DE69622406T4 - Phasenkontrastbilderzeugung - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Erzeugung eines vorgeschriebenen Intensitätsmusters auf der Basis einer Phasenkontrastbildgebung.
Hintergrund der Erfindung
• Es ist durchaus bekannt, ein Abbild auf einer beleuchteten Oberfläche eines Körpers durch Absorption oder Abschirmung von Energie eines beleuchtenden Strahls zu erzeugen. In einem Overheadprojektor zum Beispiel absorbiert oder blockiert ein Overheadtransparent einen Teil des Lichtstrahls des Projektors, wodurch ein großes Abbild eines Musters auf einer Leinwand gebildet wird. Daraus folgt jedoch ein Verlust an Lichtintensität, da ein Teil des ausgesendeten Lichts von einem Bildgebungssystem reflektiert oder absorbiert wird.
• Um einen Energieverlust zu vermeiden, der beispielsweise einen Verlust an Lichtintensität der erzeugten Intensitätsmuster, eine Leistungsverteilung, die in Komponenten des Systems Hitze erzeugt, usw. verursacht, wurden Verfahren und Systeme entwickelt, bei denen die Phase eines Lichtstrahls anstelle der Amplitude oder Intensität des Lichtstrahls moduliert wird, da eine Modulation der Phase des Lichtstrahls nicht zu einem Energieverlust führt. Die Phasenmodulation wird gefolgt von einer Umwandlung der Phasenmodulation in eine Amplituden- oder Intensitätsmodulation.
• Ein beugendes optisches Element, wie beispielsweise ein holographisches optisches Element, kann verwendet werden, um eine Phasenmodulation zu erzeugen. Die entstehende Intensitätsmodulation bei jedem Punkt eines Bildes, das durch Umwandlung der Phasenmodulation in eine Intensitätsmodulation gebildet wird, wird dann von den Phasenmodulationswerten bei jedem Punkt des beugenden optischen Elements abhängen, da die Lichtintensität bei jedem Punkt des Bildes durch eine kohärente Überlagerung von Licht gebildet wird, das von der gesamten Oberfläche des beugenden optischen Elements empfangen wird. Beugende optische Elemente zur Erzeugung eines vorgeschriebenen Intensitätsmusters sind ziemlich kompliziert zu konstruieren.
• Bildgebungsverfahren und -systeme können ebenso in Verbindung mit Phasenmodulation verwendet werden. Diese Verfahren und Systeme sind durch die Tatsache gekennzeichnet, dass die Intensität eines Punkts eines Bildes, das durch Umwandlung einer Phasenmodulation in eine Intensitätsmodulation gebildet wurde, von dem Phasenmodulationswert eines Punkts des Phasenmodulators nur abhängt, wenn dieser Punkt auf den betreffenden Bildpunkt von dem Bildgebungsverfahren abgebildet wird. Diese Eins-zu-Eins-Beziehung macht die Konstruktion von Phasenmodulatoren in diesen Systemen einfach. Verfahren und Systeme dieser Art werden Phasenkontrastbildgebungsverfahren und -systeme genannt.
• Phasenkontrastbildgebungsverfahren wurden ursprünglich innerhalb des Gebiet der Mikroskopie entwickelt. Viele interessierende Objekte in der Mikroskopie sind weitgehend transparent, so dass sie wenig oder kein Licht absorbieren. Wenn Licht durch so ein Objekt hindurchtritt, ist der vorwiegende Effekt die Erzeugung einer räumlich variierenden Phasenverschiebung, die von einem Menschen nicht gesehen werden kann, da das Auge eines Menschen auf Lichtintensität und -farbe anspricht und nicht auf die Phase des Lichts anspricht.
• Im Jahr 1935 schlug Fritz Zernik eine Phasenkontrasttechnik vor, die auf Prinzipien der räumlichen Filterung beruht und den Vorteil aufweist, dass die beobachtete Intensität sich linear zu der Phasenverschiebung verhält, die von dem Objekt eingeführt worden ist.
• Es wird angenommen, dass ein transparentes Objekt mit der Amplitudentransmission
• t(x,y) = exp[jφ(x,y)] (1)
• kohärent in einem Bildgebungssystem beleuchtet wird. Zur Vereinfachung wird eine Einheitsvergrößerung angenommen und werden die begrenzten Abmessungen der Austritts- und Eintrittspupille des Systems außer Acht gelassen. Weiterhin besteht eine notwendige Bedingung zur Erzielung einer Linearität zwischen der Phasenverschiebung und der Intensität darin, dass die Phasenverschiebung φ kleiner als 1 rad ist, in welchem Fall die Amplitudentransmission angenähert werden kann durch
• t(x,y) = 1 + jφ(x,y). (2)
• Die Terme der Ordnung φ² und höher sind in dieser Annäherung vernachlässigt. Es ist zu sehen, dass der erste Term von (2) zu einer starken Wellenkomponente führt, die durch die Probe ohne Veränderung hindurchtritt, wohingegen der zweite Term ein schwächer gebeugtes Licht erzeugt, das von der Achse des Systems weg abgelenkt wird.
• Das von einem herkömmlichen Mikroskop erzeugte Abbild kann beschrieben werden als
• I 1 + jφ ² = 1 (3)
• wobei der Term φ² durch null angenähert worden ist. Es ist zu sehen, dass das gebeugte Licht nicht beobachtbar ist, da es mit dem starken Hintergrund in 90º Phasenverschiebung steht. Nachdem Zernik erkannt hat, dass der Hintergrund zu einem Fokus auf der Achse in der Brennpunktebene gebracht wird, wohingegen das gebeugte Licht, das höhere räumliche Frequenzen enthält, von dem Brennpunkt weg gestreut wird, schlug er vor, dass eine Phasenveränderungsplatte in die Brennpunktebene eingeführt wird, um die Phasenbeziehung zwischen fokussiertem und gebeugtem Licht zu verändern.
• Die Phasenveränderungsplatte kann aus einem Glassubstrat bestehen, auf das ein kleiner transparenter, dielektrischer Punkt aufgetragen worden ist. Der Punkt wird im Mittelpunkt der Brennpunktebene angeordnet und weist eine Dicke und einen Brechungsindex auf, so dass er die Phase des fokussierten Lichts entweder um π/2 rad oder 3π/2 rad in Bezug auf die Phasenverzögerung des gebeugten Lichts verzögert. Im ersteren Fall wird die Intensität in der Bildebene zu
• I = exp[j(π/2) + jφ] ² = j(1 + φ ² 1 + 2φ (4)
• und im letzteren Fall hingegen zu
• I = exp[j(3π/2) + jφ] ² = j(-1 + φ ² 1-2φ (5)
• Auf diese Weise wird die Bildintensität linear bezogen auf die Phasenverschiebung φ. Wenn die Phase des Hintergrunds um π/2 verzögert wird, ist das Ergebnis als positiver Phasenkontrast bekannt, wohingegen gesagt wird, dass eine 3π/2 Verzögerung zu einem negativen Phasenkontrast führt.
• Es ist zu sehen, dass das oben beschriebene Verfahren zu einem Phasenkontrastbildgebungsverfahren führt, das ein kleines Phasensignal schafft, das einer großen DC-Komponente überlagert ist. Dies führt zu einem wesentlichen Nachteil dieses Verfahrens, da es üblicherweise erforderlich ist, die DC-Komponente abzuschwächen, um die in dem phasenmodulierten Signal enthaltene Information zu verstärken. Die Abschwächung der DC-Komponente führt jedoch zu einem Energieverlust. Diese Art des Filterns wird üblicherweise als Dunkelfeldfilterung bezeichnet.
• Ein anderer Nachteil des oben beschriebenen Phasenkontrastbildgebungsverfahrens ist, dass es auf die Annahme gegründet ist, dass die Phasenverschiebung φ kleiner als 1 rad ist, welches in praktischen echten Anwendungen oft nicht erfüllt ist. Diese Theorie wird jedoch immer noch bei solchen Anwendungen angewendet, ohne Berücksichtigung der Tatsache, dass die grundlegende Annahme nicht mehr erfüllt ist, und dieses führt zu nicht optimierten technischen Lösungen.
• In der EP 0 657 760 ist ein Phasenkontrastbildgebungsverfahren offenbart, bei dem ein Bildsimulations- und -projektionssystem auf der Texas Instrument Biegestrahl- Digitalspiegel-Vorrichtung (DMD) basiert. Die Biegestrahl-DMD wird zur analogen Phasenmodulation von reflektiertem Licht verwendet und die Phasenmodulation unter Verwendung eines Phasenkontrastbildgebungsverfahrens in eine Amplitudenmodulation konvertiert. Die Biegestrahl-DMD stellt eine flackerfreie modulierte Welle bereit und dementsprechend wird keine Synchronisation des optischen Bildsensors benötigt. Das beschriebene System arbeitet gemäß dem Zernik-Verfahren und beinhaltet daher die oben beschriebenen entsprechenden Nachteile.
• Ein weiteres Beispiel eines Phasenkontrastbildgebungsverfahrens ist in der GB 2 199 716 beschrieben, worin ein optischer Leitstrahlprojektor für ein Raketenleitsystem beschrieben ist, der einen räumlich intensitätsmodulierten Leitstrahl zur Verfügung stellt. Ein räumlicher Phasenmodulator wird zur Erzeugung des Leitstrahls verwendet. Die Phasencodierung des räumlichen Phasenmodulators besteht in einer periodischen Rechtecksignalmodulation (50% Tastverhältnis) von zwei Phasenwerten 0 und π/2. Die Phasenmodulation wird in eine Amplitudenmodulation umgewandelt durch Fouriertransformationslinsen und eine Phasenplatte, die eine Phasenverschiebung des Hintergrundsignals um π/2 erzeugt. Ein Verfahren zur Erzeugung der spezifischen Intensitätsmuster des optischen Leitstrahls auf der Basis der Phasenkontrastbildgebung ist in diesem Dokument nicht offenbart.
• Ein ähnliches Beispiel eines Phasenkontrastbildgebungsverfahrens ist in "Array illuminator based on phase contrast", Applied Optics Band 27, Nr. 14, Seiten 2915-2921 (1988) offenbart. Es ist ein Verfahren zur Umwandlung eines breiten Strahls gleichmäßiger Intensität in ein Array von hellen Punkten ohne Verluste beschrieben. Die eingängliche räumliche Phasenmaske stellt ein periodisches Array von Phasenpunkten mit dem Phasenwert π dar, wobei der verbleibende Bereich der Phasenmaske den Phasenwert 0 hat. Die Phasenmodulation wird in eine Amplitudenmodulation umgewandelt durch Fouriertransformationslinsen und eine Phasenplatte, die eine Phasenverschiebung des Hintergrundsignals um π erzeugt. Das Verfahren ist auf die Implementierung von periodischen Arraykonfigurationen mit den binären Phasenwerten 0 und π begrenzt.
