Messtechnikhttps://kobra.uni-kassel.de:443/handle/123456789/20150713487392024-03-19T11:46:53Z2024-03-19T11:46:53ZDigitale Analyse periodischer und transienter Messsignale anhand von Beispielen aus der optischen PräzisionsmesstechnikTereschenko, Stanislavhttps://kobra.uni-kassel.de:443/handle/123456789/20180726559042021-06-23T14:24:28Z2018-07-26T00:00:00ZOptische 3D-Präzisionsmessverfahren, wie Weißlichtinterferometrie oder konfokale Mikroskopie, die eine Höhenauflösung bis in den Subnanometerbereich sowie sehr kurze Messzeiten von unter einer Sekunde erreichen, haben sich in den letzten Jahrzehnten in industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen etabliert. Der aktuelle Trend in der Industrie ist die hundertprozentige Qualitätskontrolle. Schnell und kosteneffizient lässt sich dieses Ziel nur durch die Integration der Messsysteme direkt in den Fertigungsprozess realisieren. Die hohe Genauigkeit der angesprochenen Messverfahren lässt sich allerdings bei konventionellen Systemen nur in einer schwingungsreduzierten Umgebung beispielsweise in einer Messkammer auf einem schwingunsgedämpften optischen Tisch erzielen.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung, dem Aufbau und der Charakterisierung von interferometrischen Sensoren und der dazugehörigen Signalverarbeitung. Diese erreichen hohe laterale und axiale Auflösungen sowie kurze Mess- und Auswertezeiten und sind unempfindlich gegenüber Umgebungsschwingungen, weshalb sie in die Maschinenumgebung integriert werden können. Die Sensoren vereinen Weißlichtinterferometer zur flächenhaften Topographieerfassung und punktförmig messende Laserinterferometer zur Abstandserfassung zwischen Messobjekt und Messkopf des Sensors. Beide Interferometer verwenden teilweise einen gemeinsamen Strahlengang, sodass die Abstandsmessung innerhalb des Messfeldes des Weißlichtinterferometers erfolgt. Zur robusten Auswertung des Laserinterferenzsignals wird es mittels periodischer optischer Weglängenmodulation im Referenzarm sinusförmig moduliert. Durch optische, elektronische und softwaretechnische Maßnahmen wird sichergestellt, dass beide Interferometer keinen negativen Einfluss aufeinander ausüben. Die Abstandsinformationen werden verwendet, um die durch Umgebungsvibrationen an zunächst unbekannten axialen Positionen aufgenommen Weißlichtinterferenzsignale zu korrigieren. Dazu werden robuste Algorithmen zur Korrektur von Weißlichtinterferenzsignalen vorgestellt und charakterisiert. Die korrigierten Signale werden anschließend mit den etablierten Signalverarbeitungsalgorithmen ausgewertet und daraus wird die Oberflächentopographie der Messobjekte mit vergleichbarer Genauigkeit wie ohne Umgebungsschwingungen bestimmt.
Die Systeme werden anhand von bekannten Messobjekten charakterisiert und die Kompensationen der Störschwingungen sowohl bei bekannten generierten Schwingungen als auch direkt in der Maschinenumgebung durch Messungen in einer Schwingprüfmaschine demonstriert. Außerdem werden Limitierungen der Systeme und der Algorithmen aufgezeigt.
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Erarbeitung neuer sowie der Optimierung und der Anpassung bereits existierender Signalverarbeitungsalgorithmen zur Auswertung von Weißlicht- und Laserinterferenzsignalen unter den gegebenen Einsatzbedingungen. Dabei werden bestehende und sich als zuverlässig erwiesene Algorithmen hinsichtlich höherer Genauigkeit und schnellerer Mess- und Auswertezeiten weiterentwickelt, optimiert und miteinander kombiniert.
