DE102014013004A1

DE102014013004A1 - Optical system for measuring polarization and phase

Info

Publication number: DE102014013004A1
Application number: DE201410013004
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Fuetterer Gerald Prof Dr De
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2015-03-12

Abstract

Ein die Polarisation und die Phase messendes optisches System und zugeordnete Techniken werden beschrieben. Das optische System, welches eine Transformation des Objekts unter Test auf einen Detektor oder/und die Transformation einer Frequenz-Domänen-Ebene des Objekts unter Test auf einen Detektor nutzen kann, ist in der Lage induzierte Doppelbrechung zu messen.A polarization and phase measuring optical system and associated techniques will be described. The optical system, which can use a transformation of the object under test for a detector or / and the transformation of a frequency domain plane of the object under test to a detector, is capable of measuring induced birefringence.

Description

Zusammenfassung:Summary:

Hintergrund der Erfindung:Background of the invention:

Die Visualisierung und die Messung der Phasenverteilungen sind von besonderem Interesse in der Mikroskopie, Lithografie, optischen Messtechnik und Zellbiologie. Die räumliche und zeitliche Phasen-Verteilung und die räumliche und zeitliche Verteilung des Polarisationszustandes sind durch die Nutzung von Phase schiebenden Interferometern und Polarisations-Mikroskopen zugänglich.Visualization and measurement of phase distributions are of particular interest in microscopy, lithography, optical metrology and cell biology. The spatial and temporal phase distribution and the spatial and temporal distribution of the polarization state are accessible through the use of phase-shifting interferometers and polarization microscopes.

Das Ziel der bekannt gegebenen Ausführungsform ist es, die räumlich aufgelöste induzierte Doppelbrechung und/oder die räumlich aufgelöste Ladungsverteilung zu messen und somit räumlich das darzustellen, was durch das Verwenden der modernsten Technologie derzeit nicht erreichbar ist. Räumlich und/oder zeitlich aufgelöste Messungen können zur Verfügung gestellt werden.The aim of the disclosed embodiment is to measure the spatially resolved induced birefringence and / or the spatially resolved charge distribution and thus spatially represent what is currently unattainable by using the most advanced technology. Spatially and / or temporally resolved measurements can be made available.

Stand der Technik:State of the art:

Common-Path-Interferometer (Begriffserklärung: Die in einer Detektor-Ebene interferierenden Wellenfelder durchlaufen innerhalb der Interferometer-Anordnung nahezu den selben optischen Weg. Die Ausbreitung erfolgt koaxial, was auch durch den Begriff Koaxial-Interferometer zu beschreiben ist. Im strengen Sinne der Auslegung ist der Begriff Koaxial-Interferometer zutreffender als der Begriff Gemeinsamer-Weg-Interferometer.) bieten eine hohe Stabilität und einen reduzierten Einfluss gegenüber vorhandenen Schwingungen oder vorhandenen Aberrationen. Deshalb ist diese Art der Anordnung attraktiv in Bezug darauf, als Messinstrument verwendet zu werden.Common-Path Interferometer (Explanation: The interfering wave fields in a detector plane pass through almost the same optical path within the interferometer array, which propagates coaxially, which is also to be described by the term coaxial interferometer - in the strict sense of the interpretation The term coaxial interferometer is more appropriate than the term common-path interferometer.) offer high stability and a reduced influence on existing vibrations or existing aberrations. Therefore, this type of arrangement is attractive in terms of being used as a meter.

In einem Standard-Mikroskop bieten Phasenobjekte, wie beispielsweise biologische Zellen, nicht den Bildkontrast, der für strukturelle Untersuchungen notwendig ist. Frits Zernike löste dieses Problem 1930 und erhielt 1953 den Nobelpreis für Physik für seine Erfindung der Phasen-Kontrast-Mikroskopie, welche seit Jahrzehnten ein Standard ist. Die Ausführungsform, die eine Punktquelle verwendet statt einer kreisförmigen Ring-Quelle, ist die Vorlage so genannter Punkt-Beugungs-Interferometer (engl.: point diffraction interferometer), die vor Jahrzehnten eingeführt worden sind, d. h. im letzten Jahrhundert. Punkt-Beugungs-Interferometer und Kreisring-Beugungs-Interferometer wie beispielsweise Zernike Phasen-Kontrast-Mikroskope, welche eine Punktlichtquelle oder eine Kreisring-Lichtquelle verwenden, leiden unter Aberrationen und Bild-Kontrast-Problemen [1, 2, 3]. Ein Problem ist zum Beispiel die Arbeit mit Phase-Objekten, die Phasenstufen einführen, die deutlich größer als π sind.In a standard microscope, phase objects, such as biological cells, do not provide the image contrast necessary for structural analysis. Frits Zernike solved this problem in 1930 and received the 1953 Nobel Prize in Physics for his invention of phase-contrast microscopy, which has been a standard for decades. The embodiment using a point source rather than a circular ring source is the template of so-called point diffraction interferometers introduced decades ago, i. H. in the last century. Point-diffraction interferometers and circular-diffraction interferometers such as Zernike phase-contrast microscopes using a point light source or annulus light source suffer from aberrations and image contrast problems [1, 2, 3]. For example, one problem is working with phase objects that introduce phase levels that are significantly larger than π.

Der Ansatz der reinen Kontrastierung kann zu einer genauen Phasen-Messtechnik erweitert werden, dadurch dass eine Reihe definierter Phasenverschiebung zwischen der 0-ten und den weiteren Beugungsordnungen des abzubildenden Objekts eingeführt werden.The pure contrasting approach can be extended to a precise phase measurement technique by introducing a series of defined phase shifts between the 0th and the other diffraction orders of the object being imaged.

DE 10356968A1 gibt ein Koaxial-Interferometer (Common-Path-Interferometer) an, welches die Einführung variabler Phasen-Verschiebungen zwischen der 0-ten Beugungsordnung und anderen Beugungsordnungen ermöglicht, wobei dies bei gleichzeitiger Realisierung eines Minimum an Aberrationen erfolgt [4]. Typische Beugungseffekte und einzuhaltende Begrenzungen der vorliegenden Phasenwerte (auf ≤ π/4), die aus der Phasen-Kontrast-Mikroskopie bekannt sind, werden eliminiert. Größere Phasenwerte können gemessen werden. Die beschriebene Ausführungsform, die in Reflexion arbeitet, kann für sehr kurze Wellenlängen wie z. B. weiche Röntgenstrahlung mit λ = 13,5 nm, sowie für Kurz-Puls-Laser breiter spektraler Verteilung und Weißlichtquellen, d. h. für Lichtquellen, die eine sehr kurze Kohärenzlänge haben, eingesetzt werden. So kann eine Phasenverteilung φ(x, y) einer Zelle mit einer absoluten Unsicherheit von Δφ < 2π/500 gemessen werden, was im Bereich des sichtbaren Lichts (VIS) einer Stufenhöhe von 1 nm entspricht. Eine Wiederholbarkeit von Δφ < 2π/1500 kann realisiert werden, was äquivalent zur Erkennung von lokalen Unterschieden im optischen Strahlengang ist, die < 1/3 nm betragen. DE 10356968A1 specifies a co-axial interferometer (Common Path Interferometer), which allows the introduction of variable phase shifts between the 0th diffraction order and other orders of diffraction, with simultaneous realization of a minimum of aberrations [4]. Typical diffraction effects and limitations of the present phase values (to ≤ π / 4) to be observed, which are known from phase-contrast microscopy, are eliminated. Larger phase values can be measured. The described embodiment, which works in reflection, for very short wavelengths such. As soft X-ray radiation with λ = 13.5 nm, as well as short-pulse laser broad spectral distribution and white light sources, ie for light sources that have a very short coherence length, are used. Thus, a phase distribution φ (x, y) of a cell with an absolute uncertainty of Δφ <2π / 500 can be measured, which corresponds to a step height of 1 nm in the range of visible light (VIS). A repeatability of Δφ <2π / 1500 can be realized, which is equivalent to the detection of local differences in the optical path, which are <1/3 nm.

Diese und andere Anordnungen von Phase-schiebenden-Koaxial-Interferometer können abgeändert werden, um sowohl die Phasenmessung mit sehr kleiner Messunsicherheit als auch die Messung des lokalen Polarisationszustandes des abzubildenden Objektes zu ermöglichen.These and other arrangements of phase-shifting coaxial interferometers can be modified to allow for both the phase measurement with very little measurement uncertainty and the measurement of the local polarization state of the object to be imaged.

DE 10 2006 016 053 B4 veröffentlicht ein sehr schnell arbeitendes Phase-schiebendes-Koaxial-Interferometer, welches sehr vorteilhaft für die Messung der Wafer-Planität und von dynamischen Phasenobjekten eingesetzt werden kann [5]. Der Hauptaspekt dieser neuen Interferometer-Art ist die Integration einer Referenz-Optik in ein Koaxial-Interferometer, welche bei nahezu senkrechtem Einfall, d. h. parallel zu optischen Achse des Systems in ihren optischen Eigenschaften selektiv in Bezug auf unterschiedliche Polarisationszustände ist. Kombiniert mit einer Kerr-Zelle oder einem alternativen, sehr schnellen Phase-schiebenden-Element, welches die erforderliche Verzögerung zwischen unterschiedlichen Polarisationszuständen einführt, kann weine sehr schnelle Messung der Phasenverteilung erfolgen, die auf Phase-schiebender-Interferometrie beruht. Dies kann innerhalb von weniger als 1/1000 Sekunde erfolgen. Dies ist wichtig für die Messung dynamischer Effekte oder zur Unterdrückung von äußeren Einflüssen, wie beispielsweise störenden Schwingungen. Im Gegensatz zu Standard Typ Fizeau Interferometern kann eine einzelne Referenzfläche, wie beispielsweise eine optische Planfläche (engl.: optical flat), eine sphärische Fläche, eine Asphäre oder im Allgemeinen kann eine beliebige, maßgeschneiderte geformte Referenz(-Fläche, auch Freiformfläche) für einen weiten Bereich des beim zu messenden Objekt vorliegenden Reflexionsgrades verwendet werden. Dies bedeutet, dass eine einzelne Referenzfläche, bzw. ein einzelnes Messobjektiv, welches die Referenzfläche enthält, für einen Reflexionsgrad von 0,05 oder 0.99 verwendet werden kann. Ein Satz von individuell kalibrierten Referenzflächen, welche sich im Reflexionsgrad unterscheiden, ist somit nicht mehr notwendig. Dieses schnell messende Koaxial-Interferometer verwendet einen Polarisationsfilter, oder auch Analysator, vor dem Detektor, was ebenfalls eine Standard-Ausführungsform in Polarisations-Mess-Systemen wie beispielsweise in Polarisations-Mikroskopen darstellt. DE 10 2006 016 053 B4 publishes a very fast-working phase-shifting coaxial interferometer, which can be used very advantageously for the measurement of wafer planarity and dynamic phase objects [5]. The main aspect of this new type of interferometer is the integration of a reference optics in a coaxial interferometer, which at almost vertical incidence, ie parallel to the optical axis of the system in their optical properties is selective with respect to different polarization states. Combined with a Kerr cell or an alternative very fast phase-shifting element which introduces the required delay between different states of polarization, very rapid measurement of the phase distribution based on phase-shifting interferometry can be avoided. This can be done in less than 1/1000 second. This is important for the measurement of dynamic effects or for the suppression of external influences, such as disturbing vibrations. Unlike standard type Fizeau interferometers, a single reference surface, such as an optical flat surface, a spherical surface, an asphere or, in general, any customized shaped reference (surface, also free-form surface) for a wide range of the present at the object to be measured reflectance can be used. This means that a single reference surface, or a single measuring objective containing the reference surface, can be used for a reflectance of 0.05 or 0.99. A set of individually calibrated reference surfaces, which differ in the reflectance, is therefore no longer necessary. This fast-measuring coaxial interferometer uses a polarizing filter, or analyzer, in front of the detector, which is also a standard embodiment in polarization measuring systems such as in polarizing microscopes.

DE 10 2007 032 446 A1 beschreibt, wie einzelne Schichten eines dielektrischen Stapels einzeln gemessen werden können. Dies erfolgt durch eine Anpassung des komplexen Kohärenzgrades [6]. Somit sind unterschiedliche Tiefen-Ebenen für eine Phasenmessungen zugänglich. DE 10 2007 032 446 A1 describes how individual layers of a dielectric stack can be measured individually. This is done by adapting the complex degree of coherence [6]. Thus, different depth levels are accessible for phase measurements.

Mit anderen Worten, Interferometer, die hohe Messgeschwindigkeit und geringe Messunsicherheit gewährleisten, stehen zur Verfügung. Diese Arten von Interferometern können abgeändert werden, um Polarisations-Mess-Systeme aufzubauen.In other words, interferometers that provide high measurement speed and low measurement uncertainty are available. These types of interferometers can be modified to build polarization measurement systems.

Polarisation-Mess-Systeme wie z. B. Polarisations-Mikroskope sind Stand der Technik. Eine einfache zeit-sequenzielle Methode der Polarisationsmessung ist die Verwendung einer rotierenden doppelbrechenden Platte (Hariharan Phase) vor einem Polarisationsfilter, welcher vor einer Detektor-Matrix platziert ist. Der Schwider-Fünf-Phasen-Algorithmus, der manchmal auch als Schwider-Hariharan Phasen-Verschiebungs-Algorithmus bezeichnet wird, ermöglicht eine Fehlerkorrektur für lineare Driften, lineare Fehler der eingeführten Phasenverschiebung. Somit kann eine geringe Messunsicherheit mithilfe von nur fünf Phasen-Verschiebungen und fünf dazugehörigen Intensitäts-Verteilungen, Interferenzbildern erhalten werden [7].Polarization measuring systems such. B. Polarization microscopes are state of the art. A simple time-sequential method of polarization measurement is the use of a rotating birefringent plate (Hariharan phase) in front of a polarizing filter placed in front of a detector matrix. The Schwider-five-phase algorithm, sometimes referred to as the Schwider-Hariharan phase shift algorithm, allows for error correction for linear drifts, linear errors of the introduced phase shift. Thus, a low measurement uncertainty can be obtained by using only five phase shifts and five associated intensity distributions, interference patterns [7].

Phase-schiebende-Interferometrie (PSI) und Fehleranalyse, auch basierend auf optischen Simulationen, hatten gezeigt, dass eine weitere signifikante Reduktion der Messunsicherheit der Phase-schiebenden-Algorithmen erreicht werden kann [8, 12].Phase-shifting interferometry (PSI) and error analysis, also based on optical simulations, have shown that a further significant reduction in the measurement uncertainty of the phase-shifting algorithms can be achieved [8, 12].

Beschreibung der Erfindung:Description of the invention:

Die Polarisation messende Phase-schiebende-Interferometer nutzen Phase-schiebende-Interferometrie (PSI) unter Verwendung eines definierten Polarisationszustandes, welcher detektiert wird. Phase-schiebende Interferometrie, welche derart ausgeführt wird, dass sie die Phasenverteilung für TE und TM Polarisation misst, kann verwendet werden, um die Phasen-Verteilung und die Intensitätsverteilung in Abhängigkeit vom Polarisationszustand zu erhalten. Dies bedeutet, dass eine exakte Messung des Polarisationszustandes durchgeführt werden kann. Dies kann für große Objekte sowie für sehr kleine Objekte, d. h. auch für sehr kleine Phasenobjekte erfolgen.The polarization-measuring phase-shifting interferometers use phase-shifting interferometry (PSI) using a defined polarization state which is detected. Phase-shifting interferometry, which is performed to measure the phase distribution for TE and TM polarization, can be used to obtain the phase distribution and the intensity distribution as a function of polarization state. This means that an exact measurement of the polarization state can be performed. This can be done for large objects as well as for very small objects, ie. H. also for very small phase objects.

Phasen-Verteilung und die Verteilung des Zustandes der Polarisation sind für eine Messung durch die Verwendung von Phasen-schiebenden Interferometern und Polarisationsmikroskopen zugänglich. Bitte beachten Sie, dass die Verwendung von Phasen-Verschiebungs-Algorithmen ein Hauptaspekt in beiden Typen von Messsystemen, die eng miteinander verbunden sind, ist. Algorithmen, die für Phasen-schiebende-Interferometer entwickelt worden sind, können auch für Polarisations-Messsysteme verwendet werden und umgekehrt.Phase distribution and the distribution of the state of polarization are available for measurement through the use of phase-shifting interferometers and polarizing microscopes. Please note that the use of phase shift algorithms is a major aspect in both types of measurement systems that are closely related. Algorithms that have been developed for phase-shifting interferometers can also be used for polarization measurement systems and vice versa.

PSI für mindestens zwei orthogonale Zustande der Polarisation ist ein Schlüsselaspekt, der für die praktische Durchführung(Ausführung) der Erfindung verwendet werden kann. Hohe Geschwindigkeit und niedrige Messunsicherheit sind ein weiterer Schlüsselaspekt in Bezug auf die praktische Verwirklichung der Erfindung.PSI for at least two orthogonal states of polarization is a key aspect that can be used in the practice of the invention. High speed and low measurement uncertainty are another key aspect with respect to practicing the invention.

Die Erfassung der räumlich aufgelösten Verteilung von Ladungsträgern ist durch das Verwenden der induzierten Wechselwirkung mit Ladungsträgern erreichbar. Negative und positive Ladungsträger können gemessen werden, wie beispielsweise Elektronen, Löcher in Halbleitern (Elektronen-Loch-Paare), Ionen und Ladungsverteilungen, die entlang und in Molekülen vorliegen.The detection of the spatially resolved distribution of charge carriers can be achieved by using the induced interaction with charge carriers. Negative and positive charge carriers can be measured, such as electrons, holes in semiconductors (electron-hole pairs), ions, and charge distributions that exist along and in molecules.

Eine Wechselwirkung kann z. B. durch das Verwenden angemessener starker magnetischer oder elektrischer Felder eingeführt werden.An interaction can z. By introducing appropriate strong magnetic or electric fields.

Ein Magnetfeld, das senkrecht zur Bildebene orientiert ist, wird eine Kraft hervorrufen, die Elektronen ablenkt, die z. B. mit linear polarisiertem Licht beleuchtet werden. Wenn kein externes Magnetfeld oder ein elektrisches Feld vorhanden ist, dann absorbieren und re-emittieren Elektronen und andere Ladungsträger diskrete, quantisierte Portionen der Energie des elektromagnetischen Feldes, das vom beleuchtenden Licht bereitgestellt wird.A magnetic field that is oriented perpendicular to the image plane will cause a force that Deflects electrons, the z. B. be illuminated with linearly polarized light. If there is no external magnetic field or electric field, then electrons and other carriers will absorb and re-emit discrete, quantized portions of the energy of the electromagnetic field provided by the illuminating light.

Wenn keine Doppelbrechung und keine, von der Polarisation abhängige Absorption innerhalb des zu messenden Objekts vorliegt, dann entspricht der Polarisationszustand des re-emittierten Lichtes dem der Beleuchtung (abgesehen von Beugungseffekten), d. h. u. a., wenn die Frequenz des Lichtes unter der Resonanzfrequenz der Ladungsträger liegt, beziehungsweise keine Re-Emission bei veränderter Wellenlänge vorliegt, wie dies beispielsweise auch durch Mehr-Photonen-Prozesse bei geringer Photonen-Energie und ausreichend hohen Bestrahlungsstärken erreicht werden kann.If there is no birefringence and no polarization-dependent absorption within the object to be measured, then the polarization state of the re-emitted light will be that of the illumination (other than diffraction effects), ie. H. u. a., When the frequency of the light is below the resonant frequency of the charge carriers, or no re-emission is at a different wavelength, as can be achieved, for example, by multi-photon processes at low photon energy and sufficiently high irradiances.

Ladungsträger und zur Oszillation angeregte Ladungsverteilungen, wie diese beispielsweise in funktionellen Gruppen und ganzen Molekülen vorliegen und diese auch definieren, liegen mit unterschiedlichen Bindungsenergien vor, welche charakteristisch, d. h. auch spezifisch für die jeweilige Bindung sind. Beispielsweise hängt die Ladungsträgerbeweglichkeit bei Ionen in Lösung unter Anderem von der Größe der Ionen ab, was auch bei gleicher Ladung eine Unterscheidung dieser ermöglicht. Sich um ein Ion oder um ein geladenes Molekül bildende Hydrathüllen setzen die Beweglichkeit dieser in einer Lösung weiter herab. Es ergibt sich somit die Unterscheidungsmöglichkeit von Strukturen.Charge carriers and charge distributions excited for oscillation, such as exist and also define, for example, in functional groups and whole molecules, are present with different binding energies, which are characteristic, ie. H. are also specific to the particular bond. For example, the charge carrier mobility of ions in solution depends, among other things, on the size of the ions, which makes it possible to distinguish them even with the same charge. The hydration around an ion or around a charged molecule further reduces its mobility in solution. This results in the possibility of distinguishing structures.

Es ist hier zwischen Wellenfeldern zu unterscheiden, die vom Objekt emittiert werden und die dabei kohärent oder zumindest teil-kohärent zur Strahlung der Beleuchtung des Objektes sind und zwischen Wellenfeldern, die inkohärent zur Strahlung der Beleuchtung des Objektes sind und dabei beispielsweise auch Wellenlänge aufweisen, die über der Wellenlänge der Beleuchtung oder auch unter der Wellenlänge der Beleuchtung liegen. Diese Fallunterscheidung führt zu unterschiedlichen Ausführungsformen der hier beschriebenen Messung von Ladungsträgern und Ladungsträgerverteilungen und der Art der Messung des Polarisationszustandes bzw. der Messung von Phasen.It is here to distinguish between wave fields which are emitted by the object and which are coherent or at least partially coherent with the radiation of the illumination of the object and between wave fields which are incoherent to the radiation of the illumination of the object and thereby, for example, have wavelength, the above the wavelength of the illumination or even below the wavelength of the illumination. This case distinction leads to different embodiments of the measurement of charge carriers and charge carrier distributions described here and the type of measurement of the polarization state or the measurement of phases.

Es ist zu beachten, dass sehr kleine Objekte, die eine Ausdehnung im Bereich der Wellenlänge der Beleuchtung aufweisen und Strukturen mit sehr hohen räumlichen Frequenzen auch die Polarisation ändern. Beispielsweise ist die Streuung und die Beugung unter großen Winkeln im Allgemeinen bezüglich der Polarisation selektiv. So verändert die Abbildung mikroskopisch kleiner Objekte unter Verwendung einer hohen Numerischen Apertur (NA) im Allgemeinen den Polarisationszustand im Sinne einer wirkenden Polarisationstransferfunktion (PTF) des verwendeten optischen Systems, die vom optischen System und von dem im Objekt vorliegenden Raumfrequenzen, d. h. allgemein von der komplex-wertigen Verteilung des Objektes abhängig ist. Die Polarisationstransferfunktion des optischen Systems kann berechnet und auch durch Kalibration ermittelt werden. Sie kann im Anschluss an die Messung des Polarisationszustandes des Objektes verwendet werden, um beispielsweise als Kern einer inversen Faltung dieses mit erhöhter räumlicher Auflösung zu rekonstruieren.It should be noted that very small objects that have an extension in the range of the wavelength of illumination and structures with very high spatial frequencies also change the polarization. For example, scattering and diffraction at large angles are generally selective with respect to polarization. Thus, the imaging of microscopic objects using a high numerical aperture (NA) generally alters the state of polarization in terms of an acting polarization transfer function (PTF) of the optical system used, that of the optical system and of the spatial frequencies present in the object, i. H. is generally dependent on the complex-valued distribution of the object. The polarization transfer function of the optical system can be calculated and also determined by calibration. It can be used after the measurement of the polarization state of the object, for example, to reconstruct it as the core of an inverse convolution of this with increased spatial resolution.

Doppelbrechende Objekte weisen ein intrinsisches, nicht isotropes Feld auf, welches die Schwingung der beleuchteten Ladungsträger, d. h. die Oszillation von Ladungsträgern im elektromagnetischen Feld beeinflusst. Die lokale Doppelbrechung definiert die Änderung der Polarisation, die durch ein optisches System, welches in Transmission oder/und Reflexion betrieben wird, gemessen werden kann.Birefringent objects have an intrinsic, non-isotropic field that reflects the oscillation of the illuminated carriers, i. H. influences the oscillation of charge carriers in the electromagnetic field. Local birefringence defines the change in polarization that can be measured by an optical system operating in transmission and / or reflection.

Mittels äußerer Felder können kontrollierbare Kräfte oder Verteilungen/Potentiale einer wechselwirkenden Kraft eingebracht werden, welche die Oszillation von beleuchteten Ladungsträgern beeinflusst, d. h. ändert und somit die Änderung des Polarisationszustandes definiert(festlegt), der gemessen werden kann. Das kann als induzierte(veranlasste) Doppelbrechung bezeichnet werden.By means of external fields controllable forces or distributions / potentials of an interacting force can be introduced, which influence the oscillation of illuminated charge carriers, i. H. changes and thus defines (fixes) the change in polarization state that can be measured. This can be referred to as induced (induced) birefringence.

Die veranlasste Doppelbrechung kann positiv oder negativ sein. Dies bedeutet, dass positive oder negative Ladungsträger und die Richtung des beispielsweise magnetischen Feldes, welche angelegt wird, die eingeführte Änderung definieren. Zum Beispiel kann linear polarisiertes Licht zu elliptisch polarisiertem Licht geändert werden, welches einen linken oder einen rechten Drehsinn aufweisen kann.The induced birefringence can be positive or negative. This means that positive or negative carriers and the direction of the magnetic field, for example, which is applied define the introduced change. For example, linearly polarized light may be changed to elliptically polarized light, which may have left or right rotation.

Die optische Detektion von Ladungsträgerverteilungen ist mittels Polarisationsmessungen möglich, die auf Phasen-schiebenden Techniken beruhen. Ein System kann verwendet werden, welches einen Polarisationsfilter vor dem Detektor und ein Element aufweist, welches in seiner Funktionalität/Wirkung einer sich drehenden doppelbrechenden Platte entspricht. Es ist keine mechanische Drehung erforderlich, ein Flüssigkristall (LC, engl.: liquid crystal) basierter Phasenschieber kann verwendet werden. Dies kann z. B. ein nematischer LC sein, der zwischen zwei transparenten Elektroden angeordnet ist, welche beispielsweise aus ITO gefertigt worden sind. Bitte beachten Sie, dass die Ausgangs-Elektrode (die Elektrode auf der Seite des Lichtaustritts) ein Drahtgitter-Polarisator (WGP, engl.: wire grid polarizer) sein kann, welcher die Austritts-ITO-Elektrode ersetzt und zur gleichen Zeit als benötigter Polarisationsfilter (PF) wirkt.The optical detection of charge carrier distributions is possible by means of polarization measurements based on phase-shifting techniques. A system may be used which has a polarizing filter in front of the detector and an element which in its functionality / action corresponds to a rotating birefringent plate. No mechanical rotation is required, a liquid crystal (LC) based phase shifter can be used. This can be z. Example, be a nematic LC, which is arranged between two transparent electrodes, which have been made for example of ITO. Please note that the output electrode (the electrode on the side of the light exit) may be a wire grid polarizer (WGP) which replaces the exit ITO electrode and at the same time as a required polarization filter (PF) works.

Eine große Vielfalt an Ausführungen kann realisiert werden, welche der Lehre der Erfindung befolgen. A wide variety of embodiments can be realized which follow the teachings of the invention.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Beleuchtung könnten verwendet werden. Zur Bereitstellung der Anwendbarkeit äußerer Felder, wie beispielsweise magnetischer oder elektrischer Felder, muss ausreichend Platz/Bauraum zur Verfügung gestellt werden. Die explizite Anordnung des Beleuchtungsstrahlenganges – und auch des Abbildungsstrahlenganges – folgt den funktionalen Anforderungen, die – unter anderem – auch durch die Art der ausgeübten Kraft definiert sind.Several embodiments of the lighting could be used. To provide the applicability of external fields, such as magnetic or electric fields, sufficient space / space must be provided. The explicit arrangement of the illumination beam path - and also of the imaging beam path - follows the functional requirements, which - among other things - are also defined by the type of force applied.

Bitte beachten Sie, dass zum Beispiel eine elektrische Spule oder eine steuerbare Induktivität verwendet werden kann, um ein steuerbares Magnetfeld anzuwenden. Um hohe Feldstärken zu realisieren kann die Spule gekühlt supraleitendes Material verwendet werden. Zwei Spulen können derart verwendet werden, dass sie als eine wirken, die zum Beispiel ein starkes magnetisches Feld erzeugt, das senkrecht zu der zu untersuchenden Probe orientiert ist. In diesem Fall kann ein Teil der Beleuchtungsoptik, d. h. z. B. ein Kondensor oder ein achromatisches Kondensor-Linsensystem innerhalb des ersten Teils des segmentierten Spulen-Systems angeordnet werden. Ein Objektiv oder ein Mikroskopobjektiv kann auch innerhalb einer Spule angeordnet werden. Die beiden Spulen können als eine Spule verwendet werden, welche einen einzigen Spalt aufweisen kann. Ein variabler Spaltabstand könnte verwendet werden, um den Prüfling zwischen der Beleuchtungseinrichtung und der Abbildungsoptik zu platzieren. Es ist auch möglich, eine lückenlose – im strengen Sinne einzelne – Spule zu verwenden. Dies begrenzt die Größe des Probenhalters, der vollständig innerhalb der Spule angeordnet werden muss. Dies ist praktikabel, führt jedoch zu einem zusätzlichen technischen Aufwand. Eine Option, die verwendet werden kann, um sperrige Spulen-Anordnungen zu vermeiden, ist die Verwendung von starken Permanentmagneten. Zum Beispiel bietet Nd2Fe14B eine magnetische Flussdichte von bis zu 1,6 T (tesla). So kann ein Permanentmagnet z. B. nahe einer reflektierenden Ebene platziert werden, um eine optische Anordnung zu realisieren, die in Reflexion arbeitet.Please note that, for example, an electrical coil or a controllable inductor can be used to apply a controllable magnetic field. In order to realize high field strengths, the coil cooled superconducting material can be used. Two coils may be used to act as one that, for example, generates a strong magnetic field oriented perpendicular to the sample to be examined. In this case, a part of the illumination optics, i. H. z. For example, a condenser or achromatic condenser lens system may be disposed within the first portion of the segmented coil system. An objective or a microscope objective can also be arranged within a coil. The two coils can be used as a coil, which may have a single gap. A variable gap distance could be used to place the device under test between the illumination device and the imaging optics. It is also possible to use a complete - in the strict sense individual - coil. This limits the size of the sample holder, which must be located completely inside the coil. This is practical, but leads to additional technical effort. One option that can be used to avoid bulky coil arrangements is the use of strong permanent magnets. For example, Nd2Fe14B offers a magnetic flux density of up to 1.6 T (tesla). So a permanent magnet z. B. be placed near a reflective plane to realize an optical arrangement which operates in reflection.

