Berechnung und Charakterisierung von opt. Beugungsgittern mit hohem Aspektverhältnis. - Ilmenau. - 84 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
In dieser Arbeit werden Ansätze eines zerstörungsfreien Verfahrens zur Charakterisierung von binären Beugungsgittern mit hohem Aspektverhältnis vorgestellt. Die geometrische Struktur des Gitters wird aus Messungen der Beugungseffizienz des Gitters und dem Vergleich mit der mithilfe von rigorosen Methoden simulierten Beugungseffizienz abgeleitet. Die Arbeit gliedert sich in zwei Teile, wobei der erste Teil die Grundlagen für das Design und die Analyse von binären Phasengittern behandelt; dabei werden die verschiedenen Einflüsse auf die optische Effizienz von Gittern vorgestellt: Ätztiefe, Periode, Tastverhältnis, Flankenwinkel. Die Einflüsse werden mithilfe der skalaren und rigorosen Beugungstheorie analysiert, wobei die RCWA (Rigorous coupled-wave analysis) verwendet wird. Mehrere Gitter mit unterschiedlichen Parametern werden designt und hergestellt. Der zweite Teil befasst sich mit Charakterisierung der Gitter. Die Messungen der Beugungseffizienz werden an einem dafür entwickelten Messaufbau durchgeführt. Ausgehend vom ursprünglichen Design wird mit der Software MC Grating ein Modell erstellt und die Beugungseffizienzen simuliert. Diese werden mit der gemessenen Beugungseffizienz verglichen und die oben genannten Parameter, wie z. B. die Ätztiefe usw. so angepasst, dass die simulierte Beugungseffizienz möglichst nahe an der gemessenen Beugungseffizienz liegt. Die Vorgehensweise bei der Anpassung der Modelle, um sich den Messdaten annähern zu können, wird vorgestellt. Auch die Gitter untereinander werden in ihrer optischen Funktion bei unterschiedlichem Aspektverhältnis und Material miteinander verglichen. In den Simulationen wurde festgestellt, dass verschiedene Gitter mit unterschiedlicher Reihenfolge Variation der Parameter simuliert werden müssen, um sich dem Messergebnis anzunähern. Die für diese Arbeit gefertigten Gitter mit großen Ätztiefen respektive Aspektverhältnissen haben erhebliche Fertigungsfehler und erfordern den Einsatz zusätzlicher Messinstrumente wie Weißlichtinterferometrie, REM und eintaktiles Profilometer (Dektak) in der Simulation, um das Modell der Geometrie erst mal grob annähern zu können, bevor die vorgestellte Parametervariation erfolgt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass auch ein Gitter mit einem großen Aspektverhältnis mit Hilfe zusätzlicher Informationen über weitere Messinstrumente gut simuliert werden kann.