2018-07-26T00:00:00ZTereschenko, StanislavOptische 3D-Präzisionsmessverfahren, wie Weißlichtinterferometrie oder konfokale Mikroskopie, die eine Höhenauflösung bis in den Subnanometerbereich sowie sehr kurze Messzeiten von unter einer Sekunde erreichen, haben sich in den letzten Jahrzehnten in industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen etabliert. Der aktuelle Trend in der Industrie ist die hundertprozentige Qualitätskontrolle. Schnell und kosteneffizient lässt sich dieses Ziel nur durch die Integration der Messsysteme direkt in den Fertigungsprozess realisieren. Die hohe Genauigkeit der angesprochenen Messverfahren lässt sich allerdings bei konventionellen Systemen nur in einer schwingungsreduzierten Umgebung beispielsweise in einer Messkammer auf einem schwingunsgedämpften optischen Tisch erzielen.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung, dem Aufbau und der Charakterisierung von interferometrischen Sensoren und der dazugehörigen Signalverarbeitung. Diese erreichen hohe laterale und axiale Auflösungen sowie kurze Mess- und Auswertezeiten und sind unempfindlich gegenüber Umgebungsschwingungen, weshalb sie in die Maschinenumgebung integriert werden können. Die Sensoren vereinen Weißlichtinterferometer zur flächenhaften Topographieerfassung und punktförmig messende Laserinterferometer zur Abstandserfassung zwischen Messobjekt und Messkopf des Sensors. Beide Interferometer verwenden teilweise einen gemeinsamen Strahlengang, sodass die Abstandsmessung innerhalb des Messfeldes des Weißlichtinterferometers erfolgt. Zur robusten Auswertung des Laserinterferenzsignals wird es mittels periodischer optischer Weglängenmodulation im Referenzarm sinusförmig moduliert. Durch optische, elektronische und softwaretechnische Maßnahmen wird sichergestellt, dass beide Interferometer keinen negativen Einfluss aufeinander ausüben. Die Abstandsinformationen werden verwendet, um die durch Umgebungsvibrationen an zunächst unbekannten axialen Positionen aufgenommen Weißlichtinterferenzsignale zu korrigieren. Dazu werden robuste Algorithmen zur Korrektur von Weißlichtinterferenzsignalen vorgestellt und charakterisiert. Die korrigierten Signale werden anschließend mit den etablierten Signalverarbeitungsalgorithmen ausgewertet und daraus wird die Oberflächentopographie der Messobjekte mit vergleichbarer Genauigkeit wie ohne Umgebungsschwingungen bestimmt.
Die Systeme werden anhand von bekannten Messobjekten charakterisiert und die Kompensationen der Störschwingungen sowohl bei bekannten generierten Schwingungen als auch direkt in der Maschinenumgebung durch Messungen in einer Schwingprüfmaschine demonstriert. Außerdem werden Limitierungen der Systeme und der Algorithmen aufgezeigt.
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Erarbeitung neuer sowie der Optimierung und der Anpassung bereits existierender Signalverarbeitungsalgorithmen zur Auswertung von Weißlicht- und Laserinterferenzsignalen unter den gegebenen Einsatzbedingungen. Dabei werden bestehende und sich als zuverlässig erwiesene Algorithmen hinsichtlich höherer Genauigkeit und schnellerer Mess- und Auswertezeiten weiterentwickelt, optimiert und miteinander kombiniert.Transfer characteristics of white light interferometers and confocal microscopesXie, Weichanghttps://kobra.uni-kassel.de:443/handle/123456789/20171123538672021-06-23T14:24:28Z2017-11-23T00:00:00ZOptical profilers present significant advantages in comparison with stylus profilometry and scanning probe microscopy due to their non-contacting technique and their ability to scan the entire measurement field simultaneously. However, optical profilers suffer from different systematical artifacts. The dissertation investigates the transfer characteristics of optical profilometers, namely white light interferometers and confocal microscopes.
In white light interferometry dispersion in the optical system leads to measurement errors in the envelope evaluation and consequently severe ghost steps take place in the phase evaluation, especially at locations with high surface slope at the margins of the field of view. The dispersion errors can be corrected either physically by applying additional lenses or numerically by model-based calculation. Overshooting, also called batwing, takes place commonly at rectangular or step height structures. The batwings may be reduced or even eliminated if certain conditions of the step height and the wavelength of the illumination are met. Besides the systematical effects mentioned above, other effects in white light interferometry are studied as well, such as overestimation of the roughness, polarization-dependent batwings, shadow effect for rectangular structures with high aspect ratios, etc. The occurrence or disappearance of the batwing effect also occurs in measurements of step height structures in confocal microscopy. However, the systematical artifacts differs from those in white light interferometry.