Ein in Reflexion arbeitendes System, das einen dielektrischen Spiegel vor einem Magnet oder vor einer Elektroden-Struktur verwendet, kann mit vernünftigem, geringem technischen Aufwand realisiert werden. Das Phasen-Objekt unter Test wird in einer Anordnung gemessen, bei der das Licht zweimal durch dieses propagiert, was die Höhe detektierbarer Phasen-Stufen verdoppelt.A reflective system using a dielectric mirror in front of a magnet or in front of an electrode structure can be realized with reasonable, low technical effort. The phase object under test is measured in an arrangement in which the light propagates twice through it, which doubles the level of detectable phase levels.

Ein größerer Permanentmagnet, der eine innere Bohrung aufweist, kann auch in einem optischen System verwendet werden, welches in Transmission arbeitet. Es ist auch möglich, eine symmetrische Anordnung von zwei dieser Permanentmagneten zu verwenden. Das Objekt, das gemessen werden soll oder der Objektträger können zwischen diesen beiden Permanentmagneten, die ein inneres Loch haben, platziert werden, was die Verwendung eines optischen Systems ermöglicht, welches in Transmission arbeitet.A larger permanent magnet having an inner bore may also be used in an optical system which operates in transmission. It is also possible to use a symmetrical arrangement of two of these permanent magnets. The object to be measured or the slide can be placed between these two permanent magnets having an inner hole, which allows the use of an optical system that operates in transmission.

Eine flache Beleuchtungseinheit kann zwischen einem Magneten, welcher kein Loch hat, welches für einen Transmissions-Strahlengang geeignet wäre und dem abzubildenden Objekt angeordnet werden. Somit kann in Transmission betriebenes optisches Systems unabhängig von der Tatsache, dass beispielsweise ein Standard-Typ-Permanentmagnet verwendet wird, realisiert werden.A flat illumination unit may be placed between a magnet which does not have a hole suitable for a transmission beam path and the object to be imaged. Thus, a transmission-operated optical system can be realized regardless of the fact that, for example, a standard-type permanent magnet is used.

Eine einfache Ausführungsform einer sehr dünnen Beleuchtungseinheit, die seitlich in den Strahlengang eingeschoben werden kann, lässt sich mittels einer dünnen transparente Lichtleitplatte realisieren, die eine strukturierte Ebene aufweist, welche der Lichtauskopplung dient. Zur Auskopplung des Lichtes können Ansätze aus der Display-Beleuchtung in angepasster Form werden. Es sei angemerkt, dass dies auch für allgemeine Beleuchtungssysteme zutrifft, die zum Beispiel ebenfalls in Standard- Mikroskopen verwendet werden können. Eine Möglichkeit ist es, UV-Licht und eine fluoreszierende Deckschicht zu verwenden. Quantenpunkte ermöglichen eine angemessene kleine spektrale Linienbreite und können auf definierte Emissionsspektren abgestimmt werden. Ein zusätzlicher Polarisationsfilter (PF) könnte verwendet werden, um eine definierte Ausgangspolarisation bereitzustellen. Metall-Interferenz-Filter (MIF), die auch als Stapel eingesetzt werden können, oder dielektrische Filter Stapel können zusätzlich verwendet werden, um die spektralen Eigenschaften des Lichts in maßgeschneiderter Form zu definieren, welches zur Objektebene hin abgestrahlt wird. Es sei angemerkt, dass eine steuerbare Verzögerungs-Ebene(Phasenplatte) auch in eine derartige Einschub-Beleuchtungseinheit integriert werden kann, um variable Polarisationszustände der Objekt-Beleuchtung zu erzeugen. LC kann verwendet werden, um die erforderlichen Phasenverschiebungen mit Wiederholraten > 1000 Hz einzuführen. Rotationen der LC Moleküle in der Ebene des Verzögerungselementes und aus dieser heraus können mithilfe individuell ansteuerbarer Elektroden-Linien erzeugt werden [9].A simple embodiment of a very thin illumination unit, which can be inserted laterally into the beam path, can be realized by means of a thin transparent light guide plate, which has a structured plane which serves for light extraction. To decouple the light approaches from the display lighting can be in an adapted form. It should be noted that this also applies to general lighting systems, which for example can also be used in standard microscopes. One possibility is to use UV light and a fluorescent topcoat. Quantum dots allow a reasonable small spectral linewidth and can be tuned to defined emission spectra. An additional polarizing filter (PF) could be used to provide a defined output polarization. Metal interference filters (MIF), which may also be used as stacks, or dielectric filter stacks may additionally be used to define the spectral characteristics of the light in tailored form which is radiated towards the object plane. It should be noted that a controllable retardation plane (phase plate) can also be integrated into such a slot illumination unit to produce variable polarization states of the object illumination. LC can be used to introduce the required phase shifts with repetition rates> 1000 Hz. Rotations of the LC molecules in the plane of the delay element and out of it can be generated by means of individually controllable electrode lines [9].

Eine Einschub-Beleuchtungseinheit kann auch als Keil-Beleuchtungseinheit realisiert werden. Oberflächenreliefgitter oder Volumengitter (VG), die Bragg-Beugung aufweisen, können verwendet werden. VG sind in der Lage das Multiplexen unterschiedlicher Wellenlängen, Spektralbereiche und unterschiedlicher Geometrien der Rekonstruktion zu realsieren. Dazu gehört auch die Möglichkeit, verschiedene Austritts-Polarisations-Zustände beispielsweise durch Verwendung einer VG basierten Einschub-Beleuchtungseinheit bereitzustellen. In Kombination mit Licht auskoppelnden VG können auch Zick-Zack-Strahlengänge verwendet werden [10].An insertion lighting unit can also be realized as a wedge lighting unit. Surface relief grids or volume gratings (VG) exhibiting Bragg diffraction may be used. VGs are capable of multiplexing different wavelengths, spectral ranges, and different reconstruction geometries realsieren. This also includes the possibility of providing different exit polarization states, for example by using a VG-based slide-in lighting unit. Zig-zag beam paths can also be used in combination with light coupling VG [10].

Noch einmal, ein Transmissions-Polarisations-Interferometer kann mit einer dünnen Einschub-Beleuchtungseinheit ausgerüstet werden, welche zwischen dem unteren Magneten oder der unteren Elektrodenstruktur und der zu untersuchenden Probe angeordnet ist, und welche einzelne Rekonstruktions-Geometrieen oder Multiplex-Volumengitter (VG) für das Auskoppeln von Licht aus frustrierter Totalreflexion (FTIR) verwendet, was der Fall ist, wenn eine Keil-Beleuchtungseinheit verwendet wird. Eine planare Wellen leitende Struktur, die VG basiertes Auskoppeln von Licht einer definierten Wellenlänge oder einem Satz von definierten Wellenlängen und einer definierten Ausgangs-Polarisation oder einer Reihe unterschiedlicher, aber definierter Ausgangs-Polarisationszustände verwendet, kann bei einer Dicke von weniger als 1 mm realisiert werden.Once again, a transmission polarization interferometer can be equipped with a thin bay illumination unit located between the lower magnet or the lower electrode structure and the sample to be examined, and which individual reconstruction geometries or multiplexed volume gratings (VG) for the outcoupling of frustrated total reflection (FTIR) light is used, which is the case when using a wedge illumination unit. A planar waveguiding structure that uses VG-based outcoupling of light of a defined wavelength or set of defined wavelengths and a defined output polarization or a series of different but defined output polarization states can be realized at a thickness of less than 1 mm ,

Im Allgemeinen kann eine Beleuchtungseinheit verschiedene Polarisationszustände, wie z. B. TE, TM, LCP, RCP, elliptische oder sogar nicht polarisiertes Licht bereitstellen. Der Spektralbereich kann angepasst zugeschnitten werden, um die Wirkung des detektierbaren Effektes zu maximieren (Dispersion). Dies kann je nach Bedarf erfolgen, d. h. z. B. schrittweise oder kontinuierlich.In general, a lighting unit can have different states of polarization, such as, e.g. TE, TM, LCP, RCP, provide elliptical or even unpolarized light. The spectral range can be tailored to maximize the effect of the detectable effect (dispersion). This can be done as needed, d. H. z. B. gradually or continuously.

Noch einmal, ein in Transmission arbeitendes optisches Messsystem kann eine dünne Einschub-Beleuchtungseinheit verwenden, welche zwischen dem unteren Magneten oder der unteren Elektroden-Struktur und der zu untersuchenden Probe angeordnet ist und die Volumengitter (VG) verwendet, die einzelne Rekonstruktions-Geometrien oder ein Multiplex von Rekonstruktions-Geometrien zur Auskopplung einer definierten Wellenlänge oder eines Satzes von definierten Wellenlängen und einer definierten Ausgangs-Polarisation oder einer Reihe unterschiedlicher, aber definierter Ausgangs-Polarisationszustände realisieren.Once again, an in-transmission optical measurement system may use a thin plug-in illumination unit located between the lower magnet or the lower electrode structure and the sample to be examined and using the volume gratings (VG), the single reconstruction geometries Multiplex reconstructed geometries to extract a defined wavelength or set of defined wavelengths and a defined output polarization or a series of different but defined output polarization states.

Eine sehr dünne Beleuchtung-Schicht, welche möglicherweise eine Dicke von weniger als 100 μm aufweisen kann, kann mittels einem planaren Lichtleiter/Lichtwellenleiter und VG basierter Lichtauskopplung realisiert werden. Dies kann in einen Mikroskop-Objektträger integriert werden, d. h. in das Substrat, welches die Probe unter Test trägt und ein z. B. 700 μm dickes Deckglas ist.A very thin illumination layer, which may possibly have a thickness of less than 100 μm, can be realized by means of a planar optical waveguide / fiber optic cable and VG-based light decoupling. This can be integrated into a microscope slide, i. H. into the substrate, which carries the sample under test and a z. B. 700 micron thick coverslip is.

Dielektrische Schichtstapel können beispielsweise statt einer geschützten Silber- oder Gold-Spiegelbeschichtung verwendet werden. Ein dielektrischer Schichtstapel kann in einen Mikroskop-Objektträger integriert werden, d. h. in das Substrat. Das bedeutet, bei der optischen Messung der Phase entlang einer verdoppelten Weglänge zu integrieren, wodurch die Phasenverschiebung, die gemessen werden kann, erhöht/verdoppelt wird.Dielectric layer stacks may be used instead of, for example, a protected silver or gold mirror coating. A dielectric layer stack can be integrated into a microscope slide, i. H. in the substrate. This means that in the optical measurement of the phase along a doubled path length to integrate, whereby the phase shift that can be measured, is increased / doubled.

Dielektrische Schichtstapel können auf einem verwendeten Magneten oder auf einem verwendeten Elektroden-Array angebracht werden.Dielectric layer stacks can be mounted on a used magnet or on an electrode array used.

Zum Beispiel können individuell verstellbare/ansteuerbare Elektroden-Linien verwendet werden, um elektrische Wechselfelder oder sogar in-Plane-Felder zu erzeugen. Es kann auch ein Scannen des zu induzierenden Feldes verwendet werden.For example, individually adjustable / addressable electrode lines may be used to generate alternating electric fields or even in-plane fields. Scanning of the field to be induced can also be used.

Zwei 90° deg orientierte oder drei 60° deg orientierte 1D Linien-Scans können implementiert werden. Dies kann für die Beleuchtung, für die Detektion/Abbildung und das zu applizierenden Feld erfolgen. Es können Kombinationen davon verwendet werden. Dies bedeutet, dass beispielsweise das Scannen zur gleichen Zeit für die Detektion/Abbildung, die Beleuchtung und die Feld-Applikation genutzt werden kann. Die Verwendung von gescannten Linien ergibt zwar eine etwas niedrigere Auflösung als das Scannen von Punkten, aber es führt viel schneller zu einem Ergebnis. Punkt-Scannen und Linie-Scannen können in einer massiven parallelen Weise implementiert werden. So kann ein Array von gescannten Punkten verwendet werden, z. B. für die Beleuchtung und die Bildgebung/Abbildung verwendet werden. Mit anderen Worten kann eine Abtastung in der Art einer konfokalen Matrix-Anordnung angewendet werden.Two 90 ° deg or three 60 ° deg orientated 1D line scans can be implemented. This can be done for the illumination, for the detection / imaging and the field to be applied. Combinations of these can be used. This means, for example, that scanning can be used at the same time for detection / imaging, illumination and field application. Using scanned lines gives a slightly lower resolution than scanning points, but results much faster. Point scanning and line scanning can be implemented in a massive parallel fashion. So an array of scanned points can be used, eg. B. for lighting and imaging / imaging. In other words, a scan may be applied in the manner of a confocal matrix arrangement.

Räumlich verteilte Muster können als Beleuchtung oder als zu induzierende/applizierende Feldverteilung dem zu messenden Testobjekt zugeführt werden, bzw. bei diesem derart anliegen. Die zu applizierenden Felder, welche beispielsweise magnetisch oder elektrisch sind, können in scannender Art und Weise angewendet/appliziert werden. Ein elektrisches Feld kann am Ende einer leitenden Spitze erzeugt werden, welche wiederum über das zu messende Testobjekt gescannt werden kann. Somit kann eine hinreichend hohe Feldstärke und eine hinreichend kleine Messfläche, bzw. ein hinreichend kleiner Messpunkt realisiert werden.Spatially distributed patterns can be supplied to the test object to be measured as illumination or as a field distribution to be induced / applied, or can be applied to it in this way. The fields to be applied, which are for example magnetic or electrical, can be applied / applied in a scanning manner. An electric field can be generated at the end of a conductive tip, which in turn can be scanned across the test object to be measured. Thus, a sufficiently high field strength and a sufficiently small measuring area, or a sufficiently small measuring point can be realized.

WO 2012168293A3 offenbart die Umsetzung von Interferenzmustern, die entlang ihrer Ausbreitungsrichtung, d. h. longitudinal begrenzt sind. Dies ist wichtig für Spektrometer und ein Muss für optische Multiplex-Feldlinsen-Funktionen, die innerhalb holographischer Displays verwendet werden. Aber diese Art der Beleuchtung kann beispielsweise auch in der Mikroskopie und in der Ultraschall-Mikroskopie verwendet werden, um eine strukturierte Beleuchtung zu erzeugen, die eine sehr geringe longitudinale Diskriminierung aufweist, welche als sehr kleiner Bereich Δz beschrieben werden kann, der einen angemessen hohen Interferenzkontrast zeigt. Dieser Ansatz kann in einem Beleuchtungs-Ansatz verwendet werden, welcher die Phase schrittweise verschiebt und auch innerhalb eines Beleuchtungs-Ansatzes eine z-Verschiebung der räumlich strukturieren Beleuchtung einführt. Somit kann eine viel höhere z-Auflösung beispielsweise auch in der hoch auflösenden Mikroskopie erreicht werden, die derzeit schon strukturierte Beleuchtung verwendet (engl.: structured illumination microscopy, SIM) und dabei z. B. auf Fluoreszenz basiert. WO 2012168293A3 discloses the implementation of interference patterns that are delimited along their propagation direction, ie, longitudinally. This is important for spectrometers and a must for optical multiplexed field lens functions used within holographic displays. But this type of illumination can also be used, for example, in microscopy and in ultrasound microscopy to provide structured illumination which has a very small longitudinal discrimination, which can be described as a very small area Δz, which exhibits a reasonably high interference contrast. This approach can be used in a lighting approach that gradually shifts the phase and also introduces a z-shift of the spatially structured illumination within an illumination approach. Thus, a much higher z-resolution can be achieved, for example, in high-resolution microscopy, which currently uses structured illumination (English: structured illumination microscopy, SIM) while z. B. based on fluorescence.

Mit anderen Worten, die Technik der longitudinal begrenzten Interferenzmuster, die in WO 2012168293A3 offenbart ist, kann verwendet werden, um eine maßgeschneiderte, in ihrer longitudinalen Ausdehnung Δz begrenzte und variable entlang z geformte strukturellen Beleuchtung zu generieren und somit diese Technik an Ausführungsformen der Mikroskopie anzupassen, die auf Fluoreszenz basieren und strukturierte Beleuchtung verwenden (SIM, engl.: structured illumination microscopy), oder auch an interferenzmikroskopische Ausführungsformen der Mikroskopie anzupassen, die auf Fluoreszenz beruhen und die auch von fortgeschrittenen die Phase schiebenden Algorithmen profitieren können. Diese Technik kann mit der Messung der induzierten Doppelbrechung, welche hier offenbart wird, kombiniert werden. Noch einmal, eine Beleuchtung, die auf in Längsrichtung beschränkte Interferenzmuster beruht, ist in vorteilhafter Art und Weise für hochauflösende Ansätze/Mikroskopie-Techniken zu verwenden, die auf schrittweiser lateraler Phasenverschiebung oder Phase schiebender Beleuchtung beruhen. Darüber hinaus ist eine Beleuchtung auf Basis in Längsrichtung beschränkter Interferenzmuster für Beleuchtungsansätze vorteilhaft, die auf longitudinaler Verschiebung, d. h. z-Verschiebung der strukturierten Beleuchtung beruhen. Somit kann eine erhöhte z-Auflösung beispielsweise in der hochauflösenden Mikroskopie und auch in der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie erhalten werden. Dies kann auf Hellfeld-Beleuchtung, Linien- oder Linen-Matrix-, Punkt- oder Punkt-Matrix-Abtastungsansätze (engl.: scanning) angewendet werden.In other words, the technique of longitudinally limited interference patterns, which in WO 2012168293A3 can be used to generate a tailor-made structural illumination limited along its longitudinal extension Δz and variable along z, thus adapting this technique to microscopy-based embodiments based on fluorescence and using structured illumination (SIM). structured illumination microscopy), or also to adapt to microscopy microscopy microscopy embodiments which are based on fluorescence and which can also benefit from advanced phase-shifting algorithms. This technique can be combined with the measurement of induced birefringence disclosed herein. Once again, illumination based on longitudinally limited interference patterns is advantageously to be used for high resolution approaches / microscopy techniques based on stepwise lateral phase shift or phase shifting illumination. In addition, illumination based on longitudinally limited interference patterns is advantageous for illumination approaches based on longitudinal displacement, ie, z-shift of the structured illumination. Thus, increased z-resolution can be obtained, for example, in high-resolution microscopy and also in high-resolution fluorescence microscopy. This can be applied to bright field illumination, line or line matrix, point or dot matrix scanning.

Die diskrete Ausführungsform ist jedoch vom diskreten Anwendungsfall abhängig. Dabei ergibt sich in Bezug auf die Kohärenz des vom Objekt ausgehenden und detektierten Lichtes zum beleuchtenden Licht eine Fallunterscheidung in erstens, Licht des Objektes, das kohärent oder teilkohärent zur Beleuchtung ist und in zweitens, Licht des Objektes, das inkohärent zur Beleuchtung ist. Daraus resultieren angepasste Messanordnungen.However, the discrete embodiment is dependent on the discrete application. In this case, with regard to the coherence of the light emitted and detected by the object to the illuminating light, a distinction is made in the first case, light of the object which is coherent or partially coherent with the illumination and, secondly, light of the object which is incoherent to the illumination. This results in adapted measuring arrangements.

Noch einmal, ein die Polarisation in ihrer räumliche Verteilung messendes optisches System kann eine strukturierte Beleuchtung, die im Sinne einer Abtastung des Raumes räumlich verschoben wird und/oder ein räumlich strukturiertes Feld, welches im Sinne einer Abtastung des Raumes räumlich verschoben wird und die lokal vorliegende Doppelbrechung hervorruft, verwenden.Once again, an optical system measuring the polarization in its spatial distribution can be a structured illumination which is spatially displaced in the sense of scanning the space and / or a spatially structured field which is spatially displaced in the sense of scanning the space and the locally present one Cause birefringence, use.

Das System kann zur Erzeugung einer lokal vorliegenden Kraft auch eine elektrisch geladene oder magnetisierte Spitze/Nadel oder eine optische Spitze, d. h. z. B. ein spitzes Ende einer Licht leitenden Struktur, oder jeweils eine Linie von diesen Ausführungsformen, räumliche Anordnungen/Arrays von Spitzen oder räumliche Anordnungen/Arrays von Linien in einem Vorgang einer räumlichen Abtastung verwenden.The system may also generate an electrically charged or magnetized tip / needle or optical tip to create a local force. H. z. For example, use a pointed end of a light-conducting structure, or a line of these embodiments, spatial arrays / arrays of spikes or spatial arrays / arrays of lines in a spatial sampling operation.

Strukturierte Beleuchtung oder die Anwendung eines strukturierten Feldes kann mit strukturierter Abbildung/Detektion kombiniert werden. Zum Beispiel kann das Objekt unter Verwendung von strukturierter Beleuchtung beleuchtet werden. Die Detektion kann eine Schlitzanordnung/ein Schlitz-Array verwenden, welches eine konfokale Abtastung ermöglicht. Dies kann verwendet werden, um die Auflösung zu erhöhen und/oder um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen. Eine Punkt-Array-Beleuchtung und eine Detektion unter Verwendung eines Arrays kleiner zugeordneter Öffnungen ist vom prinzipiellen Ansatz her äquivalent. Schemata, die in Bezug auf strukturierte Beleuchtung und konfokale Abtastung bekannt sind, können angepasst werden.Structured illumination or the application of a structured field can be combined with structured imaging / detection. For example, the object may be illuminated using structured illumination. The detection may use a slot arrangement / slot array which allows for confocal scanning. This can be used to increase the resolution and / or to increase the signal-to-noise ratio. Dot array illumination and detection using an array of small apertures is equivalent in principle. Schemes that are known in terms of structured illumination and confocal sampling can be customized.

Es ist anzumerken, dass ein System eine abtastende strukturierte Beleuchtung und/oder eine abtastende Applikation eines strukturierten Feld, welches die lokale Doppelbrechung induziert, in Seiten- und/oder Längsrichtung nutzen kann, wobei strukturierte Muster verwendet werden, die longitudinal beschränkt sind und in Längsrichtung begrenzte Interferenzmuster darstellen.It should be noted that a system may utilize scanning structured illumination and / or scanning application of a patterned field inducing local birefringence in the lateral and / or longitudinal direction using structured patterns that are longitudinally constrained and longitudinal represent limited interference patterns.

Eine erhöhte Felddichte und eine zugeschnittene Formung des Feldes kann mittels übereinander angebrachter Magneten oder mittels einer Stapelung von Magneten, die sich verjüngen, d. h. beispielsweise in Pyramidenform vorliegen, erreicht werden. Zusammengesetzte Ringmagneten, die lokal geänderte Polarität aufweisen, können dazu verwendet werden, in-plane (in einer Eben vorliegende) Magnetfelder zu generieren, die für einen Ansatz der Parameter-Variation genutzt werden können.An increased field density and a tailored shaping of the field can be achieved by means of superimposed magnets or by means of a stack of magnets which taper, i. H. for example, in pyramidal form can be achieved. Composite ring magnets having locally changed polarity can be used to generate in-plane (in-plane) magnetic fields that can be used for a parameter variation approach.

Noch einmal, ein optisches Polarisations-Messsystem kann zusammengesetzte Magneten oder zusammengesetzte Ringmagneten mit lokal geänderter Polarität verwenden, um magnetische Felder zu erzeugen, die in der Ebene des Messobjektes und/oder senkrecht zur Ebene des Messobjektes orientiert sind. Geneigte Magnetfelder/Magnetfeidlinien sind vorteilhaft für Messungen, welche eine Parameter-Variation der induzierten Kraft verwenden. Somit kann eine dreidimensionale Messung der Orbits (und dementsprechend die räumliche Verteilung von Ladungsträgern/Ladungsträgerdichten und Bindungskräften) erreicht werden. Generell ist es für die Messmethode, die hier dargelegt wird vorteilhaft, angepasste/zugeschnittene Felder, Feldverteilungen bereitzustellen und/oder um die Feldstärke, welche außerhalb der Probe vorliegt zu verringern.Once again, an optical polarization measuring system can use composite magnets or composite ring magnets with locally changed polarity to produce magnetic fields that are in the plane of the DUT and / or oriented perpendicular to the plane of the measurement object. Inclined magnetic fields / magnetic field lines are advantageous for measurements which use a parameter variation of the induced force. Thus, a three-dimensional measurement of the orbits (and accordingly the spatial distribution of charge carriers / carrier densities and binding forces) can be achieved. Generally, it is advantageous for the measurement method set forth herein to provide matched / trimmed fields, field distributions, and / or to reduce the field strength present outside the sample.

Eine schwache Wechselwirkung führt dazu, dass kleine Änderungen des Brechungsindexes verursacht werden, auf welche der Polarisationszustand lokal trifft, der für die Beleuchtung verwendet wird. Um kleine Effekte zu messen, was hier kleine Werte einer induzierten Doppelbrechung bedeutet, ist es notwendig, eine geringe Unsicherheit und eine hohe Reproduzierbarkeit der Phasenmessung zu gewährleisten. Marker können zur Messung der induzierten Doppelbrechung verwendet werden. Dies bedeutet, dass Marker verwendet werden können, die eine ausreichend hohe intrinsische Doppelbrechung aufweisen oder Marker, die eine Doppelbrechung aufweisen, welche durch um diese herum anliegende Felder induziert werden kann.A weak interaction causes small changes in the index of refraction, which is locally affected by the polarization state used for the illumination. In order to measure small effects, which here are small values of induced birefringence, it is necessary to ensure a low uncertainty and a high reproducibility of the phase measurement. Markers can be used to measure induced birefringence. This means that markers can be used which have a sufficiently high intrinsic birefringence or markers which have a birefringence which can be induced by fields applied around them.

Zum Beispiel können metallische Nanometer große Stangen (engl.: metallic nanometer sized rods, MNR), Kohlenstoff-Nanoröhren (engl.: carbon nano-tubes, CNT), Flüssigkristalle (engl.: liquid crystal, LC) und andere intrinsisch doppelbrechende Komponenten an spezifische molekulare Strukturen gebunden sein, bzw. gebunden werden. Es ist zu beachten, dass mehrere Effekte beispielsweise in Form permanenter Doppelbrechung vorliegen können, was intrinsisch ist. Dies ist für Standard LC der Fall, die unter Verwendung eines global oder eines nur lokal angelegten/vorliegenden Feldes ausgerichtet werden können, welches die Kraft erzeugt, die zur Umorientierung führt. Ein weiterer Effekt ist durch Polarisation hervorgerufen, d. h. beruht auf dieser, was bedeutet Dipole durch Anlegen eines globalen oder eines lokalen Feldes zu erzeugen.For example, metallic nanometer sized rods (MNR), carbon nanotubes (CNT), liquid crystal (LC), and other intrinsically birefringent components can be used be bound or bound specific molecular structures. It should be noted that several effects may be in the form of permanent birefringence, for example, which is intrinsic. This is the case for standard LC, which can be aligned using a globally or only locally applied / present field that generates the force that leads to reorientation. Another effect is caused by polarization, d. H. is based on this, which means to create dipoles by applying a global or a local field.

Zum Beispiel können LC artige Moleküle und andere Marker, die in dem hier beschriebenen Zusammenhang verwendet werden können, mit speziellen/spezifischen funktionellen Gruppen ausgestattet/ausgerüstet werden, die mit spezifischen funktionellen Gruppen oder Strukturen des Empfängermoleküls verknüpft/verbunden werden können. Damit kann eine spezifische Bindung erreicht werden.For example, LC-like molecules and other markers that can be used in the context described herein can be equipped / equipped with specific / specific functional groups that can be linked / linked to specific functional groups or structures of the receptor molecule. Thus, a specific binding can be achieved.

CNT können derart zugeschnitten werden, dass sie sich beispielsweise metallisch, halbleitend oder dielektrisch verhalten. Es können CNT mit spezifischen Längen und spezifischen Eigenschaften selektiert werden und zudem funktionelle Bindungen implementiert werden.CNTs can be tailored to behave as metallic, semiconducting or dielectric, for example. CNTs with specific lengths and specific properties can be selected, and functional bonds can be implemented.

Somit kann die Messung der Doppelbrechung und/oder der induzierten Doppelbrechung für die räumlich und/oder zeitlich aufgelöste Messung der Empfängermoleküle genutzt werden, die durch die angepasste/geeignete Bindung gewählt werden.Thus, the measurement of birefringence and / or induced birefringence can be used for the spatially and / or temporally resolved measurement of the receptor molecules selected by the adapted binding.

Noch einmal, die Verwendung von Markermolekülen oder angemessen kleinen, strukturierten Materialien, welche an bestimmte Empfängermoleküle gebunden werden können, was bedeutet, dass spezifische Anhänge (anhängende funktionelle Gruppen) erzeugt werden können, welche doppelbrechend sind und/oder die zur Erzeugung von Dipol-Momenten durch Anlegen globaler oder lokaler Felder polarisiert werden können, ist vorteilhaft. Lokale Ladungstrennung in einem Molekül erzeugt ein Dipolmoment. Somit kann das Molekül durch Anlegen eines globalen oder lokalen Feldes gedreht oder ausgerichtet werden. Ausgerichtete Dipole erzeugen Doppelbrechung, die gemessen werden kann. Marker können verwendet werden, wenn die zu untersuchenden Moleküle selbst nur schwache Effekte generieren.Once again, the use of marker molecules or reasonably small, structured materials which can be bound to particular receptor molecules, meaning that specific appendages (pendant functional groups) can be generated which are birefringent and / or those for generating dipole moments can be polarized by applying global or local fields is advantageous. Local charge separation in a molecule generates a dipole moment. Thus, the molecule can be rotated or aligned by applying a global or local field. Aligned dipoles create birefringence, which can be measured. Markers can be used if the molecules to be studied themselves generate only weak effects.

Zum Beispiel können metallische Nanometer große Stangen (engl.: metallic nanometer sized rods, MNR), Kohlenstoff-Nanoröhren (engl.: carbon nano-tubes, CNT), Flüssigkristalle (engl.: liquid crystals, LC) und/oder Moleküle wie beispielsweise ferroelektrische LC (engl.: ferroelectric LC, FLC), die zur Erzeugung von Dipol-Momenten polarisiert werden können, als Marker genutzt werden, die an spezifische molekulare Empfänger-Strukturen gebunden/angeschlossen werden können. Hiermit wird das intrinsische, lokal erzeugbare Feld messbar.For example, metallic nanometer sized rods (MNR), carbon nanotubes (CNTs), liquid crystals (LC), and / or molecules such as ferroelectric LC (FLC), which can be polarized to produce dipole moments, are used as markers that can be attached to specific molecular receiver structures. With this, the intrinsic, locally producible field can be measured.

