DE102013209461B3

DE102013209461B3 - Method for measuring optical wave field for examining test specimen e.g. lenses, involves determining amplitude and phase of optical wave field of measuring plane from intensity distributions obtained by image sensor in detection plane

Info

Publication number: DE102013209461B3
Application number: DE201310209461
Authority: DE
Inventors: Mostafa Agour; Khaled Elshaffey; Claas Falldorf; Christoph von Kopylow; Ralf B. Bergmann
Original assignee: Bremer Institut fuer Angewandte Strahltechnik BIAS GmbH
Current assignee: Bremer Institut fuer Angewandte Strahltechnik BIAS GmbH
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2033-05-23

Abstract

The method involves subjecting optical wave field of measuring plane with optical device to first Fourier transform to obtain transformed optical wave field at Fourier plane. The focal length of variable focus lens arranged in Fourier plane is changed, so that different modulated wave field are generated in Fourier plane from transformed optical wave field, and subjected to second Fourier transformation to recognize intensity distributions obtained by image sensor in detection plane (DP). The amplitude and phase of field of measuring plane is determined from intensity distributions. An independent claim is included for an apparatus for measuring optical waveguide field.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung eines optischen Wellenfelds.The invention relates to a method and a device for measuring an optical wave field.

Die Erfassung von optischen Wellenfeldern hat eine Vielzahl von praktischen Anwendungen. Insbesondere können durch die Bestimmung der Phase und Amplitude (Intensität) von optischen Wellenfeldern optische Eigenschaften von Prüflingen, wie z. B. Linsen, ermittelt werden. Ebenso kann die Oberflächenstruktur eines Objekts über die Messung von am Objekt reflektierten bzw. gestreuten Wellenfeldern bestimmt werden.The detection of optical wave fields has a variety of practical applications. In particular, by determining the phase and amplitude (intensity) of optical wave fields, optical properties of specimens, such as. As lenses, are determined. Likewise, the surface structure of an object can be determined via the measurement of wave fields reflected or scattered on the object.

Zur Messung von optischen Wellenfeldern sind interferometrische Verfahren bekannt, bei denen das zu erfassende Wellenfeld mit geeigneten Referenzwellen überlagert wird. Bei diesen Verfahren ist es nachteilhaft, dass der Aufbau entsprechender Messvorrichtungen gegenüber äußeren Einflüssen sehr stabil sein muss und hohe Anforderungen an die zeitliche Kohärenz des interferometrisch überlagerten Lichts gestellt werden.For the measurement of optical wave fields interferometric methods are known in which the wave field to be detected is superimposed with suitable reference waves. In these methods, it is disadvantageous that the construction of corresponding measuring devices must be very stable to external influences and high demands are placed on the temporal coherence of the interferometrically superimposed light.

Ferner ist aus dem Stand der Technik die Vermessung von Wellenfeldern mittels sog, Phasen-Rekonstruktions-Verfahren (auch als Phase-Retrieval-Verfahren bezeichnet) bekannt, Dabei werden aus dem zu vermessenden Wellenfeld verschiedene Intensitätsverteilungen generiert und aus den Intensitätsverteilungen die komplexe Amplitude des Wellenfelds (d. h. dessen Intensität und Phase) rekonstruiert. Diese Verfahren benötigen daher keine Referenzwelle und sind deshalb wesentlich robuster gegenüber äußeren Störungen. Die vorliegende Erfindung betrifft ein solches Messverfahren.Furthermore, from the prior art, the measurement of wave fields by means of so-called, phase reconstruction method (also known as phase retrieval method) known, In this case, different intensity distributions are generated from the wave field to be measured and from the intensity distributions, the complex amplitude of the wave field (ie its intensity and phase) reconstructed. Therefore, these methods require no reference wave and are therefore much more robust against external disturbances. The present invention relates to such a measuring method.

Zur Erzeugung von unterschiedlichen Intensitätsverteilungen im Rahmen eines Phase-Retrieval-Verfahrens kann das Wellenfeld z. B. in verschiedenen Detektionsebenen mittels eines Bildaufnehmers erfasst werden. Dies erfordert jedoch eine manuelle Bewegung des Bildaufnehmers, so dass die Messung aufwändig wird und ferner nur statische Wellenfelder gemessen werden können.To generate different intensity distributions in the context of a phase retrieval method, the wave field z. B. detected in different detection levels by means of an image sensor. However, this requires a manual movement of the image sensor, so that the measurement becomes expensive and further only static wave fields can be measured.

Um eine manuelle Verschiebung von Detektionsebenen zu vermeiden, ist es aus den Dokumenten [1], [2] und [3] bekannt, das zu vermessende Wellenfeld mit Hilfe eines räumlichen Lichtmodulators unterschiedlich zu modulieren und hierdurch verschiedene Intensitätsverteilungen zu generieren, mit denen wiederum mittels Phasen-Rekonstruktion die Amplitude und Phase des ursprünglichen Wellenfelds ermittelt werden kann. Die Verwendung eines räumlichen Lichtmodulators weist jedoch einige Nachteile auf, Insbesondere ist der Messaufbau aufgrund der pixelartigen Struktur des Modulators nicht besonders kompakt. Ferner müssen Lichtmodulatoren auf die individuelle Wellenlänge des zu vermessenden Wellenfelds kalibriert. Darüber hinaus sind räumliche Lichtmodulatoren teuer.In order to avoid a manual shift of detection planes, it is known from documents [1], [2] and [3] to differently modulate the wave field to be measured with the aid of a spatial light modulator and thereby generate different intensity distributions, with which in turn Phase reconstruction, the amplitude and phase of the original wave field can be determined. However, the use of a spatial light modulator has some disadvantages. In particular, the measurement setup is not particularly compact due to the pixel-like structure of the modulator. Furthermore, light modulators must be calibrated to the individual wavelength of the wave field to be measured. In addition, spatial light modulators are expensive.

Das Dokument [4] beschreibt ein Verfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung der Phase und Amplitude von Licht in der Bildebene einer Abbildung eines Objekts. Im Rahmen dieses Verfahrens wird die Phase bzw. Amplitude des Lichts durch eine Ortsfrequenzfilterung in einer Pupillenebene zwischen Objekt und Bildebene modifiziert.Document [4] describes a method for the spatially resolved determination of the phase and amplitude of light in the image plane of an image of an object. In the context of this method, the phase or amplitude of the light is modified by spatial frequency filtering in a pupil plane between the object and the image plane.

Die Druckschrift [5] beschreibt ein Verfahren zur Messung von optischen Wellenfeldern mit Hilfe eines doppelbrechenden räumlichen Lichtmodulators, der eine Strahlung mit einem modulierten und einem unmodulierten Anteil generiert. Aus diesen Anteilen wird ein Interferenzmuster generiert, das durch einen Bildaufnehmer erfasst wird.Document [5] describes a method for measuring optical wave fields with the aid of a birefringent spatial light modulator which generates radiation with a modulated and an unmodulated component. From these proportions, an interference pattern is generated, which is detected by an image sensor.