The motivation of this work is to explain diverse systematical discrepancies of measurement results obtained by white light interferometers and confocal microscopes compared to the "real" profile of a sample through mathematical modeling, numerical simulation and experimental measurements, so that a better understanding of the relevant effects is obtained and device-related improvements as well as new measurement and evaluation strategies can be derived. Besides physical phenomena, such as diffraction, temporal and spatial coherence, the physical properties of both, the measuring instruments and the measurement objects are considered in the modeling. Three mathematical modeling approaches are presented in this work: Fourier optics, Kirchhoff scattering theory and Richards-Wolf modeling. Each of these models considers different properties of the measuring instrument and measurement object. Diverse measuring instruments including Michelson, Mirau and Linnik interferometers, as well as confocal microscopes are used for measurement. Simulation and measurement results are compared and analyzed in detail.; Optische Profilometer zeigen signifikante Vorteile im Vergleich zu taktilen Tastschnittgeräten und Rastersondenmikroskopen, weil die Messung einerseits durch die berührungslose Technik beschädigungsfrei und andererseits durch gleichzeitige Erfassung eines Messfeldes sehr schnell ist. Allerdings kommen systematische Messabweichungen in der optischen Profilometrie häufig vor. In dieser Dissertation wird das Übertragungsverhalten von optischen Profilometern, nämlich von Weißlichtinterferometern und Konfokalmikroskopen untersucht.
Dispersion in Weißlichtinterferometern führt zu Fehlern in der Hüllkurvenauswertung und darauffolgend entstehen Phasensprünge bei der Phasenauswertung. Dieser Effekt findet insbesondere an Stellen mit hoher Steigung und an den Rändern des Messfeldes statt. Die Dispersionsfehler lassen sich sowohl durch Verwendung chromatisch korrigierter optischer Abbildungssysteme physikalisch kompensieren, als auch durch eine modellbasierte Berechnung numerisch korrigieren. Bei rechteck- oder stufenförmigen Strukturen treten häufig sogenannte Batwings auf, welche sich durch ein Überschwingen des gemessenen Höhenprofils an den Kanten äußern. Der Batwing-Effekt verschwindet, falls bestimmte Voraussetzungen der zu messenden Stufenhöhe und der Wellenlänge der verwendeten Beleuchtung erfüllt sind. Neben den zuvor erwähnten systematischen Effekten, werden auch andere Effekte in der Weißlichtinterferometrie untersucht, z.B. die Überschätzung von Rauheitsparametern, die Polarisationsabhängigkeit des Batwing-Effekts, Schatteneffekte bei rechteckigen Strukturen mit hohem Seitenverhältnis usw. Das Auftreten oder Verschwinden des Batwing-Effektes kommt ebenfalls bei Messungen von stufenförmigen Strukturen in der Konfokalmikroskopie vor. Allerdings unterscheiden sich die systematischen Artefakte von denen in der Weißlichtinterferometrie.
Die Motivation dieser Arbeit ist es, verschiedene systematische Unterschiede zwischen Messergebnissen aus der Weißlichtinterferometrie, der konfokalen Mikroskopie und dem „echten“ Profil einer Probe zu erklären. Dieses Ziel wird durch mathematische Modelbildung, numerische Simulationen und experimentelle Messungen verfolgt, so dass ein besseres Verständnis der relevanten Effekte gewonnen und gerätebezogene Verbesserungen sowie neue Mess- und Auswertungsstrategien abgeleitet werden können. In den Modellierungen werden nicht nur physikalische Phänomene wie z.B. Beugung, zeitliche und räumliche Kohärenz, sondern auch die physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Messgeräte und Messobjekt berücksichtigt. Drei mathematische Modellierungsansätze werden vorgestellt: Die Fourier-Optik, die Kirchhoff- und die Richards-Wolf-Theorie. Jedes dieser Modelle berücksichtigt unterschiedliche Eigenschaften des Messgerätes und Messobjekts. Zur Messung werden diverse Messgeräte wie Michelson-, Mirau- und Linnik-Interferometer sowie konfokale Mikroskope eingesetzt. Simulations- und Messergebnisse werden detailliert verglichen und analysiert.
2017-11-23T00:00:00ZXie, WeichangOptical profilers present significant advantages in comparison with stylus profilometry and scanning probe microscopy due to their non-contacting technique and their ability to scan the entire measurement field simultaneously. However, optical profilers suffer from different systematical artifacts. The dissertation investigates the transfer characteristics of optical profilometers, namely white light interferometers and confocal microscopes.