• Es ist weiterhin bekannt, sog. "Strahlungsfokussierer", d. h., computergenerierte holographische optische Elemente, zur räumlichen Phasenmodulation eines Lichtstrahls zu verwenden, wie beispielsweise in der Spezialausgabe von Computeroptik in der USSR, Optics and Lasers in Engineering, Band 15, Nr. 5, 1991 beschrieben ist. Solche Elemente sind jedoch kompliziert zu erzeugen. Üblicherweise werden sie derart erzeugt, dass das gewünschte Bild in der Fresnelregion oder der Frauenhoferregion erzeugt wird. Daher ist die Intensität eines Auflösungselements in dem erzeugten Bild eine Funktion von mehreren, üblicherweise allen, Phasenwerten der Auflösungselemente des holographischen optischen Elements. Offensichtlich macht dies die Entwicklung von einem holographischen optischen Element zur allgemeinen Anwendung kompliziert und müssen fortschrittliche, sehr viel Zeit beanspruchende Algorithmen angewendet werden. Weiterhin macht es die komplizierte Konstruktion von holographischen optischen Elementen nahezu unmöglich, dynamisch veränderbare räumliche Phasenmodulatoren mit solchen Elementen zu implementieren.
• Es ist ein weiterer Nachteil von holographischen optischen Elementen, dass eine Trägerfrequenz benötigt wird, um gebeugtes Licht von nicht gebeugtem Licht zu trennen, welches zu einer außerhalb der Achse liegenden Systemgeometrie und zur Notwendigkeit eines beugenden Mediums führt, das diese Hochfrequenzbedingungen unterstützen kann.
Zusammenfassung der Erfindung
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Apparat der zuvor genannten Art zu schaffen, welcher Apparat robust, kompakt, einfach zu konstruieren und relativ billig herzustellen ist.
• Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren bzw. einen verbesserten Apparat zur Phasenkontrastbildgebung zu schaffen, der alle Terme der Taylor-Entwicklung:
• in Betracht zieht und daher nicht auf die Annahme gründet, dass die Phasenverschiebung φ kleiner als 1 rad ist. Es ist wichtig, festzustellen, dass jeder Term der Taylor-Entwicklung zu dem DC-Wert der Funktion t(x,y) beiträgt. Diese Tatsache ist im Stand der Technik nicht klar erkannt worden, nachdem bis jetzt angenommen wurde, dass der DC-Wert von der Zahl 1 in Gleichung (2) wiedergegeben wird.
• Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und einen verbesserten Apparat zur Phasenkontrastbildgebung zu schaffen, ohne das Erfordernis des Abschwächens der DC-Komponente des Signals zum Verstärken der Information, die in dem phasenmodulierten Signal enthaltne ist.
• Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren auf der Basis eines einfachen Bildgebungsverfahrens zu schaffen, mit einer einfachen Eins- zu-Eins-Zuordnung zwischen Auflösungselementen eines räumlichen Phasenmodulators und Auflösungselementen in dem erzeugten Intensitätsmuster.
• Die vorliegende Erfindung trifft den Vorgang der Erzeugung eines Intensitätsmusters mit geringem Verlust an elektromagnetischer Energie, mit der räumlichen Modulation einer elektromagnetischen Strahlung mit einer räumlichen Phasenmaske zur Modulation der Phase der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mittels Zeigerwerten von einzelnen Auflösungselementen der räumlichen Phasenmaske, wobei jeder Zeigerwert derart bestimmt ist, dass
• 1) die Werte der fouriertransformierten Zeiger für vorbestimmte räumliche Frequenzen bestimmte Werte annehmen, und
• 2) der Zeigerwert eines speziellen Auflösungselements der räumlichen Phasenmaske einer unterschiedlichen Intensitätsstufe des Bilds des Auflösungselements in dem Intensitätsmuster entspricht,
• und mit einem räumlichen Phasenfilter zur Phasenverschiebung eines Teils der elektromagnetischen Strahlung in Verbindung mit einem Bildgebungssystem zur Erzeugung des Intensitätsmusters durch Interferenz in der Bildebene des Bildgebungssystems zwischen dem Teil der elektromagnetischen Strahlung, der mittels des Phasenfilters phasenverschoben worden ist, und dem verbleibenden Teil der elektromagnetischen Strahlung.
• Die auf die räumliche Phasenmaske fallende elektromagnetische Strahlung kann durch die Funktion A(x,y) beschrieben werden, wobei A(x,y) eine komplexe Zahl (Amplitude und Phase) des einfallenden Felds bei dem Punkt (x,y) der räumlichen Phasenmaske ist. Bei dem Punkt (x,y) moduliert die räumliche Phasenmaske die Phase der einfallenden Strahlung mit dem Wert φ(x,y), so dass das Feld nach der Reflexion oder Transmission durch die räumliche Phasenmaske durch die Funktion A (x,y)*eiφ (x,y) beschrieben werden kann, wobei eiφ (x,y) der Zeigerwert des Punkts (x, y) der räumlichen Phasenmaske ist. Nachdem A(x, y) vorzugsweise ein über die gesamte Oberfläche der räumlichen Phasenmaske konstanter Wert ist, ist dieser Term in den folgenden Gleichungen der Einfachheit halber weggelassen.
• Der Ausdruck der elektromagnetischen Strahlung, die auf das räumliche Phasenfilter fällt, kann nun in einen AC-Term und einen DC-Term getrennt werden. Wenn der DC-Term des Felds bezeichnet ist, ist der AC-Term des Felds durch den Term eiφ(x,y) gegeben. Nachdem das räumliche Phasenfilter die Phase des DC-Anteils der elektromagnetischen Strahlung um θ verändert, ist die Intensität des erzeugten Intensitätsmusters bei der Bildebene des Bildgebungssystems gegeben durch:
• I(x', y') = eiφ (x,y) + (eiθ - 1) ² (7)
• wobei (x',y') die Koordinaten des Bilds des Punkts (x,y) der räumlichen Phasenmaske sind, der von dem Bildgebungssystem in der Bildebene gebildet wird.
• Es sollte festgehalten werden, dass der zweite Term der Gleichung eine komplexe Zahl ist, die zu dem Zeiger eiφ (x,y) der räumlichen Phasenmaske hinzuaddiert wird und als Kontraststeuerparameter für das erzeugte Intensitätsmuster I(x',y') interpretiert werden kann.
• Gemäß einem ersten Gesichtspunkt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Phasenkontrastbildgebung der Erzeugung eines Intensitätsmusters I(x',y') eines Bilds, mit den Schritten
• - Unterteilen des Intensitätsmusters I(x',y') in Pixel in Abhängigkeit von der Anordnung von Auflösungselementen (x,y) einer räumlichen Phasenmaske mit einer Vielzahl von einzelnen Auflösungselementen (x,y), wobei jedes Auflösungselement (x,y) die Phase einer auf es fallenden elektromagnetischen Strahlung mit einem vorbestimmten Zeigerwert eiφ(x,y) moduliert,
• - Ausstrahlen von elektromagnetischer Strahlung zu der räumlichen Phasenmaske,
• - Fouriertransformation oder Fresneltransformation der modulierten elektromagnetischen Strahlung,
• - Phasenverschiebung der modulierten elektromagnetischen Strahlung um einen Vorbestimmten Phasenverschiebungswert θ im Verhältnis zu dem verbleibenden Teil der elektromagnetischen Strahlung in einem Bereich der räumlichen Frequenzen, der einen DC-Anteil aufweist, in der Fourierebene oder Fresnelebene, und
• - Bilden des Intensitätsmusters durch Fouriertransformation bzw. Fresneltransformation der phasenverschobenen und fourier- oder fresneltransformierten modulierten elektromagnetischen Strahlung, wobei jedes Auflösungselement (x,y) der Phasenmaske auf ein entsprechendes Auflösungselement (x',y') des Bilds abgebildet wird,
• - Berechnung der Zeigerwerte eiφ(x,y) der Phasenmaske und des Phasenverschiebungswerts θ gemäß
• I(x',y') = eiφ(x',y') + (eiθ - 1) ²
• für ausgewählte Phasenverschiebungswerte θ, wobei das Mittel der Zeiger eiφ(x,y) der Auflösungselemente der Phasenmaske ist,
• - Auswählen von einem von zwei Zeigerwerten, die eine bestimmte Graustufe darstellen, für jedes Auflösungselement, und
• - Speisen der Auflösungselemente (x, y) der räumlichen Phasenmaske mit den ausgewählten Zeigerwerten eiφ(x,y).
• Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt schafft die vorliegende Erfindung ein System zur Phasenkontrastbildgebung zur Erzeugung eines Intensitätsmusters I(x',y') eines Bilds, mit
• - einer Quelle elektromagnetischer Strahlung zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung,
• - eine räumliche Phasenmaske zur Phasenmodulation von elektromagnetischer Strahlung und mit einer Vielzahl von einzelnen Auflösungselementen (x,y), wobei jedes Auflösungselement (x,y) die Phase der auf es fallenden elektromagnetischen Strahlung mit einem vorbestimmten Zeigerwert eiφ(x,y) moduliert, jedes Auflösungselement (x,y) individuell adressierbar ist und zum Empfangen eines Signals zur Steuerung des vorbestimmten Zeigerwerts eiφ (x,y) eingerichtet ist und jedes Auflösungselement (x,y) auf einer Ausbreitungsachse der elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist,
• - Mittel zur Fourier- oder Fresneltransformation der phasenmodulierten elektromagnetischen Strahlung, die auf einer Ausbreitungsachse der phasenmodulierten Strahlung angeordnet ist,
• - ein räumliches Phasenfilter zur Phasenverschiebung der transformierten elektromagnetischen Strahlung um einen vorbestimmten Phasenverschiebungswert θ im Verhältnis zu dem verbleibenden Teil der transformierten elektromagnetischen Strahlung in einem Bereich der räumlichen Frequenzen, die einen DC-Anteil aufweisen, in der Fourier- oder Fresnelebene,
• - Mittel zum Bilden des Intensitätsmusters durch Fourier- bzw. Fresneltransformation der phasenverschobenen fourier- oder fresneltransformierten modulierten elektromagnetischen Strahlung, wobei jedes Auflösungselement (x,y) der Phasenmaske auf ein entsprechendes Auflösungselement (x',y') des Bildes abgebildet wird,
• - Schnittstellenmittel zum Adressieren von jedem der Auflösungselemente (x,y) der Phasenmaske und zur Übertragung von Signalen, die den Zeigerwert eiφ(x,y) von jedem adressierten Auflösungselement steuern,
• - wobei die Zeigerwerte eiφ(x,y) im Wesentlichen die Bedingung
• I(x',y') = eiφ(x,y) + (eiθ - 1) ²
• für die vorbestimmten Phasenverschiebungswerte θ erfüllen, wobei das Mittel der Zeiger eiφ (x,y) der Auflösungselemente der Phasenmaske ist.
• Auch wenn das vorliegende Verfahren und Bildgebungssystem auf die Codierung einer räumlichen Phasenmaske in zwei räumliche Dimensionen (flächige Codierung) bezogen ist, können die Grundlagen des Verfahrens und des Bildgebungssystems zur Phasencodierung in eine bis zwei räumliche Dimensionen und/oder in der Zeitdimension verwendet werden.