Steuerbare elektrische Spulen stellen die Funktion der variablen Feldstärke und Richtung des angelegten Feldes bereit, welches im hier beschriebenen Fall ein Magnetfeld ist. Eine mechanische Bewegung eines Permanentmagneten kann auch verwendet werden, wobei jedoch eine aktive Kompensation von Schwingungen notwendig werden kann. Signal-Modulationstechniken können angewendet werden. Modulierte Signale können im Prozess der Datenverarbeitung gefiltert werden. Das Signal-Rausch-Verhältnis (S/R) kann erhöht werden, d. h. der Anteil des Rauschens in der detektieren Größe kann reduziert werden, wenn modulierten Signale generiert und Filteroperationen angewendet werden.Controllable electrical coils provide the function of variable field strength and direction of the applied field, which in the case described here is a magnetic field. Mechanical movement of a permanent magnet may also be used, but active compensation of vibrations may be necessary. Signal modulation techniques can be used. Modulated signals can be filtered in the process of data processing. The signal-to-noise ratio (S / R) can be increased, i. H. the amount of noise in the detected quantity can be reduced when modulated signals are generated and filter operations are applied.

Es ist zu beachten, dass zeitliche und/oder räumliche und/oder richtungsabhängige Modulationstechniken innerhalb der hier offenbarten Inhalte angewendet werden können. Eine Option, die als Ansatz zeitlicher und/oder räumlicher Modulation implementiert werden kann, ist die Verwendung einer Trägerfrequenz, die beispielsweise durch Verwendung einer Fourier-Transformation und einer Filter-Funktion, die im Fourier-Raum angewendet wird, heraus gefiltert werden kann.It should be noted that temporal and / or spatial and / or directional modulation techniques may be employed within the contents disclosed herein. One option that can be implemented as a temporal and / or spatial modulation approach is to use a Carrier frequency, which can be filtered out, for example, by using a Fourier transform and a filter function, which is applied in Fourier space.

Im Falle der Verwendung eines in Reflexion betriebenen Messsystem und z. B. eines Permanentmagneten, kann eine Modulation des Magnetfeldes auch durch Ändern des relativen Abstands zwischen dem Magneten und dem Objekt erzeugt werden. Die transmittierte Feldstärke beeinflussende und steuerbare Materialien können auch zwischen dem Magneten und dem Objekt angebracht werden, um beispielsweise Modulationstechniken zu implementieren.In the case of using a measuring system operated in reflection and z. As a permanent magnet, a modulation of the magnetic field can also be generated by changing the relative distance between the magnet and the object. The transmissive field strength influencing and controllable materials may also be applied between the magnet and the object to implement, for example, modulation techniques.

Generell kann eine Verkippung der Feldlinien eingeführt werden, d. h. beispielsweise magnetischer, elektrischer und elektromagnetischer, was im Sinne einer Modulationstechnik und in Sinne einer Parametervariation eingesetzt werden kann.In general, a tilt of the field lines can be introduced, d. H. For example, magnetic, electrical and electromagnetic, which can be used in the sense of a modulation technique and in the sense of a parameter variation.

Elektrische Felder können dadurch appliziert werden, dass beispielsweise ein Gitter individuell ansteuerbarer Elektroden-Linien verwendet wird [9]. Gitterstrukturen von Elektroden können dazu verwendet werden, angemessen starke in-plane Felder oder zumindest ausreichend starke in-plane Felder, d. h. die notwendigen Feldstärken zu erzeugen. Eine Elektroden-Anordnung aus zwei Elektroden, die sich vor der Objekt-Schicht befinden und zwei Elektroden, die sich hinter der Objektschicht befinden, kann auch dazu verwendet werden, um die Kraft zu erzeugen, die auf die angeregten Ladungsträger wirkt und die eine Änderung des Polarisationszustandes des emittierten Lichtes hervorruft.Electric fields can be applied by, for example, using a grid of individually addressable electrode lines [9]. Lattice structures of electrodes may be used to provide reasonably strong in-plane fields or at least sufficiently strong in-plane fields, i. H. to generate the necessary field strengths. An electrode array of two electrodes located in front of the object layer and two electrodes located behind the object layer can also be used to generate the force acting on the excited carriers and causing a change in the Polarization state of the emitted light causes.

Ganz allgemein können Ausführungsformen optischer Manipulationstechniken, die auf der optischen Applikation einer Kraft, d. h. auf der Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes mittels elektromagnetischer Wellenfelder, beruhen und beispielsweise als optische Pinzetten bekannt sind, an die hier beschriebene Vorgehensweise angepasst werden, um auf die vorliegende Verteilung von Ladungsträgern zu wirken. Die Pinzette kann entlang der Objektebene scannend eingesetzt werden und eine definierte elektromagnetische Feldverteilung bereitstellen. Die elektrischen Ladungsträger können beispielsweise mit linear polarisiertem Licht beleuchtet werden. Das Feld, welches von der Pinzette erzeugt wird, ändert die ursprüngliche, hier lineare, Oszillation der Ladungsträger. Damit wird eine Änderung der Austrittspolarisation, d. h. eine Änderung der Polarisation des emittierten Lichtes erzeugt. Die Änderung hängt von der Polarität der Ladungsträger ab. Somit kann die räumliche Verteilung von positiven und negativen Ladungsträgern gemessen werden.In general, embodiments of optical manipulation techniques that rely on the optical application of a force, i. H. are based on the generation of an electromagnetic field by means of electromagnetic wave fields, and are known for example as optical tweezers, are adapted to the procedure described here, to act on the present distribution of charge carriers. The tweezers can be used scanning along the object plane and provide a defined electromagnetic field distribution. The electrical charge carriers can be illuminated, for example, with linearly polarized light. The field generated by the tweezers changes the original, here linear, oscillation of the charge carriers. Thus, a change in the exit polarization, i. H. produces a change in the polarization of the emitted light. The change depends on the polarity of the charge carriers. Thus, the spatial distribution of positive and negative charge carriers can be measured.

Wiederum kann eine Abtastung (engl.: scanning) und der Betrieb im Hellfeld (engl.: bright field, BF) sowohl für die Beleuchtung und die Abbildung, als auch für die Applikation des zu erzeugenden Kraftfeldes verwendet werden. Diesbezüglich können eine Reihe von methodischen Kombinationen verwendet werden. Diskrete Anordnungen sind abhängig von zu untersuchenden Objekten und den jeweiligen Messaufgaben.Again, scanning and brightfield (BF) operation can be used for both illumination and imaging, as well as application of the force field to be generated. In this regard, a number of methodological combinations can be used. Discrete arrangements depend on objects to be examined and the respective measurement tasks.

Eine Strahlformung, die für die optische Applikation eines den Polarisationszustand ändernden Kraftfeldes erforderlich ist, kann unter Verwendung von statischen optischen Elementen, wie beispielsweise optischen Wirbeln (engl.: optical vortex) durchgeführt werden. Es können Wirbel verwendet werden, die zirkular Phasenstufen von 2π oder höher einführen. Phase schiebende SLM oder auch komplexwertige (engl.: complex valued) SLM, d. h. SLM, welche die Phase und Amplitude räumlich modulieren, können eingesetzt werden, um eine dynamische Formung der Wellenfront für dynamisch formbare optische Pinzetten bereitzustellen, die der Applikation des Kraftfeldes dienen. Bei ausreichend hoher NA kann beispielsweise in einem Spot auch eine Komponente des elektrischen Feldes erzeugt werden, die aus der Probenebene zeigt.Beamforming required for optical application of a polarization state varying force field may be performed using static optical elements such as optical vortex. It is possible to use vortices which introduce circular phase stages of 2π or higher. Phase shifting SLM or complex valued SLM, d. H. SLMs spatially modulating the phase and amplitude may be used to provide dynamic shaping of the wavefront for dynamically deformable optical forceps for application of the force field. If the NA is sufficiently high, for example, a component of the electric field which points from the sample plane can also be generated in a spot.

Die Modulationstechniken und die Parametervariationen gehen als Methoden und in der gerätetechnischen Ausführung ineinander über.The modulation techniques and the parameter variations merge as methods and in the device-technical execution.

Die räumliche Verteilung von Ladungsträgern ist ein Aspekt, der mittels Einführung einer kontrollierbaren Doppelbrechung zugänglich ist. Dies bedeutet in der Lage zu sein, die räumliche und die zeitliche Verteilung von positiven und negativen Ladungsträgern messen zu können. Räumlich und zeitlich aufgelöste Dichte-Verteilungen von positiven und negativen Ladungsträgern können gewonnen werden, welche als Dichten-Karten bezeichnet werden können. Die Messung freier, bzw. hinreichend freier Ladungsträger ist nur ein Spezialfall. Beispielsweise kann dies zur Messung metallischer Materialien verwendet werden. Beispielsweise sind die Beweglichkeiten von Ladungsträgern, ihre Bindungsenergien und die elektrische Polarisierbarkeit von Molekülen materialspezifisch.The spatial distribution of charge carriers is an aspect that is accessible by introducing a controllable birefringence. This means being able to measure the spatial and temporal distribution of positive and negative charge carriers. Spatially and temporally resolved density distributions of positive and negative charge carriers can be obtained, which can be referred to as density maps. The measurement of free or sufficiently free charge carriers is only a special case. For example, this can be used to measure metallic materials. For example, the mobilities of charge carriers, their binding energies and the electrical polarizability of molecules are material specific.

Ionen und Elektronen, welche an Moleküle gebunden sind, werden eine räumliche Mobilität aufweisen oder beispielsweise eine räumliche Verteilung des Widerstandes R(x, y, z), wenn ausreichend leitfähige Materialien vorliegen, die nicht homogen/isotrop bezüglich dieser Eigenschaften sind sind. Die Verteilung der Mobilität wird durch effektive Potentiale und die Orbitale bestimmt, was bedeutet durch die Wellenfunktionen der Ladungsträger. Das Betragsquadrat der Wellenfunktionen ergibt die Aufenthaltswahrscheinlichkeit, der Lokalisierung oder der Detektion der Ladungsträger.Ions and electrons bound to molecules will have spatial mobility or, for example, a spatial distribution of resistance R (x, y, z) when there are sufficient conductive materials that are not homogeneous / isotropic with respect to these properties. The distribution of mobility is determined by effective potentials and the orbitals, which means by the wave functions of the charge carriers. The magnitude square of the wave functions gives the Probability of residence, localization or detection of the charge carriers.

Beispielsweise kann TE polarisiertes Licht für die Beleuchtung des Testobjektes verwendet werden. Hinreichend frei bewegliche Ladungsträger oder Ladungsträger, die mittels niedriger Bindungsenergie gebunden sind, sind in der Lage, dieser Orientierung des elektromagnetischen Feldes zu folgen. Somit wird zumindest ein Teil/Anteil der Oszillation dieser Ladungsträger entlang der ursprünglichen Schwingungsebene stattfinden/vorliegen, welche hier die des TE polarisierten Lichtes ist.For example, TE polarized light can be used for the illumination of the test object. Sufficiently free-floating charge carriers or carriers bound by means of low binding energy are able to follow this orientation of the electromagnetic field. Thus, at least part / all of the oscillation of these charge carriers will take place along the original oscillation plane, which here is the TE polarized light.

Ladungsträger, welche die Freiheit einer Bewegung oder besser die Freiheit einer Oszillation entlang der Schwingungsebene TE polarisierten Lichtes, welches zur Beleuchtung eingesetzt wird, haben, werden dieser induzierten Schwingung folgen. Jedoch mag sich die Bindungsenergie in x- und y-Richtung unterscheiden. Somit kann sich das Resultat, welches dadurch erhalten wird, dass TE oder TM polarisiertes Licht verwendet wird, um das Testobjekt zu beleuchten, deutlich unterscheiden. Dies trifft sowohl für intrinsische Doppelbrechung als auch für induzierte Doppelbrechung zu.Charge carriers which have the freedom of movement, or better the freedom of oscillation along the plane of oscillation TE of polarized light used for illumination, will follow this induced oscillation. However, the binding energy may differ in the x and y directions. Thus, the result obtained by using TE or TM polarized light to illuminate the test object can be clearly distinguished. This is true for both intrinsic birefringence and induced birefringence.

Es kann ein Satz von unterschiedlichen Polarisationszuständen des einfallenden Lichtes, d. h. des Lichtes welches zu Beleuchtung bereitgestellt wird, dazu verwendet werden, die räumliche Verteilung der Orbits und der Bindungskräfte zu bestimmen. Dies bedeutet, dass die Nutzung von Parametervariationen Informationen über die Orientierung der Orbitale im dreidimensionalen Raum bereitstellt, d. h. zugänglich macht.There may be a set of different polarization states of the incident light, i. H. of the light provided for illumination can be used to determine the spatial distribution of orbits and binding forces. This means that the use of parameter variations provides information about the orientation of the orbitals in three-dimensional space, i. H. accessible.

Zusätzlich stellen zeitlich aufgelöste Messungen Informationen zur dynamischen Ausrichtung und zur dynamischen Umformung von Orbitalen bereit.In addition, time-resolved measurements provide information about the dynamic alignment and dynamic orbital transformations.

Unterschiedliche Polarisationszustände können dazu verwendet werden, einen Satz an Parametern zu generieren, welche für die Parametervariation notwendig sind. Dies bedeutet beispielsweise TE (transversal elektrisch), TM (transversal magnetisch), LCP (links zirkular polarisiert, engl.: left circular polarized), RCP (rechts zirkular polarisiert, engl.: right circular polarized) oder elliptisch polarisiertes Licht zu verwenden. Die Wellenlänge kann derart gewählt werden, dass sie ausreichend nah am Absorptionsband der zu untersuchenden Ladungsträger liegt.Different polarization states can be used to generate a set of parameters necessary for parameter variation. This means, for example, TE (transversely electric), TM (transversely magnetic), LCP (left circular polarized), RCP (right circular polarized) or elliptically polarized light. The wavelength can be chosen such that it is sufficiently close to the absorption band of the charge carriers to be investigated.

Eine Parametervariation kann dadurch implementiert werden, dass die relative Orientierung zwischen dem erzeugten Feld und dem Testobjekt geändert wird. Das Testobjekt kann dabei beispielsweise innerhalb eines Medium, welches im Brechungsindex angepasst ist (engl.: index match), um drei Achsen gedreht werden, um Messungen bei unterschiedlichen relativen Orientierungen durchzuführen. Ein verwendeter Magnet kann ebenfalls gedreht werden, um die relative Orientierung zu ändern. Ein Halbach-Feld kann für eine in Reflexion betriebene Anordnung verwendet werden oder es können beispielsweise zwei parallel ausgerichtete Halbach-Felder in einer 90° deg orientierten Konfiguration verwendet werden, um ein in Transmission zu betreibendes Messsystem bereitzustellen, was dazu verwendet werden kann, einen Satz unterschiedlicher relativer Orientierungen zwischen dem angewendetem/appliziertem Feld und den Orbits der Ladungsträger bereitzustellen.Parameter variation may be implemented by changing the relative orientation between the generated field and the test object. The test object can, for example, be rotated about three axes within a medium which is adapted in the index of refraction in order to carry out measurements at different relative orientations. A used magnet can also be rotated to change the relative orientation. A Halbach field may be used for a reflection-driven arrangement or, for example, two parallel-aligned Halbach fields in a 90 ° deg oriented configuration may be used to provide a measuring system to be operated in transmission, which may be used as a set provide different relative orientations between the applied / applied field and the orbits of the carriers.

Es gibt eine Reihe von Parametervariationen, die in vorteilhafter Weise verwendbar sind. Beispielsweise kann ein Magnet bzw. ein Magnetfeld derart angeordnet werden, dass eine kontrolliert wählbare Verkippung/Neigung zur optischen Achse der Messanordnung statisch oder dynamisch eingestellt werden kann. Ebenso kann ein Magnet bzw. ein Magnetfeld derart angeordnet werden, dass ein kontrolliert wählbarer Abstand zur Messebene beziehungsweise zum Messvolumen der Messanordnung statisch oder dynamisch eingestellt werden kann.There are a number of parameter variations that can be used to advantage. For example, a magnet or a magnetic field can be arranged such that a controllably selectable tilting / tilting to the optical axis of the measuring arrangement can be set statically or dynamically. Likewise, a magnet or a magnetic field can be arranged such that a controlled selectable distance to the measuring plane or to the measuring volume of the measuring arrangement can be adjusted statically or dynamically.

Diese Vorgehensweise kann auf elektrische und/oder elektromagnetische Felder übertragen werden.This procedure can be transferred to electrical and / or electromagnetic fields.

Es kann auch eine Kombination dieser Vorgehensweisen gewählt werden. Dies bedeutet auch, dass ein statischer Parameter oder ein Satz statischer Parameter mit einem dynamischen Parameter oder einem Satz dynamischer Parameter kombiniert werden kann.A combination of these approaches may also be chosen. This also means that a static parameter or a set of static parameters can be combined with a dynamic parameter or a set of dynamic parameters.

Dies ermöglicht eine Parametervariation, die dem jeweiligen Messobjekt, der Messsituation beziehungsweise der Messaufgabe angepasst werden kann.This allows a parameter variation, which can be adapted to the respective measurement object, the measurement situation or the measurement task.

Beispielsweise können φ_ij und P_ij mit und ohne Feld eingeführt bzw. bestimmt werden. Dies ermöglicht eine Separation von reinen Änderungen des Brechungsindex und Ladungsträger bedingten Änderungen des Polarisationszustandes. Somit können unterschiedliche Effekte separiert werden und die einzelne Effekte können auch separat kalibriert werden. Zur Verdeutlichung, in einer Nervenzelle können Phasenvariationen φ_ij(t) auf unterschiedliche Wiesen eingeführt werden. Lokale Dichteschwankungen können sich während der Aktivität der Zelle ändern, allein durch lokal variierende Konzentrationen von Ionen oder dynamischer Bewegung oder Faltung von Molekülen. Lokal isotrope Dichteschwankungen liefern φ_ij(t), ohne jedoch die Polarisation des Lichtes P_ij(t) zu verändern. Eine lokal orientierte Ausrichtung von Molekülen liefert Doppelbrechung, d. h. eine von der Polarisation des Lichtes abhängige Änderung der Phasenverteilung φ_ij(t) und somit im Allgemeinen erfassbare Änderung der Polarisation des Lichtes. Das bedeutet auch, dass die Messung der Phase und/oder der Doppelbrechung alleine keine direkte Aussage über die lokale Verteilung von freien Ladungsträgern, d. h. beispielsweise Ionen oder Elektronen macht, bzw. diese nicht machen kann. Es kann somit auch keine Aussage über die Vorzeichen der Ladungen gemacht werden. Das Anlegen eines starken magnetischen Feldes führt jedoch zu einer Phasenverschiebung, die vom Vorzeichen der Ladung und der Orientierung des magnetischen Feldes abhängig ist. Somit lassen sich im Feld verschiebbare Ladungen ermitteln, wobei sich induzierte Dipole von freien Ladungsträgern unterscheiden. Bei freien, bzw. hinreichend beweglichen Ladungsträgern kann durch eine Umkehr der Richtung des magnetische Feldes eine Umkehr der Kraft erreicht werden, die auf oszillierende Ladungen wirkt. Somit ändert sich die detektierte Phase, z. B. des Anteils der Polarisation des emittierten Lichtes, welcher orthogonal zur Polarisation des beleuchtenden Lichtes ist. Folgt die gemessene Phase in ihrem Vorzeichen der Umkehr der Feldlinien, so lässt sich eine lokale Ladungsverteilung zuordnen, d. h. dem Anteil, bzw. dem Betrag der Phase, der dieser Umkehr folgt. Lokal isotrope Dichteschwankungen lassen sich davon trennen, ebenso wie lokale Doppelbrechung, die permanent vorliegen kann oder induziert werden kann. Die Variation von Parametern ist ein wichtiger Bestandteil, der es ermöglicht, Verteilungen von Ladungen und auch die Verteilungen von Ladungsträgerbeweglichkeiten zu messen und diese von anderen Schwankungen des lokal, auch in Bezug auf unterschiedliche Polarisationszustände des Lichtes vorliegenden Brechungsindex eindeutig zu trennen. Die dynamische Messung einer Phasenverteilung einer Nervenzelle ist an sich keine optische und berührungslose Messung von Ladungsträgern. Sie ist vielmehr nur ein Indiz für eine dynamische Reaktion.For example, φ_ij and P_ij can be introduced with and without field. This allows a separation of pure changes in the refractive index and charge carrier-induced changes in the polarization state. Thus, different effects can be separated and the individual effects can also be calibrated separately. To illustrate, in a nerve cell phase variations φ_ij (t) can be introduced to different meadows. Local density variations can change during cell activity, solely by locally varying concentrations of ions or dynamic motion or folding of molecules. Locally isotropic density fluctuations provide φ_ij (t), but without changing the polarization of the light P_ij (t). A locally oriented alignment of molecules provides birefringence, ie a change of the phase distribution φ_ij (t), which depends on the polarization of the light, and thus in the Generally detectable change in the polarization of the light. This also means that the measurement of the phase and / or the birefringence alone does not make any direct statement about the local distribution of free charge carriers, ie, for example, ions or electrons, or can not do this. Thus, no statement can be made about the sign of the charges. However, the application of a strong magnetic field results in a phase shift which depends on the sign of the charge and the orientation of the magnetic field. Thus, displaceable charges can be determined in the field, with induced dipoles differing from free charge carriers. In the case of free or sufficiently movable charge carriers, reversing the direction of the magnetic field can achieve a reversal of the force acting on oscillating charges. Thus, the detected phase, z. B. the proportion of the polarization of the emitted light, which is orthogonal to the polarization of the illuminating light. If the measured phase follows in its sign the reversal of the field lines, then a local charge distribution can be assigned, ie the proportion, or the amount of the phase following this reversal. Locally isotropic density fluctuations can be separated, as well as local birefringence, which can be permanent or induced. The variation of parameters is an important component that makes it possible to measure distributions of charges and also the distributions of charge carrier mobilities and to unambiguously separate them from other fluctuations in the local refractive index, also with respect to different polarization states of the light. The dynamic measurement of a phase distribution of a nerve cell is in itself no optical and non-contact measurement of charge carriers. It is only an indication of a dynamic reaction.

Das Fluoreszenzlicht, welches von Zellen emittiert wird, kann auch im Sinne einer Parametervariation, d. h. beispielsweise mittels eines variabel applizierbaren magnetischen Feldes auf seine Polarisation hin untersucht werden. Die Fähigkeit, dem magnetischen Feld zu folgen ist proportional zur lokal vorliegenden Ladungsträgerbeweglichkeit. Somit lässt sich die hier offenbarte Vorgehensweise nutzen, lokal aufgelöste Abstrahlcharakteristika von Ladungsträgern im Kraft ausübenden Feld von Fluoreszenzlicht zu erfassen. Dies kann auf die im Stand der Technik beschriebenen Arten der Fluoreszenzmikroskopie angewendet werden, d. h. beispielsweise auch auf die statistisch, stochastische Rekonstruktion zeitlich räumlich hinreichend vereinzelter, nicht überlappender Emissionsvorgänge, die eine Ortsauflösung im Bereich von 10 nm ermöglicht.The fluorescent light which is emitted by cells can also be used in the sense of a parameter variation, ie. H. For example, be examined by means of a variably administrable magnetic field on its polarization out. The ability to follow the magnetic field is proportional to the local charge carrier mobility. Thus, the approach disclosed herein may be used to detect locally resolved radiation characteristics of charge carriers in the force-applying field of fluorescent light. This can be applied to the types of fluorescence microscopy described in the prior art, i. H. for example, also on the statistical, stochastic reconstruction of temporally spatially sufficiently separated, non-overlapping emission processes, which enables a spatial resolution in the range of 10 nm.

Der Detektor kann in der räumlichen Domäne und/oder in einer Frequenz-Domäne positioniert werden. Dies bedeutet, dass das Objekt auf eine Detektor-Ebene abgebildet werden kann oder/und dass ein Detektor in einer sogenannten Fourier-Ebene des Objektes angebracht werden kann. Es ist anzumerken, dass die sogenannte Fourier-Eben keine exakte Fourier-Transformation repräsentiert. Aber diese Ebene wird für die Analyse von Raumfrequenzen, von räumlich vorliegenden Periodizitäten, von vorliegenden Orientierungen dieser, von relativen Intensitäten oder von zusammengehörenden Amplituden und Phasen dieser verwendet. Diese Daten können dazu verwendet werden, die Objekteigenschaften zu rekonstruieren. Es ist anzumerken, dass die Änderung der Fokus-Ebene, das Zerlegen in z-Schnitte/Tiefen-Ebenen-Schnitte, in Form eines nach der Messdatenerfassung erfolgenden Prozesses (engl.: post processing) erfolgen kann, welcher in den Bilderzeugungsprozess eingeschlossen/eingebettet ist. In diesem Fall der Frequenz basierten Objekterfassung, sind der Polarisationsfilter und der variable Phasenschieber, welche für die Messung des Polarisationszustandes genutzt werden können, auch in der oder nahe der sogenannten Fourier-Ebene anzubringen.The detector can be positioned in the spatial domain and / or in a frequency domain. This means that the object can be imaged onto a detector plane or / and that a detector can be mounted in a so-called Fourier plane of the object. It should be noted that the so-called Fourier plane does not represent an exact Fourier transformation. But this plane is used for the analysis of spatial frequencies, of spatially present periodicities, of existing orientations of these, of relative intensities, or of related amplitudes and phases of these. This data can be used to reconstruct the object properties. It should be noted that the change of the focus level, the decomposition in z-cut / depth-plane slices, may be in the form of a post-processing which is included / embedded in the imaging process is. In this case of frequency-based object detection, the polarization filter and the variable phase shifter, which can be used for the measurement of the polarization state, are also to be mounted in or near the so-called Fourier plane.

Generell kann Phasenmessung bei sehr geringen Energien/Beleuchtungsdosen genutzt werden, um die Hitzeentwicklung in lebenden Zellen zu reduzieren. Dies bedeutet, dass nicht nur CCD und CMOS Detektor-Felder/Kameras verwendet werden können. Photonen-Vervielfältiger-Detektoren (engl.: photomuliplier) oder Einzel-Photonen Avalanche Photo-Dioden-Array Chips, welche auch Signalverarbeitungskapazitäten auf der Platine (engl.: on-board) aufweisen können, können verwendet werden, um die Erfassung sehr schwacher Signale zu realisieren. Aktive Kühlung von Detektoren oder Detektor-Feldern (engl.: detector array) ermöglicht die Erfassung des Signals mit einer erhöhten Bit-Tiefe. Dies bedeutet, dass die Bit-Tiefe beispielsweise 14 Bit oder auch mehr betragen kann.In general, phase measurements at very low energies / lighting doses can be used to reduce the heat in living cells. This means that not only CCD and CMOS detector fields / cameras can be used. Photon multiplier photomultipliers or single photon avalanche photodiode array chips, which may also have on-board signal processing capabilities, may be used to detect very weak signals to realize. Active cooling of detectors or detector arrays allows detection of the signal with increased bit depth. This means that the bit depth can be 14 bits or more, for example.

Polarisationsstrahlteiler (engl.: polarization beam splitter, PBS) können dazu verwendet werden, das detektierbare Licht auf unterschiedliche Detektoren oder Detektor-Positionen zu lenken. Dies kann in Abhängigkeit vom jeweiligen Polarisationszustand erfolgen.Polarization beam splitters (PBS) can be used to direct the detectable light to different detectors or detector positions. This can be done depending on the respective polarization state.

Wollastone oder andere PBS können dazu verwendet werden, um einen parallelen Betrieb von zumindest zwei Detektoren zu implementieren, welche orthogonale Polarisationszustände erfassen/aufzeichnen. PBS können refraktiv oder diffraktiv ausgeführt werden. Oberflächenreliefgitter oder Volumengitter (engl.: volume grating, VG) können diffraktive PBS Funktionalität bereitstellen.Wollastone or other PBS may be used to implement parallel operation of at least two detectors that sense / record orthogonal polarization states. PBS can be refractive or diffractive. Surface relief gratings or volume grating (VG) can provide diffractive PBS functionality.

Es ist zu bemerken, dass Strahlteiler-Anordnungen (engl.: beam splitter, BS) genutzt werden können, welche nicht selektiv in Bezug auf die Polarisation sind. Somit können beispielsweise drei, beispielsweise lateral getrennte/separierte Strahlengänge erzeugt werden. Jeder Teil-Strahlengang kann einen unterschiedlichen Phasenschieber verwenden, d. h. beispielsweise 0,2π/3 und 2π, um einen Dreiphasen-Phasenschiebe-Algorithmus (engl.: Phase shift interferometry, PSI) zu realisieren. Dies kann innerhalb einer optischen Anordnung erfolgen, die einer koaxialen Anordnung nahekommt, und ein einzelner Hochgeschwindigkeitsdetektor, d. h. eine Hochgeschwindigkeitskamera kann für diese Einkamerabild-PSI verwendet werden. PSI ist für zwei orthogonale Polarisationszustände auszuführen. Somit ist die Implementierung eines zweiten Dreiphasen-Phasenschiebe-Algorithmus für die zweite, orthogonale Polarisation notwendig. Es ist anzumerken, das ein erster PBS verwendet werden kann, um zwei Polarisationszustände aufzuspalten, welche im weiteren Verlauf entlang zweier unterschiedlicher Strahlengänge propagieren, die eine Implementierung eines Dreiphasen-Phasenschiebe-Algorithmus realisieren. Noch einmal, es kann eine umfangreiche Anzahl von Kombinationen der Strahlaufteilung, der parallelen und der sequentiellen Messungen realisiert werden.It should be noted that beam splitter assemblies (BS) can be used which are not selective with respect to the polarization are. Thus, for example, three, for example, laterally separated / separated beam paths can be generated. Each sub-beam path may use a different phase shifter, ie, for example, 0.2π / 3 and 2π, to realize a three-phase phase shift interferometry (PSI) algorithm. This can be done within an optical arrangement that approximates a coaxial arrangement, and a single high-speed detector, ie a high-speed camera, can be used for this single-camera image PSI. PSI is to be executed for two orthogonal polarization states. Thus, the implementation of a second three phase phase shifting algorithm is necessary for the second, orthogonal polarization. It should be noted that a first PBS can be used to split two polarization states, which subsequently propagate along two different optical paths that implement an implementation of a three phase phase shift algorithm. Once again, a large number of combinations of beam splitting, parallel and sequential measurements can be realized.