In white light interferometry dispersion in the optical system leads to measurement errors in the envelope evaluation and consequently severe ghost steps take place in the phase evaluation, especially at locations with high surface slope at the margins of the field of view. The dispersion errors can be corrected either physically by applying additional lenses or numerically by model-based calculation. Overshooting, also called batwing, takes place commonly at rectangular or step height structures. The batwings may be reduced or even eliminated if certain conditions of the step height and the wavelength of the illumination are met. Besides the systematical effects mentioned above, other effects in white light interferometry are studied as well, such as overestimation of the roughness, polarization-dependent batwings, shadow effect for rectangular structures with high aspect ratios, etc. The occurrence or disappearance of the batwing effect also occurs in measurements of step height structures in confocal microscopy. However, the systematical artifacts differs from those in white light interferometry.
The motivation of this work is to explain diverse systematical discrepancies of measurement results obtained by white light interferometers and confocal microscopes compared to the "real" profile of a sample through mathematical modeling, numerical simulation and experimental measurements, so that a better understanding of the relevant effects is obtained and device-related improvements as well as new measurement and evaluation strategies can be derived. Besides physical phenomena, such as diffraction, temporal and spatial coherence, the physical properties of both, the measuring instruments and the measurement objects are considered in the modeling. Three mathematical modeling approaches are presented in this work: Fourier optics, Kirchhoff scattering theory and Richards-Wolf modeling. Each of these models considers different properties of the measuring instrument and measurement object. Diverse measuring instruments including Michelson, Mirau and Linnik interferometers, as well as confocal microscopes are used for measurement. Simulation and measurement results are compared and analyzed in detail.
Optische Profilometer zeigen signifikante Vorteile im Vergleich zu taktilen Tastschnittgeräten und Rastersondenmikroskopen, weil die Messung einerseits durch die berührungslose Technik beschädigungsfrei und andererseits durch gleichzeitige Erfassung eines Messfeldes sehr schnell ist. Allerdings kommen systematische Messabweichungen in der optischen Profilometrie häufig vor. In dieser Dissertation wird das Übertragungsverhalten von optischen Profilometern, nämlich von Weißlichtinterferometern und Konfokalmikroskopen untersucht.
Dispersion in Weißlichtinterferometern führt zu Fehlern in der Hüllkurvenauswertung und darauffolgend entstehen Phasensprünge bei der Phasenauswertung. Dieser Effekt findet insbesondere an Stellen mit hoher Steigung und an den Rändern des Messfeldes statt. Die Dispersionsfehler lassen sich sowohl durch Verwendung chromatisch korrigierter optischer Abbildungssysteme physikalisch kompensieren, als auch durch eine modellbasierte Berechnung numerisch korrigieren. Bei rechteck- oder stufenförmigen Strukturen treten häufig sogenannte Batwings auf, welche sich durch ein Überschwingen des gemessenen Höhenprofils an den Kanten äußern. Der Batwing-Effekt verschwindet, falls bestimmte Voraussetzungen der zu messenden Stufenhöhe und der Wellenlänge der verwendeten Beleuchtung erfüllt sind. Neben den zuvor erwähnten systematischen Effekten, werden auch andere Effekte in der Weißlichtinterferometrie untersucht, z.B. die Überschätzung von Rauheitsparametern, die Polarisationsabhängigkeit des Batwing-Effekts, Schatteneffekte bei rechteckigen Strukturen mit hohem Seitenverhältnis usw. Das Auftreten oder Verschwinden des Batwing-Effektes kommt ebenfalls bei Messungen von stufenförmigen Strukturen in der Konfokalmikroskopie vor. Allerdings unterscheiden sich die systematischen Artefakte von denen in der Weißlichtinterferometrie.
