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Rezensionsexemplar
Mai 2014
Wenjing Zhao
Beiträge zum systematischen Entwurf von optischen Geräten zur Abbildung in Nah- und Fernfeld
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Probleme der Entwicklung optischer Geräte für Abbildungsverfahren im Nah- und Fernfeld zur Oberflächeninspektion untersucht. Dabei werden sowohl direkt abbildende Systeme, als auch Streulichtmesssysteme betrachtet. Weiter werden auf Basis der untersuchten Verfahren verschiedene Geräte als Prototypen aufgebaut.
Die erste Entwicklung ist eine kleine tragbare Streulichtmessvorrichtung, welche auf die zu messende Oberfläche aufgesetzt wird. Die Abbildung der Streuverteilung erfolgt mittels eines optischen Systems, welches einen größeren Teilbereich der Hemisphäre der Streuverteilung auf den Sensor verkleinert, wobei die Streuverteilung über eine nichtlineare Koordinaten-transformation auf einen hochdynamischen Sensor projiziert wird. Von Vorteil ist hier, dass man einerseits einen großen Bereich der kontinuierlichen Streuverteilung aufnehmen, andererseits die Aufnahmerichtung leicht variieren kann.
Der zweite Entwurf kompensiert den Nachteil des normalen Streulichtmessgeräts - die fehlende Phaseninformation der Streuverteilung - durch die Gewinnung des Originalbildes der Oberfläche. Hierfür wird eine neue Vorrichtung mit geringem Aufwand entwickelt, die sowohl mikroskopische als auch makroskopische Eigenschaften der Probenoberflächen untersuchen kann. Die Aufgaben sind zum einen, mit einer makroskopischen Einrichtung eine großflächige Oberfläche zu erfassen, zum anderen die Beugungseffekte des Streubildes auf Grund des begrenzten Messflecks zu vermeiden. Dabei werden insgesamt zwei Sensoren genutzt, um einerseits den Flächeninhalt in einem Messschritt zu erhöhen, andererseits eine verlässliche Aussage durch das gleichzeitige Auswerten von Streu- und Originalbild zu treffen.
Schließlich werden in der Arbeit einige während der Entwicklung aufgetauchte Probleme mit Hilfe von konkreten Testaufnahmen dokumentiert und analysiert, wie zum Beispiel das Problem des Positionierens der Schärfeebene, oder die Verwendung kohärenter vs. inkohärenter Beleuchtung und ihre Auswirkungen auf die jeweiligen Messeigenschaften. Hierzu wird noch eine Methode vorgestellt, mit der man die Schärfeebene eines Objektes mit Hilfe einer Glasscheibe an verschiedenen Stellen im Strahlengang schnell verschieben kann. Wegen der Eigenschaften der Streuung wird auch auf die Erklärung der Nah- und Fernfeldverteilungen in Abhängigkeit von der Distanz der Wellenausbreitung und unterschiedlichen Aperturen näher eingegangen. Allgemein werden die verschiedenen Abbildungsverfahren der Nahfeldverteilung kurz erklärt und charaktersiert. Damit wird der Messvorgang des Geräts für unterschiedliche Schärfeebenen vereinfacht. Schließlich wird eine Methode zur Aufnahme von Auflichtschattenverteilungen vorgestellt, mit der Eigenschaften von transpatent beschichteten und im wesentlichen glatten Oberflächen bildgebend untersucht werden können.
Die erste Entwicklung ist eine kleine tragbare Streulichtmessvorrichtung, welche auf die zu messende Oberfläche aufgesetzt wird. Die Abbildung der Streuverteilung erfolgt mittels eines optischen Systems, welches einen größeren Teilbereich der Hemisphäre der Streuverteilung auf den Sensor verkleinert, wobei die Streuverteilung über eine nichtlineare Koordinaten-transformation auf einen hochdynamischen Sensor projiziert wird. Von Vorteil ist hier, dass man einerseits einen großen Bereich der kontinuierlichen Streuverteilung aufnehmen, andererseits die Aufnahmerichtung leicht variieren kann.
Der zweite Entwurf kompensiert den Nachteil des normalen Streulichtmessgeräts - die fehlende Phaseninformation der Streuverteilung - durch die Gewinnung des Originalbildes der Oberfläche. Hierfür wird eine neue Vorrichtung mit geringem Aufwand entwickelt, die sowohl mikroskopische als auch makroskopische Eigenschaften der Probenoberflächen untersuchen kann. Die Aufgaben sind zum einen, mit einer makroskopischen Einrichtung eine großflächige Oberfläche zu erfassen, zum anderen die Beugungseffekte des Streubildes auf Grund des begrenzten Messflecks zu vermeiden. Dabei werden insgesamt zwei Sensoren genutzt, um einerseits den Flächeninhalt in einem Messschritt zu erhöhen, andererseits eine verlässliche Aussage durch das gleichzeitige Auswerten von Streu- und Originalbild zu treffen.
Schließlich werden in der Arbeit einige während der Entwicklung aufgetauchte Probleme mit Hilfe von konkreten Testaufnahmen dokumentiert und analysiert, wie zum Beispiel das Problem des Positionierens der Schärfeebene, oder die Verwendung kohärenter vs. inkohärenter Beleuchtung und ihre Auswirkungen auf die jeweiligen Messeigenschaften. Hierzu wird noch eine Methode vorgestellt, mit der man die Schärfeebene eines Objektes mit Hilfe einer Glasscheibe an verschiedenen Stellen im Strahlengang schnell verschieben kann. Wegen der Eigenschaften der Streuung wird auch auf die Erklärung der Nah- und Fernfeldverteilungen in Abhängigkeit von der Distanz der Wellenausbreitung und unterschiedlichen Aperturen näher eingegangen. Allgemein werden die verschiedenen Abbildungsverfahren der Nahfeldverteilung kurz erklärt und charaktersiert. Damit wird der Messvorgang des Geräts für unterschiedliche Schärfeebenen vereinfacht. Schließlich wird eine Methode zur Aufnahme von Auflichtschattenverteilungen vorgestellt, mit der Eigenschaften von transpatent beschichteten und im wesentlichen glatten Oberflächen bildgebend untersucht werden können.
Schriftenreihe Laboratorium Mess- und Informationstechnik
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. habil. H. Rothe, Hamburg
Band 2014,8
Shaker Verlag GmbH
Am Langen Graben 15a
52353 Düren
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