DE102008060689B3

DE102008060689B3 - Optical wave field i.e. linear polarized light, measuring method, involves converting radiation of optical wave field into first radiation from which second radiation is generated, and detecting third radiation by image recorder

Info

Publication number: DE102008060689B3
Application number: DE200810060689
Authority: DE
Inventors: Claas Falldorf; Werner Jüptner; Christoph Von Kopylow
Original assignee: Fisba Optik AG; Bremer Institut fuer Angewandte Strahltechnik BIAS GmbH
Current assignee: Fisba Optik AG; Bremer Institut fuer Angewandte Strahltechnik BIAS GmbH
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-12-09

Abstract

The method involves converting radiation of an optical wave field i.e. linear polarized light, into a first radiation with a polarization direction that lies between two axes (A1, A2), and directing the radiation on a spatial light modulator (3). A second radiation is generated from the first radiation, and has modulated and unmodulated portions polarized along the respective axes. The second radiation is converted into a third radiation in which an interference pattern is generated, where the third radiation is detected by an image recorder (5) i.e. charge coupled device (CCD) sensor. An independent claim is also included for a device for measuring optical wave fields.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Eigenschaften von optischen Wellenfeldern.The The invention relates to a method and a device for measuring the properties of optical wave fields.

Aus dem Stand der Technik sind viele unterschiedliche Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Messung von Wellenfeldern bekannt. Beispiele sind die Interferometrie, die Holografie oder die Wellenfrontmessung nach Hartmann-Shack. Die bekannten Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, dass sie entweder empfindlich gegen mechanische Einflüsse wie Vibrationen und Erschütterungen sind und/oder dass sie hohe Ansprüche an die Kohärenz des zu vermessenden Wellenfeldes stellen und/oder dass sie eine geringe laterale Auflösung bieten.Out In the prior art, many different methods or Devices for measuring wave fields known. examples are interferometry, holography or wavefront measurement after Hartmann-Shack. The known devices have the disadvantage on that they are either sensitive to mechanical influences Vibrations and vibrations and / or that they have high standards of coherence ask to be measured wave field and / or that they have a low lateral resolution Offer.

Eine Möglichkeit, diese Nachteile zu umgehen, ist die Verwendung von Shear-Interferometrie. Hierbei wird das zu messende Wellenfeld mit einer um den sog. Shear versetzten Kopie seiner selbst zur Interferenz gebracht, wodurch mittels bekannter Auswerteverfahren Rückschlüsse auf das zu messende Wellenfeld gezogen werden können. In dem Dokument S. Zhao, P. S. Chung, ”Digital speckle shearing interferometer using a liquid-crystal spatial light modulator”, Optical Engineering, 45 (10), 2006, ist ein Shear-Interferometer beschrieben, welches einen räumlichen Lichtmodulator als Shear-Element verwendet. In der genannten Druckschrift wird eine Phasenmodulation mit dem räumlichen Lichtmodulator durchgeführt, um ein sog. binäres Phasengitter zu erzeugen, durch das ein einfallender Strahl u. a. in die beiden ersten Ordnungen gebeugt wird, welche sich anschließend überlagern. Da das mit dem räumlichen Lichtmodulator erzeugte Gitter nur für Strahlung in einer vorbestimmten Polarisationsrichtung generiert wird und Strahlung in den anderen Polarisationsrichtungen unerwünscht ist, wird dem räumlichen Lichtmodulator eine entsprechende Polarisationsvorrichtung vorgeschaltet. Das Verfahren der Druckschrift weist den Nachteil auf, dass die nicht erwünschten Beugungsordnungen des binären Gitters nicht vollkommen unterdrückt werden können, was zu Fehlern in der Messung und zu hohen Verlusten im Nutzsignal führt.A Possibility, To circumvent these disadvantages is the use of shear interferometry. Here, the wave field to be measured with a so-called. Shear staggered copy of his self brought to interference, causing by means of known evaluation methods conclusions about the wave field to be measured can be pulled. In the document S. Zhao, P.S. Chung, "Digital speckle shearing interferometer using a liquid-crystal spatial light modulator ", Optical Engineering, 45 (10), 2006, describes a shear interferometer which has a spatial Light modulator used as a shear element. In the cited document is a phase modulation with the spatial Light modulator performed, a so-called binary To produce phase grating through which an incident beam u. a. is bent into the first two orders, which then overlap. Since that with the spatial Light modulator generated grids only for radiation in a predetermined Polarization direction is generated and radiation in the other Polarization directions undesirable is, is the spatial Light modulator connected upstream of a corresponding polarization device. The method of the document has the disadvantage that the undesirable Diffraction orders of the binary Grid is not completely suppressed can be resulting in errors in the measurement and high losses in the useful signal leads.

In der Druckschrift WO 2005/086582 A2 ist ein Verfahren zur Erhöhung des Kontrasts in einem Abbildungssystem zur räumlichen Filterung beschrieben, wobei mittels eines doppelbrechenden räumlichen Lichtmodulators und zweier linearer Polarisationselemente vor und nach dem Lichtmodulator Wellenfronten generiert werden, in denen das Transmissionsverhältnis zwischen zwei Phasenmodulationsbereichen des Lichtmodulators zu einem optimalen Bildkontrast führt.In the publication WO 2005/086582 A2 A method for increasing the contrast in a spatial filtering imaging system is described, wherein wave fronts are generated by means of a birefringent spatial light modulator and two linear polarization elements before and after the light modulator in which the transmission ratio between two phase modulation regions of the light modulator leads to an optimal image contrast.

In dem Dokument EP 1 598 648 A2 wird ein Wellenfront-Messsystem beschrieben, bei dem mittels eines Objekts in einer Objektebene ein Beugungsmuster erzeugt wird. Ein Bild des Objekts wird dabei mit einem optischen Projektionssystem auf eine Bildebene projiziert. Das Objekt kann einen räumlichen Lichtmodulator umfassen, mit dem das Beugungsmuster in einer Pupille des Projektionssystems verschoben wird.In the document EP 1 598 648 A2 describes a wavefront measuring system in which a diffraction pattern is generated by means of an object in an object plane. An image of the object is projected onto an image plane with an optical projection system. The object may comprise a spatial light modulator with which the diffraction pattern is shifted in a pupil of the projection system.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von optischen Wellenfeldern zu schaffen, mit denen Wellenfelder unter Zuhilfenahme eines räumlichen Lichtmodulators mit hoher Genauigkeit gemessen werden können.task The invention is a method and an apparatus for measuring of optical wave fields, with which wave fields with the help of a spatial Light modulator can be measured with high accuracy.

Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.These Task is by the independent claims solved. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden optische Wellenfelder mit Hilfe eines doppelbrechenden räumlichen Lichtmodulators gemessen. Räumliche Lichtmodulatoren sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Diese Lichtmodulatoren umfassen eine ansteuerbare Fläche, deren optische Eigenschaften lokal durch eine entsprechende Ansteuerung verändert werden können. Es sind insbesondere optisch und elektronisch ansteuerbare räumliche Lichtmodulatoren bekannt. In einer bevorzugten Variante der Erfindung wird ein elektronisch ansteuerbarer Lichtmodulator mit einer Fläche aus einer Vielzahl von Pixeln verwendet, wobei die Pixel einzeln zur Veränderung der optischen Eigenschaften der Fläche des Modulators elektronisch angesteuert werden können. Nichtsdestotrotz ist die Erfindung auch in Kombination mit einem optisch ansteuerbaren Lichtmodulator verwendbar. Entscheidend ist vielmehr, dass der räumliche Lichtmodulator doppelbrechende Eigenschaften aufweist, d. h. dass durch den räumlichen Lichtmodulator entlang einer ersten Achse polarisierte Strahlung moduliert wird und entlang einer zweiten, zur ersten Achse verschiedenen und insbesondere senkrechten Achse polarisierte Strahlung unmoduliert bleibt. Solche Arten von Lichtmodulatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt, es handelt sich dabei beispielsweise um Flüssigkristall-Modulatoren mit sog. TN-Zellen (TN = Twisted Nematic), welche doppelbrechende Eigenschaften aufweisen.In the method according to the invention be optical wave fields with the help of a birefringent spatial Light modulator measured. spatial Light modulators are known per se from the prior art. These light modulators comprise a controllable surface whose optical properties locally by an appropriate control changed can be. There are in particular optically and electronically controllable spatial Light modulators known. In a preferred variant of the invention an electronically controllable light modulator with an area of a plurality of pixels, the pixels being used individually change the optical properties of the surface of the modulator electronically controlled can be. Nevertheless, the invention is also in combination with a optically controllable light modulator used. It is crucial rather, that the spatial Light modulator has birefringent properties, d. H. that through the spatial Light modulator along a first axis polarized radiation is modulated and along a second, different to the first axis and in particular the vertical axis polarized radiation unmodulated remains. Such types of light modulators are known from the prior Technique known, these are, for example, liquid crystal modulators with so-called TN cells (TN = Twisted Nematic), which birefringent Have properties.