Eine Option ist es, eine räumlich abgetastete (engl.: spatial sampled) Detektion zu verwenden. Dies stellt die Option zur Verfügung, nur ein Detektor-Array zu verwenden. Eine Savart Platte, welche ein Array von Schlitzblenden aufweist, welche als Blenden, d. h. als einzelne Aperturöffnungen dienen und die auf der Eintrittsfläche der doppelbrechenden Platte angebracht sind, kann in der Detektorebene, d. h. vor dem Detektor angebracht werden. Generell kann eine Vergrößerung verwendet werden, die jenseits der förderlichen Vergrößerung liegt, d. h. eine zu große, leere Vergrößerung. Dies bedeutet, eine Vergrößerung zu implementieren, die größer als die ans sich benötigte ist und somit keine weiteren Bilddetails auflöst, d. h. keine weiteren Bilddetails ergibt. Diese Vergrößerung M+ (engl.: magnification, M) ist vorteilhaft im Falle der Anwendung einer Abtastung, die in der Detektorebene erfolgt. Es geht dabei keine Information des Objektes verloren, wenn M+ verwendet wird.One option is to use a spatially sampled detection. This provides the option to use only one detector array. A Savart plate having an array of slit diaphragms serving as diaphragms, i. H. serve as individual aperture openings and which are mounted on the entrance surface of the birefringent plate, may in the detector plane, i. H. be placed in front of the detector. In general, an enlargement can be used that is beyond the beneficial magnification, d. H. too big, empty magnification. This implies implementing a magnification that is larger than the one needed and thus does not resolve further image details, ie. H. no further picture details. This magnification M + (magnification, M) is advantageous in the case of the application of a scan which takes place in the detector plane. No information of the object is lost when M + is used.

Noch einmal, ein System, welches einen einzelnen doppelbrechenden Kristall oder einen zusammengesetzten, d. h. künstlich durch Mischung von Komponenten erzeugten doppelbrechenden Kristall oder ein diffraktives Oberflächenreliefgitter, oder diffraktive Oberflächenreliefgitter, oder ein Volumengitter (engl.: volume grating, VG), oder Volumengitter dazu verwendet, um in Abhängigkeit von der vorliegenden Polarisation des Lichtes eine Strahl-Verlagerung einzuführen und dies in Verbindung mit einer Vergrößerung (M+) realisiert, welche größer ist als an sich benötigt und die somit keine zusätzlichen Bilddetails auflöst, stellt eine räumlich abgetastete Detektion orthogonaler Polarisationszustände bereit, ohne dabei Bildinformationen zu verlieren.Once again, a system which incorporates a single birefringent crystal or compound, i. H. artificially produced by mixture of components birefringent crystal or diffractive surface relief grating, or diffractive surface relief gratings, or a volume grating (VG), or volume grating used to introduce depending on the polarization of the light present a beam displacement and This, in conjunction with a magnification (M +) realized that is greater than is needed and thus does not resolve additional image details, provides a spatially sampled detection of orthogonal polarization states without losing image information.

Anstelle der Verwendung einer Savart Platte können beispielsweise zwei VG verwendet werden, welche innerhalb des Volumengitters eine Rekonstruktionsgeometrie von 0° deg/60° deg aufweisen und somit Beugung bereitstellen, die bezüglich der Polarisation des Lichtes selektiv ist. Die Dicke einer Abstandsschicht, welche zwischen diesen beiden VG angebracht ist, bestimmt die zwischen TE und TM polarisiertem Licht eingeführte laterale Verschiebung. Eine Maske, die ein Feld von Schlitzen aufweist, d. h. ein Schlitzarray kann an der Vorderseite dieser Anordnung angebracht werden, welche eine von der Polarisation abhängige Verschiebung einführt.For example, instead of using a Savart plate, two VGs can be used which have a reconstruction geometry of 0 ° deg / 60 ° deg within the volume grating, thus providing diffraction selective with respect to the polarization of the light. The thickness of a spacer layer disposed between these two VGs determines the lateral displacement introduced between TE and TM polarized light. A mask that has a field of slots, d. H. a slit array may be attached to the front of this array which introduces a polarization dependent shift.

Eine Abtastung kann dadurch eingeführt werden, dass ein Matrix-Feld/Matrix-Array von WGP (engl.: wire grid polarizer) Segmenten verwendet wird. Somit kann der Polarisationszustand lokal abgetastet werden. Zur Abtastung können beispielsweise Gruppen von zwei, drei, vier oder auch fünf ineinander verschachtelter WGP Segmente verwendet werden, welche unterschiedliche Orientierungen/Ausrichtungen aufweisen. Anzumerken ist, dass beispielsweise eine Abtastung, die auf Gruppen von vier Segment-Typen beruht, zu einer Messung verwendet werden kann, die nur ein von einem Detektor aufgezeichnetes Bild (engl.: single frame) verwendet. Somit muss keine elektro-optische Verstelleinheit, die beispielsweise LC basiert ist, verwendet werden. Dies erhöht die Geschwindigkeit der Messung, d. h. verkürzt die Messzeit.Scanning may be introduced by using a matrix array / array array of WGP (wire grid polarizer) segments. Thus, the polarization state can be sampled locally. For example, groups of two, three, four or even five interlaced WGP segments which have different orientations / orientations can be used for the scanning. It should be noted, for example, that sampling based on groups of four segment types can be used for a measurement using only a single frame recorded by a detector. Thus, no electro-optical adjustment unit, based for example on LC, has to be used. This increases the speed of the measurement, i. H. shortens the measuring time.

Ein WGP (engl.: wire grid polarizer, oder auch Drahtgitterpolarisator) basierter Analysator, welcher den Polarisationszustand analysiert und eine Matrix-Struktur aufweist, die der eines Schachbrettes entspricht, kann in das Deckglas eines Detektors integriert werden. Die Ebene des Analysators kann auch auf einen Detektor abgebildet werden.A WGP-based analyzer which analyzes the polarization state and has a matrix structure similar to that of a checkerboard can be integrated into the cover glass of a detector. The plane of the analyzer can also be mapped to a detector.

Es ist anzumerken, dass ein linearer WGP mit einer doppelbrechenen, Phase schiebenden Maske kombiniert werden kann. Somit kann ein Standard-Typ WGP mit einer abgestuften, d. h. Stufen aufweisenden, Phasenmaske verwendet werden, welche in einem doppelbrechendem Material vorliegt, wie beispielsweise in Kalkspat. Die Ebene dieses Analysators kann auf die Ebene eines angemessen schnellen Detektors abgebildet werden.It should be noted that a linear WGP can be combined with a double-break, phase-shifting mask. Thus, a standard type WGP with a stepped, d. H. Stepped, phase mask can be used, which is present in a birefringent material, such as in calcite. The plane of this analyzer can be mapped to the plane of a reasonably fast detector.

Anstatt einen Drahtgitterpolarisator (engl.: wire grid polarizer, WGP) oder eine Ebene eines Polarisationsfilters mit einer doppelbrechenden Phase schiebenden Maske zu kombinieren, welche beispielsweise eine Kalkspat-Platte ist, die beispielsweise ein Vierstufen-Profil aufweist, kann eine Maske, die in räumlich strukturierter Weise lokale Verzögerungen einführt auch aus polymerisiertem LC hergestellt werden, welche zuvor mittels Licht ausgerichtet worden ist (engl.: photo alignment). Die unterschiedlichen Ausrichtungen der Strukturen/Segmente, welche die Größe von Bildpunkten/Pixeln haben, stellen lokal die unterschiedlichen Verzögerungen (engl.: retardation) bereit, die lokal benötigt werden. Dies kann mit einer zusätzlichen Farbfilter-Maske kombiniert werden. Es ist anzumerken, dass LC basierte strukturierte Verzögerungsplatten mit in akzeptabler Weise ausreichender achromatischer Phasenverschiebung hergestellt werden können, was bedeutet, dass unterschiedliche Spektralbereiche/Farben zeitlich sequentiell verwendet werden können.Instead of combining a wire grid polarizer (WGP) or a plane of a polarizing filter with a birefringent phase-shifting mask, which is, for example, a calcite plate having, for example, a four-step profile, a mask, which introduces spatially-structured local delays are also made of polymerized LC previously aligned by light (photo alignment). The different orientations of the structures / segments, which have the size of pixels, provide locally the different retardation needed locally. This can be combined with an additional color filter mask. It should be noted that LC-based patterned retardation plates can be made with acceptably sufficient achromatic phase shift, which means that different spectral regions / colors can be used sequentially in time.

Eine Analysator-Ebene kann in der so genannten Fourier-Ebene oder in der Bildebene angeordnet werden. Eine Analysator-Ebene ist eine Ebene in der ein Analysator, oder auch Polarisationsfilter angeordnet ist. Orthogonale Polarisationszustände können bei vorliegender Kohärenz oder Teilkohärenz zur Interferenz gebracht werden, wenn der Analysator beispielsweise eine Orientierung von 45° deg aufweist, d. h. zumindest nicht parallel zu einer der beiden Polarisationszustände ist.An analyzer layer can be arranged in the so-called Fourier plane or in the image plane. An analyzer level is a level in which an analyzer, or even a polarization filter, is arranged. Orthogonal polarization states can be made to interfere with present coherence or sub-coherence if, for example, the analyzer has an orientation of 45 ° deg. H. at least not parallel to one of the two polarization states.

Wenn die Verteilung der Intensität, die Verteilung des Zustandes der Polarisation und die zugeordneten Phasenverteilungen gemessen worden sind, dann können die Parameter, welche das komplexwertige (engl.: complex valued) Wellenfeld definieren, für weitere Berechnungen genutzt werden. Dies kann beispielsweise eine Nachbearbeitung (engl.: post processing) im Sinne einer den Fokus verändernden Operation oder eine Berechnung Kontrast vergrößernder Techniken, wie beispielsweise schräge Beleuchtung, Hoffman Modulationskontrast, Differenz Interferenz Kontrast (engl.: difference interference contrast, DIC), Dunkelfeldbeleuchtung, Polarisationskontrast, sein. Noch einmal, das komplexwertige Wellenfeld, welches durch die Phasenverteilung φ(x, y) und die Amplitudenverteilung a(x, y) charakterisiert ist und welches letztendlich für unterschiedliche, beispielsweise orthogonale Polarisationszustände erhalten worden ist, kann dazu verwendet werden, um die Verteilung von Ladungsträgern zu detektieren, die Verteilung der Polarität der Ladungsträger und für weitere rechnerische Nachbearbeitung wie beispielsweise die Berechnung von Fokus Operationen, die auf Berechnungen für unterschiedliche Tiefen-Ebene beruhen.Once the distribution of intensity, the distribution of the state of polarization and the associated phase distributions have been measured, then the parameters defining the complex valued wave field can be used for further calculations. This may, for example, be post-processing in the sense of a focus-varying operation or calculation of contrast-magnifying techniques such as oblique illumination, Hoffman modulation contrast, difference interference contrast (DIC), dark field illumination, Polarization contrast, be. Once again, the complex valued wave field characterized by the phase distribution φ (x, y) and the amplitude distribution a (x, y) and which has ultimately been obtained for different, for example orthogonal polarization states, can be used to determine the distribution of Detecting charge carriers, the distribution of the polarity of the charge carriers and for further computational post-processing such as the calculation of focus operations based on calculations for different depth-level.

Ein wichtiger Aspekt, der es ermöglicht, mit hohem Kontrast und geringer Messunsicherheit zu messen, ist die optionale Trennung der Beleuchtung, bzw. der Anregung der Emission und der Abbildung. Die Beleuchtung kann beispielsweise mit definiertem Energiespektrum, definiertem Planwellenspektrum, definiertem Wellenfeld, definierter räumlicher, komplexwertiger Verteilung, definierter zeitlicher Verteilung und mit Kombinationen dieser Parameter erfolgen.An important aspect that makes it possible to measure with high contrast and low measurement uncertainty is the optional separation of the illumination or the excitation of the emission and the image. The illumination can be done, for example, with a defined energy spectrum, a defined plan wave spectrum, a defined wave field, a defined spatial, complex-valued distribution, a defined temporal distribution and combinations of these parameters.

Die Trennung von Beleuchtung und Abbildung nach globalen und/oder lokalen Beleuchtungswinkeln kann mittels unterschiedlicher Anordnungen erfolgen.The separation of illumination and imaging according to global and / or local illumination angles can be done by means of different arrangements.

Beispielsweise kann die Beleuchtung in einer Dunkelfeld-Anordnung und die Abbildung des Objektes im Hellfeld erfolgen, wobei im Auflicht, im Durchlicht oder in einer Kombination dieser gearbeitet werden kann. Die Beleuchtung kann auch mittels einer Hellfeld-Anordnung und die Abbildung des Objektes kann mittels einer Dunkelfeld-Anordnung erfolgen, wobei im Auflicht, im Durchlicht oder in einer Kombination dieser gearbeitet werden kann.For example, the illumination can be done in a dark field arrangement and the image of the object in the bright field, wherein in reflected light, in transmitted light or in a combination of these can be used. The illumination can also be effected by means of a bright-field arrangement and the image of the object can be effected by means of a dark-field arrangement, it being possible to work in incident light, in transmitted light or in a combination thereof.

Die Beleuchtung der Probe kann auch unter einer in einem Substrat vorliegenden Totalreflexion erfolgen, wobei zur Abbildung auf eine Detektionsebene nur Licht gelangt, welches dieser nicht unterliegt. Von der Probe gebeugtes oder generell von der Probe, wie beispielsweise in Form einer Fluoreszenz, abgestrahltes Licht kann zur Detektionsebene gelangen. Es kann jedoch auch im Hellfeld beleuchtet und nur Licht zur Abbildung verwendet werden, welches einer im Träger der Probe vorliegenden Totalreflexion unterliegt.The illumination of the sample can also take place under a total reflection present in a substrate, wherein for imaging on a detection plane only light passes, which is not subject to this. Light diffracted by the sample or generally emitted by the sample, such as in the form of fluorescence, may reach the detection plane. However, it can also be illuminated in the bright field and only light used for imaging, which is subject to a present in the carrier of the sample total reflection.

Eine Trennung der Beleuchtung kann auch dadurch erfolgen, dass die Ebene einer die Probe beleuchtenden Lichtquelle auf eine Ebene abgebildet wird, welche derart ausgeführt ist, dass diese Trennung erreicht wird.A separation of the illumination can also take place in that the plane of a sample illuminating light source is imaged on a plane which is designed such that this separation is achieved.

Eine Absorption des beleuchtenden Lichtes kann dadurch erreicht werden, dass die Lichtquelle auf eine absorbierende Struktur abgebildet wird. Beispielsweise kann eine kreisförmige Lichtquelle auf eine kreisförmige Absorberstruktur abgebildet werden oder eine ringförmige Lichtquelle auf eine ringförmige. Nach Bedarf kann dies auch in Form einer Teilabsorption erfolgen, die auch je nach vorliegendem Kontrast einstellbar ist.Absorption of the illuminating light can be achieved by imaging the light source onto an absorbent structure. For example, a circular light source can be imaged onto a circular absorber structure or an annular light source onto an annular one. If necessary, this can also be done in the form of a partial absorption, which is also adjustable depending on the present contrast.

Im Sinne der Erzeugung eines hohen Interferenz-Kontrastes kann auch das vom Objekt gebeugte Licht in seiner Intensität abgeschwächt werden. Beispielsweise kann eine kreisförmige, ringförmige oder auch Quadrupol-förmige Lichtquelle auf eine Absorberstruktur abgebildet werden, welche für das Licht, welches das Bild der Lichtquelle formt, eine höhere Transmission aufweist, als für das vom Objekt gebeugte Licht.In terms of generating a high interference contrast, the light diffracted by the object can be attenuated in its intensity. For example, a circular, annular or even quadrupole-shaped light source can be imaged onto an absorber structure which has a higher transmission for the light which forms the image of the light source than for the light diffracted by the object.

Ist die im Sinne einer funktionellen Teilung der Apertur verwendete Struktur klein gegen diese, so ist die Beeinträchtigung der Punktbildübertragungsfunktion der Abbildung gering.Is the structure used in the sense of a functional division of the aperture small against these, the deterioration of the dot image transfer function of the image is small.

Eine räumliche Trennung des beleuchtenden Lichtes kann dadurch erreicht werden, dass die Lichtquelle auf eine reflektierende oder beugende Struktur abgebildet wird. Beispielsweise kann eine kreisförmige Lichtquelle auf eine kreisförmige, spiegelnde Struktur abgebildet oder eine ringförmige Lichtquelle auf eine ringförmige. Als beugende Struktur kann ein Gittersegment oder ein auf der Bragg-Beugung beruhendes Volumengitter-Segment verwendet werden.A spatial separation of the illuminating light can be achieved by imaging the light source onto a reflective or diffractive structure. For example, a circular light source can be imaged onto a circular, specular structure, or an annular light source onto an annular one. As a diffractive structure, a grid segment or a volume grating segment based on the Bragg diffraction may be used.

Ein Substrat, welches sich im Abbildungsstrahlengang befindet und die Trennung des Lichtes der Beleuchtung und der Abbildung bewirkt, kann schräg in diesem liegen, d. h. beispielsweise um 45° deg um die Achse des einfallenden Lichtes gekippt. So kann beispielsweise das Licht der Beleuchtung aus dem Abbildungsstrahlengang heraus reflektiert oder heraus gebeugt werden. Im Sinne einer minimierten Aberration der Abbildung kann jedoch ein schräg gestellter Spiegel verwendet werden, der beispielsweise in seinem Zentrum ein nicht reflektierendes Segment aufweist, welches beispielsweise kreisförmig oder ringförmig ist. Das Licht der Beleuchtung wird nicht, wie das Licht, welches durch die Probe beeinflusst worden ist, reflektiert und steht somit für einen separierten Strahlengang zur Verfügung. Hier liegt eine Trennung des beleuchtenden Lichtes und des von der Probe beeinflussten Lichtes hinter dieser vor. Das reflektierte Licht, welches von der Probe beeinflusst wurde propagiert zur Detektionsebene. Das Beleuchtungslicht kann auf einem separierten Strahlengang eine variable Phasenverschiebung erfahren, beispielsweise um Phase schiebende Interferometrie zu implementieren. Zu diesem Zweck können beide Strahlengänge vor einer Detektionsebene wieder vereinigt werden. Die Strahl-Vereinigung kann in umgekehrter Weise zur beschriebenen Strahl-Trennung erfolgen. Beispielsweise können zur Strahl-Vereinigung, reflektierende oder beugende Strukturen auf optischen Flächen verwendet werden. Koaxiale und außer-axiale Strahlengänge können verwendet werden.A substrate, which is in the imaging beam path and causes the separation of the light of the illumination and the image may be obliquely in this, d. H. for example, tilted at 45 ° around the axis of the incident light. Thus, for example, the light of the illumination can be reflected out of the imaging beam path or diffracted out. However, in order to minimize the aberration of the image, it is possible to use an obliquely arranged mirror which, for example, has in its center a non-reflective segment which is, for example, circular or annular. The light of the illumination is not reflected, as the light, which has been influenced by the sample, and is thus available for a separate beam path. Here there is a separation of the illuminating light and the light influenced by the sample behind it. The reflected light, which was influenced by the sample propagates to the detection plane. The illumination light can undergo a variable phase shift on a separated beam path, for example to implement phase-shifting interferometry. For this purpose, both beam paths can be reunited before a detection plane. The beam association can be done in the reverse manner to the described beam separation. For example, beam splitting, reflective or diffractive structures on optical surfaces can be used. Coaxial and off-axis beam paths can be used.

Eine Trennung des Lichtes der Beleuchtung kann auch mittels optischen Elementen erfolgen, die eine Funktion realisieren, welche eine sehr schmale Winkelakzeptanz aufweist. Dicke, auf der Bragg-Beugung beruhende Volumengitter können beispielsweise eingesetzt werden, um Licht der Beleuchtung, welches nicht von der Probe, d. h. dem Objekt beeinflusst worden ist, zu beugen. Dabei kann eine sehr schmale Winkelakzeptanz und eine schmale Wellenlängenakzeptanz realisiert werden. Die Rekonstruktionsgeometrien auf Bragg-Beugung beruhender Volumengitter sind vielfältig und anpassbar.A separation of the light of the illumination can also take place by means of optical elements which realize a function which has a very narrow angular acceptance. For example, thick Bragg diffraction-based bulk gratings can be used to provide illumination light that is not from the specimen, i. H. the object has been influenced to bend. In this case, a very narrow angular acceptance and a narrow wavelength acceptance can be realized. The reconstruction geometries on Bragg diffraction based volume gratings are diverse and customizable.

Im separierten Strahlengang kann eine Phasenverschiebung zwischen dem von der Beleuchtung stammenden Licht und dem durch die Probe beeinflussten Licht eingeführt werden. Dies kann für koaxiale oder außer-axiale Anordnungen erfolgen.In the separated beam path, a phase shift between the light originating from the illumination and the light influenced by the sample can be introduced. This can be done for coaxial or off-axis arrangements.

Im koaxialen Strahlengang kann eine Phasenverschiebung zwischen dem von der Beleuchtung stammenden Licht und dem durch die Probe beeinflussten Licht eingeführt werden.In the coaxial beam path, a phase shift between the light originating from the illumination and the light influenced by the sample can be introduced.

Beispielsweise beschreibt DE 10356968A1 ein koaxiales optisches System, welches in einer von mehren Ausführungsformen eine sphärische Phasenverteilung im Zentrum einer plan parallelen Platte verwendet, um zwischen dem Licht der Beleuchtung und dem Licht, welches vom Objekt gebeugt worden ist, eine variable Phasenverschiebung einzuführen. Die Anordnung zum Phasenkontrast nach Zernike wird zu einem Phasen schiebenden Interferometer erweitert, wobei die Aberrationen, die beim Phasenkontrast nach Zernike auftreten, vermieden werden. Der Aufbau ermöglicht eine hohe Stabilität und eine Messunsicherheit der Phase von ca. 2π/1000. Die in DE 10356968A1 beschriebenen Anordnungen können dazu verwendet werden, ein optisches Messsystem im Sinne der hier dargelegten Erfindung aufzubauen. Dabei kann für unterschiedliche Polarisationen des Lichtes auch eine Trennung in unterschiedliche Strahlengänge erfolgen.For example, describes DE 10356968A1 a coaxial optical system which, in one of several embodiments, uses a spherical phase distribution in the center of a plane-parallel plate to introduce a variable phase shift between the light of the illumination and the light diffracted by the object. The Zernike phase-contrast arrangement is extended to a phase-shifting interferometer, avoiding the aberrations that occur in Zernike phase contrast. The structure allows a high stability and a measurement uncertainty of the phase of about 2π / 1000. In the DE 10356968A1 arrangements described can be used to construct an optical measuring system in the sense of the invention set forth herein. It can also be separated into different beam paths for different polarizations of the light.

Beispielsweise können zwei orthogonal polarisierte Anteile des vom Objektraum zur Detektion propagierenden Lichtes auf zwei separierte Strahlengänge aufgeteilt werden in denen jeweils eine Bestimmung der Phase erfolgt. Die zwischen den zwei separierten Strahlengängen vorliegende Phasendifferenz kann kalibriert und berücksichtigt werden. Somit lässt sich eine Verteilung der Phase und der Polarisation des im Objektraum vorliegenden Lichtes erreichen.For example, two orthogonally polarized portions of the light propagating from the object space for detection can be split into two separate beam paths, in each of which a determination of the phase takes place. The phase difference present between the two separated beam paths can be calibrated and taken into account. Thus, a distribution of the phase and the polarization of the light present in the object space can be achieved.

Die in DE 10 2006 016 053 B4 vorgestellte Vorgehensweise kann ebenfalls mit den hier vorgestellen Anordnungen kombiniert werden, um eine sehr schnelle Messung bei sehr geringer Messunsicherheit zu erreichen.In the DE 10 2006 016 053 B4 The presented procedure can also be combined with the arrangements presented here in order to achieve a very fast measurement with very low measurement uncertainty.

Eine Anzahl weiterer Modifikationen betrifft den angepassten Polarisationszustand des Lichtes, welches die zu untersuchende Probe beleuchtet. Das Licht, welches die zu untersuchende Probe beleuchtet kann variabel gewählt werden. Dies kann in Abhängigkeit vom diskret vorliegenden Zustand der Messanordnung erfolgen. Dabei kann die zu messende Probe oder eine Vergleichsprobe, d. h. beispielsweise ein kalibrierter Probenkörper, einbezogen werden.A number of further modifications relate to the adapted polarization state of the light illuminating the sample to be examined. The light that illuminates the sample to be examined can be variably selected. This can be done as a function of the discretely present state of the measuring arrangement. In this case, the sample to be measured or a comparative sample, d. H. For example, a calibrated specimen can be included.

Die der Messung angepasste Polarisation der Beleuchtung dient der Verringerung der Messunsicherheit der zu messenden physikalischen Größen. The polarization of the illumination adapted to the measurement serves to reduce the measurement uncertainty of the physical quantities to be measured.

Im Folgenden wird dies anhand eines konkreten Beispiels dargelegt. Ausgangspunkt der Beschreibung sei eine in Reflexion betriebene Anordnung im Sinne der Anmeldung. Ein Magnet, welcher eine hinreichend hohe Feldstärke aufweist und beispielsweise die Form eines Zylinders aufweist, wird mit der Zylinderachse koaxial zur optischen Achse der Anordnung ausgerichtet. Die Messanordnung kann im Sinne eines Auflicht-Mikroskopes ausgeführt sein. Dies bedeutet, dass eine Probe von der selben Seite beleuchtet wird, auf der auch die Abbildung auf einen Detektor bzw. auf eine Detektor-Matrix erfolgt. Dies bedeutet, dass der Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungsstrahlengang in Bezug auf das beleuchtete Messobjekt, d. h. die beleuchtete Probe, im. gleichen Halbraum liegen. Dies schließt auch eine unterschiedlich ausgeführte Faltung der beiden Strahlengänge ein.In the following, this is demonstrated by means of a concrete example. The starting point of the description is an arrangement operated in reflection in the sense of the application. A magnet, which has a sufficiently high field strength and, for example, has the shape of a cylinder, is aligned with the cylinder axis coaxially with the optical axis of the assembly. The measuring arrangement can be designed in the sense of a reflected-light microscope. This means that a sample is illuminated from the same side on which the image is also applied to a detector or to a detector matrix. This means that the illumination beam path and the imaging beam path with respect to the illuminated measurement object, i. H. the illuminated sample, in the. same half space lie. This also includes a differently executed folding of the two beam paths.

Das Messobjekt kann beispielsweise bei der verwendeten Beleuchtung eine hinreichend reflektierende Oberfläche aufweisen, so dass diese als spiegelnde Fläche wirkt, welche den Beleuchtungsstrahlengang und den Abbildungsstrahlengang separiert.The measurement object may, for example, have a sufficiently reflective surface in the illumination used, so that it acts as a reflecting surface which separates the illumination beam path and the imaging beam path.

Der Betrag der Reflexion kann dabei vom verwendeten Spektralbereich der Beleuchtung, aber auch von der verwendeten Polarisation abhängen. Dabei können auch räumlich nicht konstante Verteilungsfunktionen des Reflexionsgrades R(x, y, λ, P, t) vorliegen. Dabei bezeichnen x und y die Koordinaten in der Probenfläche, λ die Wellenlänge, P den Polarisationszustand und t die Zeit bei möglichen zeitlichen Änderungen.The amount of reflection may depend on the spectral range of the illumination used, but also on the polarization used. Spatially non-constant distribution functions of the reflectance R (x, y, λ, P, t) may also be present. In this case, x and y denote the coordinates in the sample surface, λ the wavelength, P the polarization state and t the time with possible changes in time.

Das Messobjekt kann beispielsweise bei der verwendeten Beleuchtung eine hinreichend hohe Transmission aufweisen. Im Fall hinreichend transparenter Objekte, wie dies beispielsweise bei organische Strukturen im sichtbaren Spektralbereich der Fall ist, wird die in einer Auflicht-Mikroskop-Anordnung notwendige spiegelnde Fläche, welche den Beleuchtungsstrahlengang und den Abbildungsstrahlengang separiert, hinter den Messobjekt angebracht.For example, the measurement object may have a sufficiently high transmission in the case of the illumination used. In the case of sufficiently transparent objects, as is the case, for example, in the case of organic structures in the visible spectral region, the reflective surface which separates the illumination beam path and the imaging beam path is mounted behind the measurement object in a reflected-light microscope arrangement.

In einer einfachen Ausführungsform kann ein Planspiegel verwendet werden. Das Wellenfeld, welches vom Beleuchtungsstrahlengang stammt und das transparente Objekt (bzw. Messobjekt oder Probe) beleuchtet, propagiert durch dieses, wird am Planspiegel reflektiert, propagiert in entgegengesetzter Richtung wieder durch das Objekt und über den Abbildungsstrahlengang zum Detektor, bzw. zu den Detektoren.In a simple embodiment, a plane mirror can be used. The wave field, which originates from the illumination beam path and illuminates the transparent object (or measurement object or sample) propagates through it, is reflected at the plane mirror, propagates in the opposite direction again through the object and via the imaging beam path to the detector or to the detectors.

Explizit können mehrere Detektoren verwendet werden, um unterschiedliche Messgrößen aufzunehmen. Bei den unterschiedlichen Messgrößen kann es sich beispielsweise um unterschiedliche Spektralbereiche und/oder um unterschiedliche Polarisationszustände und/oder um unterschiedliche optische Weglängen, beispielsweise im Sinne unterschiedlicher Phasenverschiebungen handeln.Explicitly several detectors can be used to record different quantities. The different measured variables can be, for example, different spectral ranges and / or different polarization states and / or different optical path lengths, for example in the sense of different phase shifts.

Der Planspiegel kann beispielsweise durch eine metallische oder eine dielektrische Beschichtung gebildet werden. Bei einem schichtweise aufgebauten Spiegel, d. h. bei einer aus mehreren Schichten aufgebauten spiegelnden Fläche kann auch eine Kombination aus Metallen und Dielektrika verwendet werden. Beispielsweise kann der vom Metall und von der betrachteten Wellenlänge abhängige Phasensprung, der bei der Reflexion an der metallischen Schicht auftritt berücksichtigt werden, derart, dass eine aufzubringende dielektrische Schicht eine effektiv vorliegende λ/(4n) (modulo 2π) realisiert, welche den Reflexionsgrad der spiegelnden Beschichtung maximiert.The plane mirror can be formed for example by a metallic or a dielectric coating. In a layered mirror, d. H. In a multi-layered reflective surface, a combination of metals and dielectrics may also be used. For example, the phase jump, which is dependent on the metal and on the considered wavelength, which occurs when reflecting on the metallic layer, can be such that a dielectric layer to be applied realizes an effective λ / (4n) (modulo 2π), which determines the reflectance of the reflective coating maximizes.

Die spiegelnde Schicht kann beispielsweise auch auf der oberen, der Beleuchtung zugewandten, Seite eines verwendeten Objektträgers angebracht werden, d. h. auch direkt unter dem Objekt liegen.For example, the reflective layer can also be mounted on the upper side of a glass slide that faces the illumination, i. E. H. also lie directly under the object.

Der in einer Auflicht-Mikroskop-Anordnung verwendete Spiegel kann zwischen einem Objektträger und dem verwendeten Magnet angeordnet werden. Der Spiegel kann auch direkt als reflektierende Oberfläche des Magneten ausgebildet werden.The mirror used in a reflected light microscope arrangement can be arranged between a slide and the magnet used. The mirror can also be formed directly as a reflective surface of the magnet.

