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Design, fabrication and characterization of a cascaded plasmonic superlens for the visible spectrum
(Stuttgart : Institut für Technische Optik, Universität Stuttgart, 2019) Li, Huiyu; Osten, Wolfgang (Prof. Dr.)
Open Access
Flexible Mikromanipulation durch räumliche Lichtmodulation in der Mikroskopie
(2010) Zwick, Susanne; Osten, Wolfgang (Prof. Dr.)
Seit ihrer Entwicklung durch Ashkin im Jahre 1986 fand die optische Pinzette Einsatz in zahlreichen Anwendungsfeldern von der Physik bis hin zur Zellbiologie. Die Fähigkeit, berührungslos Objekte im Bereich zwischen einigen zehn Nanometern und einigen Dutzend Mikrometern mit Hilfe von Licht zu fangen und zu bewegen, macht die optische Pinzette zu einem mächtigen Werkzeug. Die Ende der 1990er Jahre am Institut für Technische Optik [129] und an der Universität Chicago [25] realisierte dynamisch-holografische Implementierung optischer Pinzetten erlaubte darauf aufbauend vielfältige Einsatzmöglichkeiten und neuartige Mikromanipulationstechniken. In der vorliegenden Arbeit wird die holografische Pinzette zur Anwendung in einem neuartigen Diagnoseverfahren, basierend auf Kraftmessung weiter entwickelt und erprobt. Dabei können auf die üblichen zellbeeinflussenden Marker verzichtet und somit die Zellen in möglichst natürlichem Zustand analysiert werden. Insbesondere konnte demonstriert werden, dass die vorgeschlagene Diagnosemethode es ermöglicht, gesunde Zellen, Krebszellen und mit Medikamenten behandelte Krebszellen in einem früheren Stadium zu unterscheiden, als dies mit etablierten Methoden bisher möglich ist. Um ein solches System effektiv einsetzen zu können, ist eine Parallelisierung und Automatisierung unabdingbar. Basis für die Automatisierung ist eine voll- oder zumindest teilautomatisierte Probenhandhabung, eine automatisierte Objekterkennung sowie der automatisierte Einfang und die automatisierte Kraftmessung. Als ein erster Schritt in diese Richtung werden in dieser Arbeit die Aspekte der Automatisierung des optischen Einfangs beleuchtet. Hierbei konnten verschiedene Hindernisse identifiziert und Lösungsansätze entwickelt werden, die das Prinzip des holografischen Ansatzes der optischen Pinzette nutzen. Es wurden verschiedene angepasste Lichtfelder untersucht, die es ermöglichen, die auf die biologischen Objekte wirkende Leistungsdichte und damit das Schädigungspotential zu reduzieren. Dies konnte zudem auch durch die Reduzierung der zum axialen Einfang benötigten numerischen Apertur mit Hilfe von holografisch generierten Doppelfallen erreicht werden, die gleichzeitig einen hohen Arbeitsabstand und ein großes Arbeitsfeld erlauben. Mit Hilfe axial ausgedehnter Lichtquellen wurde der Einfangvorgang von axial verteilten Objekten optimiert, was insbesondere bei der Automatisierung eine starke Vereinfachung darstellt. Zudem konnte mit Hilfe eines Kalibrierverfahrens gezeigt werden, dass eine automatisierte Steuerung der Fallen auf einfache Weise mit der geforderten Genauigkeit möglich ist. Desweiteren wurde ein holografisch gesteuertes System zur Mikrobearbeitung entwickelt, das neben einem automatisierten Einfang auch eine automatisierte Sortierung, basierend auf der Bereinigung von Zelllinien durch Zerstörung, realisieren kann. Neben der reinen Zerstörung von Zellen ist auch eine hochgenaue Bearbeitung von Zellen und Zellbestandteilen möglich. Im Rahmen der Arbeit konnte demnach die holografische Pinzette erfolgreich zu einem markerfreien Diagnosewerkzeug in der Krebsdiagnostik weiterentwickelt werden. Herausforderungen bei der Umsetzung des automatisierten Einfangs wurden identifiziert und Lösungsvorschläge erarbeitet sowie implementiert. Somit bildet diese Arbeit den ersten Schritt in Richtung eines vollautomatisierten Werkzeugs, welches zur Diagnose und Medikamentenentwicklung eingesetzt werden kann.
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Inkrementale und absolute Kodierung von Positionssignalen diffraktiver optischer Drehgeber
(2012) Hopp, David Maximilian; Osten, Wolfgang (Prof. Dr.)