Gemäß der Erfindung wird die Strahlung des zu messenden optischen Wellenfelds in eine erste Strahlung mit einer zwischen der ersten Achse und zweiten Achse liegen den Polarisationsrichtung gewandelt und auf den räumlichen Lichtmodulator gerichtet, wobei der räumliche Lichtmodulator aus der ersten Strahlung eine zweite Strahlung generiert, welche einen modulierten und einen unmodulierten Anteil aufweist, wobei der modulierte Anteil entlang einer dritten Achse polarisiert ist und der unmodulierte Anteil entlang einer vierten, zur dritten Achse verschiedenen und insbesondere senkrechten Achse polarisiert ist. Vorzugsweise entsprechen dabei die erste Achse der dritten Achse und die zweite Achse der vierten Achse. Die zweite Strahlung wird schließlich in eine dritte Strahlung gewandelt, in welcher der modulierte und der unmodulierte Anteil die gleiche Polarisationsrichtung aufweisen und ein Interferenzmuster generieren, und die dritte Strahlung wird von einem Bildaufnehmer erfasst.According to the invention, the radiation of the optical wavefield to be measured becomes a first ray tion with one between the first axis and second axis are the polarization direction and directed to the spatial light modulator, the spatial light modulator from the first radiation generates a second radiation having a modulated and an unmodulated portion, wherein the modulated portion along a third Axis is polarized and the unmodulated portion is polarized along a fourth, different from the third axis and in particular vertical axis. Preferably, the first axis corresponds to the third axis and the second axis corresponds to the fourth axis. The second radiation is finally converted to a third radiation in which the modulated and unmodulated portions have the same polarization direction and generate an interference pattern, and the third radiation is detected by an imager.

Gemäß der Erfindung macht man sich die doppelbrechende Eigenschaft des räumlichen Lichtmodulators dadurch zunutze, dass zunächst Strahlung auf den Lichtmodulator fällt, aus der sowohl modulierte als auch unmodulierte Strahlung durch den Modulator generiert wird, wobei beide Strahlungsanteile interferometrisch überlagert werden, indem sie in die gleiche Polarisationsrichtung gebracht werden. Auf diese Weise können eine Vielzahl von Experimenten zur Messung von Wellenfeldern durchgeführt werden, wobei über das generierte Interferenzmuster aus moduliertem und unmoduliertem Anteil Eigenschaften des optischen Wellenfelds ermittelt werden können. Die Verwendung eines Lichtmodulators bietet ferner den Vorteil, dass hierdurch ein kompakter und robuster Messaufbau erreicht werden kann.According to the invention you make yourself the birefringent property of the spatial Light modulator advantage that initially radiation to the light modulator falls from both modulated and unmodulated radiation the modulator is generated, whereby both radiation components are interferometrically superimposed, by bringing them in the same polarization direction. That way you can a variety of experiments are carried out to measure wave fields, being over the generated interference pattern of modulated and unmodulated Share properties of the optical wave field can be determined can. The use of a light modulator also offers the advantage that this achieves a compact and robust measurement setup can.

In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Polarisationsrichtung der ersten Strahlung symmetrisch, insbesondere im 45°-Winkel, zwischen der ersten und zweiten Achse, so dass die Anteile der Strahlung, welche moduliert werden bzw. unmoduliert bleiben, gleich groß sind.In a preferred embodiment the polarization direction of the first radiation is symmetrical, especially at a 45 ° angle, between the first and second axis, so that the proportions of the radiation, which be modulated or remain unmodulated, are the same size.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein linear polarisiertes optisches Wellenfeld gemessen, wobei in diesem Fall die Wandlung der Strahlung des zu messenden optischen Wellenfelds in eine erste Strahlung mit einem Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung, insbesondere mit einer λ/2-Platte, erfolgt. Das zu messende Wellenfeld kann jedoch auch statistisch polarisiert sein, wobei in diesem Fall die Wandlung der Strahlung des zu messenden optischen Wellenfelds in die erste Strahlung mit einem ersten Polarisationsfilter erfolgt, der nur Strahlung mit einer Polarisationsrichtung zwischen der ersten und der zweiten Achse durchlässt, insbesondere in einem 45°-Winkel.In a further embodiment The invention is a linearly polarized optical wave field measured, in which case the conversion of the radiation of measuring optical wave field in a first radiation with a Means for rotating the polarization direction, in particular with a λ / 2 plate, he follows. However, the wave field to be measured can also be statistical be polarized, in which case the conversion of the radiation of the optical wave field to be measured in the first radiation a first polarization filter, which only radiation with a polarization direction between the first and the second Lets through axis, especially at a 45 ° angle.

Die Wandlung der zweiten Strahlung in die dritte Strahlung kann auch mit einem Polarisationsfilter erfolgen, der als zweiter Polarisationsfilter bezeichnet wird. Dieser Filter lässt nur Strahlung mit einer Polarisationsrichtung zwischen der dritten und vierten Achse durch, insbesondere in einem 45°-Winkel. Sofern die erste und die dritte Achse sowie die zweite und die vierte Achse einander entsprechen, fallen in einer bevorzugten Ausführungsform der erste und der zweite Polarisationsfilter zusammen, d. h. es wird nur ein Polarisationsfilter sowohl zur Generierung der ersten Strahlung als auch zur Generierung der dritten Strahlung verwendet.The Conversion of the second radiation into the third radiation can also be done with a polarizing filter, as the second polarizing filter referred to as. This filter lets only radiation with a polarization direction between the third and fourth axis, in particular at a 45 ° angle. If the first and the third axis as well as the second and the fourth Axis correspond to each other, fall in a preferred embodiment the first and second polarizing filters together, d. H. it Only one polarization filter will be used to generate the first Radiation used as well as to generate the third radiation.

Wie bereits eingangs erwähnt, können erfindungsgemäß beliebige räumliche Lichtmodulatoren eingesetzt werden, sofern sie doppelbrechende Eigenschaften aufweisen. In einer Variante wird ein reflektierter räumlicher Lichtmodulator verwendet, wobei solche Lichtmodulatoren insbesondere auf der LCoS-Technologie basieren, d. h. es handelt sich um Flüssigkristall-Displays, welche auf einer reflektierenden Siliziumschicht angeordnet sind (LCoS = Liquid Cristal an Silicon). Die doppelbrechenden Eigenschaften des räumlichen Modulators werden dabei vorzugsweise durch TN-Zellen bewirkt.As already mentioned at the beginning, can According to the invention any spatial Light modulators are used, provided they have birefringent properties exhibit. In one variant, a reflected spatial Light modulator used, such light modulators in particular based on LCoS technology, i. H. these are liquid crystal displays, which are arranged on a reflective silicon layer (LCoS = Liquid Cristal to Silicon). The birefringent properties of the spatial Modulators are preferably effected by TN cells.

In einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung wird durch den räumlichen Lichtmodulator eine Phasenmodulation durchgeführt. Es ist jedoch auch möglich, dass der räumliche Lichtmodulator zur Durchführung einer Amplitudenmodulation eingesetzt wird. In einer weiteren Variante wird der räumliche Lichtmodulator derart angesteuert, dass für die entlang der ersten Achse polarisierte Strahlung ein Blaze-Gitter generiert wird. Blaze-Gitter sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und ermöglichen eine Beugung in nur eine einzige Beugungsordnung. Mit Hilfe solcher Gitter kann auf einfache Weise ein Versatz des modulierten Anteils der zweiten Strahlung gegenüber dem unmodulierten Anteil erreicht werden.In a particularly preferred variant of the invention is characterized by the spatial Light modulator performed a phase modulation. However, it is also possible that the spatial Light modulator for implementation an amplitude modulation is used. In another variant becomes the spatial Light modulator driven such that for the along the first axis polarized radiation a blaze grating is generated. Blaze gratings are well known in the art known and allow a diffraction in only a single diffraction order. With the help of such Grid can easily offset the modulated portion of the second radiation opposite be reached the unmodulated share.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die erste Strahlung mit Hilfe eines Strahlteilers auf den räumlichen Lichtmodulator gerichtet. Ebenso kann die zweite bzw. die dritte Strahlung mit einem Strahlteiler auf den Bildaufnehmer gerichtet werden. Vorzugsweise wird die dritte Strahlung mit einem Bildaufnehmer in der Form eines CCD-Sensors erfasst.In a further embodiment of the method according to the invention is the first Radiation with the help of a beam splitter on the spatial Directed light modulator. Likewise, the second or the third Radiation directed with a beam splitter on the image sensor become. Preferably, the third radiation is with an imager detected in the form of a CCD sensor.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der räumliche Lichtmodulator derart angesteuert, dass der modulierte Anteil der zweiten Strahlung verzerrt und/oder abgelenkt – d. h. insbesondere versetzt und/oder gedreht in der Ebene des Bildaufnehmers – zu dem unmodulierten Anteil der zweiten Strahlung angeordnet ist. Auf diese Weise können sehr gut Messungen basierend auf der Shear-Interferometrie durchgeführt werden.In a further embodiment of the method according to the invention, the spatial light modulator is driven in such a way that the modulated portion of the second radiation is distorted and / or deflected - ie in particular offset and / or rotated in the plane of the image sensor - is arranged to the unmodulated portion of the second radiation. In this way measurements can be carried out very well based on shear interferometry.