Hiermit ist eine generelle Auflicht-Mikroskop-Anordnung dargestellt. Anhand dieser Anordnung lässt sich darlegen, das es vorteilhaft ist, das Licht, welches die zu untersuchende Probe beleuchtet, variabel, d. h. in angepasster Form zu wählen.Hereby, a general incident-light microscope arrangement is shown. On the basis of this arrangement, it can be shown that it is advantageous to variably, that is, the light which illuminates the sample to be examined. H. to choose in adapted form.

Die zu untersuchende Messgröße sei beispielsweise die Änderung des Polarisationszustandes, des Lichtes, welches durch die Probe propagiert und durch Ladungsträger bedingt ist, die im Magnetfeld oszillieren.The measured variable to be examined is, for example, the change in the state of polarization, of the light which propagates through the sample and is caused by charge carriers which oscillate in the magnetic field.

Kann beispielsweise von linear polarisiertem Licht ausgegangen werden, welches die Probe beleuchtet, so bedeutet dies, dass die beispielsweise in ihrer lokalen und zeitlichen Verteilung zu erfassende Messgröße der Anteil links zirkular polarisierten Lichtes, rechts zirkular polarisierten Lichtes oder allgemein elliptisch polarisierten Lichtes ist. Wird jedoch das oben behandelte Beispiel einer Auflicht-Mikroskop-Anordnung verwendet, so kann durch diese auch ohne vorliegende Probe eine Änderung des zu Beleuchtung verwendeten Polarisationszustandes eingeführt werden.If it can be assumed, for example, of linearly polarized light which illuminates the sample, this means that the measured quantity to be detected, for example, in its local and temporal distribution is the fraction of left circularly polarized light, right circularly polarized light or generally elliptically polarized light. However, if the above-discussed example of a reflected-light microscope arrangement is used, then it can be introduced by this even without the present sample, a change in the polarization state used for illumination.

Dem liegt zugrunde, dass der Polarisationszustand des Lichtes an metallischen und an dielektrischen Schichten, bzw. an Grenzflächen, die sich in einem Magnetfeld mit hinreichender Feldstärke befinden, geändert wird. Diese Änderung kann theoretisch bestimmt oder gemessen werden, so dass die in der leeren Messanordnung nahe der Objektebene, d. h. hier ohne Objekt, eingeführte Änderung des Polarisationszustandes des beleuchtenden Lichtes berücksichtigt, bzw. kompensiert wird. This is based on the fact that the polarization state of the light is changed at metallic and at dielectric layers, or at interfaces that are in a magnetic field with sufficient field strength. This change can be theoretically determined or measured so that the change in the polarization state of the illuminating light introduced in the empty measuring arrangement near the object plane, ie here without an object, is taken into account or compensated for.

Eine Untermenge des angepassten Polarisationszustand des Lichtes, welches die zu untersuchende Probe beleuchtet, ist die optionale Blockierung des Lichtes der leeren Messanordnung.A subset of the adjusted polarization state of the light that illuminates the sample to be examined is the optional blocking of the light of the empty measurement device.

Beispielsweise heißt dies, dass das Licht, welches den jeweils im diskreten Fall vorliegenden Polarisationszustand der leeren Messanordnung aufweist, vor dem Detektor mittels eines angepassten Analysators, d. h. mittels eines angepassten Polarisationsfilters, bzw. einer angepassten Verzögerungsplatte, die sich vor einem linearen Polarisationsfilter befindet, blockiert werden kann. Dies kann für Durchlicht-Anordnungen und Auflicht-Anordnungen umgesetzt werden.For example, this means that the light, which has the polarization state of the empty measuring arrangement present in each case in the discrete case, is detected in front of the detector by means of a matched analyzer, i. H. by means of a matched polarizing filter, or a matched retarder plate located in front of a linear polarizing filter, can be blocked. This can be implemented for transmitted light arrangements and incident light arrangements.

Diese optionale Blockierung des Lichtes der leeren Messanordnung erhöht den Anteil der zu untersuchenden und vom Detektor erfassten Messgröße. Das Verhältnis Signal zu leerer Messanordnung bzw. das Verhältnis Signal zu Rauschen wird deutlich erhöht. Dabei ist zu beachten, dass der Anteil des Signales auch mehrere Größenordnungen unter dem Anteil der leeren Messanordnung betragen kann. Diese Modifikation verringert die Messunsicherheit deutlich.This optional blocking of the light of the empty measuring arrangement increases the proportion of the measured variable to be examined and detected by the detector. The ratio of signal to empty measuring arrangement or the ratio signal to noise is significantly increased. It should be noted that the proportion of the signal can also be several orders of magnitude below the proportion of the empty measuring arrangement. This modification significantly reduces the measurement uncertainty.

Diese Option ist vorteilhaft, wenn das zu untersuchende Signal mit einem Polarisationszustand erfasst werden kann, der orthogonal zu dem der leeren Messanordnung ist.This option is advantageous if the signal to be examined can be detected with a polarization state that is orthogonal to that of the empty measuring device.

Eine im Sinne der Erfindung leere Messanordnung kann hierbei auch eine Vergleichsprobe enthalten, die beispielsweise auch räumlich und bezüglich Amplitude und Phase strukturiert sein kann. Im Allgemeinen kann auch eine Vergleichsprobe Bestandteil einer leeren Messanordnung sein, die nur entlang der optischen Achse strukturiert ist, d. h. beispielsweise nur aus einem Substrat, einer dielektrischen Abstandsschicht und einem Deckglas besteht. Die dielektrischen Abstandsschicht entspricht in vorteilhafter Weise in Dicke und mittlerem Brechungsindex dem im Anschluss eingeführten eigentlichem Messobjekt. Vergleichsproben, die unterschiedliche Parameter aufweisen, d. h. beispielsweise auch unterschiedliche, definierte Doppelbrechung, können zur Kalibration des Messsystems eingesetzt werden.In this case, an empty measuring arrangement in the sense of the invention can also contain a comparison sample, which can also be structured, for example, spatially and with respect to amplitude and phase. In general, a comparative sample may also be part of an empty measurement arrangement which is structured only along the optical axis, ie. H. For example, consists only of a substrate, a dielectric spacer layer and a cover glass. The dielectric spacer layer advantageously corresponds in thickness and average refractive index to the actual measurement object subsequently introduced. Comparative samples that have different parameters, d. H. For example, different, defined birefringence, can be used to calibrate the measuring system.

Neben der angepassten Filterung des Polarisationszustandes der leeren Messanordnung im Abbildungsstrahlengang kann auch ein angepasster Polarisationszustand im Beleuchtungsstrahlengang erzeugt werden.In addition to the matched filtering of the polarization state of the empty measuring arrangement in the imaging beam path, an adapted polarization state in the illumination beam path can also be generated.

Wird beispielsweise mit linear polarisiertem Licht beleuchtet, welches im leeren Messaufbau durch den sich im Magnetfeld befindenden Spiegel eine Änderung des Polarisationszustandes erfährt, so kann im Abbildungsstrahlengang eine weitere Änderung des Polarisationszustandes derart erfolgen, dass wieder ein linearer Polarisationszustand erzeugt wird, welcher durch einen linearen Polarisator (auch Analysator oder Polarisationsfilter genannt), d. h. beispielsweise auch durch einen sogenannten Drahtgitterpolarisator blockiert wird, so dass das Licht des leeren Messaufbaus einen nachgeordneten Detektor nicht erreicht. Diesen nachgeordneten Detektor erreicht jedoch Licht, welches beispielsweise durch sich im Magnetfeld befindende Ladungsträger des zu untersuchenden Objektes eine Änderung des Polarisationszustandes in Bezug auf das das Objekt beleuchtende Licht erfahren hat. Die Ladungsträger des Objektes, welche im angelegten Feld oszillieren, erzeugen eine Änderung des Polarisationszustandes des beleuchtenden Lichtes.If, for example, light is irradiated with linearly polarized light, which undergoes a change in the polarization state in the empty measuring setup by the mirror located in the magnetic field, a further change of the polarization state can take place in the imaging beam path in such a way that a linear polarization state is generated again, which is generated by a linear polarizer (also called analyzer or polarizing filter), d. H. for example, is blocked by a so-called Drahtgitterpolarisator, so that the light of the empty measurement setup does not reach a downstream detector. However, this downstream detector reaches light which, for example, has undergone a change in the state of polarization with respect to the light illuminating the object due to the charge carriers of the object to be examined located in the magnetic field. The charge carriers of the object, which oscillate in the applied field, produce a change in the polarization state of the illuminating light.

Diese optionale Blockierung des Lichtes der leeren Messanordnung erfordert eine erste Einstellung im leeren Messaufbau. Das Licht der Beleuchtung so in seinem Polarisationszustand zu ändern, dass es die im Anschluss in den Messaufbau eingeführte Probe als linear polarisiertes Licht erreicht ist hierbei optional und nicht notwendig. Wird dies jedoch derart umgesetzt, so kann im Anschluss das linear polarisiere Licht, welches von der Beleuchtung stammt; mittels eines orthogonal zu diesem angeordneten Analysator blockiert werden, so dass nur ein durch die Probe geänderter Polarisationszustand von einem nachgeordneten Detektor erfasst wird. Der Detektor erfasst nur den zur Beleuchtung der Probe orthogonalen Polarisationszustand. Beispielsweise kann der Polarisationszustand des das Objekt beleuchtenden Lichtes auch links oder rechts zirkular polarisiert und im weiteren Abbildungsstrahlengang links oder rechts zirkular polarisiertes Licht blockiert werden.This optional blocking of the light of the empty measuring arrangement requires a first setting in the empty measuring setup. Changing the light of the illumination so in its polarization state that it reaches the sample introduced in the measurement setup as linearly polarized light is optional and not necessary. However, if this is implemented in such a way, then the linearly polarized light, which originates from the illumination; be blocked by an orthogonal arranged to this analyzer, so that only one of the sample changed polarization state is detected by a downstream detector. The detector detects only the polarization state orthogonal to the illumination of the sample. For example, the polarization state of the light illuminating the object can also be circularly polarized on the left or right, and circularly polarized light can be blocked on the left or right in the further imaging beam path.

Somit kann in dieser Ausführungsform eine Intensität erfasst werden, die proportional zum Betrag der Ladungsträger ist. Positive und negative Ladungsträger werden dabei soweit noch nicht in ihrer Wirkung getrennt.Thus, in this embodiment, an intensity proportional to the amount of the carriers can be detected. Positive and negative charge carriers are not yet separated in their effect.

Hier ist eine nahezu vollständige Blockierung des Lichte umgesetzt, welches die Probe beleuchtet.Here is an almost complete blocking of the light implemented, which illuminates the sample.

Ausgehend von dieser Ausführungsform kann jedoch die lokale, auf das Objekt bezogene Phasenlage in Bezug auf eine hinreichend kohärente Vergleichswellenfront bestimmt werden. Die relative Phasenlage, d. h. hier +Δφ(q1) und –Δφ_(q2) kennzeichnet die unterschiedlichen Ladungen, d. h. beispielsweise Elektronen und positiv geladene Ionen. Zur genauen Bestimmung der Phase können hierbei Phase schiebende Verfahren und Algorithmen angewandt werden.However, based on this embodiment, the local object related Phase relationship can be determined with respect to a sufficiently coherent reference wave front. The relative phase position, ie here + Δφ (q1) and -Δφ_ (q2) characterizes the different charges, ie, for example, electrons and positively charged ions. For the exact determination of the phase phase-shifting methods and algorithms can be used.

Beispielsweise kann Phasen schiebende Interferometrie für zwei orthogonale Polarisationszustände (90° deg) und für einen dazwischen liegenden Polarisationszustand durchgeführt werden. Bei fester, bekannter relativer Phase, reicht es aus, die Phasenmessung nur in zwei Teil-Strahlengängen durchzuführen, in denen zwei orthogonale Polarisationszustände vorliegen. Eine Kalibrierung und eine Temperaturstabilisierung können dabei in vorteilhafter Weise kombiniert werden. Kalibrierdaten können auch für mehrere Temperaturen vorliegen.For example, phase-shifting interferometry may be performed for two orthogonal polarization states (90 ° deg) and for an intermediate polarization state. At a fixed, known relative phase, it is sufficient to carry out the phase measurement only in two partial beam paths in which two orthogonal polarization states are present. A calibration and a temperature stabilization can be combined in an advantageous manner. Calibration data can also be available for several temperatures.

Ein Ausführungsbeispiel ist Phasen schiebende Interferometrie für zwei Polarisationszustände, die beispielsweise unter Verwendung zweier, um 60° deg zueinander gedrehter, z. B. linearer Polarisatoren erfolgt. Es können auch 3 Strahlengänge verwendet werden, bei denen drei, jeweils um 60° deg zueinander gedrehte, z. B. lineare Polarisatoren verwendet werden.One embodiment is phase-shifting interferometry for two polarization states, for example, using two, rotated by 60 ° deg, z. B. linear polarizers. It can also be used 3 beam paths in which three, each rotated by 60 ° to each other, z. As linear polarizers can be used.

Das Licht der Vergleichswellenfront, die zur Bestimmung der Phasenlage verwendet wird, kann beispielsweise direkt hinter der Lichtquelle vom Beleuchtungsstrahlengang getrennt und hinter dem Objekt wieder in den weiteren Strahlengang eingefügt werden. Die Anpassung der Intensität und der Polarisation erfolgt in vorteilhafter Weise auf maximalen Interferenz-Kontrast hin. Beispielweise kann im Falle der Zuordnung von Licht zu negativ oder positiv geladenen Ladungsträgern anteilig Licht der Beleuchtung hinzugegeben werden (z. B. TE(–), TM(+) und Beleuchtung linear polarisiert unter 45° deg).The light of the reference wave front, which is used to determine the phase position, can be separated, for example, directly behind the light source from the illumination beam path and past the object into the further beam path. The adaptation of the intensity and the polarization takes place in an advantageous manner towards maximum interference contrast. For example, in the case of the assignment of light to negatively or positively charged charge carriers, a proportionate amount of light may be added to the illumination (eg TE (-), TM (+) and illumination linearly polarized below 45 ° deg).

Es kann in einer einfachen Ausführung auch nur ein Detektor-Feld, parallel polarisiertes Licht der Beleuchtung und PSI verwendet werden. Eine positive oder negative Verschiebung der Phasenlage ist dann dem Vorzeichen der Ladung zuzuordnen. Dazu kann beispielsweise auch die Anordnung aud 5 verwendet werden.In a simple embodiment, only one detector field, parallel polarized illumination light and PSI can be used. A positive or negative shift of the phase position is then assigned to the sign of the charge. For this purpose, for example, the arrangement aud 5 be used.

Alternativ können bei ausreichend hohem Nutzsignal auch Anordnungen verwendet werden, die den Polarisationszustand des Lichtes, welches die Probe beleuchtet zumindest teilweise zum Detektor gelangen lassen. Dabei können separierte Strahlengänge der Detektion für durch positive und negative Ladungsträger eingeführte Änderung des Polarisationszustandes realisiert werden.Alternatively, with a sufficiently high useful signal, it is also possible to use arrangements which at least partially allow the polarization state of the light which illuminates the sample to reach the detector. In this case, separated beam paths of the detection can be realized for positive and negative charge carriers introduced change in the polarization state.

Die Helligkeit kann sich positiv oder negativ in Bezug auf den Mittelwert ändern, was dem Vorzeichen der Ladung zuzuordnen ist. Die kann äquivalent zum positiven und zum negativen Phasenkontrast betrachtet werden.The brightness may change positively or negatively with respect to the mean, which is the sign of the charge. This can be considered equivalent to positive and negative phase contrast.

Es kann eine zeitliche Polarisationsmanipulation in der Beleuchtung erfolgen. Dabei kann die Polarisationsänderung und Filterung im Abbildungsstrahlengang ebenfalls zeitlich angepasst werden.There can be a temporal polarization manipulation in the illumination. In this case, the polarization change and filtering in the imaging beam path can also be adjusted in terms of time.

Eine RGB Detektor-Matrix zeichnet somit drei zeitlich dicht aufeinander folgende Zustände auf, deren zeitlicher Versatz auch um Größenordnungen kleiner sein kann, als die Zeit, welche für die Aufnahme eines einzelnen Bildes benötigt wird. Somit können beispielsweise Prozesse < 1 ms mit einer Detektor-Matrix erfasst werden, die 1/100 s benötigt, um ein einzelnes Bild aufzuzeichnen.An RGB detector matrix thus records three states which follow one another closely in time, the temporal offset of which may also be smaller by orders of magnitude than the time required to take a single image. Thus, for example, processes <1 ms can be detected with a detector matrix that takes 1/100 seconds to capture a single image.

Dies ergibt im Vergleich zur Verwendung von Hochgeschwindigkeitskameras eine Kostenersparnis. D. h. es kann beispielsweise für eine Reihe von Messaufgaben eine Kamera verwendet werden, die < 500 € statt > 50000 € kostet.This results in a cost savings compared to the use of high speed cameras. Ie. For example, a camera that costs <500 € instead of> 50 000 € can be used for a number of measurement tasks.

Die Detektion von LCP und RCP Licht ermöglicht beispielsweise, unter Verwendung von zwei zugeordneten Detektor-Matrizen, die Bestimmung des elektrisch positiven und des elektrisch negativen Anteils eines beispielsweise ein Axon entlang laufenden elektrischen Impulses.For example, the detection of LCP and RCP light, using two associated detector arrays, allows the determination of the electrically positive and the electrically negative portions of an electrical pulse traveling along an axon, for example.

Dies kann mit spektraler Separation von zeitlich eng benachbarter Prozesse kombiniert werden. D. h., dass zwei RGB-Kameras in Verbindung von zeitlich differenziert angesteuerten Lichtquellen verwendet werden können.This can be combined with spectral separation of closely spaced processes. This means that two RGB cameras can be used in conjunction with temporally differentiated light sources.

Die Detektion in einer Fourier-Ebene des Messobjektes kann mit der Detektion in der Bildebene des Messobjektes kombiniert werden. Dies kann separat oder auch gleichzeitig erfolgen.The detection in a Fourier plane of the measurement object can be combined with the detection in the image plane of the measurement object. This can be done separately or simultaneously.

Vergrößerung der NA ohne die bei der Abbildung zwischen einzelnen Objektpunkten vorliegenden Winkeldifferenzen zu vergrößern.Enlarging the NA without increasing the angle differences between individual object points.

MEMS Hubspiegel-Matrix-Anordnungen oder äquivalent wirkende in Transmission arbeitende Anordnungen können verwendet werden, um φ(x, y) in einer Interferometeranordnung bereitzustellen, mit der beispielsweise relative lokale Phasenlagen bestimmt werden. Die einzuführenden Phasenschritte werden hierbei im Sinne Phase schiebender Verfahren und Algorithmen angewandt.MEMS reciprocating mirror arrays or equivalent transducing arrays may be used to provide φ (x, y) in an interferometer arrangement, for example, to determine relative local phase angles. The phase steps to be introduced are applied here in the sense of phase-shifting methods and algorithms.

Die räumliche Kohärenz kann durch unterschiedliche Maßnahmen an die Messaufgabe angepasst werden. Sie kann beispielsweise verringert oder angepasst geformt werden.Spatial coherence can be addressed by different measures to the measuring task be adjusted. You can, for example, reduced or shaped custom.

Eine Auflösung von unterschiedlichen Tiefen-Ebenen des Objektraumes kann in einer Detektionsebene mittels eingeführtem Astigmatismus erreicht werden. Dies kann in Anordnungen analog 5 beispielsweise direkt in der Näher der Detektorebene erfolgen, d. h. beispielsweise durch Verwendung eines leicht astigmatischen Mikrolinsenfeldes.A resolution of different depth levels of the object space can be achieved in a detection plane by means of introduced astigmatism. This can be analogous in arrangements 5 for example, take place directly in the vicinity of the detector plane, ie, for example, by using a slightly astigmatic microlens field.

Das optische System der Erfindung misst ein komplexwertiges Wellenfeld, welches die Phasenverteilung φ(x, y, z) und die Amplitudenverteilung a(x, y, z) von unterschiedlichen Polarisationszuständen ist, um die Verteilung von Ladungsträgern und/oder die Verteilung der Polarität von Ladungsträgern zu detektieren, wobei global und/oder lokal induzierte/angebrachte magnetische und/oder elektrische und/oder elektromagnetische Felder und/oder optisch erzeugte global oder lokal applizierte elektromagnetische Felder verwendet werden.The optical system of the invention measures a complex-valued wave field which is the phase distribution φ (x, y, z) and the amplitude distribution a (x, y, z) of different polarization states, the distribution of charge carriers and / or the distribution of the polarity of Detecting charge carriers, wherein globally and / or locally induced / applied magnetic and / or electrical and / or electromagnetic fields and / or optically generated globally or locally applied electromagnetic fields are used.

Das optische System der Erfindung ist dadurch charakterisiert dass die Amplitudenverteilung a(x, y, z) und/oder die Phasenverteilung φ(x, y, z) von N (N = 1, 2, 3, 4 ...; N ∊

= {1; 2; 3; 4; ...}) Polarisationszuständen eines Wellenfeldes elektromagnetischer Strahlung erfasst und bestimmt wird, bzw. dass die Amplitudenverteilung und/oder die Phasenverteilung von N (N = 1, 2, 3, 4 ...; N ∊

= {1; 2; 3; 4; ...}) Polarisationszuständen eines komplexwertigen Wellenfeldes erfasst und bestimmt wird, wobei ein magnetisches oder/und ein elektrisches oder/und ein elektromagnetisches oder/und ein optisch erzeugtes elektromagnetisches Feld oder eine Verteilung dieses Feldes/dieser Felder im Objektraum verwendet wird/werden und die Verteilung von Ladungsträgern oder/und die Verteilung der Polarität von Ladungsträgern oder/und die Verteilung der Ladungsträgerbeweglichkeit im Objektraum bestimmt wird/werden.The optical system of the invention is characterized in that the amplitude distribution a (x, y, z) and / or the phase distribution φ (x, y, z) of N (N = 1, 2, 3, 4 ...; N ε

= {1; 2; 3; 4; ...}) polarization states of a wave field of electromagnetic radiation is detected and determined, or that the amplitude distribution and / or the phase distribution of N (N = 1, 2, 3, 4 ...; N ε

= {1; 2; 3; 4; ...}) polarization states of a complex wave field is detected and determined using a magnetic and / or an electrical and / or an electromagnetic and / or an optically generated electromagnetic field or a distribution of this field / fields in the object space and / or the distribution of charge carriers or / and the distribution of the polarity of charge carriers or / and the distribution of the charge carrier mobility in the object space is / are determined.

Das offenbarte optische System ist dadurch charakterisiert dass ein magnetisches oder/und ein elektrisches oder/und ein elektromagnetisches oder/und ein optisch erzeugtes elektromagnetisches Feld oder eine Verteilung dieses Feldes/dieser Felder im Objektraum verwendet wird/werden, elektromagnetische Strahlung/ein Wellenfeld im Frequenzbereich der Röntgenstrahlung bis zur THz-Strahlung vom Objektraum zu mindestens einer Detektions-Ebene propagiert und die Verteilung von Ladungsträgern oder/und die Verteilung der Polarität von Ladungsträgern oder/und die Verteilung der Ladungsträgerbeweglichkeit im Objektraum bestimmt wird/werden.The disclosed optical system is characterized in that a magnetic and / or an electromagnetic and / or an electromagnetic and / or an optically generated electromagnetic field or a distribution of this field / fields in the object space is used, electromagnetic radiation / a wave field in the frequency domain the X-radiation propagates up to the THz radiation from the object space to at least one detection level and the distribution of charge carriers and / or the distribution of the polarity of charge carriers or / and the distribution of the charge carrier mobility in the object space is / are determined.

Das optische System der Erfindung ist dadurch charakterisiert, dass elektromagnetische Strahlung/ein Wellenfeld im Frequenzbereich der Röntgenstrahlung bis zur THz-Strahlung vom Objektraum zu mindestens einer Detektions-Ebene propagiert und die Verteilung von Ladungsträgern/Ladungen oder/und die Verteilung der Polarität von Ladungsträgern/Ladungen oder/und die Verteilung der Ladungsträgerbeweglichkeit/der Beweglichkeit von Ladungen im Objektraum berührungslos bestimmt wird/werden.The optical system of the invention is characterized in that electromagnetic radiation / a wave field propagates in the frequency range of the X-radiation up to the THz radiation from the object space to at least one detection plane and the distribution of charge carriers or / and the distribution of the polarity of charge carriers / Charges or / and the distribution of the charge carrier mobility / mobility of charges in the object space is determined without contact.

Mit anderen Worten, das System ist dadurch charakterisiert dass elektromagnetische Strahlung/ein Wellenfeld im Frequenzbereich der Röntgenstrahlung bis zur THz-Strahlung vom Objektraum zu mindestens einer Detektions-Ebene propagiert und die Verteilung von Ladungsträgern/Ladungen oder/und die Verteilung der Polarität von Ladungsträgern/ladungen oder/und die Verteilung der Ladungsträgerbeweglichkeit/der Beweglichkeit von Ladungen im Objektraum berührungslos bestimmt wird/werden und ein magnetisches oder/und ein elektrisches oder/und ein elektromagnetisches oder/und ein optisch erzeugtes elektromagnetisches Feld oder eine Verteilung dieses Feldes/dieser Felder im Objektraum verwendet wird/werden.In other words, the system is characterized by propagating electromagnetic radiation / a wave field in the frequency range of the X-radiation up to the THz radiation from the object space to at least one detection level and the distribution of charge carriers or / and the distribution of the polarity of charge carriers / charges and / or the distribution of the charge carrier mobility / mobility of charges in the object space is / are determined contactlessly and a magnetic and / or an electromagnetic and / or an optically generated electromagnetic field or a distribution of this field / fields in Object space is / are used.

Eine mögliche Ausführung der Beleuchtung ist ein in Reflexion betriebenes System, welches die beschriebene Lehre umsetzt und welches einen dielektrischen Spiegel vor einem Magneten oder einer Elektrodenstruktur verwendet.One possible embodiment of the illumination is a reflection-driven system which implements the teachings described and which uses a dielectric mirror in front of a magnet or an electrode structure.

Eine mögliche Ausführung ist ein in Transmission betriebenes System, welches die beschriebene Lehre umsetzt und welches eine dünne, seitlich einzuschiebende Beleuchtungseinheit verwendet, die zwischen dem unteren Magneten oder den unteren Elektrodenstrukturen und dem zu untersuchenden Testobjekt angebracht ist und welche Volumengitter (VG) mit einzelnen Rekonstruktionsgeometrien oder Volumengitter mit einem Satz/Multiplex von Rekonstruktionsgeometrien verwendet, um Licht aus auf frustrierter innerer Totalreflexion (engl.: frustrated total internal reflection, FTIR) basierender Leitung des Lichtes oder aus auf planarer Wellenleitung basierender Leitung des Lichtes aus zu koppeln, wobei dieses in Bezug auf definierte Wellenlängen oder einem Satz von definierten Wellenlängen und einem definierten Polarisationszustand des austretenden Lichtes oder einem Satz unterschiedlicher aber definierter Polarisationszustände des austretenden Lichtes erfolgt.One possible embodiment is a transmission-operated system which implements the teachings described and which uses a thin laterally-inserted illumination unit mounted between the lower magnet or lower electrode structures and the test object to be examined and which volume gratings (VG) with individual reconstruction geometries or volume grating with a set / multiplex of reconstruction geometries used to couple light out of frustrated total internal reflection (FTIR) based light or planar waveguide based light, with reference to FIG to defined wavelengths or a set of defined wavelengths and a defined polarization state of the exiting light or a set of different but defined polarization states of the exiting light.

Eine mögliche Ausführungsform ist ein in Transmission betriebenes System welches die beschriebene Lehre umsetzt (siehe obere Abschnitte, bzw. dieses Dokument) und welches eine Anordnung aus permanenten Ring-Magneten oder Spulen-Magneten nutzt, die das benötigte Feld bereitstellt und die eine Öffnung aufweist, um einen Betrieb in Transmission zu gewährleisten.One possible embodiment is a transmission-operated system which implements the described teachings (see upper sections, or this document) and which uses an arrangement of permanent ring magnets or coil magnets which provides the required field and which has an opening, to ensure operation in transmission.

Eine weitere Möglichkeit ist es dabei, eine Ring-Magnet-Anordnung zu nutzen, welche die außerhalb dieser vorliegende magnetische Feldstärke mittels optimierter Lagen von Magneten reduziert, die unterschiedliche Polarität aufweisen. Another possibility is to use a ring-magnet arrangement, which reduces the magnetic field strength outside of this by means of optimized layers of magnets having different polarity.

Eine mögliche Ausführungsform ist ein der Lehre folgendes, wie in den oberen Abschnitten, bzw. in diesem Dokument beschriebenes System, welches eine scannende strukturierte Beleuchtung und/oder eine scannende strukturierte Applikation des Feldes, welches lokale Doppelbrechung induziert, nutzt, wobei dieses in lateraler und/oder longitudinaler Richtung erfolgt und wobei longitudinal begrenzte strukturierte Muster/Verlaufsformen verwendet werden.A possible embodiment is a teaching according to the teaching as described in the upper sections, or in this document, which uses a scanning structured illumination and / or a scanning structured application of the field, which induces local birefringence, whereby this in lateral and or longitudinal direction, and wherein longitudinally limited patterned patterns are used.

Dabei ist eine weitere Ausführungsform ein System, welches eine geladene Spitze oder eine magnetisierte Spitze oder eine optische Spitze (engl.: optical tip) oder eine Linie, ein Array von Spitzen oder ein Array von Linien dieser Ausführungsformen in abtastender Operation nutzt.Here, another embodiment is a system that uses a charged tip or a magnetized tip or an optical tip, or a line, an array of tips or an array of lines of these embodiments in scanning operation.

Bezüglich der Applikation einer Kraft kann ein System verwendet werden, welches gestapelte Magneten oder gestapelte Ring-Magneten mit lokal geänderter Polarität nutzt, um magnetische inplane Felder zu generieren und/oder magnetische Felder, die senkrecht zur Test-Ebene verlaufen und/oder geneigte magnetische Felder, um das applizierte Feld im Sinne einer Variation der Parameter für die dreidimensionale Messung von Orbits bereitzustellen und/oder um eine maßgeschneiderte Formung des Kraftfeldes bereitzustellen und/oder um eine Reduzierung der außerhalb des Probenvolumens vorliegenden Feldstärke zu ermöglichen.With respect to the application of force, a system may be used which uses stacked magnets or stacked ring magnets of locally changed polarity to generate magnetic inplane fields and / or magnetic fields perpendicular to the test plane and / or inclined magnetic fields to provide the applied field in the sense of varying the parameters for the three-dimensional measurement of orbits and / or to provide a custom shaping of the force field and / or to enable a reduction in the field strength outside the sample volume.

