Hochgenaue 3D-Topografie von blanken und rauen Oberflächen
Final Report Abstract
„Structured-Illumination-Microscopy (SIM)“ kann prinzipiell blanke und raue Objekte mit geringer Messunsicherheit, hoher Winkeldynamik und hoher lateraler Auflösung dreidimensional erfassen. In unserer Voruntersuchung wurde gezeigt, dass mit einem hochgeöffneten Mikroobjektiv (NA0.85) blanke Objekte mit einer Höhenmessunsicherheit von 10nm und raue Objekte mit einer der Rauheit entsprechenden statistischen Messunsicherheit gemessen werden können. Um das Potenzial von SIM zu erforschen, haben wir die physikalischen Grenzen der Höhen- Messunsicherheit, der Winkeldynamik, der lateralen Auflösung sowie der globalen Genauigkeit (Richtigkeit) untersucht. Außerdem haben wir untersucht, wie der stop-und-go Scan vermieden werden kann, damit schnellere Messungen möglich sind. Wir haben auch untersucht, wie SIM mit Mikrodeflektometrie - die die gleiche Hardware verwendet - vorteilhaft kombiniert werden kann. Als erstes wurden jeweils ein numerisches und ein analytisches Modell für die Signalentstehung in SIM aufgestellt. Damit ist es möglich, vorherzusagen, ob eine gewünschte Spezifikation erreichbar ist und mit welchen Sensorparametern. Bezüglich der Winkeldynamik haben wir gefunden, dass die Messfehler erheblich von der Orientierung des Gitters abhängen. Eine Messung mit mindestens mit zwei orthogonalen Mustern verringert die Fehler ganz erheblich. Bei der Wahl der Gitterfrequenz, muss berücksichtigt werden, dass die laterale 3D-Auflösung annähernd linear mit abnehmender Gitterfrequenz geringer wird. Für Erhöhung der Informationseffizienz und Messgeschwindigkeit wurde ein neuer z-Scan entwickelt, der das stop-und-go in z-Richtung vermeidet. Damit ist die Informationseffizienz um 80% gestiegen und eine sehr schnelle Abtastung ist möglich. Wir haben auch untersucht, ob man SIM zu einem makroskopischen Verfahren hochskalieren kann. Will man die Feldgröße - durch ein Makro-Objektiv - vergrößern, muss man leider eine Abnahme der Höhenauflösung in Kauf nehmen, weil die Kosten für ein solches hochwertiges Objektiv nicht tragbar wären. Hohe Apertur ist mit großen Aberrationen verbunden. Es zeigt sich, dass es besser ist, Aberrationen zu tolerieren, aber eine hohe Apertur zu wählen. Eine intelligente Umgehung und kostengünstige Lösung für große Messfelder besteht darin, das Messfeld per Lateralscan zu erweitern. Damit bleibt die Höhenauflösung unverändert hoch. Um die Messgeschwindigkeit beim lateralen Scannen zu erhöhen, wurde ein neuer Scanmechanismus implementiert. Dieser erspart a) den z-Scan und erlaubt b) eine lateral kontinuierliche Abtastung ohne stop-und-go. Der entscheidende Limitierungsfaktor für die Geschwindigkeit ist nur noch die Geschwindigkeit der Kamera. Globale Genauigkeit: Wir haben herausgefunden, dass SIM ähnlich wie die Interferometrie massiv an den durch Objektivaberrationen bedingten Retrace-Fehlern leidet. Mit einem optimierten (common-path) Aufbau wurde die globale PV Genauigkeit z.B. von 1.3µm auf 0.6µm verbessert. Für eine weitere Verbesserung wurde eine neue Kalibriermethode entwickelt. Die experimentellen Ergebnisse haben gezeigt, dass die Retrace-Fehler auch durch Kalibrierung kompensiert werden können. Neben den systematischen Fehlern verursachen die Objektivaberrationen auch eine Abnahme der Höhenauflösung. Im Gegensatz dazu zeigt die Mikrodeflektometrie eine extrem gute Höhenauflösung, die unabhängig von dem verwendeteten Objektiv, der Feldgröße und der lateralen Auflösung ist. Allerdings zeigt Deflektometrie eine deutlich schlechtere globale Genauigkeit im Vergleich zu SIM, da eine Kalibrierung für eine hohe Apertur sehr schwierig ist. Um die jeweiligen Vorteile zu nutzen, haben wir SIM und Mikrodeflektometrie kombiniert: dank der Ähnlichkeit der Hardware lassen die zwei Methoden einfach im gleichen Aufbau implementieren. Jeweils durch Anwendung eines Tiefpassfilters auf die Höhendaten von SIM und eines Hochpassfilters auf die Höhendaten von Mikrodeflektometrie haben wir die richtige globale Form und die hochaufgelösten Details extrahiert und zusammengeführt. Damit haben wir einen genauen Hybridsensor mit einer Höhenauflösung von wenigen Nanometern erhalten, und dies auf blanken Objekten für einen weiten Bereich von Aperturen, Feldgrößen und lateralen Auflösungen.
Publications
- “Fast acquisition of 3D-data with Structured Illumination Microscopy”. Proceeding DGaO, P36 (2011)
A. Bielke, A. Kessel, M. Vogel, Z. Yang, Ch. Faber and G. Häusler
- “Limitations of optical 3D sensors”, Richard Leach (Ed.), Optical Measurement of Surface Topography. Springer Verlag Berlin Heidelberg 2011, pp. 23-48
G. Häusler and S. Ettl
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-642-12012-1_3) - “Structured-illumination microscopy on technical surfaces: 3D metrology with nanometer sensitivity”. Proceeding SPIE 8082, Optical Measurement System for Industrial Inspection VII, 80820S (2011)
M. Vogel, Z. Yang, A. Kessel, Ch. Kranitzky, Ch. Faber and G. Häusler
(See online at https://doi.org/10.1117/12.889428) - “Measurement of optical surfaces by Structured Illumination MACROSCOPY- with correction of the retrace error”. Proceeding DGaO, A10 (2012)
Z. Yang, A. Bielke, E. Olesch, Ph. Dienstbier, C. Richter and G. Häusler
- “New improvement in calibration strategy for Structured-Illumination Macroscopy”. Proceeding DGaO, P20 (2013)
Z. Yang, A. Awel, A. Bielke, Ph. Dienstbier, E. Olesch, S. Ettl and C. Richter and G. Häusler:
