Final Student Theses

Die vorliegende Arbeit untersucht die grundlegende Anwendbarkeit der Laserdopplervibrometrie als Messtechnik in Verbindung mit dem Medium oder innerhalb des Mediums Wasser. Ziel ist es, Schwingungen innerhalb des Medium zu detektieren, beziehungsweise Schwingende Objekte im Wasser zu detektieren und zu anaylsieren. Es werden drei Ideenansätze, die Messbarkeit an Grenzflächen zwischen Medium und Luft, die Messbarkeit von Objekten im Medium und die Messbarkeit von Teilvolumina innerhalb des Mediums, betrachtet. Die durchgeführten Versuche konnten die Erwartungen an die Messeffizienz im Fall der Messung eines Objekts im Medium und der Messung der Medien-Luft-Grenzfläche erfüllen. Für den dritten Teil, der Messwerterfassung aus dem reinen Medium, wurden die Erwartungen sogar übertroffen, da aufgrund der Wiedersprüchlichkeit aus Transmission und Rückstreuung nur sehr geringe Efolgsaussichten vorlagen. Durch die gemachten Erfahrungen aus den Versuchsreihen lassen sich weiterführende Messtechniken für Schallwellenausbreitung in liquiden Medien entwickeln.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Überprüfung eines Konzepts für einen Partikelsensor, der auf einer Störung des Talbot-Effektes basiert. Dazu wird auf die Theorie des Talbot-Effektes eingegangen und die Möglichkeit, diesen gezielt durch das Einbringen von Partikeln zu stören. Dabei werden die Betrachtungen auf Partikelgrößen von 10 mym bis 100 mym beschränkt. Das aus diesen Grundlagen resultierende Funktionsprinzip des Partikelsensors wird im weiteren Verlauf dieser Arbeit anhand von experimentellen Messungen in Hinblick auf seine Richtigkeit untersucht. Dafür wird ein automatisierter Messaufbau erstellt und über LabVIEW® eine Software zur Ansteuerung und Auswertung programmiert. Mit dem Messaufbau und der Software werden verschiedene Messungen von gestörten Talbot-Teppichen und von Partikelbewegungen im Talbot-Teppich durchgeführt, mit Simulationen verglichen und ihre Übereinstimmung mit der Theorie beurteilt. Aus diesen Ergebnissen folgt eine Einschätzung über die praktische Umsetzbarkeit des Partikelsensors.

Freiformoptische Oberflächen bieten neue Möglichkeiten für das Design optischer Systeme. Diese Arbeit dokumentiert den Designprozess eines Head-up Displays unter Einbeziehung einer Freiformfläche. Paraxiale Vorüberlegungen und Erkenntnisse aus der analytischen Bildfehlertheorie führen zu einem guten Startsystem. In der Optimierung werden verschiedene Arten zur Beschreibung der Freiformfläche getestet. Ein in dieser Weise simuliertes System, wird als Demonstrator nachgebaut. Die Freiformfläche wurde durch Ultrapräzisionsfräsen gefertigt. Es wird gezeigt, dass sich die Ergebnisse des Demonstrators unter Beachtung der Toleranzen mit denen der Simulation decken.