Rigorose Beugungssimulation- und Design von subwellenlängenstrukturierten optischen Elementen. - Ilmenau. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Aus anisotrop angeordneten Subwellenlängenstrukturen kann ein doppelbrechendes effektives Medium erzeugt werden. Phasengitter aus einem solchen effektiven Medium ermöglichen eine starke Polarisationsabhängigkeit der Beugungseffizienz. Mit rigorosen Berechnungsmethoden (rigorous coupled-wave analysis - RCWA) wird am Beispiel eines diffraktiven subwellenlängenstrukturierten Polarisationsstrahlteilers [Wüster et. al. Nano-imprinted subwavelength gratings as polarizing beamsplitters. J. Eur. Opt. Soc.-Rapid Publ. 17, 4 (2021)] der Einfluss von Geometrieabweichungen auf die Beugungseffizienz untersucht. Die Variation von Parametern im Design von subwellenlängenstrukturierten Phasengittern wird untersucht und mit einer Messung der Beugungseffizienz verglichen. Die Parameter Flankenwinkel, Strukturhöhe, Periode, Material und Füllfaktor werden betrachtet. Fresnelreflexion an Vorder- und Rückseite des Elements werden mit einbezogen. Das Design des diffraktiven Polarisationsstrahlteilers wird für Licht im sichtbaren Spektralbereich adaptiert. Eine Strategie zum Design von subwellenlängenstrukturierten optischen Elementen wird formuliert. Dieser Ansatz wird am Design von über den Polarisationswinkel schaltbaren Blaze- und Dammann-Gittern demonstriert. Es werden Blazegitter mit hoher Effizienz in der 1. Beugungsordnung für TM- und in der 2. Beugungsordnung für TE-polarisertes Licht entwickelt. Dieser Ansatz kann in der Richtung einer diffraktive Linse mit einer doppelt so großen Brennweite für TM- wie für TE-polarisiertes Licht weiterentwickelt werden. Außerdem werden Dammann-Gitter entworfen, die für TM-Polarisation 3 oder 7 Beugungsordnungen mit gleich großer Effizienz haben, während für TE-Polarisation nur die 0. Beugungsordnung effizient ist. Außerdem wird ein Design für ein Dammann-Gitter mit 3 Beugungsordnungen gleicher Beugungsffizienz für TE- und 7 Beugungsordnungen gleicher Beugungsffizienz für TM-Polarisation entwickelt. Alle diffraktiven optischen Elemente sind für die Fertigung der Subwellenlängenstruktur mit Nanoimprintlithographie konzipiert.
Messung von Verlaufsfiltern. - Ilmenau. - 92 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist die Entwicklung verschiedener Messmethoden, um steile Verlaufsfilter mit vorhandenen Spektralphotometern zu messen. Dabei sollen Messgrößen wie Kantensteilheit und OD-Level unter photometrischer Genauigkeit bestimmt werden. Zudem soll die Abhängigkeit der Kantensteilheit von Messfleckgröße, numerischer Apertur der Beleuchtung sowie spektraler Auflösung abgeschätzt werden. Um diese Ziele zu erreichen, wurden Messprinzipien erstellt, die darauf zielen, die Ausdehnung des Messflecks zu verkleinern, um die Probleme bei der spektralen Qualitätskontrolle zu lösen, die durch die nicht konstante Schichtdicke der Verlaufsfilter hervorgerufen werden. Zu den beiden Prinzipien wurden jeweils zwei Messverfahren entwickelt. Im Prinzip der Abschattung wurden in einem Spektralphotometer mit den Verfahren des Blenden-Multiarrays und einer einzelnen festen Blende Messungen durchgeführt und evaluiert. In einem Weißlichtlaserspektralphotometer fanden die Tests zum Prinzip der Brechung statt, bei denen afokale Systeme mit sphärischen und zylindrischen Optiken ausprobiert wurden. Zudem wurde zur geometrischen Bestimmung der spektralen Eigenschaften der Verlaufsfilter ein Messkameraaufbau entwickelt und getestet. Eine klare Empfehlung für die Passmessungen kann in Bezug auf die ermittelten Messgrößen für das Verfahren der Einzelblende gegeben werden. Hingegen ermöglichte das afokale System mit sphärischen Linsen im Weißlichtlaserspektralphotometer Blockungsmessungen bis Level OD8.
Concept development, implementation, and experimental characterization of a miniaturized instrument-based distance sensor for ophthalmology. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Intelligente chirurgische Instrumente unterstützen Chirurgen bei medizinischen Eingriffen und ermöglichen eine präzisere Ausführung. Besonders in der vitreoretinalen Chirurgie ist die präzise Führung und Positionierung der Instrumente entscheidend. In dieser Arbeit wird eine miniaturisierte Abstandssensorik für den Einsatz in der Netzhautchirurgie untersucht, insbesondere mit Hinblick auf eine Anwendung für Membran-Peeling zur Behandlung von epiretinaler Gliose. Obwohl das Krankheitsbild der epiretinalen Gliose bekannt ist, wird für den Peeling-Vorgang derzeit noch die Schattenbildmethode angewendet. Ein intelligentes Instrument zur Entfernungsmessung wird die Tiefenwahrnehmung verbessern und Chirurgen beim präzisen Greifen während des Eingriffs unterstützen. Nach einem Überblick über den Stand der Technik bei miniaturisierten Entfernungsmessgeräten und der Definition der Anforderungen hinsichtlich der besonderen Bedingungen der vitreoretinalen Chirurgie wird ein erstes Konzept für eine auf optischer Kohärenztomographie (OCT) basierende Fasersonde zur Abstandserfassung vorgestellt. OCT ist ein Interferzverfahren, mit dem mikrometergenaue, ein-, zwei- und dreidimensionale Daten aus optischen Streumedien aufgenommen werden können [8]. In der Medizin kann OCT entweder zur direkten Bildgebung von Querschnitten des Auges (OCT-B-Scans) genutzt werden oder, wie in dieser Arbeit, als Methode zur Gewinnung von Signal-über-Tiefe-Informationen (OCT-AScan). Um die OCT-Technologie für die Entfernungsbestimmung einzusetzen, wird ein neues Hochgeschwindigkeits-Swept-Source-OCT-Gerät auf Basis eines bestehenden Prototyps bei der Carl Zeiss Meditec AG, Oberkochen, gebaut. Außerdem wird ein chromatisches konfokales Entfernungsmesssystem der TU Ilmenau hinsichtlich dessen Anwendbarkeit in der Ophthalmologie evaluiert, da dies eine kostengünstige Alternative zur OCT-Technologie bieten kann. Diese Arbeit gibt einen ersten Überblick über die Eignung chromatisch konfokaler und OCTbasierter Entfernungsmessung. In diesem Rahmen wurde ein faseroptisches System zur Abschätzung des Abstandes von einem Messkopf und dem benachbarten Gewebe aufgebaut und beschrieben. Im Folgenden werden beide Abstandserfassungstechnologien experimentell charakterisiert, wobei ein Aufbau eines Nasslabor mit Schweineaugen erfolgt. Die Ergebnisse der experimentellen Charakterisierung zeigen die technische Realisierbarkeit der Abstandsmessung mittels beider Verfahren. Durch einen Vergleich wird gezeigt, dass das OCT-basierte System im Rahmen der derzeitigen Systemkonfiguration empfindlicher ist hinsichtlich der gestreuten Rückkopplungen von der Netzhaut. Abschließend werden Schritte zur weiteren Verbesserung beider Systeme vorgestellt und diskutiert.
Automated correction of dose distribution in exposure layouts for scanning laser lithography. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Direct Laser Writing ist ein maskenloses Verfahren der Photolithografie zur Erzeugung von Binär- und Graustufenstrukturen für die moderne Mikrosystemtechnik in Photolack. Ein UV Laser wird in die Lackschicht fokussiert und löst dort eine photochemische Reaktion aus. Diese erzeugt lokale Löslichkeitsunterschiede. Im folgenden isotropen Entwicklungsschritt werden die löslichen Teile des Lacks entfernt, während die unlöslichen Teile auf dem Substrat verbleiben. Die Intensität im Fokuspunkt des Laser mit endlicher Ausdehnung ist jedoch nicht konstant, sondern folgt dem Airy Beugungsprofil. Außerdem überlappen sich benachbarte Laserspots und addieren sich zur gewünschten Belichtungsdosis. Dies wird jedoch in den Belichtungslayouts nicht berücksichtigt, was vor allem an Kanten, Ecken und bei kleinen Strukturen im Verhältnis zur Spotgröße zu Problemen führt. In dieser Arbeit wird die Überlagerung benachbarter Belichtungspunkte als Faltung eines Airy Spots mit dem Belichtungslayout simuliert. In der Korrektur wird zuerst das Nashold-Projektionsverfahren zur Bildsynthese als Vorbehandlung des Layouts verwendet. Das gewünschte Belichtungsprofil wird dadurch besser mit dem Intensitätsprofil des Spots darstellbar. Anschließend wird mit der inversen Faltungsoperation nach Richardson und Lucy ein Layout generiert, welches das gewünschte Belichtungsprofil erzeugt. Die Korrektur wird in einem selbstgeschriebenen Programm implementiert. Unter Berücksichtigung der optischen Parameter wird ein Modellaserspot aus einer Intensitätsmessung eines fokussierten Lasers extrahiert. Zusätzlich wird eine Logistikfunktion als Kontrastkurvenmodell mittels Graustufenlithografie an das Entwicklungsverhalten des Lackes angepasst. In der Belichtungskorrektur wird zunächst aus einem angestrebten Lackprofil mit der inversen Kontrastkurve ein Belichtungsprofil abgeleitet. An diesem wird die Layoutoptimierung durchgeführt, das Ergebnis gespeichert, und schließlich ein Lithografieprozess simuliert. Trotz auftretender Nebeneffekte im Belichtungsschritt zeigt der Vergleich der im Programm realisierten Lithografiesimulation mit realen Prozessen eine gute Übereinstimmung. Die Belichtungsoptimierung bewirkt deutliche Verbesserungen bei der Entwicklung kleiner Strukturen, jedoch keine Reduktion der Eckenverrundung. Auch Graustufenstrukturen weisen nach der Korrektur eine höhere Designtreue auf.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit optischer Oberflächenmessverfahren, die in einem lithografischen Belichtungsaufbau integriert werden können. Dabei erfolgt die Strukturierung des Substrats maskenlos, mithilfe eines spatialen Lichtmodulators (SLM). Die Erfassung des Oberflächenprofils ist erforderlich, um das computergenerierte Hologramm der zu strukturierenden 3D-Oberfläche anpassen zu können. Im Rahmen der Arbeit werden ausgewählte Messverfahren untersucht, die die oben erwähnte Aufgabe mit entsprechenden Anforderungen erfüllen können. Dazu werden die wesentlichsten Anforderungen an das Messverfahren spezifiziert, um die am besten geeignete Methode auswählen zu können. Im Weiteren wird das für die ausgewählte Messmethode entwickelte Computerprogramm beschrieben, welches in Python implementiert wurde. Die wichtigsten Eigenschaften werden anhand einzelner Parameter wie: Belichtungszeit, Messgeschwindigkeit, Nullpunktfehler usw. ausgewertet. Außerdem werden die Vor- und Nachteile der Methode gegenübergestellt, um bewerten zu können, ob die ausgewählte Methode die festgelegten Anforderungen erfüllt.