• Die elektromagnetische Strahlung kann aus jedem beliebigen Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums sein, d. h., dem Gamma-Frequenzbereich, dem Ultraviolettbereich, dem sichtbaren Bereich, dem Infrarotbereich, dem fernen Infrarotbereich, dem Röntgenstrahlenbereich, dem Mikrowellenbereich und dem HF-Bereich (Hochfrequenz) usw. Das vorliegende Verfahren ist ebenso auf Teilchenstrahlung anwendbar, wie beispielsweise Elektronenstrahlung, Neutronenstrahlung, usw.
• Vorzugsweise ist die elektromagnetische Strahlung monochromatisch oder quasi monochromatisch, so dass die Energie der elektromagnetischen Strahlung in einem schmalen Frequenzbereich konzentriert ist. Da das Intensitätsmuster durch Interferenz von zwei elektromagnetischen Wellen erzeugt wird, die von einer gemeinsamen Quelle elektromagnetischer Strahlung ausgesendet werden, aber deren Phasen unterschiedlich verändert worden sind, ist es erforderlich, dass der Frequenzbereich der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung ausreichend schmal ist, um sicherzustellen, dass die zwei Wellen elektromagnetischer Strahlung kohärent sind, so dass deren Überlagerung das gewünschte Intensitätsmuster erzeugt. Wenn der Frequenzbereich zu breit ist, werden die zwei Wellen inkohärent sein und wird die Phaseninformation verloren gehen, da die Überlagerung von nicht kohärenten Wellen zu einer Addition der Intensitäten der zwei Wellen führt. Es ist erforderlich, dass der Unterschied zwischen den einzelnen Verzögerungen der elektromagnetischen Strahlung, die überlagert werden soll, kleiner als die Wellenlänge der Strahlung sind. Dies ist ein entspanntes Erfordernis, das es der elektromagnetischen Strahlung ermöglicht, in einem relativ breiten Band aufzutreten. Beispielsweise kann im sichtbaren Bereich eine Xe-Lampe oder eine Hg-Lampe als Lichtquelle in einem System gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, mit dem Vorteil gegenüber einer Laserlichtquelle, dass das Fleckrauschen verringert ist. Die Erfordernisse der räumlichen Kohärenz der elektromagnetischen Strahlung hängen von dem Raum-Bandbreite-Produkt des entsprechenden Systems ab und wie nahe die erforderliche Systemleistung an der theoretisch erzielbaren Systemleistung ist.
• Vorzugsweise wird die elektromagnetische Strahlung von einer kohärenten Quelle elektromagnetischer Strahlung erzeugt, wie beispielsweise ein Laser, ein Maser, einem phasengeregelten Laserdiodenarray, usw. Es kann jedoch auch eine Hochdruckbogenlampe, wie beispielsweise eine Hg-Lampe, eine Xe-Lampe usw. verwendet werden und kann sogar eine Glühlampe als Quelle elektromagnetischer Strahlung in einem Niedrigleistungssystem verwendet werden.
• Eine räumliche Phasenmaske ist eine Komponente, die die Phase einer elektromagnetischen Strahlung verändert, die auf es fällt. Die räumliche Phasenmaske kann die einfallende elektromagnetische Welle durchlassen oder reflektieren. Üblicherweise ist die räumliche Phasenmaske in eine Anzahl von Auflösungselementen unterteilt, von denen jedes die einfallende elektromagnetische Welle durch Veränderung ihrer Phase um einen vorbestimmten Wert moduliert. Die vorbestimmten Werte werden jedem Auflösungselement auf verschiedenen Wegen zugeordnet, abhängig von der in der Komponente angewendeten Technologie. In räumlichen Lichtmodulatoren beispielsweise kann jedes Auflösungselement entweder optisch oder elektrisch adressiert werden. Die elektrische Adressiertechnik verwendet die Adressiertechnik von Halbleiterspeichern, wobei jedes Auflösungselement mittels eines elektronischen Schaltkreises adressiert werden kann, um ein Steuersignal zu empfangen, das der von dem adressierten Auflösungselement zu erzeugenden Phasenveränderung entspricht. Die optische Adressiertechnik adressiert jedes Auflösungselement durch Richten eines Lichtstrahls auf es, wobei die Intensität des Lichtstrahls der Phasenveränderung entspricht, die von dem mittels des Lichtstrahls beleuchteten Auflösungselement erzeugt werden soll.
• Räumliche Phasenmasken können realisiert werden, unter Verwendung fester Phasenmasken, Vorrichtungen mit Flüssigkristallen und auf der Basis einer Flüssigkristallanzeigentechnik, dynamischen Spiegelvorrichtungen, digitalen Mikrospiegelarrays, Vorrichtungen mit verformbarem Spiegel, räumlichen Membranlichtmodulatoren, Laserdiodenarrays (Lichtquelle und Phasenmodulator integriert), Smartpixelarrays, usw.
• Ein räumliches Phasenfilter ist üblicherweise eine Festphasenmaske, wie beispielsweise eine optische flache Glasplatte, die mit einer dielektrischen Beschichtung an einer spezifischen Position der Glasplatte beschichtet ist. Die in dem vorangegangenen Abschnitt erwähnten räumlichen Phasenmasken können jedoch ebenso als räumliche Phasenfilter verwendet werden.
• Das Bildgebungssystem bildet die phasenmodulierten Auflösungselemente der räumlichen Phasenmaske auf die Zielfläche des erzeugten Intensitätsmusters ab. Es kann eine 4f-Linsenkonfiguration (zwei Fouriertransformationslinsen, die Lichttransmission verwenden oder eine Fouriertransformationslinse, die Lichtreflexion verwendet) oder eine einzige Bildgebungslinse umfassen. Es kann jedoch jedes optische Bildgebungssystem, das eine Filterebene für das räumliche Phasenfilter zur Verfügung stellt, in einem Phasenkontrastbildgebungssystem verwendet werden.
• In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird das erzeugte Intensitätsmuster durch Überlagerung von zwei elektromagnetischen Wellen in der Bildebene des Bildgebungssystems erzeugt. Die räumliche Phasenmaske verändert die Phasenwerte einer auf es fallenden elektromagnetischen Strahlung und das Bildgebungssystem leitet die elektromagnetische Welle mit veränderten Phasen, die von der räumlichen Phasenmaske reflektiert worden ist oder durch sie hindurchgeleitet worden ist, zu dem räumlichen Phasenfilter. Das Phasenfilter verschiebt die Phase eines Teils der elektromagnetischen Strahlung und das Bildgebungsverfahren ist so eingerichtet, dass es in der Bildebene den phasenverschobenen Teil der elektromagnetischen Strahlung mit dem Teil der elektromagnetischen Strahlung überlagert, der nicht mittels des räumlichen Phasenfilters phasenverschoben worden ist.
• Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die räumliche. Phasenmaske bei der vorderen Brennebene einer Linse angeordnet, wohingegen das räumliche Phasenfilter bei der hinteren Brennebene der Linse angeordnet ist, wodurch ein erstes elektromagnetisches Feld bei der Phasenmaske durch die Linse in ein zweites elektromagnetisches Feld bei dem Phasenfilter fouriertransformiert wird. Auf diese Weise werden spezielle räumliche Frequenzen des ersten elektromagnetischen Felds durch das räumliche Phasenfilter bei spezifischen Positionen des Phasenfilters hindurch übertragen. Beispielsweise wird die Energie der elektromagnetischen Strahlung bei der Nullfrequenz (DC) durch das Phasenfilter bei dem Schnittpunkt der Fourierebene und der optischen Achse der Linse hindurchübertragen, der ebenso Beugungsbereich nullter Ordnung genannt wird.
• Es ist derzeit bevorzugt, dass das räumliche Phasenfilter so eingerichtet ist, dass es den DC-Anteil der elektromagnetischen Strahlung phasenverschiebt und den üblichen Teil der elektromagnetischen Strahlung unverändert belässt oder alternativ den DC-Anteil der elektromagnetischen Strahlung unverändert belässt und den verbleibenden Teil der elektromagnetischen Strahlung phasenverschiebt. Die letztere Alternative ist bevorzugt, wenn der Betrag der Energie des DC-Anteils der elektromagnetischen Strahlung so hoch ist, dass der phasenverschiebende Teil des Phasenfilters durch sie zerstört werden würde. Zum Beispiel kann beim Laserschneiden der DC-Pegel des Laserstrahls so hoch sein, dass ein phasenverschiebender Punkt, der im Schnittpunkt des DC- Anteils des Laserstrahls bei dem Phasenfilter angeordnet ist, verdampfen würde. Es ist ebenso möglich, die elektromagnetische Strahlung in den Beugungsbereich nullter Ordnung zu blockieren (keine Durchlässigkeit), wobei jedoch die DC- Energie der Strahlung dann verloren wird.
• Nachstehend wird ein Ausdruck der Intensität des erzeugten Intensitätsmusters als Funktion der Zeigerwerte φ(x,y) der Phasenmaske abgeleitet, wenn der DC-Anteil der elektromagnetischen Strahlung phasenverschoben wird.
• Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Mittelwert der Zeiger eingestellt, um den Bereich der Intensitätspegel zu steuern.
• Anstatt den DC-Anteil der elektromagnetischen Strahlung phasenzuverschieben, ist es zum Erzeugen eines vorgeschriebenen Intensitätsmusters ebenso möglich, andere Teile der elektromagnetischen Strahlung durch Anpassung des räumlichen Phasenfilters zum Phasenverschieben der elektromagnetischen Strahlung phasenzuverschieben, die auf einen oder mehrere beliebige Bereiche des Phasenfilters fällt, und den verbleibenden Teil der elektromagnetischen Strahlung unverändert zu belassen und dann die zwei Teile der elektromagnetischen Strahlung zu überlagern. Die entsprechende Mathematik und die entsprechenden Konstruktionsverfahren für die räumliche Phasenmaske und das räumliche Phasenfilter würden selbstverständlich komplizierter sein als für das im vorangegangenen Abschnitt beschriebene Verfahren.
• Ein einfaches Beispiel der Phasenverschiebung eines Teils der elektromagnetischen Strahlung einer räumlichen Frequenz unterschiedlich zu der Nullfrequenz wird durch Bewegen des Gleichanteils der elektromagnetischen Strahlung zu einer anderen räumlichen Frequenz in der Fourierebene (identisch zu der Ebene des räumlichen Phasenfilters) geschaffen, indem eine optische Komponente mit einer geeigneten Trägerfrequenz verwendet wird (beispielsweise ein Gitter oder ein Prisma) oder indem vorzugsweise die Funktion eines Gitters oder eines Prismas in der räumlichen Phasenmaske codiert wird, und indem das räumliche Phasenfilter so angepasst wird, dass es die Phase der elektromagnetischen Strahlung bei dieser räumlichen Frequenz verändert und die Phase des verbleibenden Teils der elektromagnetischen Strahlung unverändert belässt.
• Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Phasenmaske nicht in der hinteren Brennebene der Linsen angeordnet, sondern stattdessen in dem Fresnel-Bereich der. Linsen. In diesem Fall ist das elektromagnetische Feld bei dem Phasenfilter durch eine Fresnel-Transformation des elektromagnetischen Felds bei der räumlichen Phasenmaske gegeben. Dies verkompliziert weiterhin die Mathematik und die Konstruktionsverfahren; beispielsweise muss der Term in Gleichung (7) durch den Wert der Fresnel- Transformation bei dem Punkt (s) der Phasenwechsel des Phasenfilters ersetzt werden. Jedoch kann die Fresnel- Transformation von einer Fourier-Transfortnation durch Multiplikation der Zeigerwerte der räumlichen Phasenmaske mit einem quadratischen Phasenfaktor gefolgt von einer Fourier- Transformation berechnet werden.
• Es ist ein wichtiger Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, dass jede Intensitätsstufe des erzeugten Intensitätsmusters für jedes Auflösungselement mittels wenigstens zwei verschiedener Zeigerwerte eines Auflösungselements der räumlichen Phasenmaske erzeugt werden kann.
• Wenn beispielsweise das räumliche Phasenfilter den DC-Anteil der elektromagnetischen Strahlung phasenverschiebt, wird später gezeigt, dass vorteilhafterweise der Mittelwert der Zeiger der Auflösungselemente der Phasenmaske gleich 1/2 sein sollten und der Wert der Phasenverschiebung θ sollte gleich π sein. In diesem Fall ist die Intensität des erzeugten Bildmusters bei dem Bild (x',y') des Auflösungselements (x,y) gegeben durch:
• I(x',y') = 2(1 - cosφ(x',y')) (8)
• Es ist zu sehen, dass komplex konjugierte Zeiger (Werte von θ mit entgegengesetztem Vorzeichen) zu identischen Intensitätspegeln I(x',y') führen. Es kann gezeigt werden, dass für jeden Wert der Amplitude des Mittelwerts der Zeiger , zwei Zeiger existieren, die identische Intensitätspegel des erzeugten bzw. zusammengesetzten Intensitätsmusters erzeugen.
• Wenn weiterhin das räumliche Phasenfilter Teile der elektromagnetischen Strahlung unterschiedlich vom DC-Anteil phasenverschiebt, hängt der Zeigerwert, der einen bestimmten Intensitätspegel erzeugt, von der Position des betreffenden Auflösungselements ab, d. h., dass der Zeigerwert und die Position des Auflösungselements zusammen mit dem Zeigerwert den Intensitätspegel bei dem Abbild des Auflösungselements in dem erzeugten Intensitätsmuster definieren. Weiterhin ist es zutreffend, dass für jedes Auflösungselement der räumlichen Phasenmaske jeder Intensitätspegel des erzeugten Intensitätsmusters durch einen oder zwei unterschiedliche Zeiger komplementärer Phasenwerte dargestellt werden kann.
• Diese Freiheit, für jeden zu erzeugenden Intensitätspegel und für jedes Auflösungselement der räumlichen Phasenmaske, einen von zwei Zeigerwerten auswählen zu können, wird verwendet, um die Phase der Fouriertransformation der Zeiger bei spezifischen räumlichen Frequenzen durch Auswahl der Zeiger mit geeigneten Phasenwerten zu steuern, um zwei Intervalle uneindeutiger funktionaler Abhängigkeit zwischen Zeigerwerten und entsprechenden Intensitätswerten sicherzustellen.
• Diese Freiheit bei der Wahl von Zeigern kann dazu verwendet werden, um Zeiger von benachbarten Auflösungselementen der räumlichen Phasenmaske mit einer maximalen Differenz dazwischen auszusuchen, wobei auf diese Weise eine von der. Phasenmaske ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, die einen maximalen Gehalt an hohen räumlichen Frequenzen enthält, die eine gute Trennung des DC-Anteils der elektromagnetischen Strahlung von ihrem AC-Anteil erzeugt. Es kann jedoch jede andere Strategie des Auswählens zwischen zwei möglichen Zeigerwerten jedes Auflösungselements gewählt werden, um den gewünschten räumlichen Frequenzgehalt der elektromagnetischen Strahlung zu erzeugen.
• Vorzugsweise wird die Phase der Fouriertransformation der Zeiger bei spezifischen räumlichen Frequenzen eingestellt, um zu steuern, ob die Beziehung zwischen jedem Zeiger und dem entsprechenden Intensitätspegel eine monoton steigende oder eine monoton fallende Funktion ist.
• Nachstehend ist eine Gruppe verschiedener Verfahren beschrieben, die gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einstellen des Moduls der Fouriertransformation der Zeiger bei spezifischen räumlichen Frequenzen angegeben sind, um einen vorgeschriebenen Wert zu erreichen. Wenn gewünscht, können die Verfahren kombiniert werden.
• Gemäß einem der Verfahren werden die einzelnen Zeiger der Auflösungselemente der Phasenmaske mittels eines konstanten Werts eingestellt, bis der gewünschte Wert des Moduls der Fouriertransformation der Zeiger bei spezifischen räumlichen Frequenzen erzielt ist, wobei vorgeschriebene relative Intensitätspegel zwischen Intensitäten der Auflösungselemente des Intensitätsmusters beibehalten werden, d. h., iterativ.
• Gemäß einem weiteren Verfahren werden die einzelnen Zeiger der Auflösungselemente der Phasenmaske eingestellt, indem Histogrammtechniken verwendet werden, die aus der Bildverarbeitung bekannt sind. Ein Histogramm ist ein Balkendiagramm, das die Anzahl von Auflösungselementen des erzeugten Intensitätsmusters mit einem spezifischen Intensitätswert als Funktion des Intensitätswerts zeigt. Jede Histogrammtechnik, wie beispielsweise Histogrammabgleich, Anpassen des Histogramms an eine vorbestimmte Verteilung, usw., kann iterativ verwendet werden, bis das Modul der Fouriertransformation der Zeiger bei spezifischen räumlichen Frequenzen den vorgeschriebenen Wert annimmt.
• Gemäß einem weiteren Verfahren wird das Zeigermuster der Phasenmaske räumlich skaliert, um das Modul der Fouriertransformation der Zeiger bei bestimmten räumlichen Frequenzen einzustellen.
• Gemäß noch einem weiteren Verfahren wird das Modul der Fouriertransformation der Zeiger bei spezifischen räumlichen Frequenzen unter Verwendung von Halbtoncodiertechniken eingestellt, so wie beispielsweise Rastertechniken, Flächenverhältnismodulation, Fleckdurchmessermodulation, usw.
• Es ist von der oben angegebenen Beschreibung zu sehen, dass die Intensitätspegel von einem erzeugten Intensitätsmuster zu dem nächsten als Folge der Einstellungen der Module der Fouriertransformationen der Zeiger bei spezifischen räumlichen Frequenzen differieren können. Daher ist es vorzuziehen, die Leistung der Strahlungsquelle in Abhängigkeit des Intensitätsbereichs des Intensitätsmusters zu steuern, so dass eine Folge von verschiedenen Intensitätsmusters gleichförmige Intensitätspegel zeigen.
• Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Gestalt des Phasenfilters so eingerichtet, dass sie an den räumlichen Frequenzinhalt der Zeiger der räumlichen Phasenmaske angepasst ist, beispielsweise um die gewünschte Trennung des Teils der elektromagnetischen Strahlung, die phasengefiltert werden soll, von dem verbleibenden Teil der elektromagnetischen Strahlung zu optimieren.
• Es ist innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung, dass das Bildgebungssystem weiterhin Zoommittel zum variablen Skalieren des erzeugten Intensitätsmusters aufweist. Das Zoomen des Bildgebungssystems kann dynamisch steuerbar sein, d. h. in Abhängigkeit der Skalierung der Muster der Zeigerwerte der Phasenmaske.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Leistung der Strahlungsquelle in Abhängigkeit der räumlichen Skalierung der Muster in der Phasenmaske und/oder dem Zoomen in dem Fokussiersystem steuerbar sein.
• Um ein kompaktes und integriertes System gemäß der vorliegenden Erfindung zu schaffen, kann die optische Funktion einer Fouriertransformationslinse in den Zeigern der räumlichen Phasenmaske codiert sein. Die Fouriertransformationslinsen können lichtbrechend oder beugend in der Phasenmaske codiert sein.
• Auf ähnliche Weise kann die optische Funktion einer Ausgangslinse entweder lichtbrechend oder beugend in das Phasenfilter codiert werden.
• Ferner kann eine Kompensation in die Phasenwerte der räumlichen Phasenmaske codiert werden, so dass ein Teil der elektromagnetischen Strahlung, die von der Phasenmaske moduliert wird, ein im Wesentlichen flaches Intensitätsprofil in der Bildebene aufweist. Ohne diese Kompensation würde ein Teil der von der Phasenmaske modulierten elektromagnetischen Strahlung ein flaches Profil mit Störungen aufweisen, die von der über es überlagerten Phasenfilterung herrühren. Dies kann an den Kanten der erzeugten Intensitätsmuster Überschwinger (Schwingungen) verursachen.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Quelle elektromagnetischer Strahlung eine oder mehr Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlängen, die drei verschiedenen Farben entsprechen, so wie beispielsweise Rot, Grün und Blau, zur Erzeugung von Intensitätsmustern beliebiger Farben. Weiterhin können verschiedene unabhängige Systeme, von denen jedes bei ihrer eigenen Wellenlänge beleuchtet wird, in einem einzigen Mehrfachwellenlängensystem kombiniert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 zeigt ein optisches 4f-System zur Phasenkontrastbildgebung,
• Fig. 2 zeigt ein optisches 2f-System zur Phasenkontrastbildgebung,
• Fig. 3 zeigt ein optisches 1f-System zur Phasenkontrastbildgebung,
• Fig. 4 zeigt (A) außeraxiales Auslesen eines reflektiven SLM und (B) axiales Auslesen eines reflektiven SLM,
• Fig. 5 zeigt schematisch ein Beispiel eines vorbestimmten Intensitätsmusters in einer Dimension,
• Fig. 6 zeigt schematisch die resultierende Phasencodierung entsprechend Fig. 5.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