Zur Erfassung mechanischer Drehbewegungen werden Drehgeber eingesetzt. Auf dem Markt existiert aktuell eine breite Palette von Funktionsprinzipien zur Winkelerfassung. Werden hohe Winkelauflösungen benötigt, kommen hauptsächlich optische Drehgeber zum Einsatz, deren Funktionsprinzipien sich lithographisch hergestellter Kodierscheiben aus Glas mit binären Maßverkörperungen bedienen. Sowohl die Fertigung dieser Kodierscheiben als auch die häufig erforderliche Justage beim Zusammenbau der Sensoren sind erhebliche Kostenfaktoren. In der vorliegenden Arbeit wird das Prinzip diffraktiver Kodierungen vorgestellt, deren Maßverkörperung als mikrostrukturiertes Phasengitter unter Einsatz eines herkömmlichen Spritzprägeverfahrens gefertigt werden kann. Durch die Gitterstruktur entsteht bei Beleuchtung ein Beugungsbild, dessen Intensitätsverteilung zur Generierung von Winkelsignalen genutzt werden kann. Die Arbeit knüpft an Untersuchungen zur inkrementalen diffraktiven Kodierung des Instituts für Mikroaufbautechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft an und stellt Simulationen sowie experimentelle Untersuchungen zur Auslegung und Charakterisierung einer optimierten, inkrementalen Maßverkörperung vor. Diese beziehen sich schwerpunktmäßig auf eine diffraktive Maßspur zur Generierung inkrementaler, differenzieller und richtungskodierter Ausgangssignale mit einer interpolierten Auflösung von 15 Bit inklusive einer Referenzmarke. Des Weiteren wird eine absolute Positionskodierung eingeführt, welche das Prinzip der Schwerpunktdetektion auf positionssensitiven Detektoren zur Generierung eines kaskadierten Gray-Codes nutzt. Die absolut kodierte Maßspur ermöglicht die parallele Auswertung von inkrementalen und absoluten Signalen auf vier Detektoren mit einer gemeinsamen absoluten Auflösung von 2000 Winkelinkrementen. Durch Interpolation werden hier 14 Bit erreicht. Für beide Kodierungen wird die Auslegung und Toleranzierung kompakter und justagefreier Aufbaukonzepte sowie das Design und die Auswahl optischer Komponenten für den Beleuchtungsstrahlengang durchgeführt. Der unvermeidlichen Exzentrizität der Kodierscheibe und dem damit einhergehenden Winkelfehler bei einem justagefreien Sensoraufbau wird mit dem neuartigen Ansatz einer rein optischen Kompensation begegnet. Anhand der Simulation eines möglichen Aufbaukonzepts erfolgt eine Charakterisierung deren Funktionsprinzips.
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Methoden zur selbstkalibrierenden Vermessung von Asphären und Freiformen in der Tilted-Wave-Interferometrie
(Stuttgart : Institut für Technische Optik, Universität Stuttgart, 2020) Schindler, Johannes; Osten, Wolfgang (Prof. Dr.)
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Optimierung von Flüssigkristall-Lichtmodulatoren in aktiven optischen Systemen
(2009) Kohler, Christian; Osten, Wolfgang (Prof. Dr.)
Die Dissertation behandelt den Einsatz von reflektiven Flüssigkristallmodulatoren, sogenanntenLiquid Crystal on Silicon Displays (LCoS), in aktiven optischen Systemen. Es werden zunächst die verschiedenen eingesetzten Modulatortypen beschrieben und deren Unterschiede bei der Anwendung aufgezeigt. Einen wichtigen Punkt der Arbeit stellt die Charakterisierung dieser Elemente dar. Es wurden im Rahmen dieser Arbeit neue Methoden entwickelt mit Hilfe derer es möglich ist, modellfrei die komplette Jones-Matrix der Displays für die adressierbaren Grauwerte zu messen. Insbesondere die Phasenbeziehung zwischen zwei adressierten Grauwerten wird berücksichtigt. Die hierfür notwendigen Messaufbauten und Auswerteallgorithmen werden ausführlich beschrieben. Der Vorteil dieser neuen Art der Kalibrierung liegt darin, dass man für eine komplette polarisationsoptische Kalibrierung der Displays nicht mehr auf (meist nicht verfügbare) Herstellerdaten angewiesen ist. Die Ergebnisse der Kalibrierung werden dann eingesetzt, um gezielt die Modulationseigenschaften der Displays für ihren Einsatz als Phasenmodulatoren zu optimieren. Als Kriterien für eine Optimierung wurden der erreichbare Beugungswirkungsgrad, die Transmission des polarisationsoptischen Systems aus Display und den zusätzlichen notwendigen Komponenten, sowie die nicht quantitative Rekonstruktionsqualität gewählt. Für die Optimierung werden unterschiedliche Methoden eingesetzt. In einem ersten Schritt wurden mit den Daten der Charakterisierung spezielle Display-Modulationskurven, sogenannte Display-Kennlinien, berechnet. Der Einfluss auf die Rekonstruktionsqualität und den Beugungswirkungsgrad wurde in Simulationen und Experimenten untersucht und der Einfluss der Kennlinie wurde demonstriert. Die polarisationsoptische Charakterisierung bietet darüber hinaus weitere Möglichkeiten für eine Optimierung. Speziell bei verdrillt nematischen Displays kann durch eine Berücksichtung der Polarisationseffekte bei der Hologramm-Optimierung auf einen linearen Polarisator hinter dem Display verzichtet werden. Dadurch kann eine erhebliche Steigerung der Transmission des optischen Systems bestehend aus Polarisatoren und dem Display erreicht werden. Die hierfür notwendigen Algorithmen wurden im Rahmen dieser Dissertation erarbeitet und werden detailliert vorgestellt.