Basierend auf dem erfindungsgemäßen Verfahren kann beispielsweise das von einem Objekt stammende optische Wellenfeld gemessen werden. Das von dem Objekt stammende optische Wellenfeld ist dabei insbesondere eine an dem Objekt direkt und/oder diffus reflektierte Strahlung und/oder eine durch das Objekt transmittierte Strahlung. Das Objekt kann mit einer optischen Abbildungseinheit, insbesondere mit einer oder mehreren Linsen, auf den Bildaufnehmer abgebildet werden. In einer speziellen Ausführungsform ist die optische Abbildungseinheit als 4f-Aufbau relativ zu dem räumlichen Lichtmodulator angeordnet, und zwar derart, dass der räumliche Lichtmodulator in der Fourier-Ebene des 4f-Aufbaus liegt. Der 4f-Aufbau ist im Bereich der Optik hinlänglich bekannt und ermöglicht ortsunabhängige Transformationen in der Fourier-Ebene dieses Aufbaus.Based on the inventive method For example, the optical wave field originating from an object be measured. The optical wave field originating from the object In this case, one is in particular direct and / or diffuse on the object reflected radiation and / or transmitted through the object Radiation. The object can be equipped with an optical imaging unit, in particular with one or more lenses, on the image sensor be imaged. In a specific embodiment, the optical Imaging unit arranged as a 4f structure relative to the spatial light modulator, in such a way that the spatial Light modulator lies in the Fourier plane of the 4f structure. The 4f construction is sufficient in the field of optics known and enabled location-independent Transformations in the Fourier plane of this construction.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Insbesondere kann mit dem Verfahren ein Objekt, z. B. die Struktur und/oder die Oberfläche eines Objekts, geprüft werden. Beispielsweise können Linsen im Hinblick auf Linsenfehler untersucht werden oder es können Wellenfrontsensoren geprüft werden. Generell eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Prüfung von optischen Bauteilen. Weitere Anwendungsbereiche sind die Augenheilkunde, die Einstellung von adaptiven Optiken sowie die Lasertechnik.The inventive method can be used in a variety of applications. Especially can with the method an object, for. B. the structure and / or the surface an object, checked become. For example, you can Lenses may be examined for lens flaws or it may be wavefront sensors checked become. In general, the method according to the invention is suitable for testing optical Components. Other uses include ophthalmology, the Adjustment of adaptive optics and laser technology.

In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zu messende optische Wellenfeld mit Hilfe von Laserstrahlung erzeugt. Um entsprechende Messverfahren durchzuführen, wird die von dem Bildaufnehmer erfasste dritte Strahlung in einer bevorzugten Variante der Erfindung mit einer Auswerteeinheit ausgewertet, wobei zur Auswertung bekannte Rechenalgorithmen in Abhängigkeit von der durchgeführten Messung verwendet werden können.In a further variant of the method according to the invention becomes measuring optical wave field generated by means of laser radiation. In order to carry out corresponding measuring methods, that of the image recorder detected third radiation in a preferred variant of the invention evaluated with an evaluation, where known for evaluation Computational algorithms depending from the carried out Measurement can be used.

Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Vorrichtung zur Messung von optischen Wellenfeldern. Diese Vorrichtung umfasst einen doppelbrechenden räumlichen Lichtmodulator, wobei durch den räumlichen Licht modulator im Betrieb der Vorrichtung entlang einer ersten Achse polarisierte Strahlung moduliert wird und entlang einer zweiten, zur ersten Achse verschiedenen und insbesondere senkrechten Achse polarisierte Strahlung unmoduliert bleibt. Die Vorrichtung beinhaltet ein erstes Mittel, mit dem im Betrieb der Vorrichtung die Strahlung des zu messenden optischen Wellenfelds in eine erste Strahlung mit einer zwischen der ersten Achse und der zweiten Achse liegenden Polarisationsrichtung gewandelt wird und auf den räumlichen Lichtmodulator gerichtet wird, wobei der räumliche Lichtmodulator aus der ersten Strahlung eine zweite Strahlung generiert, welche einen modulierten und einen unmodulierten Anteil aufweist, wobei der modulierte Anteil entlang einer dritten Achse polarisiert ist und der unmodulierte Anteil entlang einer vierten, zur dritten Achse verschiedenen und insbesondere senkrechten Achse polarisiert ist. In der Vorrichtung ist ferner ein zweites Mittel vorgesehen, mit dem im Betrieb der Vorrichtung die zweite Strahlung in eine dritte Strahlung gewandelt wird, in welcher der modulierte und der unmodulierte Anteil die gleiche Polarisationsrichtung aufweisen und ein Interferenzmuster generieren. Ein Bildaufnehmer dient zur Aufnahme dieser dritten Strahlung.Next In the method described above, the invention further relates to a Device for measuring optical wave fields. This device includes a birefringent spatial Light modulator, wherein by the spatial light modulator in the Operation of the device along a first axis polarized radiation is modulated and along a second, different to the first axis and in particular the vertical axis polarized radiation unmodulated remains. The device includes a first means with which in Operation of the device, the radiation of the optical to be measured Wave field in a first radiation with one between the first Axis and the second axis lying polarization direction converted will and on the spatial Light modulator is directed, the spatial light modulator off the first radiation generates a second radiation, which is a modulated and having an unmodulated portion, wherein the modulated Share is polarized along a third axis and the unmodulated Share along a fourth, different from the third axis and especially vertical axis is polarized. In the device is further provided a second means, with which in the operation of the device the second radiation is converted into a third radiation, in which modulated and unmodulated portion the same direction of polarization and generate an interference pattern. An imager serves to receive this third radiation.

Die soeben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich zur Durchführung jeder der oben beschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere kann das erste Mittel beispielsweise ein Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung des zu messenden Wellenfelds oder einen Polarisationsfilter umfassen. Ebenso kann das zweite Mittel ein Polarisationsfilter sein. Darüber hinaus kann das erste oder zweite Mittel ferner einen Strahlteiler beinhalten, um die erste Strahlung auf den Lichtmodulator oder die zweite bzw. dritte Strahlung auf den Bildaufnehmer zu richten. Darüber hinaus kann in der Vorrichtung jede Art der in Bezug auf das Verfahren beschriebenen räumlichen Lichtmodulatoren verwendet werden.The The device according to the invention just described is suitable to carry out each of the above-described variants of the method according to the invention. In particular, the first means may for example be a means for Rotation of the polarization direction of the wave field to be measured or comprise a polarizing filter. Likewise, the second means be a polarizing filter. In addition, the first or second means further comprising a beam splitter to the first Radiation on the light modulator or the second or third radiation to aim at the imager. In addition, in the device any type of spatial description described in relation to the procedure Light modulators are used.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.embodiments The invention will be described below with reference to the attached figures described in detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messaufbaus; 1 a schematic representation of a first embodiment of a measuring device according to the invention;

2A und 2B ein Objekt, welches mittels einer gewöhnlichen Linse bzw. mit dem Aufbau gemäß 1 auf einen Bildaufnehmer abgebildet wird; 2A and 2 B an object which by means of an ordinary lens or with the structure according to 1 is imaged on an imager;

3 eine schematische Darstellung des aus dem Stand der Technik bekannten 4f-Aufbaus zur Abbildung eines Objekts; 3 a schematic representation of the known from the prior art 4f structure for imaging an object;

4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messaufbaus; und 4 a schematic representation of a second embodiment of a measuring device according to the invention; and

5 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messaufbaus. 5 a schematic representation of a third embodiment of a measuring structure according to the invention.