In dem Dokument [6] ist ein Wellenfrontsensor mit einem fokussierenden optischen System und einer Lochblende mit einer Mehrzahl gleichzeitig im Strahlengang befindlicher Löcher in codierter Anordnung offenbart. Durch Fortschaltung der Lochblende wird insgesamt der ganze Querschnitt des Strahlengangs mehrfach mit verschiedenen codierten Anordnungen von Löchern abgetastet. Mittels eines ortsauflösenden Lichtdetektors werden die durch die Lochblende generierten Strahlenbündel erfasst und hieraus mittels einer Speicher- und Recheneinheit die Phase und Amplitude der Wellenfront bestimmt.In document [6], a wavefront sensor with a focusing optical system and a pinhole with a plurality of concurrent holes in the optical path are disclosed in coded arrangement. By indexing the pinhole a total of the entire cross section of the beam path is repeatedly scanned with different coded arrangements of holes. By means of a spatially resolving light detector, the radiation beams generated by the pinhole diaphragm are detected and the phase and amplitude of the wave front determined therefrom by means of a storage and arithmetic unit.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Vermessung eines optischen Wellenfelds ohne mechanische Verschiebung von Detektionsebenen zu schaffen.The object of the invention is to provide a simple method for measuring an optical wave field without mechanical displacement of detection planes.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.This object is achieved by the method according to claim 1 and the device according to claim 9. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das in einer Messebene vorliegende optische Wellenfeld, beispielsweise das an einem Prüfling reflektierte bzw. durch einen Prüfling transmittierte Wellenfeld, mit einer optischen Einrichtung einer ersten Fourier-Transformation unterzogen, wodurch ein transformiertes optisches Wellenfeld in einer Fourier-Ebene erhalten wird. Das optische Wellenfeld der Messebene stellt dabei die Intensitäts- und Phasenverteilung von Licht einer vorbestimmten Wellenlänge in der Messebene dar.In the method according to the invention, the optical wave field present in a measuring plane, for example the wave field reflected on a test specimen or transmitted through a specimen, is provided with a optical device subjected to a first Fourier transform, whereby a transformed optical wave field is obtained in a Fourier plane. The optical wave field of the measurement plane represents the intensity and phase distribution of light of a predetermined wavelength in the measurement plane.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird eine fokusvariable Linse verwendet, die in der Fourier-Ebene angeordnet ist, wobei die Brennweite dieser Linse verändert wird, wodurch aus dem transformierten optischen Wellenfeld verschiedene modulierte Wellenfelder (d. h. in der Phase und/oder Amplitude veränderte Wellenfelder) in der Fourier-Ebene für unterschiedliche Brennweiten der Linse erzeugt werden. Die fokusvariable Linse ist insbesondere eine elektrisch abstimmbare Linse, bei der ohne mechanische Einstellung mittels elektrischen Stroms bzw. elektrischer Spannung die Brennweite der Linse verändert wird. Solche elektrisch abstimmbaren Linsen sind aus dem Stand der Technik bekannt.In the method according to the invention, a focus variable lens is used, which is arranged in the Fourier plane, the focal length of this lens is changed, whereby from the transformed optical wave field different modulated wave fields (ie in the phase and / or amplitude changed wave fields) in the Fourier Level can be generated for different focal lengths of the lens. The focus variable lens is in particular an electrically tunable lens, in which the focal length of the lens is changed without mechanical adjustment by means of electrical current or electrical voltage. Such electrically tunable lenses are known in the art.