• Fig. 1 zeigt ein 4f-Phasenkontrastbildgebungssystem (1). Ein Laser (2) sendet einen Lichtstrahl aus, der von einem Strahlaufweiter (3) zu einer ebenen Lichtwelle gleichmäßiger Intensität aufgeweitet wird und zu einer räumlichen Phasenmaske (4) gelenkt wird. Der Lichtstrahl wird durch die räumliche Phasenmaske (4) und eine Fouriertransformationslinse (5) hindurchgeleitet. Die räumliche Phasenmaske ist in der vorderen Brennebene der Linse (5) angeordnet und ein räumliches Phasenfilter (6) ist in der hinteren Brennebene der Linse (5) angeordnet, die ebenso die vordere Brennebene einer Linse (7) ist. Die Fouriertransformationslinsen (5, 7) müssen nicht identische Brennweiten besitzen. Unterschiedliche Brennweiten führen zu einem Vergrößerungsverhältnis verschieden von 1. Das Phasenfilter (6) verschiebt die Phase des gebeugten Anteils nullter Ordnung (8) des von der räumlichen Phasenmaske (4) phasenmodulierten Lichts. Das erzeugte Intensitätsmuster wird in der hinteren Brennebene (9) der Linse (7) erzeugt und ein dynamisches Fokussiersystem (10) bildet das erzeugte Intensitätsmuster auf eine Fokussierebene (11) ab.
• Das optische System wird von einem Computer (12) gesteuert. Der Computer (12) beinhaltet Schnittstellenmittel zum Adressieren von jedem der Auflösungselemente des Phasenfilters (4) und zum Übertragen eines Phasenwerts zu dem adressierten Auflösungselement. Weiterhin beinhaltet der Computer (12) Lasersteuermittel zum Steuern der Leistung des Lasers (2) und Abbildungssteuermittel zum Steuern der Fokussierung und des Bildverhältnisses des dynamischen Fokussiersystems (10). Der Computer (12) beinhaltet ebenso Eingabemittel, wie beispielsweise eine Tastatur, ein Diskettenlaufwerk, ein optisches Plattenlaufwerk, eine Netzwerkschnittstelle, ein Modem, usw., zum Empfangen eines von dem System (1) zu erzeugenden Bildmusters. Der Computer ist so eingerichtet, dass er aus dem empfangenen Bildmuster zu den Auflösungselementen der Phasenmaske zu übertragende Zeigerwerte berechnet, beispielsweise auf der Grundlage einer Histogrammtechnik, wie hierin beschrieben. Optional ist die Phasenverschiebung des Phasenfilters (6) mittels optionaler Phasenkontrolleinrichtungen des Computers (12) einstellbar und steuerbar, welcher Computer weiterhin zum Einstellen der Phasenverschiebung eingerichtet sein kann, beispielsweise unter Verwendung von Gleichung (18).
• Fig. 2 zeigt ein 2f-Phasenkontrastbildgebungssystem (20). Ein Laser (21) sendet einen Lichtstrahl aus, der von einem Strahlaufweiter (22) zu einer ebenen Lichtwelle gleichförmiger Intensität aufgeweitet wird und zu einer räumlichen Phasenmaske (23) und einem Polarisationsstrahlteiler (24) und einer Viertelwellenlängenplatte (25) geleitet wird. Der Polarisationsstrahlteiler (24) und die Viertelwellenlängenplatte (25) ermöglichen das Strahlteilen des Lichts einer spezifischen linearen Polarisation ohne den Energieverlust, der mit herkömmlichen Strahlteilern auf Grund des Aufteilens des Strahls in beide Durchlassrichtungen durch den Strahlteiler verbunden ist. Nach Transmission durch den Polarisationsstrahlteiler (24) und die Viertelwellenlängenplatte (25) wird der Lichtstrahl durch eine Fouriertransformationslinse (26) hindurchgeleitet und von einem räumlichen Phasenfilter (27) reflektiert. Die räumliche Phasenmaske (23) ist in der vorderen Brennebene der Linse (26) angeordnet und das räumliche Phasenfilter (27) ist in der hinteren Brennebene der Linse (26) angeordnet. Das Phasenfilter (27) verschiebt die Phase des Beugungsanteils nullter Ordnung (28) des von der räumlichen Phasenmaske (23) phasencodierten Lichts. Das erzeugte Intensitätsmuster wird in der hinteren Brennebene (29) der Linse (26) erzeugt und ein dynamisches Fokussiersystem (30) bildet das erzeugte Intensitätsmuster auf eine Fokussierebene (31) ab. Wie für das in Fig. 1 dargestellte System beschrieben, wird das System (20) von einem Computer (32) gesteuert.
• Fig. 3 zeigt ein 1f-Phasenkontrastbildgebungssystem (40). Ein Laser (41) sendet einen Lichtstrahl aus, der von einem Strahlaufweiter (42) zu einer ebenen Lichtwelle gleichförmiger Intensität aufgeweitet wird und zu einer räumlichen Phasenmaske (43) geleitet wird. Der Lichtstrahl wird durch die räumliche Phasenmaske (43) und eine Bildformungslinse (44) hindurchgeleitet. Ein Phasenfilter (45), das in der hinteren Brennebene der Linse (44) angeordnet ist, verschiebt die Phase des Beugungsanteils nullter Ordnung des von der räumlichen Phasenmaske (43) phasencodierten Lichts. Das erzeugte Intensitätsmuster wird in der Bildebene (46) der Linse (44) erzeugt und ein dynamisches Fokussiersystem (47) bildet das erzeugte Intensitätsmuster auf eine Fokussierebene (48) ab. Wie für das in Fig. 1 dargestellte System beschrieben, wird das System (40) von einem Computer (49) gesteuert.
• Fig. 4 zeigt Details (A) eines außeraxialen Auslesens einer reflektierenden Phasenmaske (50) (oder eines räumlichen Lichtmodulators) und (B) eines axialen Auslesens einer reflektierenden Phasenmaske (51) mit einem Strahlteiler (52). Beide Konfigurationen (A, B) können in den in den Fig. 1-3 gezeigten Systemen verwendet werden.
Phasencodierung für DC-Phasenfilterung
• Im Folgenden wird ein Beispiel zur Codierung einer räumlichen Phasenmaske und eines räumlichen Phasenfilters auf der Grundlage eines Systems, das in dem DC-Frequenzbereich filtert, angegeben. Das in diesem Beispiel gewählte System basiert auf einer 4f-Linsenkonfiguration, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist und von elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Frequenzbereich beleuchtet wird, im Folgenden einfach als Lichtstrahlung bezeichnet.
• Unter der Annahme, dass das beleuchtende Licht monochromatisch ist und ein im Wesentlichen flaches Amplitudenprofil aufweist, erhalten wir die folgende räumliche Amplitudenverteilung, die von der räumlichen Phasenmaske ausgesendet wird:
• a(x,y) = rect(x/Δx, y/Δy)exp(iφ(x,y)) (9)
• wobei α(x,y) = exp(iφ(x,y)) die räumlich codierten Zeigerwerte darstellen und Δx Δy der Bereich des eingangsphasenmodulierenden räumlichen Lichtmodulators ist.
• Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, α(x,y) in zwei Terme zu trennen, die den räumlich invarianten DC-Wert, und einen räumlich variierenden AC-Anteil Δα(x,y) beschreiben. Der DC-Anteil kann gefunden werden zu:
• Nachfolgend ist der AC-Anteil ausgedrückt durch:
• Die Trennung von α(x,y) in einen räumlich invarianten DC-Term und einen räumlich variierenden AC-Term ist ein wichtiger Punkt und wird durch den verbleibenden Teil dieses Beispiels hindurch verwendet, insbesondere bei der Beschreibung des räumlichen Filterverfahrens.
• Das in diesem Beispiel verwendete räumliche Filter ist als räumliches Phasenkontrastfilter gewählt (unterschiedliche Querformen können ebenso verwendet werden), das um den Nullpunkt bzw. "Origo" in der räumlichen Frequenzdomäne zentriert ist und durch die Koordinaten (fx, fy) bezeichnet wird:
• T(fx) = 1 + (exp(iθ) - 1)circ(fx/Δfx) (12)
• wobei fx = die radiale räumliche Frequenz und Δfx die Größe des zirkularen (circ) Phasenfilters beschreibt.
• In der räumlichen Frequenzdomäne (der Filterebene) ist die Fouriertransformation ( ) der räumlich modulierten Lichtstrahlung von der räumlichen Phasenmaske vorhanden. Der Filtervorgang, der von dem räumlichen Phasenkontrastfilter auf die fouriertransformierte Lichtstrahlung angewendet wird, kann als einfaches Punkt-zu-Punkt-Multiplikationsverfahren ausgedrückt werden. Anschließend wird das räumlich gefilterte Licht mittels der zweiten Fourierlinse invers fouriertransformiert ( &supmin;¹) (Fouriertransformation und reflektierte Ausgangskoordinaten) und die resultierende räumliche Amplitudenverteilung in der Bildebene (mit Koordinaten (x',y')) kann entsprechend geschrieben werden als:
• σ(x',y') = a(x',y') + (exp(iθ) - 1) &supmin;¹( (a(x,y))circ(fx/Δfx)) ∼ a(x',y')+ (exp(iθ) - 1)rect(x'/Δx, y'/Δy) = [exp(iφ(x',y')) + (exp(iθ) - 1)]rect(x'/Δx, y'/Δy)
• Innerhalb des Beleuchtungsbereichs, (x', y') ', der begrenzt wird durch (x'/Δ, y'/Δy), erhält man:
• Die Voraussetzung dass σ(x'&sub0;,y'&sub0;) ² 0, welches vollständiger Dunkelheit als geringstem Intensitätspegel in den Bereichen (x',y'0) '&sub0; entspricht, impliziert:
• wobei die Abkürzung φ&sub0; = φ(x'&sub0;,y'&sub0;) verwendet worden ist.
• Die Lösungen zur Gleichung (15) sind angegeben durch:
• Das Erfordernis 0< < 1 impliziert, dass
• welches zu
• führt, worin +sign für B-Werte ist im Intervall:
• q ]p/3; 5p/3[ + reven2p (19)
• und das -sign für &theta;-Werte ist:
• q ]p/3; 5p/3[ + rodd2p (20)
• Das entsprechende Intervall für (&phi; -&phi;&sub0;) ist:
• (&phi; -&phi;&sub0;) ]&pi;/3; -&pi;/3] (21)
• Wenn man den Ausdruck für einsetzt, erhält man den einfachen Ausdruck für die Intensität:
• wobei
• exp(i&phi;(x, y))dxdy = &Delta;x&Delta;y exp(i&phi; ) (23)
• Die Nur-Phasentransformationen implizieren, dass die Energie beibehalten wird:
• &sigma;(x',y') ²dx'dy' = a(x, y)²dxdy = &Delta;x&Delta;y (24)
• Ein spezieller Fall:
• Die geeignetste Wahl für ist: = 1/2 (welches beinhaltet, dass &theta; = &pi;+ &rho;even2&pi;), so dass die Ausgangsintensität beschrieben werden kann als:
• &sigma;(x',y') ² = 2[1 - cos(&phi;(x',y'))] (25)
• In diesem Fall wird die Phasen&rarr;Intensitäts-Zuordnung durch die Intervalle [0; &pi;] &rarr; [0; 4] beschrieben,
• Durch Setzen von = 1/2 erhält man das folgende Erfordernis für die Phasenfunktion &phi;(x, y):
• Einfügen des Ausdrucks für &sigma;(x',y') ² in Gleichung (24) ergibt:
• 2 [1 - cos(&phi;(x', y'))]dx'dy' = &Delta;x&Delta;y (27)
• gemäß des ersten der Integralausdrücke in Formel (26)
Codierverfahren:
• - Eine gegebene Intensitätsverteilung (Bild) &sigma;(x',y') ² ist auf der Ausgangsseite des optischen Aufbaus gewünscht.
• - Unterteilung des Bilds, das im Allgemeinen in dem Graustufenbereich: [0;g max] dargestellt ist, in Pixel schafft die Beziehung
• &sigma;(x',y') ²dx'dy' = &Delta;x&Delta;y &sigma;(i,j) ² = g max/4 # pix(&Delta;x&Delta;y)
• - Das Histogramm für das gewünschte Bild &sigma;(i, j) ² wird innerhalb des Graustufenbereichs [0;g max] angepasst (adj), so dass der vorangegangene Punkt erfüllt ist:
• &sigma; (i, j)² &rarr; &sigma;(i, j) ²adj
• - Die Phasenwerte können nun berechnet werden zu:
• - Wie vorher schafft die Unterteilung in Pixel die Beziehung:
• sin(&phi;(i, j)) = 0