1 zeigt schematisiert die Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Messaufbaus, mit der das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden kann. In dem Beispiel der 1 wird ein Shear-Interferometer unter Zuhilfenahme eines räumlichen Lichtmodulators geschaffen, der im Folgenden auch als SLM (SLM = Spatial Light Modulator) bezeichnet wird. In dem Aufbau der 1 fällt ein optisches Wellenfeld in der Form von linear polarisiertem Licht entlang der Achse O1 zunächst auf eine λ/2-Platte 1. Die Einfallsrichtung des linear polarisierten Lichts ist dabei durch den Pfeil P angedeutet. Das Licht ist dabei kohärent bzw. zumindest teilkohärent. Es stammt von einer monochromatischen Lichtquelle (z. B. einem Laser) und wurde an einem zu messenden Objekt beispielsweise diffus reflektiert. Der Aufbau der 1 dient dazu, das einfallende optische Wellenfeld mit Hilfe von Shear-Interferometrie zu vermessen, um hierdurch insbesondere Informationen über die Oberfläche bzw. Struktur des Objekts zu erhalten, an dem die ursprüngliche Strahlung reflektiert wurde. Bei dem einfallenden polarisierten Licht kann es sich auch um Strahlung handeln, welche durch eine Abbildungseinheit, wie z. B. eine Linse, transmittiert wurde, wobei in diesem Fall mit dem Aufbau der 1 Eigenschaften der Linse, insbesondere die Ableitung der durch die Linse verursachten Phasenveränderung, ermittelt werden können. Hierüber lassen sich Informationen über die Krümmung der Linse und über Linsenaberrationen gewinnen. 1 schematically shows the top view of a first embodiment of a measurement setup, with which the inventive method can be realized. In the example of 1 a shear interferometer is created with the aid of a spatial light modulator, which is also referred to below as SLM (Spatial Light Modulator). In the construction of the 1 An optical wave field in the form of linearly polarized light along axis O1 first strikes a λ / 2 plate 1 , The direction of incidence of the linearly polarized light is indicated by the arrow P. The light is coherent or at least partially coherent. It comes from a monochromatic light source (eg a laser) and was, for example, diffusely reflected on an object to be measured. The construction of the 1 serves to measure the incident optical wave field by means of shear interferometry in order to obtain in particular information about the surface or structure of the object on which the original radiation was reflected. In the incident polarized light may also be radiation, which by an imaging unit, such as. As a lens, was transmitted, in which case with the structure of 1 Properties of the lens, in particular the derivation of the phase change caused by the lens, can be determined. This can be used to gain information about the curvature of the lens and about lens aberrations.

Gemäß 1 wird das entlang der Achse O1 einfallende linear polarisierte Licht mit Hilfe der λ/2-Platte 1 in eine Polarisationsrichtung gedreht, welche im 45°-Winkel zwischen einer sich horizontal erstreckenden Achse und einer sich vertikal, aus der Blattebene erstreckenden Achse verläuft, wobei sich die Achsen parallel zur Fläche der λ/2-Platte erstrecken. Die horizontale Achse entspricht (abgesehen von einer 90°-Drehung) der außerordentlichen Achse A1 eines mit Bezugszeichen 3 bezeichneten räumlichen Lichtmodulators und die Achse A2 entspricht der ordentlichen Achse dieses Lichtmodulators. Bei dem Lichtmodulator 3 handelt es sich um einen Lichtmodulator, der doppelbrechende Eigenschaften aufweist, wobei entlang der außerordentlichen Achse A1 polarisiertes Licht moduliert wird, wohingegen entlang der ordentlichen Achse A2 polarisiertes Licht unmoduliert bleibt. Der Lichtmodulator 3 erzeugt eine räumliche Phasenmodulation, d. h. in Abhängigkeit von der Position auf dem Lichtmodulator wird die Phase der einfallenden Strahlungen lokal moduliert, d. h. es erfolgt eine von der Position abhängige lokale Phasenverzögerung. Der Lichtmodulator im Aufbau der 1 besteht aus einer Vielzahl von elektronisch ansteuerbaren Pixeln, so dass die optischen Eigenschaften der einzelnen Bildpixel durch eine entsprechende elektronische Ansteuerung verändert werden können.According to 1 becomes the incident along the axis O1 linearly polarized light using the λ / 2 plate 1 rotated in a direction of polarization which extends at a 45 ° angle between a horizontally extending axis and an axis extending vertically from the sheet plane, the axes extending parallel to the surface of the λ / 2 plate. The horizontal axis corresponds (apart from a 90 ° rotation) of the extraordinary axis A1 one with reference numerals 3 designated spatial light modulator and the axis A2 corresponds to the ordinary axis of this light modulator. In the light modulator 3 it is a light modulator having birefringent properties, wherein light polarized along the extraordinary axis A1 is modulated while light polarized along the ordinary axis A2 remains unmodulated. The light modulator 3 generates a spatial phase modulation, ie, depending on the position on the light modulator, the phase of the incident radiation is locally modulated, ie there is a position-dependent local phase delay. The light modulator in the construction of the 1 consists of a plurality of electronically controllable pixels, so that the optical properties of the individual image pixels can be changed by a corresponding electronic control.

Bei dem Lichtmodulator 3 handelt es sich um einen reflektierenden Typ mit einem LCoS-Display. Ein LCoS-Display ist eine Flüssigkristall-Anzeige auf einer Silizium-Schicht, wobei an der Silizium-Schicht die Reflexion von einfallender Strahlung erfolgt. Solche Arten von Modulatoren sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt. In einer bevorzugten Variante wird ein Phasenmodulator des Typs HEO 1080p der Firma HoloEye Photonics AG (siehe http://www.holoeye.com/phase_only_modulator_heo1080p.html) verwendet. Dieser Modulator ist nach dem bereits erwähnten LCoS-Prinzip aufgebaut und reflektiert das eintretende Licht an seiner Rückwand aus Silizium. Somit durchläuft das Licht die modulierende Flüssigkristall-Schicht zweimal und es sind komplette Phasenmodulationen von Δϕ = 0 – 2π möglich. Gegebenenfalls können auch transmittierende räumliche Lichtmodulatoren eingesetzt werden. Reflektierende LCoS-Modulatoren haben jedoch den Vorteil, dass sie höhere Füllfaktoren (Quotient aus der Fläche der aktiven Pixel zur Gesamtfläche des Displays) aufweisen, da ein großer Teil der Elektronik auf der Rückwand des Lichtmodulators ausgelagert werden kann. Generell können beliebige Arten von räumlichen Lichtmodulatoren eingesetzt werden, welche sowohl elektronisch als auch optisch ansteuerbar sein können. Entscheidend ist jedoch, dass die verwendeten Lichtmodulatoren doppelbrechende Eigenschaften dahingehend aufweisen, dass eine Lichtmodulation nur für entlang der außerordentlichen Achse polarisierte Strahlung erfolgt.In the light modulator 3 it is a reflective type with a LCoS display. An LCoS display is a liquid crystal display on a silicon layer, with reflection of incident radiation occurring at the silicon layer. Such types of modulators are well known in the art. In a preferred variant, a phase modulator of the type HEO 1080p from HoloEye Photonics AG (see http://www.holoeye.com/phase_only_modulator_heo1080p.html) is used. This modulator is constructed according to the already mentioned LCoS principle and reflects the incoming light on its back wall made of silicon. Thus, the light passes through the modulating liquid crystal layer twice and complete phase modulations of Δφ = 0-2π are possible. Optionally, transmissive spatial light modulators can also be used. However, reflective LCoS modulators have the advantage that they have higher fill factors (quotient of the area of the active pixels to the total area of the display), since a large part of the electronics can be outsourced on the back wall of the light modulator. In general, any types of spatial light modulators can be used, which can be controlled both electronically and optically. What matters, however, is that the light modulators used have birefringent properties in that light modulation is effected only for radiation polarized along the extraordinary axis.

In dem Beispiel der 1 sind die Pixel des Lichtmodulators 3 derart angesteuert, dass für entlang der Achse A1 polarisiertes Licht ein Blaze-Gitter simuliert wird, das die einfallende Strahlung in die erste Beugungsordnung des Gitters abstrahlt. Blaze-Gitter sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und reflektieren Strahlung in eine Beugungsordnung, wobei solche Gitter ein Furchenprofil mit einem entsprechenden Blaze-Winkel und einer entsprechenden Gitterkonstante aufweisen. In dem Aufbau der 1 fällt das im 45°-Winkel zwischen außerordentlicher und ordentlicher Achse A1 bzw. A2 polarisierte Licht zunächst auf einen Strahlteiler 2, der einen halbdurchlässigen Spiegel 2a aufweist. Der Strahlteiler lenkt das von der λ/2-Platte kommende Licht um 90° in Richtung der Achse O2 hin zum SLM. Da das auf den SLM einfallende Licht die gleichen Polarisationsanteile entlang der Achse A1 und entlang der Achse A2 aufweist, wird durch den Lichtmodulator ein Wellenfeld erzeugt, dessen entlang der Achse A1 polarisierter Anteil phasenmoduliert ist, wohingegen der entlang der Achse A2 polarisierte Anteil nicht moduliert und lediglich reflektiert wird. Der unmodulierte Anteil bewegt sich entlang der Achse O2 durch den Strahlteiler 2, wohingegen der modulierte Anteil nunmehr gegenüber der Achse O2 verdreht ist und sich in Richtung der Achse O3 durch den Strahlteiler 2 bewegt.In the example of 1 are the pixels of the light modulator 3 controlled such that for simulated along the axis A1 light a blazed grating is simulated, which emits the incident radiation in the first diffraction order of the grating. Blaze gratings are well known in the art and re In this case, the radiation diffracts into a diffraction order, such gratings having a groove profile with a corresponding blaze angle and a corresponding lattice constant. In the construction of the 1 The light polarized at a 45 ° angle between the extraordinary and ordinary axis A1 or A2 first falls on a beam splitter 2 who has a semipermeable mirror 2a having. The beam splitter directs the light coming from the λ / 2 plate by 90 ° in the direction of the axis O2 towards the SLM. Since the light incident on the SLM has the same polarization components along the axis A1 and along the axis A2, a wave field is generated by the light modulator whose phase-polarized portion along the axis A1 is phase-modulated, whereas the portion polarized along the axis A2 is not modulated and only reflected. The unmodulated portion moves along the axis O2 through the beam splitter 2 while the modulated portion is now rotated with respect to the axis O2 and in the direction of the axis O3 through the beam splitter 2 emotional.