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Simulation von Lichtbeugung an Kreuzgitter-Strukturen und deren Anwendung in der Scatterometrie
(2010) Schuster, Thomas; Osten, Wolfgang (Prof. Dr.)
Diese Arbeit behandelt sowohl die Simulation von Lichtbeugung an Kreuzgitterstrukturen als auch deren Anwendung in der Scatterometrie, einer Messtechnik für die Prozesskontrolle in der Halbleiterfertigung. Kreuzgitterstrukturen weisen eine Periodizität entlang von zwei Koordinatenachsen auf. Bei der Verwendung von bekannten Fourier-basierten Methoden erhöht sich hierdurch die Komplexität von numerischen Beugungssimulationen auf O(M^6) im Vergleich zu Gittern mit nur einer Richtung der periodischen Fortsetzung, bei denen sich lediglich ein Wert von O(M^3) ergibt. Hierbei ist M die Anzahl der berücksichtigten Fourier-Koeffizienten oder Moden. Die Fourier-Reihen der unbekannten elektrischen und magnetischen Felder konvergieren mit wachsendem M gegen die wahren Werte. Dieser enorme Anstieg der Rechenzeit als Funktion der erwünschten Genauigkeit führt zu einem hohen Maß an Forschungsaktivitäten, die auf eine Reduktion der Rechenzeit abzielen. Für viele Simulationsaufgaben, speziell im Bereich der Prozesskontrolle in der Halbleiterfertigung, ist die Anwendung optimierter Algorithmen ausschlaggebend und entscheidet oft darüber, ob ein gegebenes Problem überhaupt mit der augenblicklich verfügbaren Rechenleistung zu bewältigen ist. Diese Arbeit liefert einen Betrag zur Reduzierung der Rechenzeiten, indem eine Verbesserung einer der verbreitetsten Methoden vorgeschlagen wird, der Rigorous Coupled-Wave Analysis (RCWA). Mit dieser Verbesserung ist die Konvergenz des RCWA-Algorithmus für die meisten betrachteten Beispiele besser als bei alternativen Formulierungen der Methode. In manchen Fällen, bei denen andere Formulierungen optimal an die Symmetrie der Struktur angepasst sind, ist das Konvergenzverhalten lediglich vergleichbar. In keinem Fall wird aber schlechtere Konvergenz beobachtet. Den zweite Themenschwerpunkt der Arbeit neben den Simulationsalgorithmen stellt deren Anwendung in der Scatterometrie dar. Im Gegensatz zu vielen anderen optischen Messtechniken zur Prozesskontrolle handelt es sich hierbei um eine nicht-abbildende Methode. Licht, das an typischerweise >10^6 gleichförmigen Nanostrukturen in perdiodischer Anordnung reflektiert oder gebeugt wird, wird insbesondere im Hinblick auf die Änderung seines Polarisationszustandes untersucht. So wird ein Satz von primären Messdaten ausgezeichnet, der aber noch keinen direkten Rückschluss auf die gesuchten Dimensions- und Strukturparameter der Nanostrukturen erlaubt. Letztere können als sekundäre Messgrößen identifiziert werden und können nur durch Lösen des inversen Beugungsproblems ermittelt werden. Der einfachste Weg hierfür besteht in einer Bibliothekssuche, die die primären Messdaten mit einer großen Bibliothek vorab berechneter simulierter Datensätze mit sinnvoller Variation aller interessierender Parameter vergleicht. Diese Arbeit untersucht verschiedene Lösungsansätze für gegenwärtige Herausforderungen an die Scatterometrie. Erstens werden unterschiedliche Varianten der Scatterometrie, speziell solche, die noch nicht in kommerziellen Geräten erhältlich sind, im Hinblick auf die Untersuchung komplexer 3D Strukturen bewertet. Zweitens wird Scatteromatrie an Strukturen mit Seitenwand- und Kantenrauheit betrachtet. Hierbei wird die Messbarkeit von Mittelwerten geometrischer Abmessungen einerseits und deren Standardabweichungen andererseits untersucht. Weiterhin wird der Einfluss von Kantenrauheit auf die Genauigkeit von rekonstruierten Größen studiert.