Im Sinne der Erfindung kann eine Messanordnung analog der in den oberen Abschnitten, bzw. in diesem Dokument beschrieben Anordnungen verwendet werden, welche Moleküle zur Markierung/Marker oder hinreichend kleine strukturierte Materialien nutzt, welche an spezifische Empfängermoleküle gebunden sind und welche doppelbrechend sind und/oder welche polarisiert werden können, um Dipolmomente durch globale oder lokale Anwendung von Feldern erzeugen zu können.For the purposes of the invention, a measuring arrangement can be used analogously to the arrangements described in the upper sections, or in this document, which uses molecules for marking / markers or sufficiently small structured materials which are bound to specific receptor molecules and which are birefringent and / or which can be polarized to produce dipole moments through global or local application of fields.

Dabei kann auch eine Messanordnung verwendet werden, welche metallische Nanometer große Stäbchen (engl.: metallic nanometer sized rods, MNR), Kohlenstoff-Nano-Röhrchen (engl.: carbon nano-tubes, CNT) und/oder Flüssigkristalle (engl.: liquid crystals, LC) und/oder ferroelektrische LC und/oder Moleküle, die polarisiert werden können, um Dipolmomente zu erzeugen, als Marker verwendet, welche an spezifischen molekularen Empfängerstrukturen oder generell an Empfängerstrukturen angebracht werden können.In this case, a measuring arrangement can be used which metallic nanometer sized rods (MNR), carbon nanotubes (CNT) and / or liquid crystals (English: liquid crystals, LC) and / or ferroelectric LC and / or molecules that can be polarized to create dipole moments are used as labels that can be attached to specific molecular receiver structures or to receiver structures in general.

Im Sinne der Erfindung kann ein optisches Messsystem analog der in den oberen Abschnitten, bzw. in diesem Dokument beschrieben Anordnungen verwendet werden, welches zeitliche und/oder räumliche Modulationstechniken nutzt und zeitlich und/oder räumlich und/oder direktional die applizierte magnetische und/oder die applizierte elektrische Kraft moduliert und/oder die verwendete Beleuchtung moduliert und/oder den Prozess der Detektion moduliert.For the purposes of the invention, an optical measuring system analogous to those described in the upper sections, or in this document arrangements can be used, which uses temporal and / or spatial modulation techniques and temporally and / or spatially and / or directionally applied magnetic and / or modulated applied electrical force and / or modulates the illumination used and / or modulates the process of detection.

Im Sinne der Erfindung ist eine Methode vorteilhaft, die in einem System analog der in diesem Dokument beschrieben Anordnungen verwendet wird, die einen Satz unterschiedlicher Parameter der Feldstärke und/oder der Richtung und/oder der angewandten Orientierung und/oder einen Satz unterschiedlicher Polarisationszustände der Eingangs-Beleuchtung und/oder einen Satz von unterschiedlichen relativen Orientierungen des Testobjektes innerhalb der Messandordnung verwendet, um die räumliche Verteilung und/oder die zeitliche Auflösung von dynamischen Vorgängen oder strukturellen Umformungen und/oder die Ausrichtung von Orbitalen und Bindungskräfte im dreidimensionalen Raum zu bestimmen.For the purposes of the invention, a method is used which is used in a system analogous to the arrangements described in this document, comprising a set of different parameters of the field strength and / or the direction and / or the applied orientation and / or a set of different polarization states of the input Lighting and / or a set of different relative orientations of the test object used within the Messandordnung to determine the spatial distribution and / or the temporal resolution of dynamic processes or structural transformations and / or the alignment of orbitals and bonding forces in three-dimensional space.

In Bezug auf die Detektion kann ein System im Sinne der beschriebenen Lehre verwendet werden, welches einen Detektor in einer räumlich einem Bild des Testobjektes zugeordneten Ebene und/oder einer Frequenz-Ebene oder in einer Fourier-Ebene des Testobjektes zugeordneten Ebene nutzt.With regard to the detection, a system in the sense of the described teaching can be used which uses a detector in a plane spatially associated with an image of the test object and / or a frequency plane or in a plane associated with a Fourier plane of the test object.

Es ist besonders bei kleinen Messgrößen vorteilhaft, ein System zu verwenden, welches Phasenmessung bei sehr geringen Energien realisiert, indem Photomultiplier oder Einzel-Photonen Avalanche Photo-Dioden-Array Chips und/oder aktive Kühlung des Detektors oder des Detektor Arrays eingesetzt wird.It is particularly advantageous for small quantities to use a system that realizes phase measurement at very low energies by using photomultiplier or single photon avalanche photodiode array chips and / or active cooling of the detector or detector array.

Im Sinne einer hohen Gesamttransmission und eines hohen Kontrastes ist es im Sinne der hier vorgestellten Ausführungen mitunter vorteilhaft ein System zu verwenden, welches Drahtgitterpolarisatoren (engl.: wire grid polarizer, WGP) oder eine Ebene mit einem Polarisationsfilter in Kombination mit einer doppelbrechenden Phase schiebenden Maske oder einer strukturierten Phasen-Verzögerungs-Maske und/oder eine zusätzliche Farbfiltermaske verwendet und welches diese Elemente jeweils übereinander gestapelt oder in aufeinander abgebildeter Form nutzt.In terms of a high total transmission and a high contrast, it is sometimes advantageous in the context of the embodiments presented here to use a system which has wire grid polarizers (WGP) or a plane with a polarizing filter in combination with a birefringent phase-shifting mask or a patterned phase retardation mask and / or an additional color filter mask, and which uses these elements stacked on top of each other or in a mimic form.

Es kann ein System im Sinne der beschriebenen Lehre verwendet werden, welches diffraktive oder refraktive Strahlteiler (BS) oder Polarisationsstrahlteiler (PBS) oder spektral basierte Strahlteiler für die Separation optischer Strahlengänge nutzt, welche unterschiedlichen Phasenverschiebungen Δφ_i einer Phase schiebenden Interferometer-Anordnung zugeordnet sind, um Phase schiebende Interferometrie (PSI) für die Messung von unterschiedlichen Polarisationszuständen im Zeitfenster einer einzelnen Bildaufnahme bereitzustellen (engl.: single frame PSI).A system in the sense of the described teaching can be used which uses diffractive or refractive beam splitters (BS) or polarization beam splitters (PBS) or spectrally based beam splitters for the separation of optical beam paths, which are different Phase shifts Δφ _{i are associated with} a phase shifting interferometer arrangement to provide phase shifting interferometry (PSI) for the measurement of different polarization states in the single frame PSI window.

Es kann ein System im Sinne der beschriebenen Lehre verwendet werden, welches einen einzelnen doppelbrechenden Kristall oder einen zusammengesetzten doppelbrechenden Kristall oder ein diffraktives Oberflächenreliefgitter oder diffraktive Oberflächenreliefgitter oder ein Volumengitter oder mehrere Volumengitter (VG) dazu verwendet, eine von der Polarisation abhängige Strahlverlagerung (engl.: beam displacement) zu realisieren und dies mit einer Vergrößerung (M+) kombiniert, welche größer als die förderliche Vergrößerung ist und somit keine zusätzlichen Objektdetail auflöst, welche aber eine räumliche Abtastung der Detektion für orthogonale Polarisationszustände bereitstellt, ohne dabei Objektinformationen zu verlieren.A system can be used in accordance with the teachings described which uses a single birefringent crystal or a composite birefringent crystal or diffractive surface relief grating or diffractive surface relief grating or volume grating or multiple volume gratings (VG) to provide a polarization dependent beam displacement. Beam displacement) and this combined with a magnification (M +), which is greater than the beneficial magnification and thus no additional object detail dissolves, but which provides a spatial sampling of the detection for orthogonal polarization states, without losing object information.

Im im Sinne der beschriebenen Lehre können Transformationen komplexwertiger Felder eingesetzt/durchgeführt werden, welche mittels eines Satzes von Parametern generiert worden sind oder eines komplexwertigen Feldes, d. h. von Phasen- φ(x, y, z) und Amplitudenverteilung a(x, y, z), welche für unterschiedliche Polarisationszustände gemessen worden sind, zur Verteilung von Ladungsträgern und/oder der Verteilung der Polarität von Ladungsträgern und/oder der Verteilung von Orbits/Orbitalen und/oder Verteilung dreidimensionaler Energiepotentiale, welche für räumliche Punkte P(x, y, z) des Testvolumens vorliegen.In the sense of the teaching described transformations complex valued fields can be used / performed, which have been generated by means of a set of parameters or a complex-valued field, d. H. of phase φ (x, y, z) and amplitude distribution a (x, y, z), which have been measured for different polarization states, for the distribution of charge carriers and / or the distribution of the polarity of charge carriers and / or the distribution of orbits / Orbital and / or distribution of three-dimensional energy potentials which exist for spatial points P (x, y, z) of the test volume.

Im im Sinne der beschriebenen Lehre können Transformationen eines komplexwertigen Feldes eingesetzt/durchgeführt werden, d. h. Transformationen von Phasen- φ(x, y, z) und Amplitudenverteilungen a(x, y, z), welche für unterschiedliche Polarisationszustände unter Verwendung einer der beschriebenen Anordnungen gemessen worden sind, welche die berechnete Verlagerung von Beobachtungsebenen ergibt oder/und die Berechnung von Techniken, die den Bildkontrast erweitern.In the sense of the teaching described transformations of a complex-valued field can be used / performed, d. H. Transformations of phase φ (x, y, z) and amplitude distributions a (x, y, z) which have been measured for different polarization states using one of the described arrangements which gives the calculated displacement of observation planes or / and the calculation of Techniques that extend the image contrast.

Es gibt eine Reihe weiterer Modifikationen und Aspekte, die in vorteilhafter Weise umgesetzt werden können. Beispielsweise ist eine Temperaturstabilisierung vorteilhaft bei starker Schwankung der Temperatur der optischen Messanordnung.There are a number of other modifications and aspects that can be advantageously implemented. For example, a temperature stabilization is advantageous in the case of a strong fluctuation of the temperature of the optical measuring arrangement.

Es ist u. a. bei kleinem Nutzsignal vorteilhaft, dass eine Trennung des die Probe beleuchtenden Lichtes und des von der Probe gebeugten oder nach Anregung von der Probe abgestrahlten Lichtes erfolgt.It is u. a. for a small useful signal advantageous that a separation of the light illuminating the sample and the diffracted from the sample or emitted after excitation of the sample light.

Dies bedeutet auch, dass es u. a. bei kleinem Nutzsignal vorteilhaft ist, eine Trennung des Signals der Ladungsträger vom Signal der Beleuchtung vorzunehmen.This also means that it u. a. is advantageous for a small useful signal to carry out a separation of the signal of the charge carriers from the signal of the illumination.

Es ist u. a. bei kleinem Nutzsignal vorteilhaft, einen angepassten Polarisationszustand des Lichtes zu verwenden, welches die zu untersuchende Probe beleuchtet. Dies kann auch variabel und dynamisch, kontrollierbar erfolgen.It is u. a. for small useful signal advantageous to use an adapted polarization state of the light, which illuminates the sample to be examined. This can also be variable and dynamic, controllable.

Im Sinne geringer Messunsicherheit ist es vorteilhaft, Vergleichsproben in der leeren Messanordnung und/oder Vergleichsproben mit definierten Parameter, wie z. B. Dicken, Material und Doppelbrechung, zur Kalibration zu verwenden.In terms of low measurement uncertainty, it is advantageous to comparative samples in the empty measuring arrangement and / or comparative samples with defined parameters, such. As thickness, material and birefringence to use for calibration.

U. a. im Sinne erhöhter Stabilität ist es vorteilhaft, dass die Trennung des die Probe beleuchtenden Lichtes und des von der Probe gebeugten Lichtes auf der optischen Achse des Systems oder koaxial zu dieser erfolgt.U. a. in terms of increased stability, it is advantageous that the separation of the light illuminating the sample and the light diffracted by the sample takes place on the optical axis of the system or coaxially thereto.

Eine Ausführungsform im Sinne der Erfindung ist es, dass die Trennung des die Probe beleuchtenden Lichtes und des von der Probe gebeugten Lichtes in Bezug auf den Winkelbereich innerhalb der zur Beleuchtung und Abbildung verwendeten Numerischen Apertur des Systems erfolgt. Dies kann beispielsweise in Auflicht- und Durchlicht-Dunkelfeld-Beleuchtung realisiert werden.An embodiment according to the invention is that the separation of the light illuminating the sample and the light diffracted by the sample takes place with respect to the angular range within the numerical aperture of the system used for illumination and imaging. This can be realized, for example, in reflected-light and transmitted-light dark-field illumination.

Es ist vorteilhaft, dass die Einführung einer variabel wählbare relative Phasenlage zwischen dem die Probe beleuchtenden Lichte und dem von der Probe gebeugten Licht erfolgt. Den lokale Polarisationszustand zu messen ist ein Aspekt, ein weiterer ist, die Phasenverschiebung zum erregenden Feld zu messen, was eine Aussage zur Resonanzfrequenz des angeregten Schwingers ermöglicht.It is advantageous that the introduction of a variably selectable relative phase angle between the light illuminating the sample and the light diffracted by the sample takes place. Measuring the local polarization state is one aspect, another is to measure the phase shift to the excitation field, which provides information about the resonant frequency of the excited oscillator.

Ein System kann dadurch charakterisiert sein, dass die Einführung einer einer variabel wählbare relative Phasenlage zwischen dem die Probe beleuchtenden Lichtes und des von der Probe gebeugten Lichtes auf der optischen Achse des Systems erfolgt.A system may be characterized by the introduction of a variably selectable relative phase angle between the sample illuminating light and the sample diffracted light on the optical axis of the system.

Ein System kann dadurch charakterisiert sein, dass eine Einführung eines variabel wählbare Polarisationszustandes des ungebeugten Lichtes nahezu unabhängig von dem Polarisationszustand des von der Probe gebeugten Lichtes erfolgt. A system may be characterized in that an introduction of a variably selectable polarization state of the undiffracted light takes place almost independently of the polarization state of the light diffracted by the sample.

Ein System kann dadurch charakterisiert sein, dass eine Einführung eines variabel wählbare Polarisationszustandes des ungebeugten Lichtes nahezu unabhängig von dem Polarisationszustand des von der Probe gebeugten Lichtes auf der optischen Achse des Systems erfolgt.A system may be characterized in that an introduction of a variably selectable polarization state of the undiffracted light occurs almost independently of the polarization state of the light diffracted by the sample on the optical axis of the system.

Generell gibt es eine Unterscheidung in mehrere Fälle. Ein Fall sind angeregte Ladungsträger, die mit dem Feld der Anregung schwingen, d. h. mit seiner Frequenz und zu diesem mit einer Phasenverschiebung, die beispielsweise abhängig vom Vorzeichen der Ladung, der Ausrichtung eines applizierten magnetischen Feldes und der Ladungsträgerbeweglichkeit ist. Zwischen Beleuchtung und phasenverschobener Emission liegt Kohärenz, bzw. Teilkohärenz vor.Generally there is a distinction in several cases. One case is excited carriers that oscillate with the field of excitation, i. H. with its frequency and to this with a phase shift, which is for example dependent on the sign of the charge, the orientation of an applied magnetic field and the charge carrier mobility. Between illumination and phase-shifted emission is coherence, or partial coherence before.

Ein weiterer Fall ist Fluoreszenz, die beispielsweise angeregt wird und inkohärent zum anregenden Feld, d. h. inkohärent zur Beleuchtung ist. Daraus ergeben sich unterschiedliche Möglichkeiten detektierter Parameter und unterschiedliche Vorgehensweisen des Prozesses der Detektion und der Ermittlung der Parameter.Another case is fluorescence, which is, for example, excited and incoherent to the stimulating field, i. H. incoherent to the lighting. This results in different possibilities of detected parameters and different procedures of the process of detection and the determination of the parameters.

Eine beispielhafte Beschreibung der vorgestellten Lehre ergibt sich anhand der Beschreibung von exemplarischen optischen Anordnungen.An exemplary description of the teachings presented will become apparent from the description of exemplary optical arrangements.

1 zeigt eine Anordnung von Magneten, welche innerhalb eines Polarisationsmikroskopes verwendet werden kann, welches in Transmission arbeitet. Diese Anordnung reduziert die magnetische Feldstärke, welche außerhalb der Anordnung vorliegt. Das vorliegende Magnetfeld übt auf bewegte Ladungsträger, d. h. beispielsweise hinreichend bewegliche Ladungsträger, die sich im Testobjekt befinden, eine Kraft aus. Das zu untersuchende Testobjekt, welches sich in der Objektebene (1516) befindet, ist im exemplarisch dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen Magneten/Teilsegmenten angeordnet. Das in der Objektebene wirkende Magnetfeld wird aus einem Magneten erzeugt, der sich auf der Seite der Beleuchtung befindet (913) und einem Magneten, der sich auf der Seite der Abbildung befindet (413). 1 shows an arrangement of magnets, which can be used within a polarizing microscope, which operates in transmission. This arrangement reduces the magnetic field strength that exists outside of the array. The present magnetic field exerts a force on moving charge carriers, ie, for example, sufficiently mobile charge carriers that are located in the test object. The test object to be examined, which is located in the object plane ( 1516 ) is arranged in the exemplary embodiment shown between magnets / sub-segments. The magnetic field acting in the object plane is generated by a magnet located on the side of the illumination ( 913 ) and a magnet located on the side of the figure ( 413 ).

2 zeigt eine Anordnung zur ortsaufgelösten Messung der Intensität orthogonal polarisierter Anteile des Lichtes. Das zu analysierende Wellenfeld (236) trifft auf eine Blendenmaske (11913) und im Anschluss auf ein optisches Bauteil (1624), welches eine laterale Verschiebung (24) zwischen orthogonal polarisierten Anteilen des Lichtes einführt. Im exemplarisch dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem optischen Bauteil (1624) um eine plan parallele Platte doppelbrechenden Materials, welche sich für TE polarisiertes Licht (205) wie eine normale, transparente, plan parallele Platte verhält und für TM polarisiertes Licht (2013) eine laterale Verschiebung (24) einführt. In einer Detektionsebene (416) kann die ortsaufgelöste Intensitätsverteilung orthogonal polarisierter Anteile des Lichtes aufgezeichnet werden. Aufgrund der orthogonalen Polarisation erfolgt eine als inkohärent zu betrachtende Überlagerung, d. h. Überlagerung mit Interferenzterm 0, lateral separierter Anteile des Wellenfeldes, welches auf die dargestellte Messanordnung trifft. Auch wenn orthogonal polarisierte Anteile Teile eines kohärenten Wellenfeldes sind, d. h. kohärent zueinander sind, so interferieren sie mit Interferenzterm 0. Im Sinne der Überlagerung können diese Anteile ohne Einsatz eines Analysators somit als inkohärent angesehen werden. 2 shows an arrangement for spatially resolved measurement of the intensity of orthogonally polarized portions of the light. The wave field to be analyzed ( 236 ) meets an aperture mask ( 11913 ) and subsequently to an optical component ( 1624 ), which is a lateral displacement ( 24 ) between orthogonally polarized portions of the light. In the exemplary embodiment illustrated, the optical component (FIG. 1624 ) around a plane-parallel plate of birefringent material which is polarized for TE ( 205 ) behaves like a normal, transparent, plane parallel plate and polarized light for TM ( 2013 ) a lateral displacement ( 24 ). In a detection level ( 416 ), the spatially resolved intensity distribution of orthogonally polarized portions of the light can be recorded. Due to the orthogonal polarization, an overlay which is to be regarded as incoherent, ie superposition with interference term 0, of laterally separated portions of the wave field, which strikes the illustrated measuring arrangement, takes place. Even if orthogonally polarized components are parts of a coherent wave field, ie coherent with one another, they interfere with interference term 0. In the sense of superposition, these components can thus be regarded as incoherent without the use of an analyzer.

Die diskrete Auslegung kann auch derart erfolgen, dass TM polarisiertes Licht in der Richtung der eingeführten Verschiebung mittig zwischen zwei TE polarisierten Anteilen des auf die Detektionsebene einfallenden Lichtes liegt.The discrete design may also be such that TM polarized light is in the direction of the introduced displacement centered between two TE polarized portions of the light incident on the detection plane.

Der bei dem optischen Bauteil (1624) dargestellte Doppelpfeil markiert die Lage der optischen Achse innerhalb der plan parallelen Platte aus doppelbrechendem Material, deren Oberflächennormale zu dieser einen Winkel von beispielsweise 45° deg bis 42° deg einnimmt, um bei minimaler Dicke der plan parallelen Platte eine größtmögliche laterale Verschiebung (24) zu realisieren. Im dargestellten Fall liegt die optische Achse in der Zeichenebene, der Ebene in der auch die laterale Verschiebung (24) eingeführt wird.The at the optical component ( 1624 ) represents the position of the optical axis within the plane-parallel plate of birefringent material whose surface normal to this an angle of, for example, 45 ° deg to 42 ° deg occupies the minimum thickness of the plane parallel plate a maximum lateral displacement ( 24 ) to realize. In the illustrated case, the optical axis lies in the plane of the drawing, the plane in which the lateral displacement ( 24 ) is introduced.

In der Zeichnung ist ein generisches Grundprinz dargestellt, welches in der konkreten Ausführungsform auf Doppelbrechung beruht und alternativ auch mit einer Vielzahl von optischen Anordnungen umgesetzt werden kann, die ebenfalls auf Doppelbrechung beruhen, oder generell auf einem Prinzip, welches bezüglich der Polarisation des Lichtes eine selektive optische Funktionalität ermöglicht.In the drawing, a generic Grundprinz is shown, which is based in the specific embodiment on birefringence and can alternatively be implemented with a variety of optical arrangements, which are also based on birefringence, or generally on a principle which with respect to the polarization of the light a selective optical functionality allows.

Beispielsweise kann polarisationsselektive Reflexion, Transmission oder Beugung verwendet werden, um eine kleine laterale Verschiebung (24) zwischen orthogonal polarisierten Anteilen eines zu untersuchenden Wellenfeldes einzuführen. Eine in einer Detektionsebene (416) vorliegende laterale Verschiebung kann auch durch Einführung einer polarisationsselektiven Verkippung orthogonal polarisierter Anteile des zu untersuchenden Wellenfeldes erzeugt werden. Dies kann beispielsweise mit einem doppelbrechendem Prisma oder mit zwei verkitteten doppelbrechenden Prismen erreicht werden, die unterschiedliche Orientierungen der optischen Achse aufweisen. Eine Verkippung orthogonal polarisierter Anteile des Lichtes kann beispielsweise in einer Reflexionsanordnung dadurch erreicht werden, dass ein transparenter Keil auf der Vorderseite mit einem polarisationsselektiv reflektierendem Drahtgitterpolarisator versehen wird, wobei die Rückseite mit einer spiegelnden Beschichtung versehen wird. Optional kann die Rückseite mit einen zweiten Drahtgitterpolarisator versehen werden, der zum ersten Drahtgitterpolarisator orthogonal orientiert ist.For example, polarization-selective reflection, transmission, or diffraction may be used to achieve a small lateral displacement (FIG. 24 ) between orthogonally polarized portions of a wave field to be examined. One in a detection level ( 416 ) lateral displacement can also be generated by introducing a polarization-selective tilt orthogonally polarized portions of the wave field to be examined. This can be achieved, for example, with a birefringent prism or with two cemented birefringent prisms having different orientations of the optical axis. A tilt of orthogonally polarized portions of the light can be achieved, for example, in a reflection arrangement in that a transparent wedge on the front with a polarization selective reflective Drahtgitterpolarisator is provided, the back is provided with a reflective coating. Optionally, the backside can be provided with a second wire grid polarizer oriented orthogonally to the first wire grid polarizer.

Eine Reduzierung der Aberrationen kann dadurch erreicht werden, dass die einzuführende Verschiebung, oder eine in der Wirkung äquivalente Verkippung, in zwei Schritten eingeführt wird, wobei die optische Funktionalität in Bezug auf orthogonale Polarisationen vertauscht wird. Beispielsweise kann eine doppelbrechende Platte eine erste laterale Verschiebung einführen, die der Hälfte der letztlich einzuführenden lateralen Verschiebung (24) entspricht. Eine hinter dieser angebrachte, die vorteilhaft achromatisch oder apochromatisch ausgelegt ist, Halbwellenlängen-Verzögerungsplatte dreht beide orthogonale Polarisationen. Eine zweite, dahinter angebrachte doppelbrechende Platte, gleicher Ausrichtung, kann wiederum eine laterale Verschiebung einführen, die der Hälfte der letztlich einzuführenden lateralen Verschiebung (24) entspricht, wodurch die beabsichtigte Gesamtverschiebung (24) erreicht wird. Alternativ kann auf ein Element verzichtet werden, welches die Polarisationen dreht. Dazu kann die zweite doppelbrechende Platte um die Oberflächennormale um 90° deg gedreht werden.A reduction in aberrations can be achieved by introducing the displacement to be introduced, or an equivalent tilt, in two steps, interchanging the optical functionality with respect to orthogonal polarizations. For example, a birefringent plate may introduce a first lateral displacement that is one half of the lateral displacement to be ultimately introduced (FIG. 24 ) corresponds. One mounted behind this, which is advantageously designed achromatic or apochromatic, half wavelength retarder rotates both orthogonal polarizations. A second birefringent plate of the same orientation, placed behind it, can in turn introduce a lateral displacement which is half of the lateral displacement (FIG. 24 ), whereby the intended total shift ( 24 ) is achieved. Alternatively, it is possible to dispense with an element which rotates the polarizations. For this purpose, the second birefringent plate can be rotated around the surface normal by 90 ° deg.

3 zeigt eine Anordnung, die in Erweiterung zur Anordnung aus 2 einen Analysator (166) aufweist, der beispielsweise eine um 45° deg zur Zeichenebene gedrehte Orientierung aufweist. Den Analysator passieren nur die Projektionen der orthogonalen Polarisationen auf die Achse höchster Transmission des Analysators. In der Detektionsebene (416) interferieren die Anteile, die kohärent zueinander sind und vor dem Analysator orthogonalen Polarisationen zugeordnet waren mit einem Interferenzterm ≠ 0. Inkohärente Anteile addieren sich mit Interferenzterm 0. Das lokale Interferenzmuster ist von der lokalen Intensität der orthogonalen Polarisationen, der Orientierung des Analysators, dem komplexen Kohärenzgrad und der relativen Phasenlage des auftreffenden Lichtes abhängig. 3 shows an arrangement in extension to the arrangement 2 an analyzer ( 166 ), which has, for example, an orientation rotated by 45 ° to the plane of the drawing. The analyzer only pass projections of orthogonal polarizations on the axis of the highest transmission of the analyzer. In the detection level ( 416 ) the components which are coherent with each other and associated with orthogonal polarizations in front of the analyzer interfere with an interference term ≠ 0. Incoherent components add up with interference term 0. The local interference pattern is the local intensity of the orthogonal polarizations, the orientation of the analyzer, the complex Coherence and the relative phase of the incident light depends.

4 zeigt eine Anordnung, die in Erweiterung zur Anordnung aus 3 statt einer Blendenmaske (11913) ein Linsenfeld (13121) aufweist. Diese Modifikation erhöht den Anteil der Energie, welche in der Detektionsebene erfasst werden kann. Das Linsenfeld (13121) kann als eindimensionales oder als zweidimensionales Linsenfeld ausgeführt werden. Die Anpassung erfolgt an die jeweilige Messaufgabe. Eine zweidimensionale Ausführung ist bevorzugt. Dabei kann beispielsweise eine Rasterung entlang der x-Richtung und der y-Richtung, d. h. beispielsweise auch mit rechteckiger oder quadratischer Apertur, oder auch eine hexagonale Aufteilung der Aperturen gewählt werden. Einer einzelnen, z. B. auch runden Apertur des Linsenfeldes (13121) sind in der Detektionsebene (416) beispielsweise 5 × 5, 10 × 10 oder auch 15 × 30 Messpunkte zugeordnet. Die konkrete Ausführung erfolgt in Anpassung an die jeweilige Messaufgabe. Messpunkte sind beispielsweise die einzelnen Detektoren/Detektor-Elemente eines Bildaufnahmeschaltkreises, d. h. Einer Detektor-Matrix. Die Anordnung ermöglicht auch eine Vergrößerung der Numerischen Apertur (NA) von Objektpunkten, die auf eine Detektionsebene abgebildet werden, ohne die bei der Abbildung zwischen einzelnen Objektpunkten vorliegenden Winkeldifferenzen zu vergrößern. Bei Verwendung der beispielhaft in 4 dargestellten Anordnung ist es vorteilhaft, eine Vergrößerung M zu wählen, die deutlich über der nützlichen Vergrößerung liegt. In einer vorteilhaften Ausführungsform entspricht der Durchmesser einer Apertur einer einzelnen Linse beispielsweise der lateralen Auflösungsgrenze des optischen, z. B. vergrößert abbildenden Systems oder einem Bruchteil dieser. 4 shows an arrangement in extension to the arrangement 3 instead of an aperture mask ( 11913 ) a lens field ( 13121 ) having. This modification increases the proportion of energy that can be detected at the detection level. The lens field ( 13121 ) can be performed as a one-dimensional or as a two-dimensional lens array. The adaptation is made to the respective measuring task. A two-dimensional design is preferred. In this case, for example, a screening along the x-direction and the y-direction, ie, for example, with a rectangular or square aperture, or a hexagonal division of the apertures can be selected. A single, z. B. also round aperture of the lens field ( 13121 ) are in the detection level ( 416 ), for example, 5 × 5, 10 × 10 or 15 × 30 measuring points assigned. The concrete version is made in adaptation to the respective measuring task. Measuring points are, for example, the individual detectors / detector elements of an image recording circuit, ie a detector matrix. The arrangement also makes it possible to increase the numerical aperture (NA) of object points which are imaged onto a detection plane, without enlarging the angular differences present in the image between individual object points. When using the example in 4 it is advantageous to choose an enlargement M which is clearly above the useful magnification. In an advantageous embodiment, the diameter of an aperture of a single lens corresponds for example to the lateral resolution limit of the optical, z. B. magnified imaging system or a fraction of this.

5 zeigt eine Anordnung, die in Erweiterung zur Anordnung aus 4 einen Analysator (166) enthält. Der Einsatz erfolgt in Analogie zur Anordnung aus 3. Auf die Detektionsebene abgebildete Objektpunkte werden in orthogonal polarisierte, lateral verschobene Anteile zerlegt und in Erweiterung zur Anordnung aus 4 mittels eines Analysators in der Detektionsebene zur Interferenz gebracht. Neben der Intensität der Anteile orthogonaler Polarisation ist damit auch die Phase erfassbar, welche zwischen orthogonal polarisierten Anteilen des Lichtes vorliegt. 5 shows an arrangement in extension to the arrangement 4 an analyzer ( 166 ) contains. The use is made in analogy to the arrangement 3 , Object points imaged on the detection plane are decomposed into orthogonally polarized, laterally shifted parts and expanded to form the device 4 brought into interference by means of an analyzer in the detection plane. In addition to the intensity of the components of orthogonal polarization, the phase which is present between orthogonally polarized components of the light can thus also be detected.