Nach einer theoretischen Einführung bezüglich der Möglichkeiten zur Charakterisierung optischer Oberflächen und der von uns eingesetzten Messtechnik wurden am Beispiel einer ultrapräzisionsgefertigten sphärischen Oberfläche zuerst Möglichkeiten aufgezeigt, wie man deren Form und insbesondere die darin enthaltenen Abweichungen vom Sollwert ermitteln kann. Hierbei hat sich vor allem das Zernike-Polynom als sehr hilfreich erwiesen. Zusätzlich bietet es eine wesentlich differenziertere Beschreibungsform der Oberfläche im Vergleich zu einfacheren Polynomapproximationen, die letztlich nur eine Krümmung der Oberfläche basierend auf der Methode der kleinsten Quadrate beschreiben und dabei keine Informationen über lokale Deformationen abbilden können. In der erweiterten Oberflächenanalyse wurde zunächst die Notwendigkeit und die Anwendung von phasenrichtigen Gaußfiltern zur Separation von Form, Welligkeit und Rauheit des vermessenen Oberflächenprofils vorgestellt. Anhand des Rauheitsprofils ließen sich anschließend für die Optik relevante Rauheitskennwerte wie Ra und Rq bestimmen. Die Untersuchung hinsichtlich fertigungsbedingter periodischer Strukturen erfolgte mit Hilfe der spektralen Leistungsdichte (power density spectrum PSD) als auch der Autokovarianzanalyse. Dabei konnte jeweils eine fertigungsbedingte dominante Periode von 4 mym ermittelt und nachgewiesen werden. Im Anschluss wurde anhand von praktischen Versuchen die beugungsoptische Wirkung der periodischen Strukturen sowohl global über das gesamte Element, als auch an lokal eng begrenzten Stellen auf der Oberfläche nachgewiesen. Durch eine Auswertung der Abstände der charakteristischen Beugungsordnungen zur nullten Beugungsordnung ließ sich erneut die fertigungsbedingte Periode von 4 mym erkennen und bestätigen. Eine entwickelte Schnittstelle ermöglichte den Export der vermessenen Oberflächendaten in Optiksimulationsprogramme. Im Fall von VirtualLab wurde dies über die Abbildung des vermessenen Objektes als Phasenfunktion in Form eines dünnen Elementes ermöglicht. In einer anschließenden Simulation, welche die praktischen Versuche nachbilden sollten, wurden im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse ermittelt. Dies unterstreicht die Konsistenz der Ergebnisse hinsichtlich der messtechnischen Auswertung, den praktischen Versuchen und der Simulationen in VirtualLab und zeigt, dass sich die Ergebnisse in Form der erzeugten Spots, den sich ausprägenden und charakteristischen Beugungsordnungen sowie dem Streulichtanteil individuell nachbilden lassen. - Die Ultrapräzisionsbearbeitung als Fertigungsverfahren erlaubt die Herstellung einer Vielzahl optischer Oberflächen. Das Spektrum erstreckt sich dabei von einfachen Formen wie ebener Flächen und Sphären über Asphären bis hin zu komplexen Freiformflächen, die für das Optikdesign besonders interessant sind. Typische, für die Herausarbeitung solcher Formen eingesetzte Verfahren sind das Flycutting, das Ultrapräzisionsdrehen- sowie Fräsen. Durch die dabei eingesetzten geometrisch bestimmten Schneiden und die Prozessführung ergeben sich auf der Oberfläche charakteristische Bearbeitungspuren, die sich vor allem hinsichtlich der auftretenden spatialen Frequenzen und des Grades der Periodizität unterscheiden. In dieser Arbeit sollen anhand einer durch Fräsen herausgearbeiteten sphärischen Oberfläche solche Strukturen messtechnisch erfasst und hinsichtlich ihrer optischen Wirkung untersucht werden. Zuerst soll dabei die Frage nach geeigneten Verfahren und aktuellen Entwicklungen auf dem Gebiet der Oberflächencharakterisierung beantwortet werden. Nach einer anschließenden Vorstellung der für unser Vorhaben eingesetzten Messtechnik, soll zunächst die Oberfläche messtechnisch erfasst werden, um in einer folgenden erweiterten Analyse einen Zugang zu den charakteristischen Strukturen und deren optischer Wirkung zu erhalten. Eine zu entwickelnde Schnittstelle soll dabei den späteren Export der Messdaten in Optiksimulationen ermöglichen. Mit Hilfe von praktischen Versuchen werden im Anschluss die zuvor gemachten Erkenntnis überprüft und verifiziert. In abschließenden Simulationen soll überprüft werden, inwiefern sich die Experimente in Form von Simulationen nachbilden lassen.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem optischen System eines Mask Aligners. Die Abbildung der Maskenstruktur in den Photoresist bei der Proximitylithografie wird untersucht, insbesondere auf den Einfluss des Winkelspektrums in der Maskenebene. Es werden verschiedene Methoden zur Erzeugung variabler Winkelspektren vorgestellt und hinsichtlich ihrer Funktionalität bewertet. Weiterhin werden verschiedene Formen und Ausdehnungen von Winkelspektren per Simulation und Testprints verglichen. Dafür wird eine Optik aus Mikrolinsenarrays entwickelt, mit deren Hilfe das Winkelspektrum über Blenden verändert werden kann. Schlieβlich wird untersucht, ob sich durch andere Typen und Anordnungen von Primärreflektoren der Kollimierungsgrad innerhalb des optischen Systems eines Mask Aligners erhöhen lässt.