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The estimation of the fixed-point temperatures from measured plateau curves can be carried out using different mathematical methods. Depending on the method used and the size of the fixed-point cell, different systematic deviations and reproducibilities of the calculated tempera-tures arise. They typically develop during the evaluation of measurements from small fixed-point cells. Thus the phase transformation temperatures of miniaturised fixed-point cells with zinc of different purities were measured and five different methods were compared.

Diese Arbeit untersucht, wie durch mikroskopische Bildserien mit unterschiedlichen Fokuspositionen Objekte sicherer lokalisiert oder charakterisiert werden können. Das vorgeschlagene Verfahren der extrafokalen Korrelation wird ausführlich in Simulationen und Experimenten an Kantenobjekten diskutiert. Abschließend erfolgt ein Ausblick für die Anwendung bei komplexeren Objekten. Einleitend wird die theoretisch bekannte kantenversteilernde Wirkung bei kohärenter Beleuchtung experimentell nachgewiesen und kritisch auf die Begriffe optisches Auflösungsvermögen und Schärfentiefe bei Mikroskopsystemen eingegangen. Zur Sicherstellung möglichst großer Rechenressourcen wird auf effektive Datenformate, schnelle Fourier-Transformationen und Parallelisierung eingegangen. An modifizierten Mikroskopsystemen konnte gezeigt werden, dass Korrelationsverfahren die sonst störenden Oszillationen an Kantenrändern vorteilhaft nutzen können, wenn die zur Korrelation benutzten Erwartungswerte diese Oszillationen berücksichtigen. Die Einbeziehung extrafokaler Bildebenen kann gleichfalls die Reproduzierbarkeit der Detektion von Kantenorten erhöhen, d. h. auch Bereiche außerhalb einer definierten Schärfentiefe können sinnvoll zur Determination eines Kantenortes genutzt werden, wenn der Gewinn an Information den Verlust durch das zunehmende Rauschen überwiegt. In bestimmten Parameterbereichen ist die extrafokale Korrelation mit Erwartungswerten der reinen Mittelung über benachbarten Bildebenen überlegen. Insbesondere bei kohärenter Beleuchtung sind reine Mittelungen der extrafokalen Korrelation unterlegen. Die extrafokale Korrelation, basierend auf der Suche nach der kleinsten Summe der Fehlerquadrate, ist zwar aufwendiger, aber oft erfolgreicher als die schnellere Fourier-Kreuzkorrelation. Das Verfahren der extrafokalen Korrelation kann auch seriell benutzt werden, um 2-dimensionale Verläufe von Kanten zu analysieren, was z. B. bei der Bestimmung von Strukturbreiten-Homogenitäten der Fall ist. Angerissen wird die Erweiterung des Verfahrens für komplexere Objekte, die am Beispiel der Kreisdurchmesserbestimmung in dieser Arbeit seriell bearbeitet wurde, da die notwendige 4-dimensionale Korrelation mit großen Datenmengen künftigen Rechnergenerationen vorbehalten bleibt. Im Anhang wird das Negativ-Kontrast-Misch-Verfahren als spezielle Methode zur Kontraststeigerung vorgestellt.

