Datum
2016-03-09Metadata
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Dissertation
Interferometrische Sensoren mit Modulation der optischen Weglänge für die Fertigungsmesstechnik
Zusammenfassung
Ziel 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.
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.
Zitieren
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