Die mit der fokusvariablen Linse erzeugten modulierten Wellenfelder werden mit der optischen Einrichtung einer zweiten Fourier-Transformation unterzogen, wodurch in einer Detektionsebene jeweilige unterschiedliche Intensitätsverteilungen für unterschiedliche Brennweiten der Linse erhalten werden, die von einem Bildaufnehmer erfasst werden. Aus den gemessenen unterschiedlichen Intensitätsverteilungen werden schließlich die Amplitude und die Phase des optischen Wellenfelds der Messebene ermittelt, wobei hierzu an sich bekannte Phase-Retrieval-Verfahren eingesetzt werden können. Weiter unten wird eine spezielle Ausführungsform eines Phasen-Rekonstruktions-Verfahrens angegeben, das im Rahmen der Ermittlung der Amplitude und Phase des optischen Wellenfelds eingesetzt werden kann.The modulated wave fields generated by the focus variable lens are subjected to a second Fourier transformation with the optical device, whereby in a detection plane respective different intensity distributions are obtained for different focal lengths of the lens, which are detected by an image sensor. From the measured different intensity distributions, finally, the amplitude and the phase of the optical wave field of the measurement plane are determined, for which purpose known phase retrieval methods can be used. Given below is a specific embodiment of a phase reconstruction method that can be used in the determination of the amplitude and phase of the optical wavefield.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Vermessung eines optischen Wellenfelds eine fokusvariable Linse verwendet wird, welche ohne mechanische Verschiebung einer Detektionsebene durch Variation ihrer Brennweite verschiedene Intensitätsverteilungen generieren kann. Aufgrund der kontinuierlichen Struktur der fokusvariablen Linse kann ein kompakter Aufbau zur Messung des optischen Wellenfelds erreicht werden. Darüber hinaus weisen fokusvariable Linsen und insbesondere elektrisch abstimmbare Linsen sehr kurze Reaktionszeiten zur Veränderung ihrer Brennweite auf, so dass auch zeitlich schnell variierende Wellenfelder erfasst werden können. Zum Beispiel können zeitliche Änderungen eines Prüflings während seiner Erwärmung detektiert werden. Darüber hinaus weisen fokusvariable Linsen den Vorteil auf, dass sie gegenüber räumlichen Lichtmodulatoren wesentlich preisgünstiger sind. Ferner müssen fokusvariable Linsen nicht auf die entsprechende Wellenlänge des optischen Wellenfelds kalibriert werden.The inventive method is characterized in that for measuring an optical wave field, a focus variable lens is used, which can generate different intensity distributions without mechanical displacement of a detection plane by varying their focal length. Due to the continuous structure of the focus variable lens, a compact structure for measuring the optical wave field can be achieved. In addition, focus-variable lenses and in particular electrically tunable lenses have very short reaction times for changing their focal length, so that temporally rapidly varying wave fields can also be detected. For example, temporal changes of a device under test during its heating can be detected. In addition, focus variable lenses have the advantage of being much less expensive than spatial light modulators. Furthermore, focus variable lenses need not be calibrated to the appropriate wavelength of the optical wavefield.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform entspricht die mit der optischen Einrichtung realisierte zweite Fourier-Transformation der ersten Fourier-Transformation, wodurch jeweilige Intensitätsverteilungen erhalten werden, welche aus den jeweiligen modulierten Wellenfeldern durch Anwenden einer zu der ersten Fourier-Transformation inversen Fourier-Transformation hervorgehen. Man macht sich hierbei die Erkenntnis zunutze, dass das Anwenden einer Fourier-Transformation bis auf eine Drehung in der Abbildungsebene um 180° dem Anwenden einer inversen Fourier-Transformation entspricht. Nichtsdestotrotz sind auch Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens denkbar, bei dem sich die zweite Fourier-Transformation von der ersten Fourier-Transformation in ihrer Skalierung unterscheidet. In diesem Fall muss die Skalierung bei der Ermittlung der Amplitude und Phase des optischen Wellenfelds berücksichtigt werden.In a particularly preferred embodiment, the second Fourier transformation realized with the optical device corresponds to the first Fourier transformation, whereby respective intensity distributions are obtained which emerge from the respective modulated wave fields by applying a Fourier transformation inverse to the first Fourier transformation. One makes use of the knowledge that applying a Fourier transformation to a rotation in the imaging plane by 180 ° corresponds to the application of an inverse Fourier transformation. Nevertheless, variants of the method according to the invention are conceivable in which the second Fourier transformation differs from the first Fourier transformation in its scaling. In this case, the scaling must be taken into account when determining the amplitude and phase of the optical wave field.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren der Erfindung sehr einfach dadurch realisiert, dass die optische Einrichtung, mit der die erste und zweite Fourier-Transformation erzeugt werden, eine sog. 4f-Konfiguration darstellt. Diese 4f-Konfiguration umfasst eine erste Linse und eine zweite Linse mit identischen Brennweiten, wobei die Messebene der vorderen Brennebene der ersten Linse entspricht und die Fourier-Ebene mit der fokusvariablen Linse in der hinteren Brennebene der ersten Linse liegt. Ferner liegt die Fourier-Ebene mit der fokusvariablen Linse in der vorderen Brennebene der zweiten Linse, und die Detektionsebene befindet sich in der hinteren Brennebene der zweiten Linse.In a particularly preferred embodiment, the method of the invention is realized very simply by the fact that the optical device with which the first and second Fourier transforms are generated represents a so-called 4f configuration. This 4f configuration comprises a first lens and a second lens having identical focal lengths, the measurement plane corresponding to the front focal plane of the first lens and the Fourier plane having the focus variable lens located in the back focal plane of the first lens. Further, the Fourier plane with the focus variable lens is in the front focal plane of the second lens, and the detection plane is in the back focal plane of the second lens.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Amplitude und Phase des optischen Wellenfelds mittels eines iterativen Phasen-Rekonstruktions-Verfahrens ermittelt. Hierzu kann eine Abwandlung des in der Druckschrift [1] beschriebenen Phasen-Rekonstruktions-Verfahrens verwendet werden. Der Ablauf des Verfahrens wird im folgenden Absatz beschrieben. Das iterative Phasen-Rekonstruktions-Verfahren wird vorzugsweise dann beendet, wenn das in einem Iterationsschritt bestimmte optische Wellenfeld der Messebene weniger als eine vorbestimmte Schwelle von der Phase des im vorhergehenden Iterationsschritt bestimmten optischen Wellenfelds der Messebene abweicht.In a further embodiment of the method according to the invention, the amplitude and phase of the optical wave field are determined by means of an iterative phase reconstruction method. For this purpose, a modification of the phase reconstruction method described in the document [1] can be used. The procedure is described in the following paragraph. The iterative phase reconstruction method is preferably terminated when the measurement plane optical wavefield determined in an iteration step deviates less than a predetermined threshold from the phase of the optical wavefield of the measurement plane determined in the preceding iteration step.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird im Phasen-Rekonstruktions-Verfahren eine Iteration verwendet, bei der in jedem Iterationsschritt ausgehend von einem im vorhergehenden Iterationsschritt bestimmten optischen Wellenfeld der Messebene eine Schleife für aufeinander folgende, im Verfahren veränderte Brennweiten der fokusvariablen Linse durchlaufen wird. Dabei wird basierend auf einer jeweiligen veränderten Brennweite unter Verwendung der hierfür erzeugten und mit dem Bildaufnehmer erfassten Intensitätsverteilung in der Detektionsebene das Wellenfeld der Messebene rekonstruiert, was unter Kenntnis der verwendeten ersten bzw. zweiten Fourier-Transformation und der Transfer-Funktion der fokusvariablen Linse problemlos möglich ist. Das rekonstruierte Wellenfeld wird als Eingangsgröße für die nächste veränderte Brennweite zur Erzeugung eines neuen rekonstruierten Wellenfelds verwendet, wobei das rekonstruierte Wellenfeld der Messebene nach Durchlaufen aller aufeinander folgenden veränderten Brennweiten das im entsprechenden Iterationsschritt bestimmte Wellenfeld der Messebene ist. Dieses Wellenfeld fließt dann zu Beginn des nächsten Iterationsschritts als Eingangsgröße ein. Ein Phasen-Rekonstruktions-Verfahren basierend auf der soeben beschriebenen Ausführungsform wird in der detaillierten Beschreibung der Anmeldung erläutert.In a particularly preferred embodiment, an iteration is used in the phase reconstruction method in which, in each iteration step, starting from an in the preceding iteration step certain optical wave field of the measurement plane a loop for successive, changed in the process focal lengths of the focus variable lens is traversed. In this case, the wave field of the measurement plane is reconstructed based on a respective changed focal length using the intensity distribution detected for this purpose and detected by the image recorder, which is easily possible knowing the first or second Fourier transformation used and the transfer function of the focus variable lens is. The reconstructed wave field is used as an input variable for the next changed focal length for generating a new reconstructed wave field, wherein the reconstructed wave field of the measurement plane after passing through all successive changed focal lengths is the wave field of the measurement plane determined in the corresponding iteration step. This wave field then flows into the input of the beginning of the next iteration step. A phase reconstruction method based on the embodiment just described will be explained in the detailed description of the application.

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.Based on the method according to the invention, for example, the optical wave field originating from an object can be measured. The optical wave field originating from the object is in this case, in particular, a radiation reflected directly and / or diffusely on the object and / or a radiation transmitted through the object.

