prinzips der Wellenfrontvermessung mittels Fourier optischer Systeme. Das Hauptmerkmal des Ansatzes ist der Verzicht auf den klassischen Strahlteiler. Das Prinzip und erste experimentelle Ergebnisse werden präsentiert

Innovative freeform measurement method using two dimensional binary diffractive grating based on nanostructured silicon

An innovative metrological method for freeform characterization in transmission as well as in reflection has been developed. The approach is based on diffraction theory and Fourier analysis with modified angular spectrum propagator. We analyze the propagation of a wavefront behind a two-dimensional cross grating and derive a universal method to measure the phase gradient directly from the recorded intensity distribution. This method works for arbitrary distances behind the grating. To prevent unwanted reflection while measuring in reflection and in transmission we use a two dimensional cross grating based on nanostructured black silicon. Our new formulation has been tested successfully through simulations. The wavefront generated by a freeform surface was measured with the new method. The experimental results are verified with a commercial Shack- Hartmann wavefront sensor

Subaperture wavefront measurement using Talbot interferometry

A method based on sub aperture stitching for measurement of a freeform wavefront is proposed and applied to wavefronts calculated from the slope data acquired using a Talbot wavefront sensor. The presented theory is tested experimentally on the example of a cubic wavefront generated by a phase plate. A comparison with a commercial Shack Hartmann Sensor is done