Mit anderen Worten, aus den sich überlagernden Punktbildverwaschungsfunktionen können Intensität, Phase und Gleichlichtanteil bestimmt werden.In other words, from the overlapping dot image blur functions, intensity, phase, and steady light component can be determined.

6 zeigt eine Anordnung, die eine Kombination aus den Anordnungen aus 4 und 5 darstellt. Ein Strahlteiler (219) teilt die zu erfassenden Wellenfront, bzw. das zu erfassende Wellenfeld (236) auf zwei Teil-Wellenfronten, bzw. auf zwei Teil-Wellenfelder auf. In zwei separierten Strahlengängen kann die Intensitätsverteilung orthogonal polarisierter, sich quasi inkohärent, d. h. mit Interferenzterm identisch Null, überlagernder Anteile der zu untersuchenden Wellenfront (236) in gerasterter Form und die mittels Analysator erreichte Interferenz orthogonal polarisierter Anteile der zu untersuchenden Wellenfront (236), ebenfalls in gerasterter Form, erfasst werden. Der dargestellt Analysator (166-I) weist beispielsweise eine Orientierung von 45° deg zu beiden orthogonalen Polarisationen auf, d. h. lässt diese zu gleichen Anteilen, d. h. mit gleichem Transmissionsgrad passieren. Um beispielsweise einen hohen Interferenzkontrast zu erzeugen, kann die Orientierung des Analysators geändert werden. Dies kann auch in dynamisch kontrollierter Form erfolgen, d. h. beispielsweise am Anfang einer Messung oder auch innerhalb des Prozesses einer Messung, d. h. z. B. im Sinne einer Parametervariation und somit im Sinne einer Reduzierung der Messunsicherheit. 6 shows an arrangement comprising a combination of the arrangements 4 and 5 represents. A beam splitter ( 219 ) divides the wavefront to be detected, or the wave field to be detected ( 236 ) on two partial wavefronts, or on two partial wave fields. In two separate beam paths, the intensity distribution of orthogonally polarized, quasi-incoherent, ie with interference term identical zero, superimposed portions of the wave front to be examined ( 236 ) in rasterized form and the interference of orthogonally polarized components of the wavefront to be examined ( 236 ), also in rasterized form. The illustrated analyzer ( 166-I ) has, for example, an orientation of 45 ° deg to both orthogonal polarizations, ie, these can pass in equal proportions, ie with the same transmittance. For example, to create a high interference contrast, the orientation of the analyzer can be changed. This can too take place in dynamically controlled form, ie, for example, at the beginning of a measurement or else within the process of a measurement, ie, for example, in the sense of a parameter variation and thus in the sense of a reduction of the measurement uncertainty.

Der Strahlteiler (219) kann beispielsweise als dünne plan parallele Platte ausgeführt werden, deren Vorderseite eine metallische Beschichtung aufweist, die einen Reflexionsgrad von ca. 0,5 bedingt. Alternativ kann auch eine dielektrische Beschichtung verwendet werden, die in einer möglichen, vorteilhaften Ausführungsform nicht polarisationsselektiv ist. Optionale Ausführungsformen weisen in vorteilhafter Weise eine polarisationsselektive Aufteilung des zu untersuchenden Wellenfeldes (236) mittels des Strahlteilers (219) auf, der dann als Polarisationsstrahlteiler ausgeführt ist, d. h. beispielsweise TE- und TM-polarisierte, oder links- und rechts-zirkular polarisierte Anteile des zu untersuchenden Wellenfeldes vollständig oder in definierbarem, d. h. einstellbarem Verhältnis trennt. Ein Strahlteiler und somit auch der Strahlteiler (219) kann beispielsweise auch als Beugungsgitter ausgeführt werden. Dieses kann beispielsweise derart ausgelegt werden, dass es eine definierte Winkelakzeptanz oder eine definierte Wellenlängenakzeptanz aufweist. Eine stark eingeschränkte, d. h. im Spektralbereich oder im Winkelbereich stark limitierte, Winkel- oder Wellenlängenakzeptanz kann mittels dicker, auf der Bragg-Beugung beruhender Gitter erreicht werden, die in einer Transmissions- oder in einer Reflexionsgeometrie verwendet werden können.The beam splitter ( 219 ) can be performed, for example, as a thin plan parallel plate whose front has a metallic coating, which requires a reflectance of about 0.5. Alternatively, it is also possible to use a dielectric coating which, in a possible, advantageous embodiment, is not polarization-selective. Optional embodiments advantageously have a polarization-selective division of the wave field to be investigated ( 236 ) by means of the beam splitter ( 219 ), which is then designed as a polarization beam splitter, ie, for example, TE and TM polarized, or left and right circularly polarized portions of the wave field to be examined completely or in a definable, ie adjustable ratio separates. A beam splitter and thus also the beam splitter ( 219 ) can be carried out, for example, as a diffraction grating. This can be designed, for example, such that it has a defined angular acceptance or a defined wavelength acceptance. A very limited, ie in the spectral range or in the angular range strongly limited, angular or wavelength acceptance can be achieved by means of thick, based on the Bragg diffraction gratings, which can be used in a transmission or in a reflection geometry.

Die beiden dargestellten, hier zu einer Einheit zusammengefügten, Detektionsanordnungen unterscheiden sich in ihrer Funktion und im Aufbau. Ein Strahlengang ist in 6 mit „I” gekennzeichnet. Er detektiert das vom Strahlteiler zu ihm abgelenkte, z. B. mittels des Strahlteilers (219) reflektierte Wellenfeld, d. h. einen Teil des am Eingang auftreffenden Wellenfeldes (236). Wie die Anordnung aus 5 weist er vor der Detektionsebene (416-I) einen Analysator (166-I) auf, der es ermöglicht, vor diesem orthogonale Polarisationszustände zur Interferenz zu bringen. Liegt Kohärenz oder Teilkohärenz zwischen orthogonal polarisierten Anteilen des Lichtes vor, so überlagern sich die Wellenfeldsegmente auf der Detektionsebene (416-I) mit einem Interferenzterm, der ungleich Null ist und in vorteilhafter Weise einen Interferenzkontrast nahe Eins ermöglicht. Die Segmentierung des erfassten Wellenfeldes wird durch die Parameter des Linsenfeldes (13121-I), z. B. durch die gewählte Periode der Linsen, bestimmt.The two illustrated, assembled here to a unit, detection arrangements differ in their function and structure. An optical path is in 6 marked with "I". He detects the deflected by the beam splitter to him, z. B. by means of the beam splitter ( 219 ) reflected wave field, ie a part of the incident at the entrance wave field ( 236 ). Like the arrangement 5 does it point before the detection level ( 416-I ) an analyzer ( 166-I ), which makes it possible to interfere with this orthogonal polarization states. If there is coherence or partial coherence between orthogonally polarized portions of the light, then the wave field segments are superimposed on the detection plane ( 416-I ) with an interference term that is nonzero and advantageously allows an interference contrast near unity. The segmentation of the detected wave field is determined by the parameters of the lens field ( 13121-I ), z. As determined by the selected period of the lenses.

Das optischen Bauteil (1624-I), hier eine plan parallele Platte doppelbrechenden Materials, führt zwischen TE polarisiertem Licht (205-I) und TM polarisierten Licht (2013-I) eine laterale Verschiebung (24-I) ein, die beispielsweise ein Bruchteil der Periode der Linsen beträgt, d. h. z. B. auch eine halbe Periode der Linsen. In der Detektionsebene (416-I) werden hinter jeder Linse des Linsenfeldes (13121-I) Beugungsbilder erfasst, die orthogonal polarisierten Anteilen des Lichtes zugeordnet sind und sich überlappen. Das lokal hinter jeder Linse resultierende Beugungsbild ist von den Intensitäten, der relativen Phase und von der wechselseitigen Kohärenzfunktion Γij abhängig.The optical component ( 1624-I ), here a plane-parallel plate of birefringent material, leads between TE polarized light ( 205-I ) and TM polarized light ( 2013-I ) a lateral displacement ( 24-I ), which is, for example, a fraction of the period of the lenses, ie, for example, also a half period of the lenses. In the detection level ( 416-I ) behind each lens of the lens array ( 13121-I ) Detects diffraction patterns associated with orthogonally polarized portions of the light and overlapping each other. The diffraction image resulting locally behind each lens is dependent on the intensities, the relative phase, and the mutual coherence function Γij.

Liegt beispielsweise nur TE polarisiertes Licht vor, welches auf die Apertur einer Linse des Linsenfeldes auftrifft, so liegt in der Detektionsebene (416-I) beispielsweise ein Beugungsbild vor, welches einer Airy-Intensitätsverteilung entspricht, bzw. dieser ähnelt. Das in der Detektionsebene (416-I) vorliegende Beugungsbild liegt somit beispielsweise auf der optischen Achse der zugeordneten Linse des Linsenfeldes (13121-I). Die Form des Beugungsbildes hängt von der Auslegung des optischen Systems ab.For example, if only TE polarized light is present, which impinges on the aperture of a lens of the lens field, then lies in the detection plane ( 416-I ), for example, before a diffraction image, which corresponds to an airy intensity distribution, or this is similar. That in the detection level ( 416-I ) diffraction image thus lies for example on the optical axis of the associated lens of the lens field ( 13121-I ). The shape of the diffraction image depends on the design of the optical system.

Eine mögliche Ausführungsform ist, hinter dem Linsenfeld (13121-I) ein Feld von Fokuspunkten zu erzeugen. Die Fokuspunkte, die in der Detektionsebene erzeugt werden sind dem im Objektraum zu untersuchenden Wellenfeld zugeordnet. Eine Objektebene kann beispielsweise vor, in oder hinter das Linsenfeld (1624-I) abgebildet werden. Der Abbildungsmaßstab, z. B. M > 1, kann dabei beispielsweise so gewählt werden, dass er über der förderlichen Vergrößerung liegt.One possible embodiment is behind the lens field ( 13121-I ) to generate a field of focus points. The focus points that are generated in the detection plane are assigned to the wave field to be examined in the object space. For example, an object plane may be in front, in, or behind the lens field (FIG. 1624-I ). The magnification, z. B. M> 1, it can for example be chosen so that it is above the beneficial magnification.

Liegt beispielsweise nur TM polarisiertes Licht vor, welches auf die Apertur einer Linse des Linsenfeldes auftrifft, so liegt in der Detektionsebene (416-I) beispielsweise ein Beugungsbild vor, welches einer Airy-Intensitätsverteilung entspricht, bzw. dieser ähnelt. Das in der Detektionsebene (416-I) vorliegende Beugungsbild weist somit beispielsweise einen lateralen Versatz (24-I) zur optischen Achse der zugeordneten Linse des Linsenfeldes (13121-I) auf. Diese Beispiel verdeutlicht die Detektion von TE oder TM polarisiertem Licht.For example, if only TM polarized light is incident on the aperture of a lens of the lens field, then in the detection plane (FIG. 416-I ), for example, before a diffraction image, which corresponds to an airy intensity distribution, or this is similar. That in the detection level ( 416-I ) diffraction image thus has, for example, a lateral offset ( 24-I ) to the optical axis of the associated lens of the lens array ( 13121-I ) on. This example illustrates the detection of TE or TM polarized light.

Die Auslegung des optischen Systems und somit die Auslegung der Beugungsbilder kann so erfolgen, dass das Maximum, welches z. B. TE polarisiertem Licht zugeordnet ist, in einem, d. h. beispielsweise auch im ersten Minimum des Beugungsbildes liegt, welches TM polarisiertem Licht zugeordnet ist. Aus dem resultierenden Beugungsbild, welches aus der Überlagerung der beiden, lokalen Beugungsbilder entsteht, welche orthogonalen Polarisationen zugeordnet sind, können die Intensitäten, die relative Phase und der Wert der wechselseitigen Kohärenzfunktion Γij ermittelt werden. Bei einer Auslegung des optischen Systems auf eine laterale Verschiebung (24-I), die der halben Periode des Linsenfeldes entspricht, kann die Überlagerung von einem, z. B. der TM Polarisation zugeordneten Beugungsbild mit zwei, oder auch mehreren, benachbarten Beugungsbildern, die z. B. der TE Polarisation zugeordnet sind, ausgewertet werden. Dies ergibt ein Resultat, welches kontinuiert ist, d. h. keine Sprünge in der ausgemessenen und ausgewerteten Wellenfont aufweist. Die kann beispielsweise in Verbindung mit einem quadratischen, hexagonalen oder auch einem rechteckigen Linsenraster oder Raster beugender Aperturen umgesetzt werden.The design of the optical system and thus the interpretation of the diffraction patterns can be done so that the maximum, which z. B. TE is associated with polarized light, in one, that is, for example, in the first minimum of the diffraction image, which is associated with TM polarized light. From the resulting diffraction pattern resulting from the superposition of the two local diffraction patterns associated with orthogonal polarizations, the intensities, the relative phase and the value of the mutual coherence function Γij can be determined. In a design of the optical system to a lateral displacement ( 24-I ), which corresponds to half the period of the lens field, the superposition of a, z. B. the TM polarization associated diffraction image with two, or more, adjacent diffraction patterns z. B. the TE polarization are assigned to be evaluated. This results in a result which is continuous, ie has no jumps in the measured and evaluated wavefronts. This can be implemented, for example, in conjunction with a square, hexagonal or even a rectangular lenticular grid or grid diffractive apertures.

Der in 6 mit „II” gekennzeichnete Teil der Detektionsanordnung ermöglicht eine Überlagerung orthogonal polarisierter Anteile des Lichtes mit Interferenzterm Null. Die sich überlappenden Anteile werden inkohärent addiert. Beide Beugungsbilder weisen einen definierten lateralen Versatz (24-II) auf. Mittels einer Entfaltungsoperation lassen sich beide Beugungsbilder separieren. Dieser Teil („II”) der Detektionsanordnung kann auch derart ausgelegt werden, z. B. durch Wahl einer höheren Numerischen Apertur der Linsen des Linsenfeldes, dass keine Überlappung vorliegt und keine Entfaltung notwendig ist, um die beiden Anteile orthogonaler Polarisation vollständig voneinander zu separieren. Der Teil („II”) der Detektionsanordnung ermöglicht es, I_P1 und I_P2(LP1) lokal, d. h. im Raster des Linsenfeldes, aufgelöst zu erfassen. Weitere Größen, die notwendig sind, um beispielsweise den Polarisationszustand lokal aufgelöst zu bestimmen sind die relative Phase φ_P1P2, die zwischen zwei orthogonalen Polarisationszuständen P1 und P2 vorliegt, und der Wert des Interferenzkontrastes, mit dem sich die zwei orthogonalen Polarisationszuständen P1 und P2 überlagern.The in 6 Part of the detection arrangement identified by "II" allows a superposition of orthogonally polarized components of the light with interference term zero. The overlapping portions are added incoherently. Both diffraction images have a defined lateral offset ( 24-II ) on. By means of a deployment operation, both diffraction images can be separated. This part ("II") of the detection arrangement can also be designed such. Example, by choosing a higher numerical aperture of the lenses of the lens array that no overlap and no deconvolution is necessary to completely separate the two components of orthogonal polarization from each other. The part ("II") of the detection arrangement makes it possible to detect I _P1 and I _{P2 (LP1)} locally, ie in the raster of the lens field, resolved. Further variables which are necessary, for example, to determine the polarization state locally resolved are the relative phase φ _P1P2 , which exists between two orthogonal polarization states P1 and P2, and the value of the interference _contrast , with which the two orthogonal polarization states P1 and P2 overlap.

Der Teil („II”) der Detektionsanordnung der, es ermöglicht, I_P1 und I_P2(LP1) lokal, d. h. im Raster des Linsenfeldes, aufgelöst zu erfassen, liefert auch die lokalen Ableitungen des auftreffenden Wellenfeldes, woraus sich die lokalen Normalen der Wellenfront für orthogonal polarisierte Anteile des lichtes ermitteln lassen. Neben Intensitätswerten und Intensitätsverteilungen kann die lokale Krümmung des Wellenfeldes ermittelt werden. Dies kann zur weiteren Auswertung verwendet werden. Beispielsweise können Korrekturwerte, d. h. lokale Lage-Abweichungen, die im Teil II der Detektionseinheit ermittelt wurden, für die Korrektur der in der Detektionsebene (416-I) des Teil I ermittelten Intensitätsverteilung herangezogen werden. D. h., dass der Teil I der Detektionsanordnung aus 6 zusätzliche Information und Funktionalität bereitstellt, die im Sinne der offenbarten Erfindung vorteilhaft angewandt werden kann.The part ("II") of the detection arrangement which makes it possible to detect I _P1 and I _{P2 (LP1)} locally, ie in the raster of the lens field, also provides the local derivatives of the incident wave field, from which the local normals of the wavefront for orthogonally polarized portions of the light. In addition to intensity values and intensity distributions, the local curvature of the wave field can be determined. This can be used for further evaluation. For example, correction values, ie local position deviations, which were determined in Part II of the detection unit, can be used for the correction of errors in the detection level (FIG. 416-I ) of the intensity distribution determined in Part I. D. h., That the part I of the detection arrangement of 6 provides additional information and functionality that can be advantageously used in the sense of the disclosed invention.

Mit dem in 6 mit „I” gekennzeichneten Teil der Detektionsanordnung wird eine Bestimmung des Betrages der relativen Phase φ_P1P2, die zwischen zwei orthogonalen Polarisationszuständen P1 und P2 vorliegt im Bereich von 0 bis π, und des Wertes des Interferenzkontrastes, mit dem sich die zwei orthogonalen Polarisationszuständen P1 und P2 überlagern, ermöglicht.With the in 6 A portion of the detection _arrangement marked "I" is used to determine the magnitude of the relative phase φ _{P1P2 existing} between two orthogonal polarization states P1 and P2 ranging from 0 to π and the value of the interference _{contrast with} which the two orthogonal polarization states P1 and P2 occur P2 overlay, allows.

Um vorzeichenrichtig zu messen und um den Messbereich der Phase auf 0 bis 2π auszudehnen, kann eine Verzögerungsplatte beispielsweise vor dem Linsenfeld (13121) oder auch direkt vor dem Analysator (166) angebracht werden. Diese ist beispielsweise achromatisch und kann eine feste oder eine dynamische, kontrollierbare Phasenverschiebung zwischen unterschiedlich polarisierten Anteilen des Lichtes einführen. In 7 ist dies dargestellt. Zwischen zwei orthogonalen Polarisationszuständen kann mit einer dynamisch kontrollierbaren Verzögerungsplatte (418) Zeitsequentiell eine definierte Phase eingeführt werden. Die Ansteuerung der Verzögerungsplatte kann mit der Rate der Bilderfassung der Detektionsebene (416) synchronisiert werden. Somit lässt sich beispielsweise mit drei Aufnahmen ein 3-Phasen-Algorithmus und mit 5 Aufnahmen ein 5-Phasen-Algorithmus umsetzen. Flüssigkristall basierte Verzögerungsplatten können, beispielsweise bei Spannungen über 10 Volt, über 1000 Phaseneinstellungen pro Sekunde realisieren. Hochgeschwindigkeitskameras können mehrere Hunderttausend Bildern pro Sekunde aufnehmen. Bei Anwendung eines 5-Phasen-Algorithmus ist beispielsweise eine exakte Phasenmessung ist mit über 200 Messungen pro Sekunde möglich. Diese Frequenz liegt über den in Gebäuden üblichen Werten und bedeutet, dass die Messung auch in industrieller Umgebung Werte mit geringer Messunsicherheit liefern kann. Aus der bei Messung der relativen Phase orthogonaler Polarisationen erfassten Intensitätsverteilungen, z. B. unter Verwendung eines 5-Phasen-Algorithmus, können der Interferenzkontrast und die Intensitäten der, vor dem Analysator orthogonal polarisierten Anteile des Lichtes ermittelt werden. Eine Ausführungsform ist es, den Analysator kontrollierbar auszuführen und ihn auch beispielsweise auszuschalten, derart dass sich die Beugungsbilder orthogonal polarisierten Lichtes auf der Detektionsebene (416) mit Interferenzterm Null überlagern. Betrachtet man einen Algorithmus der Phasenbestimmung, der eine Funktion von mehreren unabhängigen Veränderlichen x_i ist, so ergibt sich somit die Möglichkeit, die beiden überlagerten Intensitätsanteile, hier Beugungsbilder orthogonal polarisieretn Lichtes, direkt, mit Interferenzterm Null zu bestimmen. Bekannte Algorithmen der Phasenbestimmung, sowie die zugehörigen Messprozeduren und technischen Umsetzungen in den Interferometern, können dahingehend geändert werden, dass die Ausgangsintensitäten direkt bestimmt werden, bzw. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel nach einer Entfaltungsoperation direkt vorliegen.To measure the correct sign and to extend the measuring range of the phase to 0 to 2π, a retardation plate, for example, in front of the lens array ( 13121 ) or directly in front of the analyzer ( 166 ). This is, for example, achromatic and can introduce a fixed or a dynamic, controllable phase shift between differently polarized portions of the light. In 7 this is shown. Between two orthogonal polarization states, with a dynamically controllable retardation plate ( 418 ) Time-sequentially a defined phase can be introduced. The activation of the retardation plate can be done with the rate of image acquisition of the detection plane ( 416 ) are synchronized. Thus, for example, with three recordings a 3-phase algorithm and with 5 recordings a 5-phase algorithm can be implemented. Liquid crystal based retarder plates can, for example at voltages above 10 volts, realize over 1000 phase adjustments per second. High-speed cameras can record hundreds of thousands of images per second. When using a 5-phase algorithm, for example, an exact phase measurement is possible with over 200 measurements per second. This frequency is higher than the usual values in buildings and means that the measurement can deliver values with low measurement uncertainty even in an industrial environment. From the detected during measurement of the relative phase of orthogonal polarizations intensity distributions, z. B. using a 5-phase algorithm, the interference contrast and the intensities of the, before the analyzer orthogonally polarized fractions of the light can be determined. An embodiment is to perform the analyzer controllable and turn it off, for example, so that the Diffraction images of orthogonally polarized light on the detection plane ( 416 ) overlap zero with interference term. Considering an algorithm of phase determination, which is a function of several independent variables x _i , there is thus the possibility to determine the two superposed intensity components, here diffraction patterns of orthogonally polarized light, directly, with interference term zero. Known algorithms of phase determination, as well as the associated measurement procedures and technical implementations in the interferometers can be changed to the effect that the output intensities are determined directly, or directly present in the embodiment shown here after a deployment operation.

In 8 ist eine Messanordnung dargestellt, die aus Kombination aus den 6 und 7 erhalten werden kann. Im Teil „II” werden die Beugungsbilder orthogonal polarisierten Lichtes auf der Detektionsebene (416-II) erfasst, die sich mit Interferenzterm Null überlagern. Im Teil „I” werden die Beugungsbilder orthogonal polarisierten Lichtes hinter einem Analysator (166-I) auf der Detektionsebene (416-I) erfasst, die sich im Allgemeinen mit Interferenzterm ungleich Null und mit relativer Phase φ₀ überlagern. Die relative Phase φ₀ ist im Allgemeinen ungleich Null und kann durch Kalibrierung bestimmt und als räumliche Verteilung in einer Tabelle gespeichert werden. Eine Kalibrierung kann beispielsweise für unterschiedliche Wellenlängen und bei unterschiedlichen Temperaturen erfolgen. Im Teil „III” werden die Beugungsbilder orthogonal polarisierten Lichtes hinter einem Analysator (166-III) auf der Detektionsebene (416-III) erfasst, die sich im Allgemeinen mit Interferenzterm ungleich Null und mit relativer Phase φ₁ überlagern. Die relative Phase φ₁ ist kann durch die Wahl der Verzögerungsplatte (18-III) gewählt werden. Auch hier kann eine räumlich aufgelöste Kalibrierung erfolgen. Die Differenz zwischen φ₀ und φ₁ kann beispielsweise π/2 betragen. Der Strahlteiler (219-III) lenkt beispielsweise 1/3 der Intensität des zu erfassenden Wellenfeldes (236) auf die Detektionseinheit „III”. Der Strahlteiler (219-I-II) ist beispielsweise auf eine 50%-50%-Teilung ausgelegt. Die Verteilungen der Reflexionsgrade können für unterschiedliche Wellenlängen kalibriert und in der Auswertung der Messung berücksichtigt werden.In 8th a measuring arrangement is shown, which consists of a combination of 6 and 7 can be obtained. In part "II" the diffraction patterns of orthogonally polarized light at the detection plane ( 416-II ) overlapping zero with interference term. In part "I" the diffraction patterns of orthogonally polarized light behind an analyzer ( 166-I ) at the detection level ( 416-I ), which generally overlap with non-zero interference terms and relative phase φ ₀ . The relative phase φ ₀ is generally nonzero and can be determined by calibration and stored as a spatial distribution in a table. A calibration can be done, for example, for different wavelengths and at different temperatures. In part "III", the diffraction patterns of orthogonally polarized light behind an analyzer ( 166-III ) at the detection level ( 416-III ), which generally overlap with non-zero interference term φ ₁ and relative phase φ ₁ . The relative phase φ ₁ can be determined by the choice of the retardation plate ( 18-III ) to get voted. Again, a spatially resolved calibration can be done. The difference between φ ₀ and φ ₁ may be, for example, π / 2. The beam splitter ( 219-III ) directs, for example, 1/3 of the intensity of the wave field to be detected ( 236 ) to the detection unit "III". The beam splitter ( 219-I-II ) is designed for example to a 50% -50% division. The reflectance distributions can be calibrated for different wavelengths and taken into account in the evaluation of the measurement.

Generell kann eine Kalibrierung des optischen Systems bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt werden. Je nach vorliegender Temperatur können die zugeordneten Kalibrierdaten verwendet werden. Es kann auch eine Temperaturstabilisierung des Systems, bzw. von Teilen des Systems, d. h. beispielsweise der gesamten Detektionseinheit, bzw. aller im Strahlengang aufgeteilter optischer Wege erfolgen. Es können auch unterschiedliche Arbeitspunkte der Temperaturstabilisierung definiert und eingestellt werden.In general, a calibration of the optical system at different temperatures can be performed. Depending on the temperature, the assigned calibration data can be used. It may also be a temperature stabilization of the system, or of parts of the system, d. H. For example, the entire detection unit, or all in the beam path divided optical paths done. Different operating points of the temperature stabilization can also be defined and set.

In 9 ist eine Messanordnung dargestellt, die aus Kombination aus den 5 und 7 erhalten werden kann. Im Teil „I” werden die Beugungsbilder orthogonal polarisierten Lichtes hinter einem Analysator (166-I) auf der Detektionsebene (416-I) erfasst, die sich im Allgemeinen mit Interferenzterm ungleich Null und mit relativer Phase φ₀ überlagern. Im Teil „II” werden die Beugungsbilder orthogonal polarisierten Lichtes hinter einem Analysator (166-II) auf der Detektionsebene (416-II) erfasst, die sich im Allgemeinen mit Interferenzterm ungleich Null und mit relativer Phase φ₁ überlagern. Die Phasenverteilungen φ₀(x-I, y-I) und φ₁(x-II, y-II) können kalibriert werden. Die Differenz zwischen φ₀ und φ₁ kann beispielsweise auf π/2 ausgelegt werden.In 9 a measuring arrangement is shown, which consists of a combination of 5 and 7 can be obtained. In part "I" the diffraction patterns of orthogonally polarized light behind an analyzer ( 166-I ) at the detection level ( 416-I ), which generally overlap with non-zero interference terms and relative phase φ ₀ . In part "II" the diffraction patterns of orthogonal polarized light behind an analyzer ( 166-II ) at the detection level ( 416-II ), which generally overlap with non-zero interference term φ ₁ and relative phase φ ₁ . The phase distributions φ ₀ (xI, yI) and φ ₁ (x-II, y-II) can be calibrated. The difference between φ ₀ and φ ₁ can be designed, for example, at π / 2.

Diese Messanordnung kann beispielsweise verwendet werden, um bei Beleuchtung mit Licht z. B. linearer Polarisation Ladungsträger einschließlich ihres Vorzeichens in einem definiertem Magnetfeld zu lokalisieren, dadurch dass die erzeugten links- bzw. rechts-elliptisch polarisierte Anteile erfasst werden.This measuring arrangement can be used, for example, in lighting with light z. B. linear polarization to locate charge carriers including their sign in a defined magnetic field, characterized in that the generated left or right elliptically polarized portions are detected.

In 10 ist eine Messanordnung dargestellt, die aus zwei Detektionseinheiten der 7 erhalten werden kann. Zwischen zwei orthogonalen Polarisationszuständen können in den Detektionseinheiten „I” und „II” mit zwei dynamisch kontrollierbaren Verzögerungsplatten (418-I und 418-II) definierte Phase eingeführt werden. Dies ermöglicht unter anderem eine optimale Anpassung an wechselnde, in der Messanordnung vorliegende Polarisationszustände des Lichtes, eine Erhöhung des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses und die optionale Zeit-sequentielle Messung mit einem Satz von z. B. 4 unterschiedlichen, im Sinne eines Phasen schiebenden Algorithmus eingeführten Referenzphasen, d. h. hier z. B. zwei je Detektionseinheit. In Ergänzung zur Messanordnung aus 9 bietet sie eine erhöhte Flexibilität in der Messung.In 10 a measuring arrangement is shown which consists of two detection units of 7 can be obtained. Between two orthogonal polarization states, in the detection units "I" and "II" with two dynamically controllable retardation plates ( 418-I and 418-II ) defined phase. This allows, inter alia, an optimal adaptation to changing, present in the measuring arrangement polarization states of the light, an increase in the signal-to-noise ratio and the optional time-sequential measurement with a set of z. B. 4 different, in the sense of a phase shifting algorithm introduced reference phases, ie here z. B. two per detection unit. In addition to the measuring arrangement off 9 it offers increased flexibility in the measurement.