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.The method of the invention can be used in a variety of applications. In particular, with the method, an object, for. As the structure and / or the surface of an object to be checked. For example, lenses can be inspected for lens aberration, or wavefront sensors can be tested. In general, the method according to the invention is suitable for testing optical components.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das optische Wellenfeld der Messebene mit Hilfe von Laserstrahlung und/oder von Strahlung erzeugt, welche von einer oder mehreren Dioden stammen. Da in dem erfindungsgemäßen Verfahren keine besonders hohen Anforderungen an die zeitliche Kohärenz der Strahlung gestellt werden, ist die Verwendung von Laserstrahlung nicht zwangsläufig erforderlich.In a further embodiment of the method according to the invention, the optical wave field of the measuring plane is generated with the aid of laser radiation and / or radiation originating from one or more diodes. Since no particularly high demands are placed on the temporal coherence of the radiation in the method according to the invention, the use of laser radiation is not necessarily required.

Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Vorrichtung zur Messung eines optischen Wellenfelds. Die Vorrichtung umfasst eine optische Einrichtung, welche derart ausgestaltet ist, dass mit dieser Einrichtung das optische Wellenfeld einer Messebene einer ersten Fourier-Transformation unterzogen wird, wodurch ein transformiertes optisches Wellenfeld in einer Fourier-Ebene erhalten wird. Die Vorrichtung beinhaltet ferner eine fokusvariable Linse, die in der Fourier-Ebene angeordnet ist, wobei die Brennweite der fokusvariablen Linse im Betrieb der Vorrichtung verändert wird, wodurch aus dem transformierten optischen Wellenfeld verschiedene modulierte Wellenfelder in der Fourier-Ebene erzeugt werden.In addition to the method described above, the invention further relates to an apparatus for measuring an optical wave field. The device comprises an optical device, which is designed in such a way that with this device the optical wave field of a measuring plane is subjected to a first Fourier transformation, whereby a transformed optical wave field in a Fourier plane is obtained. The apparatus further includes a focus variable lens disposed in the Fourier plane, the focal length of the focus variable lens being varied as the device operates, thereby producing different modulated wave fields in the Fourier plane from the transformed optical wavefield.

Die optische Einrichtung ist ferner derart ausgestaltet, dass mit dieser Einrichtung die jeweiligen modulierten Wellenfelder einer zweiten Fourier-Transformation unterzogen werden, wodurch in einer Detektionsebene jeweilige unterschiedliche Intensitätsverteilungen erhalten werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält einen Bildaufnehmer zum Erfassen der jeweiligen Intensitätsverteilungen sowie ein Auswertemittel, welches derart ausgestaltet ist, dass es aus den gemessenen Intensitätsverteilungen die Amplitude und Phase des optischen Wellenfelds der Messebene ermittelt.The optical device is further configured such that the respective modulated wave fields are subjected to a second Fourier transformation with this device, whereby respective different intensity distributions are obtained in a detection plane. The device according to the invention contains an image recorder for detecting the respective intensity distributions and an evaluation means, which is designed such that it determines the amplitude and phase of the optical wave field of the measurement plane from the measured intensity distributions.

Die soeben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass eine oder mehrere bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Vorrichtung durchführbar sind.The device according to the invention just described is preferably designed such that one or more preferred variants of the method according to the invention can be carried out with the device.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.Embodiments of the invention are described below in detail with reference to the accompanying drawings.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung eines bekannten Aufbaus zur Messung eines optischen Wellenfelds; 1 a schematic representation of a known structure for measuring an optical wave field;

2 eine schematische Darstellung eines Aufbaus zur Messung eines optischen Wellenfelds; und 2 a schematic representation of a structure for measuring an optical wave field; and

3 ein Flussdiagramm, welches die Ermittlung der Phase und Amplitude des gemäß dem Aufbau der 2 erfassten Wellenfelds zeigt. 3 a flow chart, which determines the phase and amplitude of the according to the structure of 2 detected wave field shows.

1 zeigt in Draufsicht den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Messung eines optischen Wellenfelds, die aus dem Stand der Technik bekannt ist und in den Dokumenten [1] und [2] beschrieben ist. In der Anordnung der 1 wird das von einem Objekt O ausgehende Wellenfeld in einer Eingangsebene bzw. Messebene MP vermessen. Die Messebene MP wird durch einen vertikal nach oben verlaufenden Pfeil angedeutet. Das Wellenfeld wird dadurch erzeugt, dass eine kohärente ebene Welle, die durch die Gruppe von horizontalen Pfeilen P angedeutet ist, auf das Objekt fällt und je nach Ausgestaltung des Objekts reflektiert bzw. transmittiert wird. Ziel des Verfahrens ist es dabei, das Wellenfeld in der Messebene MP mit seiner Amplitude und Phase zu bestimmen. Die Punkte der Messebene werden durch ein zweidimensionales kartesisches Koordinatensystem mit x-Achse und y-Achse beschrieben. Die x-Achse liegt z. B. in der Blattebene. In diesem Fall steht die y-Achse senkrecht auf der Blattebene. 1 shows in plan view the schematic structure of an apparatus for measuring an optical wave field, which is known from the prior art and in the documents [1] and [2] is described. In the arrangement of 1 the wave field emanating from an object O is measured in an input plane or measuring plane MP. The measuring plane MP is indicated by a vertical upward arrow. The wave field is generated by a coherent plane wave, which is indicated by the group of horizontal arrows P, falling on the object and is reflected or transmitted depending on the design of the object. The aim of the method is to determine the wave field in the measurement plane MP with its amplitude and phase. The points of the measurement plane are described by a two-dimensional Cartesian coordinate system with x-axis and y-axis. The x-axis is z. B. in the sheet level. In this case, the y-axis is perpendicular to the sheet plane.

In dem Aufbau der 1 sind entlang der optischen Achse OA zwei Linsen L₁ und L₂ mit identischer Brennweite vorgesehen. In dem Strahlengang zwischen den Linsen L₁ und L₂ ist ein reflektierender räumlicher Lichtmodulator (auch als SLM bezeichnet) 102 angeordnet, mit dem die Phase des darauf auftreffenden Lichts moduliert wird. Der Lichtmodulator ist dabei ein an sich bekanntes LCD-Display. In dem Aufbau der 1 ist ferner ein Bildaufnehmer 104 in der Form einer CCD-Kamera mit Detektionsebene DP vorgesehen. Außerdem befindet sich im Strahlengang zwischen Messebene MP und Linse L₁ eine λ/2-Platte 101 und im Strahlengang zwischen Linse L₂ und Bildaufnehmer 104 ein linearer Polarisator 103. Mit der λ/2-Platte 102 und dem Polarisator 103 wird die Polarisation des Wellenfelds basierend auf den Anforderungen des räumlichen Lichtmodulators eingestellt.In the construction of the 1 are provided along the optical axis OA two lenses L ₁ and L ₂ with identical focal length. In the beam path between the lenses L ₁ and L ₂ is a reflective spatial light modulator (also referred to as SLM) 102 arranged, with which the phase of the light incident thereon is modulated. The light modulator is a known per se LCD display. In the construction of the 1 is also an imager 104 provided in the form of a CCD camera with detection plane DP. In addition, located in the beam path between the measuring plane MP and lens L _{1 is} a λ / 2 plate 101 and in the beam path between lens L ₂ and imager 104 a linear polarizer 103 , With the λ / 2 plate 102 and the polarizer 103 the polarization of the wave field is adjusted based on the requirements of the spatial light modulator.