Dies liegt daran, dass, wie oben erwähnt, für das entlang der Achse A1 polarisierte Licht eine Beugung basierend auf einem Blaze-Gitter erfolgt.This is because, as mentioned above, for the along the axis A1 polarized light diffraction based on a blazed grid.

In dem Aufbau gemäß 1 werden das modulierte und das unmodulierte Wellenfeld mit Hilfe eines Polarisationsfilters 4 in eine Strahlung mit einer Polarisationsrichtung von 45° zwischen den beiden Achsen A1 und A2 umgewandelt. Dies geschieht dadurch, dass von dem jeweiligen Wellenfeld nur der Anteil entlang der Achse in 45°-Richtung durchgelassen wird. Auf diese Weise werden die Polarisationsrichtungen beider Wellenfelder in Übereinstimmung gebracht, so dass das modulierte und das unmodulierte Wellenfeld interferieren können. Das entsprechende Interferenzmuster wird anschließend auf einem CCD-Sensor 5 erfasst und mit einer (nicht gezeigten) Auswerteeinheit weiterverarbeitet. Bei der Auswertung können wiederum aus der Shear-Interferometrie bekannte Verfahren eingesetzt werden.In the structure according to 1 be the modulated and the unmodulated wave field using a polarizing filter 4 converted into a radiation with a polarization direction of 45 ° between the two axes A1 and A2. This happens because of the respective wave field only the proportion along the axis in 45 ° direction is transmitted. In this way, the polarization directions of both wave fields are brought into agreement, so that the modulated and the unmodulated wave field can interfere. The corresponding interference pattern is then on a CCD sensor 5 recorded and further processed with a (not shown) evaluation. In the evaluation, in turn, methods known from shear interferometry can be used.

Mit dem Aufbau der 1 werden somit analog zur Shearografie zwei räumlich versetzte Wellenfelder zur Überlappung und Interferenz gebracht. Aufgrund der geringen Abmessungen des räumlichen Lichtmodulators wird hierdurch ein sehr kompaktes Shear-Interferometer geschaffen, welches durch eine entsprechende Ansteuerung des Modulators auch in geeigneter Weise an verschiedene Messverfahren bzw. Wellenlängen angepasst werden kann. Der Aufbau kann dabei in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen eingesetzt werden, beispielsweise zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoffen, zur Überprüfung der Qualitätseigenschaften von Objekten, insbesondere von optischen Bauteilen, zur Erfassung von Formen von Objekten, zur Messung von Deformationen und dergleichen. Ein weiterer Anwendungsbereich sind sog. adaptive Optiken, bei denen Störungen in einem Wellenfeld geeignet korrigiert werden. Mit der Vorrichtung kann dabei bestimmt werden, wie stark die Störung ist und wie sie geeignet korrigiert werden kann.With the construction of the 1 Thus, two spatially offset wave fields are brought to overlap and interference analogous to the shearography. Due to the small dimensions of the spatial light modulator, a very compact shear interferometer is thereby created, which can also be suitably adapted to different measuring methods or wavelengths by a corresponding control of the modulator. The structure can be used in a variety of applications, for example for non-destructive testing of materials, for checking the quality properties of objects, in particular of optical components, for detecting shapes of objects, for measuring deformations and the like. Another area of application is so-called adaptive optics, in which disturbances in a wave field are suitably corrected. With the device can be determined how strong the disorder is and how it can be corrected properly.

Wie nachfolgend erläutert wird, erzeugt der Aufbau der 1 in der Tat eine Intensitätsverteilung, die dem eines entsprechenden Shear-Interferometers mit einem realen Blaze-Gitter entspricht.As will be explained below, the structure of the 1 in fact, an intensity distribution corresponding to that of a corresponding shear interferometer with a real blazed grating.

Im Folgenden wird angenommen, dass die x-Koordinate der außerordentlichen Achse und die y-Koordinate der ordentlichen Achse des SLM entsprechen. Wie bereits dargelegt, wird das auf die λ/2-Platte gerichtete linear polarisierte Licht durch die Platte in ein linear polarisiertes Licht mit einem Polarisationszustand von 45° zwischen der ordentlichen und außerordentlichen Achse umgewandelt. Die Amplitude dieses Wellenfelds E_in(x, y) kann mathematisch wie folgt geschrieben werden:

In the following it is assumed that the x-coordinate corresponds to the extraordinary axis and the y-coordinate corresponds to the ordinary axis of the SLM. As already stated, the linearly polarized light directed at the λ / 2 plate is converted by the plate into a linearly polarized light having a polarization state of 45 ° between the ordinary and extraordinary axes. The amplitude of this wave field E _in (x, y) can be written mathematically as follows:

Dabei bezeichnet J₀ den Jones-Vektor, der die Polarisationseigenschaft für vollkommen kohärentes Licht wiedergibt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird das Wellenfeld E_in(x, y) als eine Strahlung aufgefasst, die aus zwei orthogonal und linear polarisierten Wellenfronten besteht, wobei die jeweiligen Polarisationszustände mit der außerordentlichen bzw. ordentlichen Achse des SLM übereinstimmen.Here, J ₀ denotes the Jones vector, which represents the polarization property for perfectly coherent light. Without limiting the generality, the wave field E _in (x, y) is understood as a radiation consisting of two orthogonally and linearly polarized wavefronts, the respective polarization states coinciding with the extraordinary axis of the SLM.

Nach dem Passieren des Modulators ist die Phase des Wellenfelds mit der Polarisationsrichtung entlang der außerordentlichen Achse um Δϕ(x, y) entsprechend der elektrischen Pixeladressierung des Modulators moduliert, wohingegen die Phase des Wellenfelds mit Polarisationsrichtung entlang der ordentlichen Achse nicht verändert wird. Somit ist das Wellenfeld E_M(x, y) direkt nach der Reflexion am Modulator gegeben durch:

After passing the modulator, the phase of the wave field with the direction of polarization along the extraordinary axis is modulated by Δφ (x, y) according to the modulator's electrical pixel addressing, whereas the phase of the wave field with polarization direction along the ordinary axis is not changed. Thus, the wave field E _M (x, y) is given directly after the reflection at the modulator by:

In Gleichung (2) beschreibt die Matrix MM die doppelbrechenden Eigenschaften des SLM basierend auf dem bekannten Jones-Formalismus. Demzufolge wird eines der Wellenfelder gebeugt und das andere wird nur reflektiert. Unter der Annahme, dass die Propagation der Wellenfelder im freien Raum nicht deren Polarisationszustand ändert, können die beiden Komponenten getrennt behandelt werden. Die Amplitude E_A(u, v) in einer Ebene vor dem Polarisationsfilter 4 kann wie folgt geschrieben werden, wobei u und v die x- bzw. y-Koordinate in der Ebene sind:

In equation (2), the matrix MM describes the birefringent properties of the SLM based on the well-known Jones formalism. As a result, one of the wave fields is diffracted and the other is only reflected. Assuming that the propagation of wave fields in free space does not change their polarization state, the two components can be treated separately. The amplitude E _A (u, v) in a plane in front of the polarization filter 4 can be written as follows, where u and v are the x and y coordinates in the plane, respectively:

In der Gleichung (3) bezeichnet P den Propagationsoperator im freien Raum. Damit beide Wellenfelder miteinander interferieren, ist der Polarisationsfilter 4 auf 45° in Bezug auf die außerordentliche Achse A1 eingestellt, wie bereits oben erläutert wurde. Somit ist die Amplitude E_S(u, v) in einer Ebene direkt nach dem Polarisationsfilter 4 wie folgt gegeben:

In equation (3), P denotes the propagation operator in free space. So that both wave fields interfere with each other, is the polarizing filter 4 set at 45 ° with respect to the extraordinary axis A1, as already explained above. Thus, the amplitude E _S (u, v) is in a plane immediately after the polarizing filter 4 given as follows:

Die Matrix M_A beschreibt die Eigenschaften des Polarisationsfilters, der nur Komponenten von linear polarisierter Strahlung in einem Winkel von 45° in Bezug auf die außerordentliche Achse durchlässt. Gleichung (4) ist ein wichtiges Zwischenergebnis für das in 1 gezeigte Shear-Interferometer. Die Gleichung gibt die Amplitude des Wellenfelds E_S(u, v) in Abhängigkeit von der Amplitude E_in(x, y) des auf das SLM einfallenden Wellenfelds wieder.The matrix M _A describes the properties of the polarizing filter, which transmits only components of linearly polarized radiation at an angle of 45 ° with respect to the extraordinary axis. Equation (4) is an important intermediate result for the in 1 Shear interferometer shown. The equation represents the amplitude of the wave field E _S (u, v) as a function of the amplitude E _in (x, y) of the wave field incident on the SLM.