UV-basierte Nanoimprint-Lithografie (UV-NIL) mit einem Doppelschicht Lacksystem für Lift-off-Prozesse. - Ilmenau. - 138 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In dieser Arbeit erfolgt die Etablierung eines soft UV-basierten Nanoimprint-Lithografie Prozesses (soft UV-NIL) zur Erzeugung vollflächiger Nanostrukturen auf 4-Zoll Waferlevel. Dabei werden nanostrukturierte Ein- sowie Zweilagenlacksysteme zur Erzeugung hoher Aspektverhältnisse in Silizium entwickelt. Zur Erzeugung der Nanostrukturen wird ein Elastomerstempel aus PDMS (Sylgard 184) von einem nanostrukturierten Mastersubstrat abgeformt. Unter Einsatz des NIL-Fotolacks mr-NIL 210 200 nm werden durch den soft UV-NIL Prozess Zylinderstrukturen von 300 nm Durchmesser und 370 nm Höhe erzeugt. Durch einen Trockenätzschritt mit einem Sauerstoffplasma (Descumming) wird die störende Restlackschicht (residual layer) zwischen den Zylindern entfernt. Mit einem Cryoätzprozess werden die Lackstrukturen in das Substrat übertragen. Für das Einschichtlacksystem wird ein Aspektverhältnis von 4:1 bei einer Selektivität des Fotolacks von 5,1 ermittelt. Es wird eine Ätztiefe von 1,4 [my]m bei einer Strukturbreite von 340 [my]m erreicht. Aufbauend auf dem etablierten soft UV-NIL Prozess wird ein Zweischichtlacksystem mit einer Lift-off Prozesskette entwickelt. Das System besteht aus dem Grundpolymer LOR1A und dem darüber liegenden NIL-Lack mr-NIL 210 200 nm, welcher mit der soft UV-NIL nanostrukturiert wird. Durch einen nasschemischen Entwicklungsschritt wird die Grundpolymerschicht isotrop geätzt, wodurch unter den NIL-Zylindern eine isotrope Hinterschneidung entsteht. Es wurde ein TMAH-haltiger Entwickler zum Einsatz gebracht. Eine Metallisierung von 40 nm-Aluminium mit anschließendem Lift-off erzeugt eine nanostrukturierte Metallmaske. Durch die hohe Selektivität gegenüber dem Plasmaätzprozess werden Aspektverhältnisse von bis zu 12,2 durch Cryoätzen erreicht. Die Ätztiefe beträgt 5,2 µm bei einer Strukturbreite von 430 nm. Des Weiteren wird ein Zweilagenlacksystem mit dem Grundpolymer UL1 und dem UV-NIL Lack mr-NIL 213 200 nm mit der soft UV-NIL etabliert. Nach der Entfernung der Restlackschicht soll eine trockenchemische Unterätzung des NIL-Lacks für einen erfolgreichen Lift-off erfolgen, sodass der nasschemische Entwicklungsschritt ersetzt und der Gesamtprozess durch eine Effizienzsteigerung profitabler wird. Durch Erprobung dreier verschiedener Ätzrezepte konnte keine isotrope Ätzung der UL1-Schicht mit einem Sauerstoffplasma erzielt werden.
Dimensionierung einer Ringbeleuchtung für die Laserstrahlbearbeitung. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Das Laserstrahlschweißen gewinnt aufgrund seiner prozessbedingten Vorteile, wie der schnellen Schweißgeschwindigkeit oder der geringen Wärmeeinflusszone, immer mehr an Bedeutung. Ein entscheidender Nachteil ist allerdings die starke Spritzerbildung, welche besonders beim Schweißen von beschichteten Werkstoffen entsteht. Die Spritzerbildung soll durch speziell konfigurierte Lichtleitkabel, welche unter anderem Kern/Ring- Intensitätsverteilungen erzeugen, verringert werden. Ein solches Lichtleitkabel erzeugt jedoch immer nur eine bestimmte Intensitätsverteilung, demzufolge konnten noch keine hinreichend systematischen Untersuchungen zur optimalen Verteilung hinsichtlich verschiedener Schweißaufgaben durchgeführt werden. Dort soll die in dieser Arbeit entwickelte Optik ansetzen, denn mit ihr ist es möglich, die Außendurchmesser der Kern- und der Ringintensität unabhängig voneinander stufenlos einzustellen und sogar einzeln zu testen. Zum Einsatz kommt neben einem Zoomsystem und einem mit ZEMAX optimierten Retrofokussystem auch ein verschiebbares Axikon. Da die Erzeugung und stufenlose Verstellung der Ringintensität das größte zu lösende Problem ist, liegt das Hauptaugenmerk der Arbeit auf diesem Thema. Dafür werden verschiedene Möglichkeiten vorgestellt, getestet und gegeneinander abgewogen. Aber auch die Erzeugung und Verstellung der Kernintensität und die Synthese der beiden Strahlengänge werden beleuchtet.
