Wellenfrontfehler

Wellenfrontfehler bezeichnet die Abweichung der realen Wellenfront eines optischen Systems von der idealen Referenz-Wellenfront. Die Wellenfront beschreibt die Phasenlage des Lichtfelds über der Pupille. Ein System mit kleinem Wellenfrontfehler liefert eine schärfere Abbildung, während größere Fehler Auflösung, Kontrast und Bildqualität verschlechtern. Die Abweichung wird typischerweise in Wellenlängen gemessen und als WFE angegeben, oft durch die Größe des RMS-Wellenfrontfehlers charakterisiert.

Ursachen für Wellenfrontfehler sind Fertigungstoleranzen, Oberflächen- und Formfehler von Spiegels oder Linsen, falsche Linsenanordnung, Temperatur- und Druckeinflüsse sowie thermische Verzerrungen. Man unterscheidet grob niedrigere Aberrationen wie Defokus und Astigmatismus von höheren Aberrationen wie Koma und sphärische Aberration. Zur Beschreibung genutzt werden oft Zernike-Polynome, deren Koeffizienten die Stärken der einzelnen Aberrationen angeben.

Messung erfolgt mit Interferometrie (z. B. Fizeau, Twyman-Green), Shack-Hartmann-Wellenfrontsensoren oder Phasenretrieval-Verfahren. Typische Kennzahlen sind WFE in RMS, der PV-Wert (Peak-to-Valley) und das Strehl-Verhältnis. Das Marechal-Kriterium gibt eine grobe Grenze an: Eine W_rms ≤ λ/14 gilt als diffraction-limitiert. In der Praxis wird oft auch ein Strehl-Verhältnis von über 0,8 angestrebt.

Anwendungen finden sich in Teleskoptechnik, Mikroskopie und Ophthalmologie. In der Augenheilkunde wird die Hornhaut-/Augenwellenfront mittels Aberrometrie gemessen, und Wellenfrontfehler dient der Optimierung durch adaptive Optik oder refraktive Chirurgie. Adaptive Optik nutzt deformierbare Spiegel, um WFE in Echtzeit zu kompensieren und so die Bildqualität zu verbessern.