Es wird nunmehr das obige Beispiel betrachtet, bei dem ein Blaze-Gitter in den Modulator eingeschrieben wird, wobei die entsprechende Phasenverteilung dieses Gitters wie folgt gegeben ist: Δϕ ≡ ΔϕB = 2π·g·rM (5) Consider now the above example in which a blazed grating is written into the modulator, with the corresponding phase distribution of this grating given as follows: Δφ ≡ Δφ B = 2π · g · r M (5)

In der Gleichung (5) bezeichnet r_M = (x, y) eine Position in der Ebene des Modulators und g ist der Gittervektor mit einer Gitterperiode p und einer Orientierung α. Der Gittervektor kann somit wie folgt geschrieben werden:

In the equation (5), r _M = (x, y) denotes a position in the plane of the modulator, and g is the grating vector with a grating period p and an orientation α. The grid vector can thus be written as follows:

Mit der Nahfeldnäherung basierend auf der Fresnel-Beugung und mit Hilfe von Gleichung (4) kann bewiesen werden, dass die Amplitude Es des Wellenfelds in der Ebene des CCD-Sensors 5 wie folgt lautet: ES ∝ P{|E0|exp(–iϕ)}(u, v) + P{|E0|exp(–iϕ)}(u + gxλz0, v + gyλz0)·exp(iΔϕB) (7) With the near field approximation based on the Fresnel diffraction and with the aid of equation (4), it can be proved that the amplitude Es of the wave field in the plane of the CCD sensor 5 as follows: e S Α P {| E 0 | exp (-iφ)} (u, v) + P {| E 0 | exp (-iφ)} (u + g x λz 0 , v + g y λz 0 ) * Exp (iΔφ B ) (7)

Dabei entsprechend u bzw. v der x- bzw. y-Koordinate in der Ebene des CCD-Sensors und z₀ ist der Abstand der Sensorebene vom Lichtmodulator. Abgesehen von dem modulierten Term exp(iΔϕ_B) entspricht die Gleichung (7) der mit einem Shear-Interferometer erzeugten Verteilung, wobei der laterale Versatz des modulierten und unmodulierten Wellenfelds, d. h. der Abstand zwischen den beiden Achsen O2 und O3 auf der Sensorfläche des CCD-Sensors 5, gegeben ist durch: s = gλz0 (8) In this case, u or v corresponds to the x or y coordinate in the plane of the CCD sensor, and z ₀ is the distance of the sensor plane from the light modulator. Apart from the modulated term exp (iΔφ _B ), Equation (7) corresponds to the distribution produced by a shear interferometer, the lateral offset of the modulated and unmodulated wave field, ie the distance between the two axes O2 and O3 on the sensor surface of the CCD sensor 5 , is given by: s = gλz 0 (8th)

Somit kann die Richtung und die Größe des Versatzes in Abhängigkeit von der Periode p und der Orientierung α des auf dem Modulator eingeschriebenen Gitters verändert werden. Hierdurch können sehr einfach durch entsprechende Ansteuerung der Pixel des räumlichen Lichtmodulators beliebige Interferenzmuster erzeugt werden, ohne dass mechanische Verstellungen an dem Aufbau gemäß 1 vorgenommen werden müssen. Auf diese Weise wird eine hohe Flexibilität in Bezug auf die Einstellung des Shear-Interferometers erreicht, insbesondere können beliebige Phasenverteilungen inklusive radialer Scherungen durch den Aufbau realisiert werden. Ferner ist der Aufbau sehr robust, da keine mechanischen Mittel zur Verstellung des Versatzes vorgesehen werden müssen. Darüber hinaus ist die Lichteffizienz des Aufbaus sehr hoch. Der SLM kann auch dazu verwendet werden, globale Phasenverschiebungen durch entsprechende Ansteuerung der Pixel des SLMs zu erzeugen. Hierdurch kann die globale Phase des angezeigten Blaze-Gitters für aufeinander folgende Messungen verschoben werden. Es wird somit keine zusätzliche Einrichtung zur Erzeugung von Phasenverschiebungen benötigt, wodurch der Aufbau sehr kompakt und stabil wird.Thus, the direction and size of the offset can be changed depending on the period p and the orientation α of the grating inscribed on the modulator. As a result, any interference pattern can be generated very simply by corresponding control of the pixels of the spatial light modulator without mechanical adjustments to the structure according to FIG 1 be made have to. In this way, a high flexibility with respect to the adjustment of the shear interferometer is achieved, in particular, any phase distributions including radial shear can be realized by the structure. Furthermore, the structure is very robust, since no mechanical means for adjusting the offset must be provided. In addition, the light efficiency of the structure is very high. The SLM can also be used to generate global phase shifts by appropriately driving the pixels of the SLM. This allows the global phase of the displayed blazed grating to be shifted for successive measurements. Thus, no additional means for generating phase shifts is needed, which makes the structure very compact and stable.

Die Erfinder konnten experimentell nachweisen, dass der Aufbau gemäß 1 in der Tat auch eine Scherung gemäß Gleichung (8) erzeugt. Hierzu wurde das bekannte USAF-Test-Chart, welches eine Vielzahl von Strichmustern sowie Zahlen unterschiedlicher Größe umfasst, auf das Pixelfeld des CCD-Sensors 5 abgebildet, indem ein Linsenobjektiv vor der Wellenplatte 1 in den optischen Strahlengang eingesetzt wurde. Der räumliche Lichtmodulator war dabei derart eingestellt, dass ein Blaze-Gitter mit einer Periode von p = 240 μm eingeschrieben wurde.The inventors could prove experimentally that the structure according to 1 In fact, a shear according to equation (8) generated. For this purpose, the well-known USAF test chart, which includes a large number of line patterns as well as numbers of different sizes, was applied to the pixel field of the CCD sensor 5 Shown by placing a lens lens in front of the wave plate 1 was inserted into the optical beam path. The spatial light modulator was set in such a way that a blazed grating with a period of p = 240 μm was written.

2A und 2B zeigen beispielhaft, wie ein abgebildetes Testobjekt auf dem CCD-Sensor wiedergegeben wird. 2A zeigt dabei schematisiert ein mit einer gewöhnlichen Linse auf dem CCD-Sensor wiedergegebenes Testobjekt, welches den Großbuchstaben F wiedergibt. 2B zeigt die Wiedergabe dieses Objekts auf den CCD-Sensor basierend auf dem Aufbau der 1. Man erkennt in 2B den Buchstaben F der 2A, der mit dem Bezugszeichen F1 bezeichnet ist. Es handelt sich hierbei um die Wiedergabe dieses Buchstabens basierend auf dem unmodulierten Wellenfeld. Darüber hinaus wird eine versetzte Kopie dieses Buchstabens erzeugt, welche in 2B als F2 bezeichnet ist. Diese Kopie ist gemäß der Einstellung des Blaze-Gitters um den Vektor s gegenüber F1 versetzt und resultiert aus dem modulierten Anteil des Wellenfelds. Darüber hinaus erkennt man in 2 die Phasenverteilung Δϕ_B, welche gemäß Gleichung (7) zu einem sinusförmigen Streifenmuster führt, wobei sich die Streifen in horizontaler Richtung erstrecken. Als Größe des Versatzes konnte in y-Richtung 71,5 μm mit Hilfe von Bildkorrelation ermittelt werden. In dem Aufbau wurde Laserlicht mit einer Wellenlänge λ = 532 nm und ein Ab stand z₀ = 32 mm zwischen dem SLM und dem CCD-Sensor verwendet. Werden diese Größen in Gleichung (8) eingesetzt, ergibt sich ein errechneter Wert von 71 μm für die Scherung in y-Richtung. Das Experiment ist somit in guter Übereinstimmung mit den durchgeführten Berechnungen. 2A and 2 B show by way of example how an imaged test object is reproduced on the CCD sensor. 2A shows schematically a reproduced with an ordinary lens on the CCD sensor test object, which represents the capital letter F. 2 B shows the reproduction of this object on the CCD sensor based on the structure of the 1 , One recognizes in 2 B the letter F the 2A , which is designated by the reference symbol F1. This is the rendering of this letter based on the unmodulated wave field. In addition, a staggered copy of this letter is generated, which in 2 B is designated as F2. This copy is offset by the vector s from F1 according to the setting of the blaze grating and results from the modulated portion of the wavefield. In addition one recognizes in 2 the phase distribution Δφ _B , which leads according to equation (7) to a sinusoidal stripe pattern, wherein the strips extend in the horizontal direction. The size of the offset in the y direction was 71.5 μm using image correlation. In the structure, laser light having a wavelength λ = 532 nm and a distance z ₀ = 32 mm was used between the SLM and the CCD sensor. If these quantities are used in equation (8), the result is a calculated value of 71 μm for the shear in the y direction. The experiment is thus in good agreement with the calculations performed.