• - Der vorangegangene Punkt kann nun durch komplexe Konjugation der Hälfte der Eingangspixel erfüllt werden, die in dem Phasenhistogramm den gleichen Phasenwert aufweisen.
• - Das phasenkonjugierte Phasenschalten schafft ein wertvolles Werkzeug (einen zusätzlichen Freiheitsgrad) zum Manipulieren des räumlichen Frequenzgehalts, um die Trennung von unteren und höheren Frequenztermen bei der Filterebene zu optimieren.
• - Das Schema ist robust gegenüber konstanten Phasenfehlern über den räumlichen Eingangsphasenmodulator, da Gleichung (22) nur eine Funktion der Differenz: &phi; -&phi;(i,j) ist. Weiterhin führen kleine Veränderungen bei den einzelnen Pixelphasenwerten keine nachteiligen Effekte ein, da der Mittelwert ein Ergebnis einer sehr großen Zeigersumme ist.
• - Wenn die gewünschte Intensitätsverteilung zu klein ist, um alle Energie zu beinhalten, d. h. das Histogramm ist maximal skaliert und die linke Seite der Gleichung (24) ist immer noch kleiner als die rechte Seite, kann das Eingangsphasenobjekt skaliert werden, bis Gleichung (24) erfüllt ist. Um einen skalierungsinvarianten Ausgangsintensitätspegel zu erreichen, wird ein dynamisches Fokussiersystem benötigt. In gleicher Weise kann eine Intensitätsinvarianz durch Steuerung der ausgesandten Leistung von der Lichtquelle erzielt werden. Alternativ kann man die Resthintergrundbeleuchtung ignorieren und Intensitätspegel von 9 (Hintergrund konstant gleich 17) für schmale allgemein geformte Linienstrukturen zu erzielen (beispielsweise Gleichung (14)).
Beispiel 1:
• Ein sehr einfaches Beispiel, das die einzelnen Schritte in dem obigen Verfahren deutlich macht, ist nachstehend angegeben. Um das Beispiel zu vereinfachen, wird es nur in einer Dimension betrachtet. Der Startpunkt zur Codierung der räumlichen Phasenmaske in diesem Beispiel basiert auf den folgenden Parametern:
• Die in Fig. 5 dargestellte in Pixel unterteilte Dreistufenfunktion soll als in der Bildebene als Intensitätsverteilung erzeugt angenommen werden. Aus den oben genannten Auswahlen der Parameter erhält man die einfache Beziehung zwischen Phasenwerten in der räumlichen Phasenmaske und den Bildintensitätswerten:
• &sigma;(i) ² = 2[1 - cos(&phi;(i))] (29)
• Um von hier fortzufahren, ist es erforderlich, die akkumulierte Intensität &sigma;(i) ² in dem zu erzeugenden Bild zu berechnen. Die akkumulierte Intensität wird einfach aus einem Bildhistogramm berechnet, in dem die x-Achse Graustufenwerte darstellt und die y-Achse der Betrag an Pixeln in dem Bild bei einem bestimmten Graustufenwert darstellt. Durch Verwendung eines Histogramms wird &sigma;(i) ² einfach als gewichtete Summe aller Graustufenwerte (x-Achse) multipliziert mit deren Pixelzähler (y-Achse) erhalten. Dies beschreibt, um es so zu nennen, das "Gewicht" des Bildes. In diesem einfachen Beispiel sind Histogrammberechnungen nicht erforderlich, da wir nur drei Graustufen mit wohldefinierten Trennungen haben.
• Der Wert für die akkumulierte Intensität muss der Gleichung genügen:
• &sigma;(i) ² = g max/4 #pix(&Delta;x) = #pix(&Delta;x) = 14 (30)
• Aus Fig. 5 erhalten wir:
• &sigma;(i) ² = 4 pixels·0 + 4 pixels·(0,5 max) + 6 pixels·max = 8 max (31)
• so dass der Wert für max geschätzt werden kann zu:
• max = 7/4 (32)
• Die entsprechenden eingestellten Intensitätspegel, &sigma;(i) ²adj, sind daher: 7/4, 7/8 und 0. Diese Werte können nun verwendet werden, um die Phasenwerte der räumlichen Phasenmaske aus der Gleichung zu berechnen:
• aus der wir die drei Phasenwerte 1,45 rad, 0,97 rad und 0 rad erhalten.
• Der letzte Schritt, der zur Codierung der räumlichen Phasenmaske erforderlich ist, ist der, dass die folgende Gleichung erfüllt ist:
• sin(&phi;(i)) = 0 (34)
• Nachdem wir die Wahl haben, komplex konjugierte Zeigerwerte zu verwenden (zwei Zeiger, die den gleichen Intensitätspegel ergeben), können von hieraus viele Ansätze gewählt werden. Ein einfacher Ansatz ist, jeden zweiten Zeiger mit seinem komplex konjugierten Wert zu kippen, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Die in der Phasenmaske verwendeten letztendlichen Zeigerwerte sind entsprechend: ±1,45 rad, ±0,97 rad und 0 rad.
• Als letzten Schritt können wir überprüfen, ob das Kriterium:
• = 1/2 mit der gewählten Zeigercodierung aktuell erfüllt wird:
• = 1/14(4 exp(i0) + 2exp(i0,97) + 3exp(i1,45) + 2exp(-i0,97) + 3exp(-i1,45)) 1/2 (35)
• In der Phasencodierung integriertes allgemeines Phasenkorrekturverfahren
• In Gleichung (14) haben wir eine analytische Beziehung zwischen den Phasenwerten in der räumlichen Phasenmaske und der erhaltenen Intensitätsverteilung innerhalb des Bereichs (x',y') ' erhalten:
• Die zu der obigen Beziehung führende Analysis hat sich gegründet auf die Annahme, dass ein konstanter Wert innerhalb des '-Bereichs ist. In anderen Worten, es wurde die folgende Annäherung angewendet:
• &supmin;¹(a(x, y))circ(ff/&Delta;ff)) &sim; rect(x'/&Delta;x, y'/&Delta;y) (37)
• Für bestimmte räumliche Filterparameter jedoch ist die linke Seite dieses Ausdrucks nicht ein räumlich invarianter konstanter Wert über den gesamten -Bereichs, sondern wird stattdessen langsame Veränderungen/Schwingungen aufweisen. Dies führt kleine Fehler in die abschließende Überlagerung zwischen dem phasengefilterten DC-Wert und dem direkt übertragenen AC-Signal ein. Um dieses Problem zu umgehen, wird eine Technik benötigt, die Verzerrungen durch Verwendung einer Nur-Phasencodierung in den in dem System bereits vorhandenen Komponenten entgegenwirken kann. Im Folgenden wird ein Verfahren zum Integrieren einer Vorverzerrung beschrieben, die den oben genannten Verzerrungen entgegenwirkt, und nur auf einer Modifikation der Zeigerwerte einer räumlichen Phasenmaske auf der Eingangsseite des Systems beruht. Das Verfahren kann auch anderen Arten von Verzerrungen entgegenwirken, die einer praktischen Implementation des Systems zu eigen sind. Weiterhin kann das Verfahren auch in Systemen angewendet werden, die bei anderen räumlichen Frequenzen als DC filtern.
Verfahren:
• Bei Codierung der Eingangsphasenfunktion ist es hilfreich, eine Umkehrgleichung zu haben, die die Eingangsphasenverteilung als eine Funktion einer eingestellten (elektronisch) Bildgraustufenverteilung, Isim, ausdrückt, wobei der Eingang des räumlichen Lichtmodulators adressiert wird:
• wobei berücksichtigt worden ist, dass (x',y') nicht als eine Konstante betrachtet wird, sondern ein leichtes Schwingverhalten innerhalb des optischen Bildbereichs aufweist. Der maximale Wert von Isim wird gmax genannt.
• Nun kann man die Formel für die Graustufenkorrektur, &Delta;Isim(x',y'), ableiten, die man anwenden muss, um eine Phasenfunktion zu codieren, die für die räumliche Variation des mittleren Phasenwerts (x',y') entschädigt:
• worin die zweite Beziehung vor der ersten durch Setzen von = 1/2 und &theta; = &pi; abgeleitet worden ist.
• Durch Einsetzen der zweiten Gleichung in die erste Gleichung erhält man:
• Diese Formel kann jedoch nicht direkt verwendet werden, da sie auf die histogrammangepasste Graustufenverteilung bezogen ist, die mit Isim bezeichnet wird.
• Man benötigt eine Formel, die den obigen Korrekturterm in Beziehung zu der ursprünglichen Eingangsgraustufenverteilung I(x, y) setzt, die nicht durch Histogrammeinstellungen verändert worden ist. Dies ist wichtig, da der Effekt der Graustufenkorrekturen ebenso in das Verfahren der Histogrammeinstellungen eingeführt werden muss.
• Das Histogrammskalieren ergibt:
• worin Imax und Isim,max die Verteilungen der maximalen Graustufenwerte, die im Original auftreten, bzw. der eingestellten elektronischen Graustufen sind.
• In gleicher Weise kann diese Beziehung auf den Intensitätskorrekturterm &Delta;Isim, angewendet werde n und man erhält:
• welches führt zu:
• Um einen ausreichenden dynamischen Bereich bei den Graustufen für den Korrekturterm zu haben, kann man unter Verwendung der Tatsache, dass max &le; g max, eine Ungleichung ableiten:
• oder
• Nachdem der erste Term der dominierende Term in dem Ausdruck für die Intensitätskorrektur ist, wird es in der Praxis ausreichend sein, die wesentlich einfachen Korrekturen zu haben:
• Vorgeschlagene Anwendungen:
• - Laserbearbeitung, -markieren, -einbrennen, -schlichten, -härten, -anreißen, -etikettieren, -schweißen und -schneiden auf zwei- und dreidimensionalen Oberflächen, insbesondere unter Verwendung von CO&sub2; und Nd: YAG-laserbasierten Systemen. Der Hauptvorteil ist der, dass in dem System keine Energie absorbiert wird (wobei auf diese Weise eine Beschädigung der optischen Hardware verhindert wird) und diese nicht absorbierte Energie stattdessen zur Erhöhung des Intensitätspegels der gewünschten Lichtverteilung in der Bildebene verwendet wird. Es kann eine hohe Leistung gleichzeitig an ausgewählte Bereiche auf dem Arbeitsstück geliefert werden.
• - Effiziente und dynamische Fleck-Arry-Generatoren auf der Basis der Phasenkontrastbildgebung. Um BIAS- oder Haltestrahle für Arrays von optoelektronischen Elementen, wie beispielsweise bistabile Elemente, Fotoschalter und Smartpixels zu schaffen.
• - Erzeugung von strukturiertem Licht (verlustfrei) für Anwendungen maschineller Bilderfassung. Beispielsweise periodische und schiefe periodische Maschenrasterbeleuchtung, die parallel aktualisiert werden kann.
• - Photolithographische Anwendungen (direktes paralleles Laser-3D-Schreiben ohne die NotWendigkeit des sequenziellen Scannens). Beispielsweise Hochleistungslaserdirektschreiben von Wellenleitern in Ge-dotiertem Silicium.
• - Räumliche Lichtintensitätsmodulation im Allgemeinen durch Verwendung von reiner Phasenmodulation (Strahlungsfokussierer).
• - Laserstrahlformen (dynamisch).
• - Hocheffiziente parallele Bildprojektion ohne das Erfordernis einer Laserscaneinrichtung.
• - Dynamische Infrarot-Szenen-Projektion (DIRSP)
• - Belichtungsvorrichtung zur Gitter- und Maskenherstellung.
• - LIDAR-Anwendungen.
• - Paralleles Laserdrucken.
• - Lasershow-Anwendungen.
• - Atmosphärenforschung.