Hochgenaue Kalibrierungen von Strahlungsthermometern auf Basis der Internationalen TemperaturskalaITS-90 werden mittels Einzel-Fixpunktstrahlern realisiert. Dabei werden mindestens drei dieser Strahler mit unterschiedlichen Referenztemperaturen benötigt, um die gewöhnlich nichtlineare Kennlinie von Strahlungsthermometern zu bestimmen. Jeder dieser Strahler ist dabei in einen separaten Messaufbau bestehend aus einem Rohrofen mit Wärmerohr und Regeleinrichtung zur homogenen Temperierung, einer temperierten Blendenanordungund Positioniereinrichtung eines Strahlungsthermometers integriert, wodurch ein erheblicher gerätetechnischer Aufwand bei einer Dreipunkt-Kalibrierung entsteht. Um diesen zu minimieren und zusätzlich den Justageaufwand für die Ausrichtung eines Strahlungsthermometers und die Dauer einer solchen Kalibrierung zu reduzieren, wurde ein Dreifach-Fixpunktstrahler (DFS) für Kalibrierungen im Temperaturbereich von 200 ˚C bis 700 ˚C entwickelt,der drei unterschiedliche Fixpunktsubstanzen in einer Zellen-Bauform enthält. An ihm kann ein Strahlungsthermometer die Temperaturen der drei Liquidus- und Solidusvorgänge dieser Fixpunktsubstanzen nach einmaliger Justage und in einem einzigen Aufheiz und Abkühlvorgang messen und an ihnen kalibriert werden.Zu Beginn der Entwicklung wurden für den DFS als geeignetste Fixpunktsubstanzen Aluminium(Erstarrungstemperatur 660,323 ˚C), Zink (419,527 ˚C) und Zinn (231,928 ˚C) und als das unter thermisch-mechanischen Gesichtspunkten geeignetste Zellenkörpermaterial dieAluminiumoxidkeramik C799 ausgewählt. Auf Grundlage dieser Materialauswahl erfolgte danach die optimale Dimensionierung der Bauform. Dazu wurden zunächst FEM-Berechnungen zur Grundanordnung der Fixpunktmaterialkammern und danach optimierende Berechnungen zur Dimensionierung dieser koaxialen, radialsymmetrischen Grundbauform durchgeführt. Deren Ziel war es, deutlich ausgeprägte Phasenumwandlungsvorgänge mit metrologisch gut auswertbaren Temperaturplateaus im Strahlerinneren und damit eine geringe Unsicherheit der Temperaturdarstellung zur erreichen. Die Berechnungen begleitend wurded diese Bauform schrittweise aufgebaut und Untersuchungen zu ihrer mechanischen Belastbarkeitund metrologischen Qualität durchgeführt. Nach erfolgreichen Tests des DFS wurden zwei unterschiedlich befüllte Varianten des DFS hergestellt.Da bei Emissionsgradmessungen ein zu geringer spektraler Wandemissionsgrad der verwendeten Aluminiumoxidkeramik festgestellt wurde, erfolgte eine zusätzliche Beschichtung des Strahlerhohlraumes mit Hochtemperatur-Emissionsgradlack. Der daraus resultierende deutlich höhere effektive Hohlraumemissionsgrad des Strahlers wurde in Berechnungen nach der Monte-Carlo-Methode zu 0,99987 bestimmt.Die Fixpunkttemperaturverläufe des DFS wurden mit einem Transfer-Strahlungsthermometer vermessen und in einer umfangreichen Messunsicherheitsbetrachtung die Fixpunkttemperaturendes DFS ermittelt. Dabei wurden unter anderem Einflüsse auf die Phasenumwandlungstemperatur selbst, aber auch Emissionsgradeffekte des Strahlerhohlraumes oder Wärmetransportvorgänge im DFS berücksichtigt. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Unsicherheiten der DFS-Fixpunkttemperaturen im Bereich von 30mK bis 90mK liegen und damit Werte vergleichbarer Einzel-Fixpunktstrahler erreichen.

A proprietary metrological scanning probe microscope (SPM) with an interferometer, developed by the Institute of Process Measurement and Sensor Technology at the Ilmenau University of Technology (IPMS), is used as a stationary probe system in the nanomeasuring and nanopositioning machine (NPMM). Due to the movements of the NPMM, the total microscope measuring range is 25mm × 25mm × 5mm with a positioning resolution of less than 0.1nm. Examples for specimens are step height standards and one-dimensional gratings. The repeatability has been determined at less than 0.5nm for measurements on calibrated step height standards and less than 0.2nm for the gratings. The measurement results of these samples are always directly related to the corresponding measurement uncertainty, which can be calculated using an uncertainty budget. A new traceable method has been developed using a vectorial modular model. With this approach, it is possible to quickly insert new sub-models and to individually analyze their effects on the total measurement uncertainty. The analysis of these effects with regard to their uncertainties is done by Monte Carlo Simulation (MCS), because some models have partially or fully nonlinear character of which one example is the interferometer model of the metrological SPM. The complete development and analysis of these models is presented for one specific measurement task. The measurement results and the corresponding measurement uncertainty were obtained by Monte Carlo Simulation. Comparisons with the GUM have shown that the proposed procedure is a good alternative to achieve reasonable measurement results with uncertainty estimation.