Die Motivation dieser Arbeit ist es, verschiedene systematische Unterschiede zwischen Messergebnissen aus der Weißlichtinterferometrie, der konfokalen Mikroskopie und dem „echten“ Profil einer Probe zu erklären. Dieses Ziel wird durch mathematische Modelbildung, numerische Simulationen und experimentelle Messungen verfolgt, so dass ein besseres Verständnis der relevanten Effekte gewonnen und gerätebezogene Verbesserungen sowie neue Mess- und Auswertungsstrategien abgeleitet werden können. In den Modellierungen werden nicht nur physikalische Phänomene wie z.B. Beugung, zeitliche und räumliche Kohärenz, sondern auch die physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Messgeräte und Messobjekt berücksichtigt. Drei mathematische Modellierungsansätze werden vorgestellt: Die Fourier-Optik, die Kirchhoff- und die Richards-Wolf-Theorie. Jedes dieser Modelle berücksichtigt unterschiedliche Eigenschaften des Messgerätes und Messobjekts. Zur Messung werden diverse Messgeräte wie Michelson-, Mirau- und Linnik-Interferometer sowie konfokale Mikroskope eingesetzt. Simulations- und Messergebnisse werden detailliert verglichen und analysiert.Experimentelle Untersuchung des Optimierungspotenzials in der kurzkohärenten InterferenzmikroskopieNiehues, Jan Günterhttps://kobra.uni-kassel.de:443/handle/123456789/20160317500312021-06-23T14:24:28Z2016-03-17T00:00:00ZDie vorliegende Arbeit befasst sich mit dem lateralen Auflösungsvermögen in der kurzkohärenten Interferenzmikroskopie. Das 3D-Auflösungsvermögen von Phasenobjekten ist im Gegensatz zu dem von Intensitätsobjekten stark nichtlinear und vom spezifischen Messverfahren abhängig. In diesem Zusammenhang sind systematische Messfehler von entscheidender Bedeutung. Für die kurzkohärente Interferenzmikroskopie ist das Überschwingen an Kanten von besonderem Belang, da sich der Effekt bei der Messung vieler technischer Oberflächen negativ auswirkt. Er entsteht durch die Überlagerung von Interferenzsignalen lateral benachbarter Objektpunkte von unterschiedlichen Höhenniveaus. Es wird an speziell für diesen Zweck entwickelten Messsystemen untersucht in wie weit dieser Effekt physikalisch reduziert werden kann und wie sich dies auf die laterale Auflösung auswirkt. An einem für den Einsatz in einer Nanomessmaschine optimierten Linnik-Interferometer wird die Justage eines solchen Systems erläutert. Der Sensor verfügt über die Option mit NUV-Licht betrieben zu werden, um die laterale Auflösung zu verbessern. Aufgrund des Einsatzzweckes ist der Arbeitsabstand relativ groß, was die laterale Auflösung einschränkt. Mit einem zweiten auf die Untersuchungen in dieser Arbeit optimierten Versuchsaufbau können die physikalischen Grenzen der kurzkohärenten Interferenzmikroskopie praktisch untersucht werden. Zu diesem Zweck ist der Aufbau mit einem Mikrospiegelarray ausgestattet, um hierüber variable konfokale Blenden zu schaffen. Mit diesem System wird erstmalig konfokale Mikroskopie mit Weißlichtinterferometrie kombiniert. Durch die optische Selektion der konfokalen Mikroskopie soll die Ursache für die Überschwinger an Kanten reduziert werden. Eine weitere Möglichkeit der Einflussnahme stellt die optionale Beleuchtung mit polarisiertem Licht dar, wodurch die laterale Auflösung weiter gesteigert werden kann. Zusätzlich kann auch dieser Aufbau mit kurzwelligem blauem Licht betrieben werden, um die laterale Auflösung zu optimieren. Die Messergebnisse, die mit diesen Versuchsaufbauten gemacht wurden, zeigen, dass im Gegensatz zu den in der derzeitigen Normung genutzten Modellen das Übertragungsverhalten in der Weißlichtinterferometrie bei der Messung von Phasenobjekten stark nichtlinear ist. Das laterale Auflösungsvermögen deckt sich je nach Auswerteverfahren recht gut mit dem von klassischen Mikroskopen bei der Wiedergabe von Intensitätsobjekten. Für die Untersuchungen wurde überwiegend ein Auflösungsnormal mit neun unterschiedlichen eindimensionalen Rechteckstrukturen verwendet, die eine Nominalhöhe im kritischen Bereich kleiner der Kohärenzlänge der verwendeten Lichtquelle aufweisen. Die Ergebnisse bestätigen sich aber auch an technischen Messobjekten aus der Praxis wie beispielsweise einer „digital video disc“.
2016-03-17T00:00:00ZNiehues, Jan GünterDie vorliegende Arbeit befasst sich mit dem lateralen Auflösungsvermögen in der kurzkohärenten Interferenzmikroskopie. Das 3D-Auflösungsvermögen von Phasenobjekten ist im Gegensatz zu dem von Intensitätsobjekten stark nichtlinear und vom spezifischen Messverfahren abhängig. In diesem Zusammenhang sind systematische Messfehler von entscheidender Bedeutung. Für die kurzkohärente Interferenzmikroskopie ist das Überschwingen an Kanten von besonderem Belang, da sich der Effekt bei der Messung vieler technischer Oberflächen negativ auswirkt. Er entsteht durch die Überlagerung von Interferenzsignalen lateral benachbarter Objektpunkte von unterschiedlichen Höhenniveaus. Es wird an speziell für diesen Zweck entwickelten Messsystemen untersucht in wie weit dieser Effekt physikalisch reduziert werden kann und wie sich dies auf die laterale Auflösung auswirkt. An einem für den Einsatz in einer Nanomessmaschine optimierten Linnik-Interferometer wird die Justage eines solchen Systems erläutert. Der Sensor verfügt über die Option mit NUV-Licht betrieben zu werden, um die laterale Auflösung zu verbessern. Aufgrund des Einsatzzweckes ist der Arbeitsabstand relativ groß, was die laterale Auflösung einschränkt. Mit einem zweiten auf die Untersuchungen in dieser Arbeit optimierten Versuchsaufbau können die physikalischen Grenzen der kurzkohärenten Interferenzmikroskopie praktisch untersucht werden. Zu diesem Zweck ist der Aufbau mit einem Mikrospiegelarray ausgestattet, um hierüber variable konfokale Blenden zu schaffen. Mit diesem System wird erstmalig konfokale Mikroskopie mit Weißlichtinterferometrie kombiniert. Durch die optische Selektion der konfokalen Mikroskopie soll die Ursache für die Überschwinger an Kanten reduziert werden. Eine weitere Möglichkeit der Einflussnahme stellt die optionale Beleuchtung mit polarisiertem Licht dar, wodurch die laterale Auflösung weiter gesteigert werden kann. Zusätzlich kann auch dieser Aufbau mit kurzwelligem blauem Licht betrieben werden, um die laterale Auflösung zu optimieren. Die Messergebnisse, die mit diesen Versuchsaufbauten gemacht wurden, zeigen, dass im Gegensatz zu den in der derzeitigen Normung genutzten Modellen das Übertragungsverhalten in der Weißlichtinterferometrie bei der Messung von Phasenobjekten stark nichtlinear ist. Das laterale Auflösungsvermögen deckt sich je nach Auswerteverfahren recht gut mit dem von klassischen Mikroskopen bei der Wiedergabe von Intensitätsobjekten. Für die Untersuchungen wurde überwiegend ein Auflösungsnormal mit neun unterschiedlichen eindimensionalen Rechteckstrukturen verwendet, die eine Nominalhöhe im kritischen Bereich kleiner der Kohärenzlänge der verwendeten Lichtquelle aufweisen. Die Ergebnisse bestätigen sich aber auch an technischen Messobjekten aus der Praxis wie beispielsweise einer „digital video disc“.Interferometrische Sensoren mit Modulation der optischen Weglänge für die FertigungsmesstechnikKnell, Holger Wernerhttps://kobra.uni-kassel.de:443/handle/123456789/20160309499942023-05-31T08:44:36Z2016-03-09T00:00:00ZZiel dieser Dissertation ist es, eine Klasse interferometrischer Messgeräte zu charakterisieren und weiter zu entwickeln. Die Modulation der optischen Weglänge (OPLM) im Referenzarm eines interferometrischen Messsystems ist ein anpassungsfähiger Ansatz. Sie ist zur Messung von Oberflächenprofilen mit einer Auflösung bis in den sub-nm-Bereich bei einem Messbereich von bis zu 100 Mikrometer geeignet. Wird ein statisches Messobjekt gemessen, tritt durch die Modulation im Referenzarm am Detektor ein periodisches Interferenzmuster auf. Dies ist in der unten stehenden Abbildung schematisch dargestellt. Bei einer Veränderung des Abstandes zwischen Objekt und Messgerät kann aus der Phasen- und/oder Hüllkurvenverschiebung im Interferenzmuster die Abstandsänderung abgeleitet werden.Im Rahmen der Arbeit sind zwei funktionsfähige OPLM-Messsysteme entwickelt, aufgebaut und getestet worden. Diese demonstrieren, dass der OPLM-Ansatz ein breites Spektrum an Anwendungen durch eine optische Messung abdecken