Gemäß 1 sind die Linsen L₁ und L₂ in einer sog. 4f-Konfiguration angeordnet. Gemäß dieser Konfiguration befindet sich die Messebene MP in der vorderen Brennebene der Linse L₁, wohingegen in der hinteren Brennebene der Linse L₁ der räumliche Lichtmodulator 102 positioniert ist. Ferner entspricht die vordere Brennebene der Linse L₂ der Position des Lichtmodulators 102 und die Detektionsebene DP liegt in der hinteren Brennebene der Linse L₂. Gemäß dieser 4f-Konfiguration wird erreicht, dass in der Ebene des Lichtmodulators 102 die Fourier-Transformation des Wellenfelds aus der Messebene MP generiert wird. In Analogie wird über die Linse L₂ in der Detektionsebene DP die inverse Fourier-Transformation des Bilds der Fourier-Ebene des Lichtmodulators 102 generiert. Dabei ist das entsprechende Koordinatensystem in der Detektionsebene DP um 180° im Vergleich zur Messebene MP gedreht.According to 1 the lenses L ₁ and L ₂ are arranged in a so-called. 4f configuration. According to this configuration, the measurement plane MP is in the front focal plane of the lens L ₁ , whereas in the back focal plane of the lens L _{1 is} the spatial light modulator 102 is positioned. Further, the front focal plane of the lens L ₂ corresponds to the position of the light modulator 102 and the detection plane DP is in the back focal plane of the lens L ₂ . According to this 4f configuration, it is achieved that in the plane of the light modulator 102 the Fourier transformation of the wave field is generated from the measurement plane MP. By analogy, the lens L ₂ in the detection plane DP becomes the inverse Fourier transform of the image of the Fourier plane of the light modulator 102 generated. In this case, the corresponding coordinate system in the detection plane DP is rotated by 180 ° in comparison to the measuring plane MP.

Mit dem räumlichen Lichtmodulator 102 wird die Phase des Wellenfelds zu mehreren Zeitpunkten verschieden moduliert, wodurch sich unterschiedliche Intensitätsverteilungen in der Detektionsebene DP ergeben, die jeweils von dem Bildaufnehmer 104 erfasst werden. Wie in den Druckschriften [1] und [2] beschrieben ist, wird die Modulation durch den Lichtmodulator so eingestellt, dass hierdurch eine Propagation im freien Raum simuliert wird, d. h., es wird eine Verschiebung der Detektionsebene DP entlang der optischen Achse OA simuliert. Es werden somit für das zu messende Wellenfeld Intensitätsverteilungen in verschiedenen Detektionsebenen generiert, aus denen mit an sich bekannten Phase-Retrieval-Verfahren die Amplitude und Phase des Wellenfelds in der ursprünglichen Messebene MP rekonstruiert werden können. Eine genaue Beschreibung eines geeigneten Phase-Retrieval-Verfahrens findet sich in der Druckschrift [1].With the spatial light modulator 102 the phase of the wave field is differently modulated at several times, resulting in different intensity distributions in the detection plane DP, each from the image sensor 104 be recorded. As described in references [1] and [2], the modulation by the light modulator is adjusted so as to simulate propagation in free space, ie, a displacement of the detection plane DP along the optical axis OA is simulated. Thus, intensity distributions in different detection planes are generated for the wave field to be measured, from which the amplitude and phase of the wave field in the original measurement plane MP can be reconstructed using phase retrieval methods known per se. A detailed description of a suitable phase retrieval method can be found in reference [1].

Die Anordnung der 1 weist gegenüber anderen Aufbauten den Vorteil auf, dass durch die Phasenmodulation mit dem räumlichen Lichtmodulator auf eine manuelle Verschiebung der Detektionsebene DP verzichtet werden kann. Nichtsdestotrotz hat der Aufbau der 1 Nachteile. Insbesondere weist ein räumlicher Lichtmodulator eine pixelartige Struktur auf, wodurch der Kompaktheit des Aufbaus Grenzen gesetzt sind. Ferner muss der räumliche Lichtmodulator für die entsprechende Wellenlänge des zu vermessenden Wellenfelds kalibriert werden. Aufgrund der eingeschränkten Reaktionszeit eines räumlichen Lichtmodulators, die bei in etwa 50 ms liegt, können schnelle Phänomene, bei denen sich das Wellenfeld in kürzeren Zeitspannen verändert, nicht detektiert werden. Ferner ist der Aufbau gemäß 1 aufgrund der Verwendung des räumlichen Lichtmodulators und der entsprechenden Polarisationsplatten teuer.The arrangement of 1 has the advantage over other structures that can be dispensed with a manual displacement of the detection plane DP by the phase modulation with the spatial light modulator. Nevertheless, the structure of the 1 Disadvantage. In particular, a spatial light modulator has a pixel-like structure, which limits the compactness of the structure. Furthermore, the spatial light modulator must be calibrated for the corresponding wavelength of the wave field to be measured. Due to the limited response time of a spatial light modulator, which is around 50 ms, fast phenomena in which the wave field changes in shorter time periods can not be detected. Furthermore, the structure is according to 1 expensive due to the use of the spatial light modulator and the corresponding polarizing plates.

Die soeben beschriebenen Nachteile werden mit dem Aufbau der 2 beseitigt. Dieser Aufbau ist eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Vermessung eines Wellenfelds. In Analogie zu 1 wird dabei das Wellenfeld eines Objekts O in einer Messebene MP vermessen. Dieses Wellenfeld ist in 2 mit U_obj bezeichnet. U_obj entspricht der Phase und (reellen) Amplitude des Wellenfelds an den verschiedenen Positionen in der Messebene MP. U_obj wird oftmals auch als komplexe Amplitude bezeichnet. In der Anordnung der 2 sind entlang der optischen Achse OA wiederum zwei Linsen 1 und 2 mit identischen Brennweiten f vorgesehen. Zwischen der Linse 1 und 2 ist ferner eine sog. fokusvariable Linse 3 angeordnet, die als elektrisch abstimmbare Linse (auch als EL-Linse bezeichnet) ausgestaltet ist.The disadvantages just described are with the structure of 2 eliminated. This structure is an embodiment of the device for measuring a wave field. In analogy to 1 In this case, the wave field of an object O is measured in a measurement plane MP. This wave field is in 2 _denoted by U _obj . U _obj corresponds to the phase and (real) amplitude of the wave field at the different positions in the measurement plane MP. U _obj is often referred to as complex amplitude. In the arrangement of 2 are in turn along the optical axis OA two lenses 1 and 2 provided with identical focal lengths f. Between the lens 1 and 2 is also a so-called. Focus variable lens 3 arranged, which is configured as an electrically tunable lens (also referred to as EL lens).