Wie sich aus den obigen Ausführungen ergibt, kann gemäß der Erfindung eine kompakte und robuste Messvorrichtung zur Messung von optischen Wellenfeldern realisiert werden. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die doppelbrechenden Eigenschaften eines entsprechenden SLM derart ausgenutzt werden, dass zunächst eine Strahlung auf den SLM gerichtet wird, aus welcher sowohl ein moduliertes als auch ein unmoduliertes Wellenfeld resultiert, und schließlich beide Wellenfelder miteinander zur Interferenz gebracht werden.As from the above can, according to the invention a compact and robust measuring device for measuring optical Wave fields are realized. This is made possible by that the birefringent properties of a corresponding SLM such be exploited that first a radiation is directed to the SLM, from which both a modulated as well as an unmodulated wave field results, and after all both wave fields are brought into interference with each other.

Im Folgenden werden zwei weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Messaufbauten beschrieben. Zunächst wird zum besseren Verständnis die bekannte optische 4f-Konfiguration erläutert, welche in den nachfolgenden Versuchsaufbauten verwendet wird. 3 zeigt einen herkömmlichen 4f-Aufbau. Dieser Aufbau umfasst zwei Linsen L₁ und L₂, deren Brennweiten f in der Regel identisch gewählt werden. Die Linsen werden im Abstand der doppelten Brennweite auf einer optischen Bank angeordnet. Ein in der vorderen Brennebene P₁ der ersten Linse L₁ platziertes Objekt wird in der hinteren Brennebene P₂ der zweiten Linse L₂ scharf abgebildet, wie durch den mittels gestrichelter Linien dargestellten Strahlverlauf wiedergegeben ist. In der zentralen Ebene P_f genau zwischen den beiden Linsen L₁ und L₂ wird die Fourier-transformierte Feldverteilung des vom Objekt gestreuten Lichtwellenfelds wiedergegeben. In dieser Ebene lassen sich lineare, ortsunabhängige Transformationen optisch durchführen. Beispielsweise kann ein Bandpass durch eine entsprechende Blende in der Ebene P_f realisiert werden. Die zwischen dem Objekt und seiner Abbildung liegende Strecke entspricht viermal der Brennweite f der Linsen L₁ bzw. L₂, weshalb dieser Aufbau als 4f-Konfiguration bezeichnet wird.Two further embodiments of measuring assemblies according to the invention are described below. First, for better understanding, the known 4f optical configuration will be explained, which is used in the following experimental setups. 3 shows a conventional 4f structure. This structure comprises two lenses L ₁ and L ₂ whose focal lengths f are usually chosen to be identical. The lenses are placed at a distance of twice the focal length on an optical bench. An object placed in the front focal plane P _{1 of} the first lens L ₁ is sharply imaged in the rear focal plane P _{2 of} the second lens L ₂ , as represented by the beam path shown by dashed lines. In the central plane P _f exactly between the two lenses L ₁ and L ₂ , the Fourier-transformed field distribution of the light wave field scattered by the object is reproduced. In this plane, linear, location-independent transformations can be performed optically. For example, a bandpass can be realized by a corresponding aperture in the plane P _f . The distance between the object and its image corresponds to four times the focal length f of the lenses L ₁ and L ₂ , which is why this structure is referred to as 4f configuration.

4 zeigt eine schematische Darstellung in Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messaufbaus, in dem eine 4f-Konfiguration realisiert ist. Analog zum Aufbau der 1 wird mit der Anordnung der 4 ein einfallendes Wellenfeld aus linear polarisiertem. Licht gemessen, wobei in 4 die Abbildung eines Objekts in der Objektebene P₁ auf die Ebene P₂ erfolgt und in der Ebene P₂ das Sensorfeld eines entsprechenden CCD-Sensors (nicht gezeigt) angeordnet ist. Ebenso ist ein entsprechender SLM (nicht gezeigt) vorgesehen, der in der Fourier-Ebene P_f angeordnet ist und wiederum die außerordentliche Achse A₁ und die ordentliche Achse A2 aufweist. Das einfallende linear polarisierte Wellenfeld durchläuft eine λ/2-Platte 1, wodurch linear polarisiertes Licht in einer Polarisationsebene in 45° in Bezug auf die außerordentliche Achse A₁ erzeugt wird. Diese Strahlung geht durch den halbdurchlässigen Spiegel 2a des Strahlteilers 2 und wird über die Linse L in die Fourier-Ebene P_f abgebildet. Die Linse L ist dabei derart angeordnet, dass ihr Abstand zur Ebene P₁ und zur Ebene P_f jeweils der Brennweite der Linse entspricht. In der Fourier-Ebene P_f wird durch den Lichtmodulator wiederum ein moduliertes und ein unmoduliertes Wellenfeld erzeugt, welche sich zurück zur Linse L bewegen und durch die Linse sowie über den halbdurchlässigen Spiegel 2a des Strahlteilers 2 schließlich in der Ebene P₂ abgebildet werden. Die Summe der Strecken s₁ und s₂ von der Linse zum halbdurchlässigen Spiegel bzw. vom halbdurchlässigen Spiegel zur Ebene P₂ entspricht wiederum der Brennweite f der Linse L. Mit einem vor der Ebene P₂ angeordneten Polarisationsfilter 4 erfolgt wiederum eine Projektion der Anteile aus moduliertem und unmoduliertem Wellenfeld auf eine Polarisationsachse im 45°-Winkel, so dass beide Wellenfelder auf dem Sensorfeld interferieren. 4 shows a schematic representation in plan view of a second embodiment of a measuring structure according to the invention, in which a 4f configuration is realized. Analogous to the structure of 1 is with the arrangement of 4 an incident wave field of linearly polarized. Measured light, with in 4 the image of an object in the object plane P ₁ on the plane P ₂ takes place and in the plane P _2, the sensor array of a corresponding CCD sensor (not shown) is arranged. Similarly, a corresponding SLM (not shown) is provided which is arranged in the Fourier plane P _f and in turn has the extraordinary axis A ₁ and the ordinary axis A2. The incident linearly polarized wave field passes through a λ / 2 plate 1 , whereby linearly polarized light is generated in a polarization plane at 45 ° with respect to the extraordinary axis A ₁ . This radiation passes through the semitransparent mirror 2a of the jet party toddlers 2 and is imaged via the lens L in the Fourier plane P _f . The lens L is arranged such that its distance from the plane P ₁ and the plane P _f corresponds in each case to the focal length of the lens. In the Fourier plane P _f , a modulated and an unmodulated wave field is again generated by the light modulator, which move back to the lens L and through the lens and the semi-transparent mirror 2a of the beam splitter 2 finally be imaged in the plane P ₂ . The sum of the distances s ₁ and s ₂ from the lens to the semitransparent mirror or from the semitransparent mirror to the plane P ₂ in turn corresponds to the focal length f of the lens L. With a front of the plane P ₂ arranged polarizing filter 4 Again, a projection of the components of modulated and unmodulated wave field on a polarization axis at a 45 ° angle, so that both wave fields on the sensor field interfere.

Gemäß der in 4 dargestellten 4f-Konfiguration erfolgt eine Fourier-Transformation des zu messenden Wellenfelds in die Ebene P_f, wobei anschließend das durch den Modulator generierte Wellenfeld beim zweiten Durchlauf durch die Linse L einer inversen Fourier-Transformation unterzogen wird. Man erkennt aus 4, dass der Verlauf der Wellenfelder von der Objektebene P₁ über die Fourier-Ebene P_f hin zur Abbildungsebene P₂ dem 4f-Aufbau der 3 entspricht, da die Strahlung viermal die Brennweite f durchläuft. Mit dem Aufbau der 4 kann wiederum eine kohärente Überlagerung zweier verschobener Abbildungen eines Objekts durch Einschreiben eines Blaze-Gitters in dem Lichtmodulator bewirkt werden. Dies entspricht dem anhand von 1 erläuterten Anwendungsfall eines Shear-Interferometers. Der Aufbau der 4 hat jedoch den Vorteil, dass die gemäß 2B beobachtete störende Restmodulation in der Form eines Streifenmusters im Hintergrund entfällt.According to the in 4 4f configuration is carried out a Fourier transformation of the wave field to be measured in the plane P _f , wherein subsequently the wave field generated by the modulator is subjected during the second pass through the lens L of an inverse Fourier transform. One recognizes 4 in that the course of the wave fields from the object plane P ₁ via the Fourier plane P _f to the imaging plane P ₂ corresponds to the 4f structure of FIG 3 corresponds because the radiation passes four times the focal length f. With the construction of the 4 In turn, a coherent superimposition of two shifted images of an object can be effected by writing a blaze grating in the light modulator. This corresponds to the basis of 1 explained use case of a shear interferometer. The construction of the 4 However, it has the advantage that the according to 2 B observed disturbing residual modulation in the form of a stripe pattern in the background is eliminated.