In 11 ist eine Detektionsanordnung dargestellt, bei der das zu untersuchende Wellenfeld (236) auf eine Blendenmaske (11913) fällt, vor der eine strukturierte Maske von Verzögerungs-Elementen/Verzögerungs-Segmenten (19181) angeordnet ist, die lokal unterschiedliche relative Verzögerungen zwischen orthogonal polarisierten Anteilen des Lichtes einführt. Im Anschluss fällt das Licht auf eine doppelbrechende Platte (1624), welche eine laterale Verschiebung (24) zwischen TE (205) und TM (2013) polarisiertem Licht einführt. Die Verwendung eines Analysators (166) vor der Detektionsebene (416) ermöglicht es, die zuvor orthogonal polarisierten Anteile des Lichtes auf dem Detektor zur Interferenz zu bringen.In 11 a detection arrangement is shown in which the wave field to be examined ( 236 ) on an aperture mask ( 11913 ) before which a structured mask of delay elements / delay segments ( 19181 ) which introduces locally different relative delays between orthogonally polarized portions of the light. Afterwards, the light falls on a birefringent plate ( 1624 ), which a lateral displacement ( 24 ) between TE ( 205 ) and TM ( 2013 ) introduces polarized light. The use of an analyzer ( 166 ) in front of the detection level ( 416 ) makes it possible to bring the previously orthogonally polarized portions of the light on the detector to interference.

12A) zeigt eine vereinfachte Anordnung, die im Sinne der offenbarten Erfindung Visualisierung unterschiedlich polarisierten Lichtes verwendet werden kann. Da Licht welches das Objekt beleuchtet ist beispielsweise TE polarisiert. Der Anteil des Lichtes des zu untersuchenden Wellenfeldes (236), welcher den Polarisationszustand der Beleuchtung aufweist, d. h. hier z. B. TE, trifft auf eine optional einzusetzende achromatische Halbwellenlängen-Platte (15-13172316) und liegt hinter dieser zirkular polarisiert vor. Ein polarisationsselektiver Strahlteiler (16219) teilt orthogonal polarisiertes Licht (TE: 205-I und TM: 2013-II) auf unterschiedliche Detektionsebenen (416-I und 416-II) auf. 12A) shows a simplified arrangement that can be used in the sense of the disclosed invention visualization of differently polarized light. For example, since light illuminates the object, TE is polarized. The proportion of the light of the wave field to be examined ( 236 ), which has the polarization state of the illumination, ie here z. B. TE, meets an optional achromatic half-wavelength plate ( 15-13172316 ) and lies behind this circularly polarized. A polarization-selective beam splitter ( 16219 ) divides orthogonally polarized light (TE: 205-I and TM: 2013-II ) to different detection levels ( 416-I and 416-II ) on.

Das Licht, welches den Polarisationszustand der Beleuchtung aufweist, bestimmt den Gleichlichtanteil, der in den beiden Detektionsebenen erfassbar ist. Das System kann so eingestellt werden, dass er in den beiden Detektionsebenen gleich ist. Für kleine Phasenverschiebungen (≤ π/2), die durch Ladungsträger bedingt sind, die beispielsweise im magnetischen Feld oszillieren, lassen sich positive und negative Ladungsträger direkt über den, den beiden Detektionsebenen zuzuordnenden Anteil links und rechts zirkular polarisierten Lichtes in ihrer räumlichen Verteilung ermitteln.The light, which has the polarization state of the illumination, determines the constant light component, which can be detected in the two detection planes. The system can be set to be the same in the two detection levels. For small phase shifts (≤ π / 2), which are caused by charge carriers, for example, in the oscillating magnetic field, positive and negative charge carriers can be determined directly in the spatial distribution over the proportion of left and right circularly polarized light attributable to the two detection levels.

Wird in der Beleuchtung beispielsweise zirkular polarisiertes Licht verwendet, so kann in 12A) auf die achromatische Halbwellenlängen-Platte (15-13172316) verzichtet werden. Die resultierende Anordnung ist in 12B) dargestellt.If, for example, circularly polarized light is used in the illumination, then 12A) to the achromatic half-wavelength plate ( 15-13172316 ) are waived. The resulting arrangement is in 12B) shown.

Statt der in 12A) dargestellten, im Vergleich zu 12B) optional einsetzbaren achromatischen Halbwellenlängen-Platte (15-13172316) kann eine achromatische, dynamisch variabel einstellbare Verzögerungsplatte (13418) eingesetzt werden. Die resultierende Anordnung ist in 12C) dargestellt. Somit kann unter anderem eine variable Anpassung auf die vorliegende Beleuchtung erfolgen. Mt dieser Anordnung kann der Messbereich der Phase jedoch erweitert und beispielsweise ein 5-Phasen-Algorithmus umgesetzt werden.Instead of in 12A) presented, compared to 12B) optional achromatic half-wavelength plate ( 15-13172316 ) can be an achromatic, dynamically adjustable delay plate ( 13418 ) are used. The resulting arrangement is in 12C) shown. Thus, inter alia, a variable adaptation to the present illumination can take place. However, with this arrangement, the measuring range of the phase can be extended and, for example, a 5-phase algorithm can be implemented.

13A) stellt die Erfassung des zu untersuchenden Wellenfeldes (236) dar, welches auf eine optische Baugruppe (2321) trifft, welche diese mit einer Referenzwellenfront (18236) kombiniert/vereinigt. Die Phase und/oder der Polarisationszustand der Referenzwellenfront (18236) kann dabei mittels eines ansteuerbaren dynamischen Verzögerungselementes (418) schnell variiert werden. Dieses Element kann achromatisch ausgelegt werden. Die zusammengefügten Wellenfelder treffen auf eine polarisationsselektiv reflektierende Ebene (16219). Der polarisationsselektive Strahlteiler teilt orthogonal polarisierte Anteile des Lichtes auf die unterschiedlichen Detektionsebenen (416-II, für TM, 2013-II und 416-I, für TE, 205-I) auf. 13A) represents the detection of the wave field to be examined ( 236 ), which is on an optical assembly ( 2321 ), which matches these with a reference wavefront ( 18236 ) combined / united. The phase and / or polarization state of the reference wavefront ( 18236 ) can by means of a controllable dynamic delay element ( 418 ) can be varied quickly. This element can be designed achromatic. The assembled wave fields hit a polarization-selective reflecting plane ( 16219 ). The polarization-selective beam splitter divides orthogonally polarized components of the light onto the different detection planes ( 416-II , for TM, 2013-II and 416-I , for TE, 205-I ) on.

Generell können die dargestellten Anordnungen auf einen Betrieb mit mehreren, beispielsweise drei Wellenlängen ausgelegt werden. Somit können Phase schiebende Algorithmen gleichzeitig mit mehreren Wellenlängen erfolgen. Hochgeschwindigkeitskameras gibt es auch mit unterschiedlichen Farbfiltern.In general, the arrangements shown can be designed for operation with several, for example, three wavelengths. Thus, phase-shifting algorithms can be performed simultaneously with multiple wavelengths. High-speed cameras are also available with different color filters.

13B) zeigt eine im Vergleich zur 13A) leicht abgewandelte Messanordnung. Der Unterschied liegt in der Präparation der Referenzwellenfront (18236), die ebenfalls mittels einer, die Strahlengänge vereinigenden Anordnung (2321) mit dem zu untersuchenden Wellenfeld (236), welches die Objektinformation beinhaltet, zusammengeführt wird. Im dargestellten Beispiel entspricht der Strahlengang hinter der Strahl-Vereinigung (2321) dem der 13A). 13B) shows one compared to 13A) slightly modified measuring arrangement. The difference lies in the preparation of the reference wavefront ( 18236 ), which also by means of a, the beam paths unifying arrangement ( 2321 ) with the wave field to be examined ( 236 ), which contains the object information, is merged. In the example shown, the beam path behind the beam union ( 2321 ) the the 13A) ,

Das Licht der Referenzwellenfront, d. h. des Referenz-Wellenfeldes ist kohärent zum Licht, welches vom Objektraum stammt und das zu untersuchende Wellenfeld (236) darstellt. Im dargestellten Beispiel trifft das noch nicht aufgeweitete Licht der Referenzwelle auf einen ersten Phasenschieber (418-2013), der nur den TM polarisierten Anteil des Lichtes in der Phase verschiebt. Dies kann beispielsweise eine Kerr-Zelle sein, die eine Modulation im kHz-Bereich ermöglicht. Danach trifft das Licht der Referenzwelle auf einen zweiten Phasenschieber (418-205), der nur den TE polarisierten Anteil des Lichtes in der Phase verschiebt. Dies kann ebenfalls eine Kerr-Zelle sein. Orthogonale Anteile der Polarisation lassen sich unabhängig voneinander und hinreichend schnell in der Phase verschieben. Andere Anordnungen, die ebendies umsetzen sind verwendbar. Das noch nicht aufgeweitete, jedoch in der Phase modulierte Licht des Referenz-Wellenfeldes trifft auf eine erste Linse (612) eines Teleskops und fokussiert das Licht. In der Ebene des Fokus kann eine kleine Blendenöffnung (119) angebracht werden. An dem Ort der Blendenöffnung (119), die einen räumlichen Filter darstellt, kann auch eine Mattscheibe angebracht werden. Das divergente Licht wird mittels einer Linse (312) kollimiert.The light of the reference wavefront, ie the reference wave field, is coherent with the light originating from the object space and the wave field to be examined ( 236 ). In the example shown, the not yet expanded light of the reference wave impinges on a first phase shifter ( 418-2013 ) which shifts only the TM polarized portion of the light in phase. This can be, for example, a Kerr cell, which allows modulation in the kHz range. Thereafter, the light of the reference wave hits a second phase shifter ( 418-205 ) which shifts only the TE polarized portion of the light in phase. This can also be a Kerr cell. Orthogonal components of the polarization can be shifted independently of each other and sufficiently fast in the phase. Other arrangements that implement the same are usable. The not yet expanded, but phase-modulated light of the reference wave field strikes a first lens ( 612 ) of a telescope and focuses the light. In the plane of focus, a small aperture ( 119 ). At the location of the aperture ( 119 ), which represents a spatial filter, a screen can also be attached. The divergent light is transmitted by means of a lens ( 312 ) collimates.

Die Überlagerung der Referenzwellenfront (18236) mit dem zu untersuchenden/messenden Wellenfeld erfolgt bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem beispielsweise ein 5-Phasen-Algorithmus angewandt wird, bei angepasster Krümmung und ohne Vorhandensein einer relativen Verkippung, d. h. beispielsweise in Form der Überlagerung zweier annähernd paralleler Wellenfelder, oder Wellenfelder annähernd gleicher Krümmung.The superposition of the reference wavefront ( 18236 ) with the wave field to be examined / measured in a preferred embodiment in which, for example, a 5-phase algorithm is applied, with adapted curvature and without the presence of a relative tilting, ie, for example, in the form of the superposition of two approximately parallel wave fields, or wave fields approximated same curvature.

Alternativ zur zeitlichen Phasenschiebung kann auch ein Keil zwischen zu überlagernden Wellenfeldern eingeführt werden, d. h. beispielsweise durch eine leichte Verkippung der die Strahlengänge vereinigenden Anordnung (2321). Es kann eine Fouriertransformation der Intensitätsverteilungen orthogonal polarisierter Anteile des Lichtes durchgeführt werden. Die durch die jeweilige Wellenlänge und den Winkel der Verkippung bestimmte Trägerfrequenz kann in der Fourier-Ebene gefiltert werden und eine Rücktransformation liefert die gesuchte Phasenverteilung. Diese Operationen können auch direkt durch das optische System durchgeführt werden. Die Filterung einer Frequenz oder eines Frequenzbereiches im Ortsraum entspricht dabei einer Ausblendung mittels einer Blende im Fourier-Raum, d. h. beispielsweise in der hinteren Brennebene eines auf Unendlich korrigierten Mikroskop-Objektives, in dessen vorderer Brennebene sich das zu untersuchende Objekt befindet. Das Einkoppeln einer Referenzwelle und die Einführung einer Phasenverschiebung der Referenzwelle kann auf unterschiedliche Arten, d. h. mittels unterschiedlicher Bauteile erfolgen. Bei der Verwendung eines Keils zwischen Objekt- und Referenzwelle im Sinne der Einführung einer Trägerfrequenz, d. h. bei der Verwendung einer Trägerfrequenz zur Messung einer Phasenverteilung sollte diese mindestens von 2 bis 3 Detektor-Elementen einer Detektor-Ebene (416) erfasst werden.As an alternative to the temporal phase shift, it is also possible to introduce a wedge between wave fields to be superimposed, ie, for example, by a slight tilting of the arrangement combining the beam paths ( 2321 ). Fourier transformation of the intensity distributions of orthogonally polarized portions of the light can be performed. The carrier frequency determined by the respective wavelength and the angle of the tilting can be filtered in the Fourier plane and an inverse transformation provides the sought phase distribution. These operations can also be performed directly through the optical system. The filtering of a frequency or a frequency range in the spatial space corresponds to a blanking by means of a diaphragm in Fourier space, ie, for example, in the rear focal plane of an infinity-corrected microscope objective, in the front focal plane is the object to be examined. The coupling of a reference wave and the introduction of a phase shift of the reference wave can be done in different ways, ie by means of different components. at the use of a wedge between object and reference wave in the sense of introducing a carrier frequency, ie when using a carrier frequency for measuring a phase distribution, this should at least 2 to 3 detector elements of a detector level ( 416 ).

Ein virtueller Keil kann zwischen zwei orthogonal polarisierten Wellenfeldern auch mittels einer doppelbrechenden Keilplatte eingeführt werden. Dabei kann ein Wellenfeld die Objektinformation beinhalten und das andere Wellenfeld die Referenz darstellen. Vor der Detektionsebene (416) ermöglicht ein Analysator (166) die Interferenz beider Anteile. Die beschriebenen Anordnungen können auch in Bezug auf diese Modifikation abgewandelt werden.A virtual wedge can also be inserted between two orthogonally polarized wave fields by means of a birefringent wedge plate. In this case, one wave field can contain the object information and the other wave field can represent the reference. Before the detection level ( 416 ) allows an analyzer ( 166 ) the interference of both shares. The described arrangements can also be modified with respect to this modification.

Es ist eine bevorzugte Ausführungsform, das zu untersuchende Wellenfeld (236) in zwei orthogonal polarisierte Anteile des Lichtes aufzuspalten und diese Anteile mit einer Referenzwellenfront (18236) zu überlagern.It is a preferred embodiment, the wave field ( 236 ) split into two orthogonally polarized portions of the light and these components with a reference wavefront ( 18236 ) to superimpose.

14A) stellt eine Variation der Anordnung aus 13A) dar, wobei die Strahlengänge vereinigenden Anordnung (2321) mittels einer reflektierenden planen Fläche (2316) realisiert wird. 14A) FIG. 13 shows a variation of the arrangement of FIG. 13A), wherein the beam paths unifying arrangement (FIG. 2321 ) by means of a reflective planar surface ( 2316 ) is realized.

14B) stellt eine Variation der Anordnung aus 13B) dar, wobei die Strahlengänge vereinigenden Anordnung (2321) mittels einer reflektierenden planen Fläche (2316) realisiert wird. Dabei kann es sich beispielsweise um einen sehr dünnen Spiegel handeln. 14B) FIG. 13B shows a variation of the arrangement of FIG. 13B), wherein the beam paths unifying arrangement (FIG. 2321 ) by means of a reflective planar surface ( 2316 ) is realized. This may, for example, be a very thin mirror.

Bei der Anordnung aus 15 handelt es sich um eine Abwandlung der Anordnung aus der 14B), wobei die zusammengeführten Wellenfelder (236) und (18236) von einer generalisiert dargestellten Detektionsanordnung (421) erfasst werden. Bei der Detektionsanordnung (421) kann es sich beispielsweise um eine Anordnung handeln, die aus den 2 bis 12 gebildet wird, bzw. Teile dieser enthält. Dies verdeutlicht die Vielfalt möglicher Anordnungen, die dem jeweiligen Messproblem anzupassen sind.In the arrangement off 15 it is a modification of the arrangement of the 14B) , wherein the merged wave fields ( 236 ) and ( 18236 ) of a generalized detection arrangement ( 421 ). In the detection arrangement ( 421 ) may be, for example, an arrangement consisting of the 2 to 12 is formed, or parts of these contains. This illustrates the variety of possible arrangements which are to be adapted to the respective measurement problem.

Die 16 stellt eine weitere Generalisierung der Darstellung aus 15 dar, wobei die reflektierende plane Fläche (2316) durch eine, die Strahlengänge vereinigenden Anordnung (2321) ersetzt wurde, die als Block dargestellt ist. Dies verdeutlicht die Vielfalt möglicher Anordnungen, die verwendet werden können, die zu überlagernden Wellenfelder zusammenzuführen.The 16 represents another generalization of the presentation 15 wherein the reflective planar surface ( 2316 ) by a, the beam paths unifying arrangement ( 2321 ), which is shown as a block. This illustrates the variety of possible arrangements that can be used to bring together the superimposed wave fields.

Die 17 stellt eine weitere Generalisierung der Darstellung aus 16 dar, wobei das Referenzwellenfeld (18236) durch eine Baugruppe erzeugt und dynamisch moduliert wird, die als Modulationseinheit des Referenzwellenfeldes (182361321) bezeichnet werden kann. Diese generalisierte Darstellung verdeutlicht, dass es eine Vielzahl möglicher Anordnungen gibt, das Referenzwellenfeld und seine Modulation bereitstellen, die zu überlagernden Wellenfelder zusammenzuführen und die Detektion der Wellenfelder umzusetzen.The 17 represents another generalization of the presentation 16 where the reference wave field ( 18236 ) is generated and dynamically modulated by an assembly which is used as a modulation unit of the reference wave field ( 182361321 ). This generalized representation illustrates that there are a variety of possible arrangements that provide reference wave field and its modulation, combine the superimposed wave fields, and implement the detection of the wave fields.

Wie schon beschrieben sind die diskreten Ausführungsformen jedoch auch von den diskreten Anwendungsfällen abhängig. Dabei ergibt sich in Bezug auf die Kohärenz des vom Objekt ausgehenden und detektierten Lichtes zum beleuchtenden Licht eine Fallunterscheidung in erstens, Licht des Objektes, das kohärent oder teil-kohärent zur Beleuchtung ist und in zweitens, Licht des Objektes, das inkohärent zur Beleuchtung ist. Die daraus resultieren, angepassten Messanordnungen können in zwei Gruppen eingeteilt werden.As already described, however, the discrete embodiments are also dependent on the discrete applications. With respect to the coherence of the light emanating from the object and detected to the illuminating light, a distinction is made in the first case, light of the object which is coherent or partially coherent with the illumination and, secondly, the light of the object which is incoherent to the illumination. The resulting, customized measurement arrangements can be divided into two groups.

Liegt rein kohärentes Licht vor, so reicht es aus, die Phasen und Amplituden zwei orthogonal polarisierter Wellenfelder zu messen, wobei ihr relativer Phasenunterschied entweder auch immer mit gemessen werden kann, oder aus einer beispielsweise vorab erfolgten, der Kalibration dienenden Messung zu erhalten ist. Ein stabiler, schwingungsgedämpfter und eventuell auch in seiner Temperatur stabilisierter Messaufbau kann eine hinreichend feste relative Phase ermöglichen. Bei rein kohärentem Licht kann im Sinne der Erfindung beispielsweise eine Anordnung analog zur Anordnung aus 14B) verwendet werden, um den lokalen Polarisationszustand der Probe im Feld hoch genau zu bestimmen.If purely coherent light is present, it is sufficient to measure the phases and amplitudes of two orthogonally polarized wave fields, their relative phase difference either always being able to be measured or being obtained from a measurement performed in advance, for example. A stable, vibration-damped and possibly also temperature-stabilized measurement setup can allow a sufficiently fixed relative phase. In the case of purely coherent light, an arrangement analogous to the arrangement can, for example, in the sense of the invention 14B) be used to determine the local polarization state of the sample in the field highly accurately.

Liegt inkohärentes Licht vor, wie beispielsweise bei der Untersuchung der Polarisations-Charakteristik, oder auch Polarisations-Abstrahl-Charakteristik einer fluoreszierende Probe im Feld, so kann für die vollständige Beschreibung des Polarisationszustandes der Probe eine Reihe von sechs Messungen der Intensitätsverteilung des Detektorfeldes verwendet werden. Dazu kann eine zeitliche, einer räumliche oder eine zeitlich-räumliche Kombination der Messungen verwendet werden. Beispielsweise können in zwei Messarmen des optischen Systems jeweils drei Intensitätsverteilungen der Detektorebene aufgezeichnet werden. Dabei kommen beispielsweise sechs zugeordnete unterschiedliche Polarisations-Filter-Zustände vor der Detektorebene zum Einsatz, Analysator linear horizontal, linear 45° deg, linear vertikal, linear 135° deg, links zirkular und rechts zirkular polarisiert zum Einsatz. Dynamische Verzögerungselemente, z. B. Flüssigkristall basiert, vor einem linearen Polarisationsfilter angebracht, können die sechs Analysatoren in schneller zeitlicher Abfolge bilden. Schaltzeiten unter 1 ms sind möglich.If incoherent light is present, as for example in the investigation of the polarization characteristic, or also polarization-emission characteristic of a fluorescent sample in the field, a series of six measurements of the intensity distribution of the detector field can be used for the complete description of the polarization state of the sample. For this purpose, a temporal, a spatial or a temporal-spatial combination of the measurements can be used. For example, in each case three intensity distributions of the detector plane can be recorded in two measuring arms of the optical system. In this case, for example, six associated different polarization filter states are used in front of the detector plane, analyzer linear horizontal, linear 45 ° deg, linear vertical, linear 135 ° deg, left circular and right circularly polarized used. Dynamic delay elements, eg. B. liquid crystal based, mounted in front of a linear polarizing filter, the six analyzers can form in rapid time sequence. Switching times below 1 ms are possible.

Mit Hilfe einer Anordnung analog zu der in 5 kann beispielsweise bei einer über der förderlichen Vergrößerung liegenden Gesamtvergrößerung des optischen Systems auch bei einer fluoreszierenden Probe eine Polarisations-Abstrahl-Charakteristik ermittelt werden. Dies ergibt mit einer Parametervariation des angelegten Feldes, d. h. beispielsweise mit einem unter unterschiedlichen Orientierungen an der Probe angelegten magnetischen Feld, die Möglichkeit, Ladungsträgerbeweglichkeiten fluoreszierender Proben dreidimensional aufzulösen. Die Anwendung hoch auflösender Mikroskopie-Techniken, wie beispielsweise strukturierter Beleuchtung, strukturierter Beleuchtung mit Hinzunahme der Phasenschiebung und Phasen schiebender Algorithmen oder statistischer Fluoreszenz, ermöglicht es dabei, räumliche Auflösungen deutlich unter 20 nm zu erreichen.With the help of an arrangement analogous to that in 5 For example, at one over the conducive enlargement lying overall magnification of the optical system, a polarization-emission characteristic can be determined even in a fluorescent sample. This results in a parameter variation of the applied field, ie, for example, with a magnetic field applied to the sample under different orientations, the possibility of three-dimensionally resolving charge carrier mobilities of fluorescent samples. The application of high-resolution microscopy techniques, such as structured illumination, structured illumination with the addition of phase shift and phase shifting algorithms or statistical fluorescence, allows spatial resolutions well below 20 nm.

Die Verwendung der Aufnahmen einzelner Detektorfelder, wie beispielhaft in 5 dargestellt, ermöglicht, beispielsweise bei Verwendung von Hochgeschwindigkeitsdetektoren, auch eine sehr hohe zeitliche Auflösung der Verteilung des Polarisationszustandes der Probe im Feld. Die Auswertung der überlappenden Punktbildübertragungsfunktionen liefert die Intensitäten/Intensitätsverteilungen und die relative Phase zwischen den orthogonalen Polarisationszuständen.The use of the images of individual detector fields, as exemplified in 5 shown, allows, for example when using high-speed detectors, also a very high temporal resolution of the distribution of the polarization state of the sample in the field. The evaluation of the overlapping dot image transfer functions provides the intensity / intensity distributions and the relative phase between the orthogonal polarization states.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10356968 A1 [0007, 0111, 0111]
DE 102006016053 B4 [0009, 0113]
DE 102007032446 A1 [0010]
WO 2012168293 A3 [0045, 0046]

Claims

A system, characterized in that electromagnetic radiation / wave field propagates in the frequency range of the X-radiation up to the THz radiation from the object space to at least one detection plane and the distribution of charge carriers or / and the distribution of the polarity of charge carriers / charges or / and the distribution of charge carrier mobility / mobility of charges in the object space is / are determined contactlessly.

A system according to claim 1), characterized in that electromagnetic radiation / a wave field in the frequency range of the X-ray propagates up to the THz radiation from the object space to at least one detection level and the distribution of charge carriers / charges and / or the distribution of the polarity of charge carriers / charge and / or the distribution of the charge carrier mobility / mobility of charges in the object space is determined contactless and / or a magnetic and / or an electromagnetic and / or an optically generated electromagnetic field or a distribution of this field / these fields is / are used in object space, where the application is global or local.

An optical system according to claim 1), characterized in that the amplitude distribution a (x, y, z) and / or the phase distribution φ (x, y, z) of N (N = 1, 2, 3, 4 ... N ε

= {1; 2; 3; 4; ...}) polarization states of a complex wave field is detected and determined using a magnetic and / or an electrical and / or an electromagnetic and / or an optically generated electromagnetic field or a distribution of this field (s) in the object space, wherein the application takes place globally or locally and the distribution of charge carriers and / or the distribution of the polarity of charge carriers or / and the distribution of the charge carrier mobility in the object space is / are determined.

An optical system, characterized in that the phase distribution φ (x, y, z) and the amplitude distribution a (x, y, z) of a sample of two orthogonal polarization states is measured, and optionally the distribution of charge carriers and / or the distribution of the Polarity of charge carriers is determined, with optionally globally and / or locally induced / applied magnetic and / or electrical and / or electromagnetic fields and / or optically generated globally or locally applied electromagnetic fields are used.

Reflection-driven system according to one of Claims 1) to 4), characterized in that it uses a dielectric mirror in front of a magnet or an electrode structure.

Reflection or transmission operated system according to any one of claims 1) to 4), characterized in that a thin, laterally insertable illumination unit is used, which is mounted between the lower magnet or the lower electrode structures and the test object to be examined and which volume gratings ( VG) with discrete reconstruction geometries or volume gratings with a set / multiplex of reconstruction geometries used to couple light from frustrated total internal reflection (FTIR) based conduction of light or planar waveguide based conduction of light or deflecting it from oblique incidence, this being in relation to defined wavelengths or a set of defined wavelengths and a defined state of polarization of the exiting light or a set of different but defined polarization states of the exiting light lgt.

A transmission operated system according to any one of claims 1) to 6), characterized in that an arrangement of permanent ring magnets or coil magnets is used which provides the required field and which has an opening for operation in transmission ensure, and / or which uses a ring-magnet arrangement, which reduces the magnetic field strength outside of this by means of optimized layers of magnets having different polarity.

System according to one of claims 1) to 7), characterized in that a scanning structured illumination and / or a scanning structured application of the field, which induces local birefringence, is used, this takes place in a lateral and / or longitudinal direction and wherein longitudinal limited structured patterns are used.

System according to claim 8), characterized in that a charged tip or a magnetized tip or an optical tip or a line, an array of points or an array of lines of these embodiments is used in scanning operation.

System according to one of claims 1) to 9), characterized in that stacked magnets or stacked ring magnets with locally changed polarity are used to generate magnetic in-plane fields and / or magnetic fields which are perpendicular to the test plane and / or inclined magnetic fields to provide the applied field in the sense of varying the parameters for the three-dimensional measurement of orbits and / or to provide a custom shaping of the force field and / or to allow a reduction in the field strength outside the sample volume.

Measuring arrangement according to one of claims 1) to 10), characterized in that molecules are used for marking / markers or sufficiently small structured materials which are bound to specific receptor molecules and which are birefringent and / or which can be polarized to global dipole moments or to produce local application of fields, or which metallic nanometer sized rods (MNR), carbon nano-tubes (CNT) and / or liquid crystals (English: liquid crystals, LC) and / or ferroelectric LC and / or molecules that can be polarized to create dipole moments are used as labels that can be attached to specific molecular receiver structures or to receiver structures in general.

Method used in a system according to any one of claims 1) to 11), comprising a set of different parameters of field strength and / or direction and / or applied orientation and / or a set of different polarization states of the input illumination and / or uses a set of different relative orientations of the test object within the measurement domain to determine the spatial distribution and / or temporal resolution of dynamic processes or structural transformations and / or alignment of orbitals and bonding forces in three-dimensional space and / or the distribution of charge carriers to separate from the distribution of the birefringence and / or the distribution of the isotropic refractive index of the sample or the sample space.

System according to one of Claims 1) to 11), characterized in that a detector is used in a plane spatially associated with an image of the test object and / or a frequency plane or in a plane associated with a Fourier plane of the test object.

A system according to any one of claims 1) to 11) or 13), characterized in that a wireframe polarizer or a plurality of wire grid polarizers (WGP) or a plane with a polarizing filter in combination with a birefringent phase shifting mask or a structured one Phase retardation mask and / or an additional color filter mask are used and that these elements each stacked or exploited in mated form.

System according to one of claims 1) to 11) or 13) to 14), characterized in that diffractive or refractive beam splitters (BS) or polarization beam splitters (PBS) or spectrally based beam splitters are used for the separation of optical beam paths which different phase shifts Δφ; associated with a phase shifting interferometer arrangement to provide Phase Shifting Interferometry (PSI) for the measurement of different polarization states in the single frame PSI window.

System according to one of claims 1) to 11) or 13) to 15), characterized in that a single birefringent crystal or a composite birefringent crystal or a diffractive surface relief grating or surface diffraction gratings or a volume grating or multiple volume gratings (VG) is used for this purpose in order to realize a polarization dependent beam displacement and combine this with a magnification (M +) which is larger than the conducive magnification and thus does not resolve additional object detail but which provides a spatial sampling of the detection for provides orthogonal polarization states without losing object information.

Transformation of complex-valued fields, characterized in that by means of a set of parameters which has been generated or by means of a complex-valued field, ie of phase φ (x, y, z) and amplitude distribution a (x, y, z), which for different Polarization states have been measured, the distribution of charge carriers and / or the distribution of the polarity of charge carriers and / or the distribution of orbits / orbitals and / or distribution of three-dimensional energy potentials, or the distribution of carrier mobilities, which for spatial points P (x, y, z) of the test volume is determined.

Transformation of a complex-valued field, ie of phase φ (x, y, z) and amplitude distribution a (x, y, z), characterized in that they are for different polarization states using an arrangement according to claim 1) to 11) or 13) to 16), has been measured and which gives the calculated displacements of the observation plane and / or the calculation of techniques that extend the image contrast.

System according to one of claims 1) or 2), characterized in that in the sample space, a field is applied and that six associated different polarization filter states are used before a detector plane or more detection levels, equivalent to linear linear analyzer, linear 45 ° deg, linear vertical, linear 135 ° deg, left circular and right circularly polarized and optional dynamic delay elements, z. B. liquid crystal based, can be used in front of a linear polarizing filter to form several of the six analyzers in rapid time sequence.