Elektrisch abstimmbare Linsen sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und umfassen in der Regel einen Container mit einer optischen Flüssigkeit, der mit einer elastischen Polymermembran abgedichtet ist. Mit Hilfe einer elektromagnetischen Spule wird die Oberfläche der Membran bewegt und hierdurch die Form der EL-Linse verändert, was wiederum zu einer Veränderung der Brennweite der Linse führt. Mit anderen Worten kann mit der EL-Linse 3 durch die Veränderung der an der elektromagnetischen Spule angelegten Spannung die Brennweite der Linse variiert werden. In 1 ist die gerade eingestellte Brennweite der elektrisch abstimmbaren Linse 3 mit f_n bezeichnet. In der Vorrichtung der 2 können generell beliebige, an sich bekannte EL-Linsen verwendet werden. In einer Variante des Aufbaus wurde von den Erfindern eine Linse aus der Serie EL-10-30 der Firma Optotune eingesetzt. Electrically tunable lenses are well known in the art and typically include a container with an optical fluid sealed with a resilient polymeric membrane. By means of an electromagnetic coil, the surface of the membrane is moved and thereby changes the shape of the EL lens, which in turn leads to a change in the focal length of the lens. In other words, with the EL lens 3 by varying the voltage applied to the electromagnetic coil, the focal length of the lens can be varied. In 1 is the currently set focal length of the electrically tunable lens 3 denoted by f _n . In the device of 2 In general, any conventional EL lenses can be used. In a variant of the construction, the inventors used a lens from the EL-10-30 series from Optotune.

Im Aufbau der 2 ist wie in 1 ein Bildaufnehmer in der Form einer CCD-Kamera 4 vorgesehen, mit der die Intensitätsverteilung I_n in einer Detektionsebene DP entsprechend der gerade eingestellten Brennweite f_n der Linse 3 erfasst wird. Der Aufbau der 2 ist wiederum eine 4f-Konfiguration, d. h. die Messebene MP befindet sich in der vorderen Brennebene der Linse 1, und die elektrisch abstimmbare Linse 3 ist in der hinteren Brennebene der Linse 1 platziert. Die hintere Brennebene entspricht somit der Fourier-Ebene FP, in der die Fourier-Transformation des Wellenfelds U_obj generiert wird. Ferner befindet sich die elektrisch abstimmbare Linse 3 in der vorderen Brennebene der Linse 2, wohingegen die Detektionsebene DP in der hinteren Brennebene der Linse 2 angeordnet ist. Auf diese Weise wird durch die Linse 2 eine weitere Fourier-Transformation bewirkt. Diese Fourier-Transformation entspricht der Inversen der Fourier-Transformation, die über die Linse 1 durchgeführt wird, wenn man das Koordinatensystem in der Detektionsebene DP gegenüber der Messebene MP um 180° dreht, was durch den Pfeil in der Detektionsebene angedeutet ist, der in entgegengesetzter Richtung zum Pfeil der Messebene MP ausgerichtet ist.In the construction of 2 is like in 1 an imager in the form of a CCD camera 4 provided with the intensity distribution I _n in a detection plane DP corresponding to the currently set focal length f _{n of} the lens 3 is detected. The construction of the 2 again is a 4f configuration, ie the measurement plane MP is in the front focal plane of the lens 1 , and the electrically tunable lens 3 is in the back focal plane of the lens 1 placed. The rear focal plane thus corresponds to the Fourier plane FP, in which the Fourier transformation of the wave field U _{obj is} generated. Furthermore, there is the electrically tunable lens 3 in the front focal plane of the lens 2 whereas the detection plane DP is in the back focal plane of the lens 2 is arranged. This way is through the lens 2 causes a further Fourier transformation. This Fourier transform corresponds to the inverse of the Fourier transform that passes through the lens 1 is performed when rotating the coordinate system in the detection plane DP with respect to the measurement plane MP by 180 °, which is indicated by the arrow in the detection plane, which is aligned in the opposite direction to the arrow of the measurement plane MP.

Die wesentliche Komponente der Anordnung der 2 ist die elektrisch abstimmbare Linse 3. Im Rahmen der Vermessung des Wellenfelds wird dabei zu M verschiedenen Zeitpunkten eine unterschiedliche Brennweite f_n (n = 1, ..., M) der elektrisch abstimmbaren Linse 3 eingestellt und für die entsprechende Brennweite die Intensitätsverteilung I_n erfasst. Durch die Veränderung der Brennweite werden unterschiedlich modulierte Wellenfelder in die Fourier-Ebene FP erzeugt, ohne dass hierzu ein räumlicher Lichtmodulator benötigt wird. Aus den mittels der unterschiedlichen Brennweiten erzeugten Intensitätsverteilungen I_n kann dabei wiederum mit einem Phase-Retrieval-Verfahren das Wellenfeld in der Messebene MP rekonstruiert werden.The essential component of the arrangement of 2 is the electrically tunable lens 3 , Within the framework of the measurement of the wave field, a different focal length f _n (n = 1,..., M) of the electrically tunable lens is produced at M different times 3 set and for the corresponding focal length, the intensity distribution I _n detected. By changing the focal length differently modulated wave fields are generated in the Fourier plane FP, without the need for a spatial light modulator is required. From the intensity distributions I _n generated by means of the different focal lengths, the wave field in the measurement plane MP can again be reconstructed with a phase retrieval method.

In der hier beschriebenen Ausführungsform wird eine Abwandlung des in der Druckschrift [1] beschriebenen iterativen Phasen-Rekonstruktions-Verfahrens zur Bestimmung der komplexen Amplitude U_obj eingesetzt. Dieses abgewandelte Phasen-Rekonstruktions-Verfahren wird nachfolgend anhand des Flussdiagramms der 3 beschrieben. In 3 bezeichnet der Index k den aktuellen Iterationsschritt und der Index n bezieht sich auf die entsprechend eingestellte Brennweite f_n der Linse 3. Ausgangspunkt des Verfahrens (Schritt S1) ist zu Beginn der Iteration eine beliebig gewählte komplexe Amplitude U (0) / obj. Diese Amplitude wird im ersten Iterationsschritt des Verfahrens verwendet. In späteren Iterationsschritten wird die komplexe Amplitude verwendet, die im vorhergehenden Iterationsschritt ermittelt wurde. Die komplexe Amplitude des Iterationsschritts k wird in 3 mit U (k) / obj bezeichnet.In the embodiment described here, a modification of the iterative phase reconstruction method described in reference [1] is used to determine the complex amplitude U _obj . This modified phase reconstruction method will be described below with reference to the flowchart of 3 described. In 3 the index k denotes the current iteration step and the index n refers to the correspondingly adjusted focal length f _{n of} the lens 3 , The starting point of the method (step S1) is an arbitrarily selected complex amplitude at the beginning of the iteration U (0) / obj. This amplitude is used in the first iteration step of the method. In later iterations, the complex amplitude determined in the previous iteration step is used. The complex amplitude of the iteration step k is in 3 With U (k) / obj designated.