kann. Allerdings zeigen sich an den Messsystemen auch die Limitierungen des OPLM-Ansatzes. Die Systeme basieren auf einer Punktmessung mittels einer fasergekoppelten Sonde sowie auf einer linienförmigen Messung durch eine Zeilenkamera. Um eine hohe laterale Auflösung zu erzielen, wird die Zeilenkamera mit einem Mikroskop kombiniert. Damit flächenhaft gemessen werden kann, ist es notwendig, Messobjekt und Sensor zueinander zu verschieben. Daher wird eine Theorie entwickelt, unter welchen Randbedingungen bewegte Objekte von einem OPLM-Messsystem aufgelöst werden können. Die Theorie wird anschließend experimentell überprüft und bestätigt. Für die Auswertung der bei der Modulation der optischen Weglänge entstehenden Interferenzen existieren bereits einige erprobte Algorithmen, welche auf ihre Eignung hin untersucht und mit selbst entwickelten Algorithmen verglichen werden. Auch wird darauf eingegangen, welches die zentralen Herausforderungen bei der Planung von OPLM-Interferometern sind und wie sich insbesondere die Wahl des Aktors für die OPLM auf das gesamte Messsystem auswirkt. Bei den beiden Messsystemen werden jeweils wichtige Komponenten wie analoge Elektronik und Aktorik sowie ihre Funktionsweise erläutert. Es wird detailliert beschrieben, wie ein OPLM-Messsystem charakterisiert und kalibriert werden muss, um möglichst zuverlässige Messwerte zu liefern. Abschließend werden die Möglichkeiten der beiden entwickelten Systeme durch Beispielmessungen demonstriert, sowie ihre Messgenauigkeit charakterisiert.
2016-03-09T00:00:00ZKnell, Holger WernerZiel dieser Dissertation ist es, eine Klasse interferometrischer Messgeräte zu charakterisieren und weiter zu entwickeln. Die Modulation der optischen Weglänge (OPLM) im Referenzarm eines interferometrischen Messsystems ist ein anpassungsfähiger Ansatz. Sie ist zur Messung von Oberflächenprofilen mit einer Auflösung bis in den sub-nm-Bereich bei einem Messbereich von bis zu 100 Mikrometer geeignet. Wird ein statisches Messobjekt gemessen, tritt durch die Modulation im Referenzarm am Detektor ein periodisches Interferenzmuster auf. Dies ist in der unten stehenden Abbildung schematisch dargestellt. Bei einer Veränderung des Abstandes zwischen Objekt und Messgerät kann aus der Phasen- und/oder Hüllkurvenverschiebung im Interferenzmuster die Abstandsänderung abgeleitet werden.Im Rahmen der Arbeit sind zwei funktionsfähige OPLM-Messsysteme entwickelt, aufgebaut und getestet worden. Diese demonstrieren, dass der OPLM-Ansatz ein breites Spektrum an Anwendungen durch eine optische Messung abdecken kann. Allerdings zeigen sich an den Messsystemen auch die Limitierungen des OPLM-Ansatzes. Die Systeme basieren auf einer Punktmessung mittels einer fasergekoppelten Sonde sowie auf einer linienförmigen Messung durch eine Zeilenkamera. Um eine hohe laterale Auflösung zu erzielen, wird die Zeilenkamera mit einem Mikroskop kombiniert. Damit flächenhaft gemessen werden kann, ist es notwendig, Messobjekt und Sensor zueinander zu verschieben. Daher wird eine Theorie entwickelt, unter welchen Randbedingungen bewegte Objekte von einem OPLM-Messsystem aufgelöst werden können. Die Theorie wird anschließend experimentell überprüft und bestätigt. Für die Auswertung der bei der Modulation der optischen Weglänge entstehenden Interferenzen existieren bereits einige erprobte Algorithmen, welche auf ihre Eignung hin untersucht und mit selbst entwickelten Algorithmen verglichen werden. Auch wird darauf eingegangen, welches die zentralen Herausforderungen bei der Planung von OPLM-Interferometern sind und wie sich insbesondere die Wahl des Aktors für die OPLM auf das gesamte Messsystem auswirkt. Bei den beiden Messsystemen werden jeweils wichtige Komponenten wie analoge Elektronik und Aktorik sowie ihre Funktionsweise erläutert. Es wird detailliert beschrieben, wie ein OPLM-Messsystem charakterisiert und kalibriert werden muss, um möglichst zuverlässige Messwerte zu liefern. Abschließend werden die Möglichkeiten der beiden entwickelten Systeme durch Beispielmessungen demonstriert, sowie ihre Messgenauigkeit charakterisiert.