Lithographische Herstellung analoger Oberflächen mittels Phasenkontrast-Halbtonmasken. - 76 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
In der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der Belichtung mittels Phasenkontrast-Halbtonmasken für die Herstellung von diffraktiv-optischen Elementen genutzt. Dieser Maskentyp enthält ausschließlich transparente und opake Bereiche, ermöglicht jedoch trotzdem die Herstellung mehrstufiger Oberflächenprofile mit quasianalogem Verhalten in einem Verfahrensschritt. Die für die Belichtung benötigte Intensitätsverteilung wird hierbei in der ersten Beugungsordnung der verwendeten Maske erzeugt. Die Kodierung der Intensitätsverteilung erfolgt über die Breite transparenter oder opaker Bereiche in so genannten Einheitszellen auf der Maske. Die theoretischen Grundlagen hierfür sind im Bereich von computergenerierten Hologrammen (CGH) [Loh67, Bro66] sowie dem interferometrischen Phasenkontrastverfahren [Tes08] zu finden. Für die Herstellung der Strukturen wurde der Photolack SX AR-P 3500/6 verwendet. Von diesem standen zwei Muster zur Verfügung. Eines in einer bereits seit August 2005 geöffneten Flasche sowie ein weiteres in einer neuen, noch ungeöffneten Flasche. Für beide wurde das Ansprechverhalten auf verschiedene Belichtungsdosen charakterisiert. Ergebnis dieser Untersuchungen ist die d(E)-Kennlinie des Photolacks, welche die Abhängigkeit der Profiltiefe d von der in den Lack eingebrachten Energie E darstellt. Weitere Untersuchungen beziehen sich auf die Unebenheit (Rauheit, Welligkeit) der Lackoberfläche für verschiedene Regime bei der Beschichtung im Spin-Coating Verfahren. Außerdem wurde die Brechzahl der auf das Substrat aufgebrachten Lackschicht bestimmt. Ausgehend von diesen Untersuchungen wurde ein Standardregime (Anhang A.1) für die Belackung des Substrats festgelegt. Die Untersuchungen ergaben außerdem, dass das alte Muster des Photolacks der gestellten Forderung eines flachen Anstiegs der d(E)-Kennlinie stärker entsprach als das neue Lackmuster. Das alte Lackmuster wurde somit als Standardlack für die Belichtung verwendet. Kernpunkt dieser Arbeit war die Entwicklung eines Algorithmus für die Anpassung der verwendeten Maske an die Charakteristika der am Belichtungsprozess teilhabenden Komponenten. Dies ist zum einen das charakteristische Verhalten des Photolacks während der Belichtung, ausgedrückt in der d(E)-Kennlinie. Zum anderen der für Phasenkontrast-Halbtonmasken charakteristische, kosinusförmige Verlauf der Intensität in Abhängigkeit zu Größe der Öffnungen einer Einheitszelle auf der Maske. Der Algorithmus wurde in der Programmiersprache Visual Basic (VBA) realisiert. Verwendete Masken wurden hiermit angepasst. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mittels angepasster Phasenkontrast-Halbtonmasken Strukturen wie z.B. Fresnel-Linsen und "blaze"-Gitter lithographisch im Photolack hergestellt. Die Charakterisierung der Strukturen erfolgte hinsichtlich Morphologie mittels Mikroskop und Profilometer. Außerdem wurde das Beugungsverhalten der Strukturen aufgenommen. Die Ergebnisse zeigen, dass mittels Belichtung durch angepasste Phasenkontrast-Halbtonmasken mehrstufige Oberflächenprofile mit guter Qualität erzeugt werden können. Einzig die Rauheit der Oberfläche erzeugter Strukturen muss bemängelt werden. Die schlechte Qualität der Oberflächenstruktur kann mit dem Einsatz eines Lasers als Lichtquelle bei der Belichtung erklärt werden. Dieser besitzt eine hohe zeitliche Kohärenz, welche zu unerwünschten Interferenzeffekten, Speckle, in der Intensitätsverteilung führt. Der Einsatz von Lichtquellen mit geringer zeitlicher Kohärenz konnte nicht realisiert werden. Durch die Erzeugung der erwünschten Intensitätsverteilung in der ersten Beugungsordnung der Phasenkontrast-Halbtonmaske kommt es während der Belichtung zu großen Leistungsverlusten. Um praktikable Belichtungszeiten zu erreichen, ist die Belichtung nur mit Lichtquellen großer Leistungsdichte möglich. Dieser Forderung hat von den im Fachgebiet vorhandenen Lichtquellen nur der Laser entsprochen. Das Ziel der Arbeit, die Herstellung von DOE mittels angepasster Phasenkontrast-Halbtonmasken konnte erreicht werden. Um die Qualität der herstellbaren Strukturen zu erhöhen, müssen Anstrengungen unternommen werden, die für die Belichtung der Maske verwendete Intensitätsverteilung weiter zu homogenisieren. Dies könnte über die Verwendung anderer Lichtquellen oder Veränderungen im Versuchsaufbau, beispielsweise über die Verwendung einer rotierenden Taumelplatte zur Verringerung der zeitlichen Kohärenz, realisiert werde. Kurzfristig wäre jedoch auch die Entwicklung eines Reflow-Prozesses denkbar, um das raue Oberflächenprofil zu glätten. Um Strukturen in das Substrat übertragen zu können, müssten Untersuchungen hinsichtlich Selektivität von Substrat und Photolack bei Trockenätzprozessen angestellt werden. Die dabei erzielten Ergebnisse können in den zur Anpassung der Masken aufgestellten Algorithmus einfließen.