Innerhalb eines Iterationsschritts k wird eine Schleife n-mal für jede der eingestellten Brennweiten f_n der Linse 3 durchlaufen. Dabei wird zunächst in Schritt S2 basierend auf dem Wellenfeld U (k) / obj in der Messebene MP das sich hierdurch ergebende Wellenfeld U ~ (k) / n in der Detektionsebene DP für die entsprechende Brennweite f_n wie folgt berechnet: U ~ (k) / n = F^–1{F{U (k) / obj}·H_fn (1). Within an iteration step k, a loop is n times for each of the set focal lengths f _{n of} the lens 3 run through. In this case, first in step S2, based on the wave field U (k) / obj in the measuring plane MP, the resulting wave field U ~ (k) / n in the detection plane DP for the corresponding focal length f _n is calculated as follows: U ~ (k) / n = F ^-1 {F {U (k) / obj} · H _fn (1).

Hierzu wird die Transfer-Funktion H_fn der Linse 3 genutzt, welche wie folgt definiert ist:

For this purpose, the transfer function H _{fn of} the lens 3 used, which is defined as follows:

Dabei bezeichnen x und y die entsprechenden kartesischen Koordinaten in der Fourier-Ebene FP. Mit F und F^–1 wird die Fourier-Transformation bzw. die inverse Fourier-Transformation bezeichnet, die durch die Linse 1 bzw. die Linse 2 durchgeführt wird. Nach der Berechnung gemäß Schritt S2 wird in einem Schritt S3 unter Verwendung der in der Detektionsebene erfassten Intensitätsverteilung I_n die komplexe Amplitude U (k) / n des Wellenfelds in der Detektionsebene DP rekonstruiert. Die Rekonstruktion lautet dabei wie folgt:

In this case, x and y denote the corresponding Cartesian coordinates in the Fourier plane FP. With F and F ^{-1 is} the Fourier transform and inverse Fourier transform is denoted by the lens 1 or the lens 2 is carried out. After the calculation according to step S2, the complex amplitude is determined in a step S3 using the intensity distribution I _n detected in the detection plane

U (k) / n

of the wave field is reconstructed in the detection plane DP. The reconstruction is as follows:

Dabei bezeichnet arg (U ~ (k) / n) die Phase der komplexen Amplitude U ~ (k) / n. It means arg (U ~ (k) / n) the phase of the complex amplitude U ~ (k) / n.

In einem Schritt S4 wird dann aus dem Wellenfeld U (k) / n das Wellenfeld U (k) / obj in der Messebene MP wie folgt bestimmt: U (k) / obj = F^–1{F{U (k) / n}·H*_fn} (4). In a step S4 is then out of the wave field U (k) / n the wave field U (k) / obj determined in the measuring plane MP as follows: U (k) / obj = F ^-1 {F {U (k) / n} * H * _fn } (4).

Dabei stellt H*_fn das Komplex-Konjungierte der Transfer-Funktion H_fn der Linse 3 in der Fourier-Ebene FP dar, d. h. H*_fn lautet wie folgt:

H * _{fn represents} the complex conjugate of the transfer function H _{fn of} the lens 3 in the Fourier plane FP, ie H * _fn is as follows:

Die Schritte S1 bis S4 werden für alle entsprechend eingestellten Brennweiten f_n wiederholt, wie durch Schritt S5 sowie dessen Verzweigungen N (N = Nein) und Y (Y = Ja) wiedergegeben ist. Wurden alle Brennweiten verarbeitet (d. h. gilt n = M), wird in Schritt S6 überprüft, ob die betragsmäßige Differenz zwischen der im aktuellen Iterationsschritt k ermittelten Phase des Wellenfelds U (k) / obj und der im vorhergehenden Iterationsschritt (k – 1) ermittelten Phase des Wellenfelds U (k) / obj kleiner als ein Schwellwert ε ist, der sehr klein gewählt ist. Ist dies nicht der Fall, wird zum nächsten Iterationsschritt k + 1 übergegangen. Ansonsten ist die Genauigkeit des mittels der Iteration bestimmten Wellenfelds ausreichend, so dass das Ergebnis der Iteration U_obj = U (k) / obj ist (Schritt S7). Für die Berechnungen gemäß 3 wird eine entsprechende Auswerteeinheit in der Form eines Rechners verwendet, der die erfassten Intensitätsverteilungen I_n verarbeitet, jedoch in 2 nicht separat gezeigt ist.The steps S1 to S4 are repeated for all correspondingly adjusted focal length f _n, such as N (N = No) and Y (Y = Yes) is represented by Step S5 as well as its ramifications. If all focal lengths have been processed (ie, n = M), it is checked in step S6 whether the absolute difference between the phase of the wave field ascertained in the current iteration step k U (k) / obj and the phase of the wave field determined in the preceding iteration step (k-1) U (k) / obj is smaller than a threshold ε, which is very small. If this is not the case, the next iteration step k + 1 is passed. Otherwise, the accuracy of the wave field determined by the iteration is sufficient, so that the result of the iteration U _obj = U (k) / obj is (step S7). For the calculations according to 3 a corresponding evaluation unit in the form of a computer is used, which processes the detected intensity distributions I _n , but in 2 not shown separately.

Die im Vorangegangenen beschriebene Ausführungsform der Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere können auf einfache Weise mittels einer fokusvariablen bzw. elektrisch abstimmbaren Linse verschiedene Intensitätsverteilungen aus einem zu vermessenden Wellenfeld erzeugt werden. Hieraus kann mit einem geeigneten Phase-Retrieval-Verfahren die komplexe Amplitude des Wellenfelds bestimmt werden. Durch die Verwendung einer fokusvariablen Linse kann auf eine mechanische Verschiebung der Detektionsebene während der Vermessung des Wellenfelds verzichtet werden.The embodiment of the invention described above has a number of advantages. In particular, different intensity distributions from a wave field to be measured can be generated in a simple manner by means of a variable-focus or electrically tunable lens. From this, the complex amplitude of the wave field can be determined with a suitable phase retrieval method. By using a focus-variable lens, a mechanical shift of the detection plane during the measurement of the wave field can be dispensed with.