Simulation eines Demonstrationsaufbaus für ein fotografisches Zoomobjektiv mit verstimmbarer Optik. - Ilmenau. - 103 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Zoomobjektive gelten zunehmend als wichtige Lösung für die Bilderfassung in der Fotografie sowie in der Machine Vision, in der Unterhaltungselektronik, in der Sicherheitsbranche und anderen Bereichen [LYG20, S. 29098]. Der Effekt, der bei Änderung der Brennweite durch das Objektiv entsteht, wird als Zoom bezeichnet. Er äußert sich in der Änderung der Bildgröße, wodurch das Bild näher heran oder weiter weg zu zoomen scheint [Cla73]. Hierfür finden verschiedene optische Systeme ihre Anwendung. In dieser Arbeit wird der Fokus auf konventionelle fotografische Zoomobjektive und fotografische Zoomobjektive mit verstimmbaren Linsen gelegt. Konventionelle Zoomoptiken regulieren die Brennweite, indem sie mechanische Bauteile bewegen. Für kommerzielle Zwecke wird bisher diese Bauweise genutzt. Bei verstimmbaren Linsen hingegen ist eine solche Bewegung nicht notwendig. Sie passen die Brennweite an, indem sie beispielweise den Oberflächenradius der Linse ändern. Im Rahmen der fotografischen Optik sind außerhalb von Smartphones bisher keine Systeme mit optischem Zoom ohne Bewegung von Systemkompontenten bekannt, da der Öffnungsdurchmesser der Linse zu gering ist. Bei manuell steuerbaren Optotune-Linsen beträgt der freie Durchmesser z.B. 20 mm, bei elektronisch steuerbaren Optotune-Linsen beträgt er 16 mm. Das Interesse und die Herausforderungen dieser Arbeit bestehen demnach darin, ein theoretisch funktionierendes Zoomobjektiv mit verstimmbaren Linsen zu kreieren und dessen Funktionsfähigkeit anhand eines Demonstrationsaufbaus zu testen.
Weiterentwicklung der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) zur Analyse der Wassereinspritzung. - Ilmenau. - 125 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Im Zuge der zukünftigen Emissionsgrenzwerte für Ottomotoren bieten Wassereinspritzsysteme das Potential der Verbrauchs- und Emissionsreduzierung. Aufgrund der hohen Verdampfungsenthalpie des eingespritzten Wassers wird dem Brennraum Wärme entzogen, wodurch auf eine Volllastanreicherung verzichtet werden kann. Für eine hohe Effektivität der Wassereinspritzung wird eine vollständige Verdampfung des Wassers im Brennraum angestrebt. In dieser Arbeit wurden mithilfe der laserinduzierten Fluoreszenz die innermotorische Wandbenetzung hinsichtlich Tropfendicke auf der Kolbenoberfläche quantifiziert. Da Wasser nicht fluoreszenzfähig ist, wurde ein flüssiger Tracer beigemischt. Mittels der 2-Farben-LIF konnten Tropfentemperaturen ermittelt werden, wodurch die Temperaturabhängigkeit des Tracers korrigiert werden konnte. Hierfür wurde eine Methodik zur quantitativen Wandfilmdickenmessung von Benzin zur Anwendung gebracht. In einem Spektroskopieaufbau wurden zunächst infrage kommende Tracer hinsichtlich ihren photo-physikalischen Eigenschaften in Wasser charakterisiert. Unter anderem wurden Einflüsse wie Umgebungsdruck und -temperatur auf das Fluoreszenzverhalten der Tracer identifiziert. In anschließenden Versuchen im geschleppten Betrieb eines optisch zugänglichen Einzylindermotors konnten bei unterschiedlichen Betriebspunkten Einflussparameter auf die Wandbenetzung analysiert werden. Durch quantitative Messungen der auf der Kolbenoberfläche detektierten Tropfendicke, -masse und -temperatur sowie der benetzten Fläche konnten Trends für die Veränderung von Drehzahl, Saugrohr- und Einspritzdruck und Wasserrate abgeleitet werden.