Claims (67)

1. Verfahren zur Phasenkontrastbildgebung, bei dem von einem Bild ein Intensitätsmuster I (x', y') erzeugt wird, wobei das Verfahren zur Phasenkontrastbildgebung folgende Schritte aufweist:

Unterteilen des Intensitätsmusters I (x', y') in Pixel in Abhängigkeit von der Anordnung von Auflösungselementen (x, y) einer räumlichen Phasenmaske (4, 23, 43), die

eine Vielzahl von einzelnen Auflösungselementen (x, y) aufweist, wobei jedes Auflösungselement (x, y) die Phase einer auf es fallenden elektromagnetischen Strahlung mit einem vorbestimmten Zeigerwert ei&phi; (x, y) moduliert,

Ausstrahlen von elektromagnetischer Strahlung zu der räumlichen Phasenmaske (4, 23, 43),

Fouriertransformation oder Fresneltransformation der modulierten elektromagnetischen Strahlung,

Phasenverschiebung in der modulierten elektromagnetischen Strahlung um einen vorbestimmten Phasenverschiebungswert wim Verhältnis zu dem verbleibenden Teil der elektromagnetischen Strahlung in einem Bereich der räumlichen Frequenzen, der einen Gleichanteil aufweist, in der Fourierebene oder Fresnelebene, und

Bilden des Intensitätsmusters durch Fouriertransformation bzw. Fresneltransformation der phasenverschobenen und fourier- oder fresneltransformierten modulierten elektromagnetischen Strahlung, wobei jedes Auflösungselement (x, y) der Phasenmaske (4, 23, 43) auf ein entsprechendes Auflösungselement (x', y') des Bildes abgebildet wird,

Berechnung der Zeigerwerte ei&phi;(x, y) der Phasenmaske (4, 23, 43) und des Phasenverschiebungswertes &theta; gemäß

(x',y') = ei&phi;(x',y') + (ei&theta; - 1) ²

für ausgewählte Phasenverschiebungswerte &theta;, wobei das Mittel der Zeiger ei&phi; (x, y) der Auflösungselemente der Phasenmaske (4, 23, 43) ist,

Auswählen von einem oder zwei Zeigerwerten, die eine bestimmte Graustufe darstellen, für jedes Auflösungselement, und

Speisen der Auflösungselemente (x, y) der räumlichen Phasenmaske (4, 23, 43) mit den ausgewählten Zeigerwerten ei&phi;(x,y).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Berechnung der Zeigerwerte aufweist

Setzen der erzeugten Intensität von wenigstens einem Auflösungselement (x&sub0;', y&sub0;') des Intensitätsmusters zu Null, und

Berechnung der Zeigerwerte ei&phi;(x,y) der Phasenmaske (4, 23, 43) gemäß

und

für ausgewählte Phasenverschiebungswerte &theta;, wobei &phi; die Phase von ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin aufweist den Schritt

Auswählen des Phasenverschiebungswertes &theta; = &pi;, Auswählen von 1 = 1/2 und Berechnen der Zeigerwerte ei&phi;(x,y) der Phasenmaske (4, 23, 43) gemäß

I(x',y') = 2[1 - cos(&phi;(x',y'))]

und

sin(&phi;(x,y))dxdy = 0.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist den Schritt

Übertragen des DC-Anteils der elektromagnetischen Strahlung zu einem zweiten Teil der Fourier- oder Fesnelebene, und

Phasenverschieben der fourier- oder fresneltransformierten modulierten elektromagnetischen Strahlung bei dem zweiten Teil der Fourier- oder Fresnelebene um &theta; im Verhältnis zu dem verbleibenden Teils der elektromagnetischen Strahlung.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt der Übertragung des DC-Anteils der elektromagnetischen Strahlung die Verwendung einer optischen Komponente mit einer geeigneten Trägerfrequenz umfasst, wie beispielsweise ein Gitter, ein Prisma etc.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt der Übertragung des DC-Anteils der elektromagnetischen Strahlung das Encodieren der Funktion einer optischen Komponente, wie beispielsweise ein Gitter, ein Prisma etc., mit einer geeigneten Trägerfrequenz in die räumliche Phasenmaske (4, 23, 43) umfasst.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist den Schritt einer Einstellung des Moduls der Fouriertransformation der Zeiger ei&phi;(x,y) bei spezifischen räumlichen Frequenzen, um den Bereich der Intensitätsstufen des erzeugten Intensitätsmusters zu steuern.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt der Einstellung des Moduls der Fouriertransformation der Zeiger ei&phi;(x,y) bei spezifischen räumlichen Frequenzen wenigstens eine der folgenden Maßnahmen umfasst:

a) Einstellung der einzelnen Zeiger ei&phi;(x,y) der Auflösungselemente der Phasenmaske (4, 23, 43), wobei vorgeschriebenen relative Intensitätsstufen zwischen den Intensitäten der Auflösungselemente des Intensitätsmusters beibehalten werden,

b) Einstellung der individuellen Zeiger ei&phi;(x,y) der Auflösungselemente der Phasenmaske (4, 23, 43) mittels Histogrammtechniken,

c) räumliche Skalierung des Musters der Zeiger ei&phi;(x,y) der Phasenmaske (4, 23, 43), und

d) Verwendung von Grautoncodiertechniken.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin den Schritt einer Steuerung der Leistung der elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit des Intensitätsbereichs des Intensitätsmusters umfasst.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Zeiger ei&phi;(x,y) der Phasenmaske (4, 23, 43) aus einer Menge von zwei vorbestimmten Zeigern mit komplementären Zeigerwerten ei&phi;1(x,y) und ei&phi;(x,y)derart ausgewählt wird, dass eine spezifische Verteilung der räumlichen Frequenz der Intensität der elektromagnetischen Strahlung in der Fourier- oder Fresnelebene erreicht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Phase &phi;(x,y) der Zeiger ei&phi;(x,y) von benachbarten Auflösungselementen zwischen den zwei möglichen komplementären Zeigerwerten ei&phi;1(x,y) und ei&phi;2(x,y)wechselt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Zeiger ei&phi;1(x,y)und ei&phi;2(x,y) komplexkonjugiert sind.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist den Schritt einer Phasenverschiebung bei ausgewählten räumlichen Frequenzen, die einen Bereich bilden, der in Übereinstimmung mit dem Inhalt der räumlichen Frequenz des Zeigers ei&phi;(x,y) der räumlichen Phasenmaske (4, 23, 43) ausgestaltet ist, umfasst.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Modul des Mittelwerts der Zeiger ei&phi;(x,y) sich in einem Bereich zwischen 0,1 und 0,9 befindet.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Modul des Mittelwertes der Zeiger ei&phi;(x,y) sich in einem Bereich zwischen 0,25 und 0,75 befindet.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem sich der Modul des Mittelwerts der Zeiger ei&phi;(x,y)sich in einem Bereich zwischen 0,4 und 0,6 befindet.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dem der Modul des Mittelwerts der Zeiger ei&phi;(x,y)ungefähr 0,5 ist.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Phasenverschiebung &theta;sich in einem Bereich zwischen &pi;/4 und 7&pi;/4 befindet.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Phasenverschiebung &theta; sich in einem Bereich zwischen &pi;/2 und 3&pi;/2 befindet.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Phasenverschiebung &theta; sich in einem Bereich zwischen 3&pi;/4 und 5&pi;/4 befindet.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Phasenverschiebung &theta; ungefähr &pi; ist.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin den Schritt eines Zoomens des Bildes zur Skalierung des Intensitätsmusters umfasst.

23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem das Zoomen des Bildes dynamisch steuerbar ist.

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem das Zoomen des Bildes in Abhängigkeit der Skalierung der Phasenmaske (4, 23, 43) steuerbar ist.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, das weiterhin den Schritt der Steuerung der Leistung der elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit der räumlichen Skalierung des Musters in der Phasenmaske (4, 23, 43) und/oder des Zoomens des Bildes umfasst.

26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt der Phasenverschiebung die Verwendung eines räumlichen Lichtmodulators umfasst.

27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin den Schritt einer Encodierung der optischen Funktion von einer Fouriertransformationslinse in den Zeiger ei&phi;(x,y) der Phasenmaske (4, 23, 43) umfasst.

28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin den Schritt des Encodierens der optischen Funktion einer Austrittslinse in den Phasenfilter (6, 27, 45) umfasst.

29. Verfahren nach einem der Vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Aussendens der elektromagnetischen Strahlung das Aussenden von elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen entsprechend drei verschiedener Farben, wie beispielsweise Rot, Grün und Blau, umfasst, um Intensitätsmuster beliebiger Farben zu erzeugen.

30. Ein Phasenkontrastbildgebungssystem (1) zur Erzeugung eines Intensitätsmusters I (x', y') eines Bildes, mit

einer Quelle (2, 21, 41) von elektromagnetischer Strahlung zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung,

eine räumliche Phasenmaske (4, 23, 43) zur Phasenmodulation von elektromagnetischer Strahlung und mit

einer Vielzahl von einzelnen Auflösungselementen (x, y), wobei jedes Auflösungselement (x, y) die Phase der auf es fallenden elektromagnetischen Strahlung mit einem vorbestimmten Zeigerwert ei&phi;(x,y) moduliert, jedes Auflösungselement (x, y) individuell adressierbar und zum Empfangen eines Signals zur Steuerung des vorbestimmten Zeigerwerts ei&phi;(x,y) eingerichtet ist und jedes Auflösungselement (x, y) auf einer Ausbreitungsachse der elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist,

Mittel (5, 26, 44) zur Fourier- oder Fesneltransformation der phasenmodulierten elektromagnetischen Strahlung, die auf einer Ausbreitungsachse der phasenmodulierten Strahlung angeordnet sind,

ein räumliches Phasenfilter (6, 27, 45) zur Phasenverschiebung der transformierten elektromagnetischen Strahlung um einen vorbestimmten Phasenverschiebungswert &theta; im Verhältnis zu dem verbleibenden Teil der transformierten elektromagnetischen Strahlung in einem Bereich der räumlichen Frequenzen, die einen DC-Anteil aufweisen, in der Fourier- oder Fresnelebene,

Mittel (7, 10, 26, 30, 44, 47) zum Bilden des Intensitätsmusters durch Fourier- bzw. Fresneltransformation der phasenverschobenen fourier- oder fresneltransformierten modulierten elektromagnetischen Strahlung, wobei jedes Auflösungselement (x, y) der Phasenmaske (4, 23, 43) auf ein entsprechendes Auflösungselement (x', y') des Bildes abgebildet wird,

Schnittstellenmitteln zum Adressieren von jedem der Auflösungselemente (x, y) der Phasenmaske (4, 23, 43) und zur Übertragung von Signalen, die den Zeigerwert ei&phi;(x,y) von jedem adressierten Auflösungselement steuern, wobei die Zeigerwerte ei&phi;(x, y) im Wesentlichen die Bedingung

I(x',y') = ei&phi;(x,y) + (1ei&phi;(x,y) - 1) ²

für die vorbestimmten Phasenverschiebungswerte A erfüllen, wobei das Mittel der Zeiger ei&phi;(x,y) der Auflösungselemente der Phasenmaske (4, 23, 43) ist.

31. Ein System (1) nach Anspruch 30, das weiterhin aufweist:

Mittel zur Unterteilung in Pixel des Intensitätsmusters I (x', y') in Übereinstimmung mit den Elementen (x, y) der räumlichen Phasenmaske (4, 23, 43),

Mittel zum Berechnen der Zeigerwerte ei&phi;(x,y) der Phasenmaske (4, 23, 43) und des Phasenverschiebungswertes &theta; gemäß der Gleichung

I(x' y') = ei&phi;(x,y) + (ei&phi;(x,y) - 1) ²

Mittel zum Auswählen von einem von zwei Zeigerwerten, die eine bestimmte Graustufe darstellen, für jedes Auflösungselement, und

wobei die Schnittstellenmittel Mittel zum Speisen der Elemente (x, y) der Phasenmaske (4, 23, 43) mit den berechneten Zeigerwerten ei&phi;(x,y) aufweist.