Untersuchungen zum Einfluss der Beugung auf die Kantendetektion mit einem Autofokussensor. - 106 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Bei der metrologischen Untersuchung von Strukturen in der Dimension von Nanometern können sowohl mit taktilen, als auch optischen Verfahren vertikale Abmessungen mit größerer Auflösung als laterale bestimmt werden. Mit Fokussensoren kann eine vertikale Auflösung im Nanometerbereich erzielt werden. Die laterale Auflösung liegt nur im Mikro- bis Submikrometerbereich. Ein Problem bei der Kantendetektion ist, dass sich infolge von Beugungserscheinungen der detektierte Kantenort zum realen verschiebt. In dieser Arbeit wurde an einer Verbesserung der Kantendetektion des an der TU-Ilmenau am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik entwickelten Fokussensors gearbeitet. Die Wechselwirkungen der Beugung wurden auf Basis der strengen Beugungstheorie simuliert, um den Einfluss der Beugung auf das Messsignal zu ermitteln. Durch einen Abgleich mit Messungen wurde untersucht, inwiefern sich die Messunsicherheit der Software bei der Kantenbestimmung reduzieren lässt.
Optimierung diffraktiver Blaze-Strukturen für abbildende Optikelemente. - 95 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
Der Einsatz diffraktiver Elemente ist aus der Optikentwicklung der letzten Jahre nicht mehr wegzudenken. Dabei werden Blaze-Gitter genutzt, um eine möglichst hohe Beugungseffizienz zu erzielen. Diese wird jedoch durch Abschattungseffekte an deren Flanken begrenzt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Effizienzverhalten von Blaze-Gittern bei geringen Beugungsordnungen sehr gut durch eine lineare Abhängigkeit des Verhältnisses von Wellenlänge zu Gitterperiode beschrieben werden kann. Diese Effizienzbeschreibung konnte außerdem auf blaze-artige Profilformen wie Stufen- und Subwellenlängen-Profile ausgeweitet werden. Die Ergebnisse beruhen auf Berechnungen nach der strengen Beugungstheorie wobei typische Forderungen abbildender Optiksysteme berücksichtigt wurden.
Integration of planar-optical microsystems with adaptive optical liquid crystal devices. - 80 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2006
In dieser Arbeit wird die Kombination von planar integrierten freiraumoptischen Systemen mit modalen Flüssigkristall-Bauelementen demonstriert. Der Herstellungsprozess dieser Bauelemente wird beschrieben und experimentell nachvollzogen. Dabei wird spezielles Augenmerk auf die Anpassung von funktionalen Widerstandsschichten gelegt. - Im Hauptexperiment werden die Flüssigkristall-Elemente in den Strahlengang eines planar-optischen Systems gebracht und ihre optische Funktionalität getestet. - Mit modalen Flüssigkristall-Linsen wird eine Fokussierung realisiert, die die Bildebene des optischen Systems um mehrere 100æm verschiebt. Mit einem Flüssigkristall-Prisma wird eine Auslenkung des Bildpunktes um über 60 æm realisiert.
Theoretische und experimentelle Untersuchungen an einem adaptiven Scheinwerfer mit DMD-Array. - 100 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2006
Ziel dieser Diplomarbeit war es verschiedene Nutzungsmöglichkeiten für die Anwendung eines DMD in einem Kfz-Scheinwerfer zu erörtern. Hierbei wurden sinnvolle DMD Formate bei einer Beleuchtung mit einer D2S Lampe angegeben. Für andere DMD Formate wurden maximale Lichtquellengrößen ermittelt. Für die Nutzung eines handelüblichen DMD mit einer D2S Lampe konnten verschiedene Verfahren simuliert werden. Für die Abbildung des DMD auf die Straße wurden verschiedene optische Systeme dimensioniert. Für diese Systeme wurden die theoretisch erreichbaren Leuchtenwirkungsgrade berechnet.
Vibration analysis using phase stepping interferometry. - 139 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2006
Die Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Analyse von unterschiedlichen Deformationszuständen eines Objektes. Dabei wird die benötigte Information interferometrisch gewonnen. Anwendungen sind in der Automobilindustrie zu finden, wo Spannungen, Vibrationen und das Resonanzverhalten von Karosserien untersucht werden. Gegenüber herkömmlichen Tastverfahren bietet es den Vorteil der flächenhaften Vermessung von Oberflächen anstatt der punktförmigen Abtastung mit einer Tastnadel. Dadurch, dass kein mechanischer Kontakt zwischen Messobjekt und Messgerät besteht, kommt es nicht zu ungewollten Verformungen, die das Messergebnis negativ beeinflussen. Ein weiterer positiv anzumerkender Aspekt ist die hohe Messgenauigkeit, die im Sub-æm Bereich liegt. Information über die Veränderung zwischen zwei Zuständen kann mittels Phasenstufentechnik gewonnen werden. Bei der Phasenstufentechnik werden drei Interferenzbilder mit einem bekannten, zusätzlichen Phasenterm ausgewertet. Bei dem realisierten Messaufbau wurde die Phasenverschiebung mit Hilfe von Polarisationsoptik durchgeführt. Anschließend wird die Phasenlage zwischen Referenz- und Objektwelle für beide Zustände berechnet und das somit erhaltene komplexe Hologramm numerisch rekonstruiert. Die Phasendifferenz zwischen der Phase des ersten und zweiten Deformationszustandes kann im Anschluss hieran berechnet werden. Sie ist Mass für die Stärke der Deformation zwischen den beiden unterschiedlichen Deformationszuständen. Dieses Vorgehen wird auch als digitale Doppelbelichtungsholografie bezeichnet.