Die Verwendung einer elektrisch abstimmbaren Linse weist gegenüber dem in 1 verwendeten räumlichen Lichtmodulator den Vorteil auf, dass durch die Linse eine kontinuierliche Struktur im Vergleich zu der pixelartigen Struktur des Lichtmodulators bereitgestellt wird, wodurch die Vorrichtung kompakter aufgebaut werden kann. Ferner werden Verzerrungen vermieden. Darüber hinaus können mit einer elektrisch abstimmbaren Linse die entsprechenden Brennweiten in sehr kurzer Zeit verändert werden und damit das Wellenfeld sehr schnell moduliert werden, so dass auch schnelle Phänomene erfasst werden können bzw. die Messung schneller durchgeführt werden kann. Insbesondere liegen die Antwortzeiten einer elektrisch abstimmbaren Linse bei in etwa 2 ms, was 25-mal schneller ist als für einen herkömmlichen räumlichen Lichtmodulator. Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße Aufbau wesentlich kostengünstiger, da fokusvariable Linsen deutlich billiger als räumliche Lichtmodulatoren sind. Zudem erfordert eine fokusvariable Linse keine Kalibrierung auf die entsprechende Wellenlänge des zu vermessenden Wellenfelds.The use of an electrically tunable lens is superior to that in 1 The spatial light modulator used has the advantage that a continuous structure is provided by the lens compared to the pixel-like structure of the light modulator, whereby the device can be made more compact. Furthermore, distortions are avoided. In addition, with an electrically tunable lens the corresponding focal lengths can be changed in a very short time and thus the wave field can be modulated very quickly, so that even fast phenomena can be detected or the measurement can be performed faster. In particular, the response times of an electrically tunable lens are about 2 ms, which is 25 times faster than for a conventional spatial light modulator. In addition, the structure of the invention is much cheaper because focus variable lenses are much cheaper than spatial light modulators. In addition, a focus variable lens does not require calibration to the appropriate wavelength of the wave field to be measured.

Literaturverzeichnis:Bibliography:

[1] Agour, M .; Almoro, P.F .; Falldorf, C., Investigation of smooth wave fronts using SLM-based phase retrieval and a phase diffuser. J. Euxop. Opt. Soc .: Rapid Publications 7 (2012) 12046.
[2] Falldorf, C .; Agour, M .; v. Kopylov, C .; Bergmann, R.B., Phase retrieval by means of a spatial light modulator in the Fourier domain of an imaging system. Applied Optics 49/10 (2010) 1826-1830.
[3] Falldorf, C .; Agour, M .; v. Kopylov, C .; Bergmann, R.B., Design of an optical system for phase retrieval based on a spatial light modulator. "AIP Conf. Proc. 1236 (2010) 259-264.
[4] DE 10 2007 009 661 A1
[5] DE 10 2008 060 689 B3
[6] DE 40 03 698 A1

Claims

Method for measuring an optical wave field (U _obj ), in which: - the optical wave field (U _obj ) of a measuring plane (MP) with an optical device ( 1 . 2 ) is subjected to a first Fourier transform, whereby a transformed optical wave field in a Fourier plane (FP) is obtained; The focal length (f _n ) of a focus variable lens ( 3 ) arranged in the Fourier plane (FP) is changed, whereby different modulated wave fields in the Fourier plane (FP) are generated from the transformed optical wave field; The respective modulated wave fields with the optical device ( 1 . 2 ) are subjected to a second Fourier transformation, whereby in a detection plane (DP) respective intensity distributions (I _n ) obtained by an image sensor ( 4 ) are recorded; - from the intensity distributions (I _n), the amplitude and phase of the optical wave field (U _obj) are determined of the measured level (MP).

Method according to claim 1, characterized in that the focus-variable lens ( 3 ) is an electrically tunable lens.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the second Fourier transform corresponds to the first Fourier transform, and thereby respective intensity distributions (I _n ) are obtained from the respective modulated wave fields by applying a Fourier inverse to the first Fourier transform Transformation.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the optical device ( 1 . 2 ) a 4f configuration with a first lens ( 1 ) and a second lens ( 2 ) with identical focal lengths (f), wherein the measurement plane (MP) of the front focal plane of the first lens ( 1 ) and the Fourier plane (FP) with the focus variable lens ( 3 ) in the rear focal plane of the first lens ( 1 ), wherein the Fourier plane (FP) with the focus variable lens ( 3 ) further in the front focal plane of the second lens ( 2 ) and the detection plane (DP) in the rear focal plane of the second lens ( 2 ) lies.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the amplitude and phase of the optical wave field (U _obj ) are determined by means of an iterative phase reconstruction method.

A method according to claim 5, characterized in that in each iteration step, starting from an optical wave field determined in the preceding iteration step

(U (k) / obj)

the measurement plane (MP) a loop for successive, in the process changed focal lengths (f _n ) of the focus variable lens ( 3 ), wherein based on a respective changed focal length (f _n ) using the image generated therefrom and with the image sensor ( 4 ) detected intensity distribution (I _n ) in the detection plane (DP) the wave field

(U (k) / obj)

the measurement plane (MP) is reconstructed using the reconstructed wave field

(U (k) / obj)

as the input variable for the next changed focal length (f _n ) for generating a new reconstructed wave field

(U (k) / obj)

flows in and the reconstructed wave field

(U (k) / obj)

the measuring plane (MP) after passing through all successive changed focal lengths (f _n ) the wave field determined in the corresponding iteration step

(U (k) / obj)

the measurement level (MP) is.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method _{measures the} optical wave field (U _obj ) originating from an object (O).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the optical wave field (U _obj ) of the measuring plane (MP) by means of laser radiation and / or radiation, which originates from one or more diodes, is generated.

An apparatus for measuring an optical wave field (U _obj) comprising: - an optical device ( 1 . 2 ), which is designed such that with this optical device ( 1 . 2 ) the optical wave field (U _obj ) of a measurement plane (MP) is subjected to a first Fourier transformation, whereby a transformed optical wave field in a Fourier plane (FP) is obtained; A focus variable lens ( 3 ), which is arranged in the Fourier plane (FP), wherein the focal length (f _n ) of the focus variable lens ( 3 ) is changed in the operation of the device, whereby from the transformed optical wave field different modulated wave fields in the Fourier plane (FP) are generated, wherein the optical device ( 1 . 2 ) is further configured such that with this optical device ( 1 . 2 ) the respective ones modulated wave fields are subjected to a second Fourier transformation, whereby in a detection plane (DP) respective intensity distributions (I _n ) are obtained; An image recorder ( 4 ) for detecting the respective intensity distributions (I _n ); - An evaluation, which is designed such that it determines from the intensity distributions (I _n ), the amplitude and phase of the optical wave field (U _obj ) of the measuring plane (MP).

Apparatus according to claim 9, characterized in that the device is arranged for carrying out a method according to one of claims 2 to 8.