32. Ein System (1) nach Anspruch 30, wobei die Intensität wenigstens eines Auflösungselements (x0', y0') des Intensitätsmusters Null ist, und wobei die Zeigerwerte ei&phi;(x,y) der Phasenmaske (4, 23, 43) im Wesentlichen die Bedingungen

und

I(x', y') = 2[1_ + sin(&phi; - &phi;(x',y') + &theta;/2)]

für ausgewählte Phasenverschiebungswerte &theta; erfüllen, wobei &phi; die Phase von ist.

33. Ein System (1) nach Anspruch 31, wobei die Mittel zur Berechnung der Zeitwerte derart eingerichtet sind, dass sie die Zeigerwerte ei&phi;(x,y) der Phasenmaske (4, 23, 43) gemäß

I(x', y') = 2[1_ + sin(&phi; - &phi;(x', y') + &theta;/2)]

für ausgewählte Phasenverschiebungswerte &theta; berechnen, wobei &phi; die Phase von ist.

34. Ein System (1) nach Anspruch 32, wobei die Phasenverschiebung &theta; im Wesentlichen gleich &pi; und im Wesentlichen gleich 1/2 ist, und die Phasen &phi;(x,y) im Wesentlichen die Bedingungen

I(x',y') = 2[1 - cos(&phi;(x',y'))]

und.

sin(&phi;(x,y))dxdy = 0.

erfüllen.

35. Ein System (1) nach Anspruch 33, wobei die Mittel zur Berechnung der Zeigerwerte so eingerichtet sind, dass sie die Zeigerwerte ei&phi;(x,y) der Phasenmaske (4, 23, 43) gemäß

I(x',y') = 2[1 - cos(x',y'))]

und

sin(&phi;(x,y))dxdy = 0

berechnen.

36. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 35, das weiterhin aufweist

Mittel zur Übertragung des Bereichs der räumlichen Frequenzen, die einen DC-Anteil aufweisen, zu einem zweiten Teil der Fourier- oder Fresnelebene, wobei

das Phasenfilter (6, 27, 45) bei dem zweiten Teil der Fourier- oder Fresnelebene angeordnet ist, um die transformierte modulierte elektromagnetische Strahlung nach dem zweiten Teil der Fourier- oder Fresnelebene um &theta; in Bezug auf den verbleibenden Teil der elektromagnetischen Strahlung zu verschieben.

37. Ein System (1) nach Anspruch 36, bei dem die Mittel zum Übertragen des Bereichs der räumlichen Frequenzen, die einen DC-Anteil aufweisen, zu einem zweiten Teil der Fourier- oder Fresnelebene eine optische Komponente aufweisen, wie beispielsweise ein Gitter, ein Prisma etc., mit einer geeigneten Trägerfrequenz.

38. Ein System (1) nach Anspruch 36, bei dem die Mittel zum Übertragen des Bereichs der räumlichen Frequenzen, die einen DC-Anteil aufweisen, zu einem zweiten Teil der Fourier- oder Fresnelebene die Phasenmaske (4, 23, 43) umfassen, in die die Funktion einer optischen Komponente, wie beispielsweise ein Gitter, ein Prisma etc., mit einer geeigneten Trägerfrequenz encodiert worden ist.

39. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 38, bei dem der Modul der Fouriertransformation der Zeiger ei&phi;(x,y)bei spezifischen räumlichen Frequenzen so eingestellt ist, dass die Intensitätsstufen der zusammengesetzten Intensitätsmuster innerhalb eines gewünschten Bereichs liegen.

40. Ein System (1) nach Anspruch 39, bei dem der Modul der Fouriertransformation der Zeiger ei&phi;(x,y) bei spezifischen räumlichen Frequenzen gemäß wenigstens einer der folgenden Maßnahmen eingestellt ist:

a) Einstellen der einzelnen Zeiger ei&phi;(x,y) der Auflösungselemente der Phasenmaske (4, 23, 43), wobei vorgeschriebene relative Intensitätsstufen zwischen den Intensitäten der Auflösungselemente des Intensitätsmusters eingehalten werden,

b) Einstellen der einzelnen Zeiger ei&phi;(x,y) der Auflösungselemente der Phasenmaske (4, 23, 43) durch Histogrammtechniken,

c) räumliche Skalierung der Muster der Zeiger ei&phi;(x,y) der Phasenmaske (4, 23, 43), und

d) Verwendung von Grautoncodierungstechniken.

41. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 40, das weiterhin Mittel zur Steuerung der Leistung der elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit des Intensitätsbereichs des Intensitätsmusters aufweist.

42. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 41, bei dem jeder Zeiger ei&phi;(x,y) der Phasenmaske (4, 23, 43) im Wesentlichen gleich einem ausgewählten Zeiger ist, der aus einer Menge von zwei Zeigern mit komplementären Phasenwerten ei&phi;1(x,y) und ei&phi;2(x,y) in der Weise ausgewählt worden ist, dass eine spezifische Verteilung der räumlichen Frequenzen der Intensität der elektromagnetischen Strahlung in der Fourier- oder Fresnelebene erreicht wird.

43. Ein System (1) nach Anspruch 42, bei dem die Phase &phi;(x,y) der Zeiger ei&phi;(x,y) von benachbarten Auflösungselementen zwischen den zwei möglichen komplementären Zeigerwerten ei&phi;1(x,y) und ei&phi;2(x,y) wechselt.

44. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 43, bei dem der Phasenfilter (6, 27, 45) so gestaltet ist, dass er mit dem räumlichen Frequenzinhalt der Zeiger ei&phi;(x, y) der räumlichen Phasenmaske (4, 23, 43) übereinstimmt.

45. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 44, bei dem der Modul des Mittelwerts der Zeiger ei&phi;(x,y) sich in einem Bereich zwischen 0,1 und 0,9 befindet.

46. Ein System (1) nach Anspruch 45, bei dem der Modul des Mittelwerts der Zeiger ei&phi;(x,y) sich in einem Bereich zwischen 0,25 und 0,75 befindet,

47. Ein System (1) nach Anspruch 45 oder 46, bei dem der Modul des Mittelwerts der Zeiger ei&phi;(x,y) sich in einem Bereich zwischen 0,4 und 0,6 befindet.

48. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 45 bis 47, bei dem der Modul des Mittelwerts der Zeiger ei&phi;(x,y) ungefähr 0,5 ist.

49. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 45 bis 48, bei dem die Phasenverschiebung &theta; sich in einem Bereich zwischen &pi;/4 und 7&pi;/4 befindet.

50. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 45 bis 49, bei dem die Phasenverschiebung &theta; sich in einem Bereich zwischen &pi;/2 und 3&pi;/2 befindet.

51. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 45 bis 50, bei dem die Phasenverschiebung &theta; sich in einem Bereich zwischen 3&pi;/4 und 5&pi;/4 befindet.

52. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 51, bei dem die Phasenverschiebung &theta; ungefähr &pi; ist.

53. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 52, das weiterhin Mittel (10, 30, 47) zum Zoomen aufweist, um das Intensitätsmuster zu skalieren.

54. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 53, bei dem das Phasenfilter (6, 27, 45) einen räumlichen Lichtmodulator umfasst.

55. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 54, bei dem die Phasenmaske (4, 23, 43) so eingerichtet ist, dass sie die optische Funktion einer Fouriertransformationslinse durch geeignete Encodierung der Zeiger ei&phi;(x,y) der Phasenmaske (4, 23, 43) ausführt.

56. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 55, bei dem das räumliche Phasenfilter (6, 27, 45) so eingerichtet ist, dass es die optische Funktion einer Austrittslinse durch geeignete Encodierung des Phasenfilters (6, 27, 45) ausführt.

57. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 56, bei dem die Quelle (2, 21, 41) der elektromagnetischen Strahlung zur Erzeugung von Intensitätsmustern beliebiger Farben so eingerichtet ist, dass sie elektromagnetische Strahlung verschiedener Wellenlängen ausstrahlt, die drei verschiedenen Farben, wie beispielsweise Rot, Grün und Blau, entsprechen.

58. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 57, das weiterhin eine erste und eine zweite Fouriertransformationslinse (5, 7) aufweist, wobei die räumliche Phasenmaske (4, 23, 43) in der vorderen Fokusebene der ersten Linse (5), das räumliche Phasenfilter (6, 27, 45) in der hinteren Fokusebene der ersten Linse (5), und die zweite Linse (7) so angeordnet ist, dass ihre vordere Fokusebene an dem Ort der hinteren Fokusebene der ersten Linse (5) angeordnet ist.

59. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 58, das weiterhin eine Fouriertransformationslinse (44) aufweist, wobei das räumliche Phasenfilter (45) in der hinteren Fokusebene der Linse (44) angeordnet ist.

60. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 59, das weiterhin eine Abbildungslinse aufweist, wobei das räumliche Phasenfilter (6, 27, 45) in der hinteren Fokusebene der Linse angeordnet ist.

61. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 60, das weiterhin einen polarisierenden Strahlteiler (24) und eine Viertelwellenplatte (25) und/oder ein Phasenfilter (27) aufweist, das auf es treffende elektromagnetische Strahlung reflektiert.

62. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 61, bei dem das räumliche Phasenfilter (6, 27, 45) die Phase der Strahlung in dem Bereich der räumlichen Frequenzen, die einen DC-Anteil aufweisen, verändert und die Phase in dem verbleibenden Teil der Strahlung unverändert lässt.

63. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 61, bei dem das räumliche Phasenfilter (6, 27, 45) die Phase der Strahlung in dem Bereich von räumlichen Frequenzen, die einen DC-Anteil aufweisen, nicht verändert und die Phase in dem verbleibenden Teil der Strahlung verändert.

64. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 61, bei dem das räumliche Phasenfilter (6, 27, 45) die Strahlung bei dem Bereich von räumlichen Frequenzen, die einen DC-Anteil aufweisen, abblockt und den verbleibenden Teil der Strahlung unverändert belässt.

65. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 64, bei dem die Quelle (2, 21, 41) der elektromagnetischen Strahlung ein Laser (2, 21, 41) ist.

66. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 65, bei dem unter der Bedingung, dass &theta; = &pi;, die Phasenmaske (4, 23, 43) nicht in eine Matrix von Reihen und Spalten von Auflösungselementen der gleichen Größe und Gestalt aufgeteilt wird, jedes vierte Auflösungselement den Zeigerwert ei&pi; aufweist und periodisch und gleichförmig über die Fläche der Phasenmaske derart verteilt ist, dass jede zweite Reihe und jede zweite Spalte nicht ein Auflösungselement mit dem Zeigerwert ei&pi; enthält, wobei die übrigen Auflösungselemente den Zeigerwert ei0 aufweisen.

67. Ein System (1) nach einem der Ansprüche 30 bis 65, bei dem unter der Voraussetzung, dass &theta; = &pi;/2, die Phasenmaske (4, 23, 43) nicht in eine Matrix von Reihen und Spalten der gleichen Größe und Gestalt unterteilt ist, wobei jede zweite Reihe oder Spalte den Zeigerwert ei&pi;/2 aufweist und sich mit en übrigen Reihen oder Spalten abwechseln, die den Zeigerwert ei0 aufweisen.