Der Aufbau der 4 eignet sich für die gleichen Anwendungsfälle wie der Aufbau der 1, insbesondere kann der Aufbau zur zerstörungsfreien Prüfung von Objekten, zur Qualitätssicherung, Formerfassung, Messung von Deformationen sowie der Messung von Lichtwellenfeldern ganz generell eingesetzt werden. Unabhängig von der Shear-Interferometrie lässt sich in dem Aufbau der 4 eine große Anzahl von beliebigen linearen, ortsunabhängigen Transformationen durchführen und das Ergebnis kann mit dem unmodulierten Wellenfeld kohärent überlagert werden. Es ergibt sich somit eine Vielzahl von Anwendungsfeldern für den Aufbau der 4, insbesondere im Bereich der optischen Messtechnik, im Bereich adaptiver Optiken sowie auf dem Gebiet der optischen Signalverarbeitung.The construction of the 4 is suitable for the same applications as the construction of the 1 In particular, the structure for non-destructive testing of objects, for quality assurance, shape detection, measurement of deformations and the measurement of light wave fields can be used quite generally. Regardless of the shear interferometry can be in the structure of 4 perform a large number of arbitrary linear, location independent transformations and the result can be coherently superimposed on the unmodulated wave field. This results in a variety of application fields for the construction of the 4 , in particular in the field of optical metrology, in the field of adaptive optics and in the field of optical signal processing.

5 zeigt eine Abwandlung des Aufbaus der 4, in der für die gleichen Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Der Strahlverlauf der 5 entspricht wiederum einer 4f-Konfiguration. Im Unterschied zu 4 wird jedoch anstatt von einfallendem linear polarisiertem Licht statistisch polarisiertes Licht gemessen, welches linear polarisierte Strahlung in jeder Polarisationsrichtung aufweist. Als Konsequenz wird nunmehr die λ/2-Platte 1 der 4 durch einen Polarisationsfilter 4 ersetzt, der hinter der Linse L angeordnet ist und der wiederum eine im 45°-Winkel polarisierte Strahlung erzeugt, welche auf die Fourier-Ebene P_f einfällt, in der sich der SLM befindet. Analog zur 4 werden aufgrund der doppelbrechenden Eigenschaften des SLM eine modulierte und unmodulierte Strahlung erzeugt, wobei diese Strahlung durch den Polarisationsfilter 4 wiederum auf die Polarisationsebene im 45°-Winkel abgebildet wird. Der Polarisationsfilter 4 übernimmt in der Ausführungs form der 5 somit die Funktion des Polarisationsfilters 4 der 4 und zusätzlich die Funktion der λ/2-Platte aus 4. Der Vorteil des Aufbaus der 5 gegenüber dem Aufbau der 4 besteht darin, dass die Anzahl der Bauteile reduziert werden kann, da nunmehr anstatt einer λ/2-Platte und eines Polarisationsfilters nur noch ein einziger Polarisationsfilter vorgesehen werden muss. Die im Aufbau der 5 durchgeführten Transformationen und das daraus resultierende Interferenzmuster entsprechen jedoch denjenigen der 4. 5 shows a modification of the structure of 4 in which the same reference numerals are used for the same components. The beam path of the 5 again corresponds to a 4f configuration. In contrast to 4 However, instead of incident linearly polarized light, statistically polarized light is measured which has linearly polarized radiation in each polarization direction. As a consequence, now the λ / 2 plate 1 of the 4 through a polarizing filter 4 which is located behind the lens L and which in turn generates a 45 ° polarized radiation incident on the Fourier plane P _f in which the SLM is located. Analogous to 4 Due to the birefringent properties of the SLM, a modulated and unmodulated radiation is generated, this radiation passing through the polarization filter 4 is again mapped to the plane of polarization at a 45 ° angle. The polarization filter 4 takes over in the execution form of 5 thus the function of the polarization filter 4 of the 4 and additionally the function of the λ / 2 plate 4 , The advantage of building the 5 opposite to the structure of 4 is that the number of components can be reduced because now instead of a λ / 2 plate and a polarizing filter only a single polarizing filter must be provided. The construction of the 5 However, the transformations performed and the resulting interference patterns correspond to those of the 4 ,

Claims

Method for measuring optical wave fields using a birefringent spatial light modulator ( 3 ), whereby by the spatial light modulator ( 3 ) is polarized along a first axis (A1) polarized radiation and along a second, to the first axis (A1) different axis (A2) polarized radiation remains unmodulated, wherein: - the radiation of the optical wave field to be measured in a first radiation with a is converted between the first axis (A1) and second axis (A2) lying polarization direction and on the spatial light modulator ( 3 ), wherein the spatial light modulator ( 3 ) generates a second radiation from the first radiation, which has a modulated and an unmodulated component, wherein the modulated component is polarized along a third axis (A1) and the unmodulated component along a fourth, to the third axis (A1) different axis (A2 ) is polarized; - The second radiation is converted into a third radiation in which the modulated and the unmodulated portion have the same polarization direction and generate an interference pattern, and the third beam from an image sensor ( 5 ) is detected.

The method of claim 1, wherein the polarization direction the first radiation symmetrical, in particular at a 45 ° angle, between the first and second axis (A1, A2).

Method according to Claim 1 or 2, in which the optical wavefield to be measured is linearly polarized and the conversion of the radiation of the optical wavefield to be measured into the first radiation is effected by means ( 1 ) for rotation of the polarization direction, in particular with a λ / 2 plate occurs.

Method according to Claim 1 or 2, in which the optical wavefield to be measured is statistically polarized and the conversion of the radiation of the optical wavefield to be measured into the first radiation with a first polarization filter ( 4 ), which transmits only radiation having a polarization direction between the first and second axes (A1, A2), in particular at a 45 ° angle.

Method according to one of the preceding claims, wherein the conversion of the second radiation into the third radiation with a second polarizing filter ( 4 ), which transmits only radiation having a polarization direction between the third and fourth axes (A1, A2), in particular at a 45 ° angle.

Method according to one of the preceding claims, in the first axis (A1) of the third axis (A1) and the second axis (A2) corresponds to the fourth axis (A2).

Method according to Claim 6 in combination with Claims 4 and 5, in which the first and second polarization filters ( 4 ) coincide.

Method according to one of the preceding claims, wherein the method with a reflective spatial light modulator ( 3 ), in particular comprising a reflective LCoS display, is performed.

Method according to one of the preceding claims, wherein the method with an electronically and / or optically controllable spatial light modulator ( 3 ), in particular with a liquid crystal modulator with TN cells.

Method according to one of the preceding claims, in which with the spatial light modulator ( 3 ) a phase modulation is performed.

Method according to Claim 10, in which the spatial light modulator ( 3 ) is driven in such a way that a blazed grating is generated for the radiation polarized along the first axis (A1).

Method according to one of the preceding claims, in which the first radiation is isolated by means of a beam splitter ( 2 ) on the spatial light modulator ( 3 ) and / or in which the second and / or the third radiation with the aid of a beam splitter ( 2 ) on the image sensor ( 5 ).

Method according to one of the preceding claims, wherein the third radiation with an image sensor ( 5 ) is detected in the form of a CCD sensor.

Method according to one of the preceding claims, in which the spatial light modulator ( 3 ) is driven such that the modulated portion of the second radiation deflected and / or distorted to the unmodulated portion of the second radiation is arranged.

The method of claim 14, wherein the method a measurement based on shear interferometry is performed.

Method according to one of the preceding claims, in with the method, the optical wavefield originating from an object is measured, in particular one directly and / or diffusely reflected on the object Radiation and / or transmitted through the object radiation.

Method according to Claim 16, in which the object is provided with an optical imaging unit, in particular with one or more lenses ( 4 ), is imaged on the image sensor.

The method of claim 17, wherein the optical imaging unit is a 4f structure relative to the spatial light modulator ( 3 ) is arranged such that the spatial light modulator ( 3 ) lies in the Fourier plane of the 4f construction.

A method according to any one of claims 16 to 18, wherein the method, the object, in particular the surface and / or the structure of an object, checked becomes.

Method according to one of the preceding claims, in the optical wave field to be measured with the aid of laser radiation is produced.

Method according to one of the preceding claims, in which the image recorder ( 5 ) detected third radiation is evaluated with an evaluation unit.

Device for measuring optical wave fields, comprising: - a birefringent spatial light modulator ( 3 ), whereby by the spatial light modulator ( 3 ) is polarized in the operation of the device along a first axis (A1) polarized radiation and remains unmodulated along a second, to the first axis (A1) different axis (A2) polarized radiation; A first means, with which the radiation of the optical wavefield to be measured is converted into a first radiation having a polarization direction lying between the first axis (A1) and second axis (A2) during operation of the device, and to the spatial light modulator ( 3 ), wherein the spatial light modulator ( 3 ) generates a second radiation from the first radiation, which has a modulated and an unmodulated component, wherein the modulated component is polarized along a third axis (A1) and the unmodulated component along a fourth, to the third axis (A1) different axis (A2 ) is polarized; A second means for, during operation, converting the second radiation into a third radiation in which the modulated and unmodulated portions have the same polarization direction and generate an interference pattern; An image recorder ( 5 ), with which during operation of the device, the third radiation is detected.

The device of claim 22, wherein the device is configured such that a method according to any one of claims 2 to 21 feasible is.