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Zum Einfluss von Polarisationseffekten in der mikroskopischen Bildentstehung
(2007) Kerwien, Norbert; Osten, Wolfgang (Prof. Dr.)
Diese Dissertation setzt sich mit Polarisationseffekten in der hochauflösenden bildgebenden Metrologie auseinander. Sie greift dabei im Kern auf Konzepte der modellbasierten Objektrekonstruktion zurück. Durch die enge Verknüpfung zwischen der elektromagnetischen Licht-Objekt-Wechselwirkung und den Vektoreigenschaften des Lichtwellenfeldes wird die Polarisation zum Schlüssel für die Entwicklung neuer Messkonzepte in der bildgebenden Metrologie. Die Arbeit demonstriert anhand verschiedener Beispiele die Leistungsfähigkeit dieses Messkonzeptes. Verschiedene Strukturmerkmale, die im Sublambdabereich variieren, prägen einem partiell polarisierten Lichtwellenfeld im mikroskopischen Bild charakteristische Merkmale auf, die zur Objektrekonstruktion herangezogen werden. Diese enge Verzahnung zwischen Modellierung und Simulation einerseits und polarimetrischer Messtechnik anderseits spiegelt sich auch in der Struktur der Arbeit wieder. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben es nicht nur, die bildgebende Metrologie in den Sublambdabereich voranzutreiben, sondern die Visualisierung elektromagnetischer Wechselwirkungseffekte im mikroskopischen Bild hilft darüber hinaus, die Details der physikalisch-optischen Wechselwirkungseffekte von Nanostrukturen mit einem Lichtwellenfeld besser zu verstehen. Diese Erkenntnisse können auch unmittelbar für die Optimierung scatterometischer und diffraktometrischer Messverfahren verwendet werden. Die Arbeit gliedert sich in einen Theorieteil, einen Experimentalteil und einen methodischen Teil. Aufeinander aufbauend stellen sie die numerischen Werkzeuge und experimentellen Messverfahren vor, mit denen der Polarisationstransfer durch Mikro- und Nanostrukturen für metrologische Zwecke genutzt werden kann. Der erste Teil (Kapitel 1-5) beschreibt die theoretischen Grundlagen für die Einbindung elektromagnetischer Wechselwirkungseffekte in die mikroskopische Bildsimulation. Zur Theorie der optischen Abbildung existiert eine Fülle ausgezeichneter Lehrbücher, die den Abbildungsprozess auf Basis der skalaren Fourier-Optik beschreiben. Allerdings werden dabei Polarisationseffekte im Wechselwirkungsprozess nicht berücksichtigt. Veröffentlichungen zur elektromagnetischen Bildsimulation in der Mikroskopie und der Lithographie konzentrieren sich mehr auf die Anwendung als auf eine grundlegende Beschreibung der eingesetzten Simulationsmodelle. Kapitel 5 gibt deshalb eine ausführliche Darstellung des in dieser Arbeit verwendeten Simulationsmodells, aus der sich auch die weiteren Entwicklungsmöglichkeiten und Grenzen des Modells ableiten. Insbesondere für 3D-Strukturen kann eine vollständige rigorose Rechnung sehr aufwendig werden. Die Simulation der Beugungsspektren auf einem PC für ein Bild mit hoher Beleuchtungsapertur kann unter Umständen einige Stunden bis Tage in Anspruch nehmen. Abschnitt 3.5 stellt daher ein neues semi-rigoroses Berechnungsverfahren vor, das sich zwar auf die Konzepte der skalaren Beugungstheorie stützt, diese aber mit Modellen der elektromagnetischen Theorie umsetzt. Mit dieser Methode ist eine effiziente Berechnung von Beugungsproblemen an großflächigen Strukturen mit einer Geschwindigkeitssteigerung von über drei Größenordnungen möglich. Durch einen direkten Vergleich mit vollständig rigorosen Methoden (RCWA) kann der Einfluss rigoroser Wechselwirkungseffekte auf die Bildentstehung gezielt studiert werden. Im zweiten Teil (Kapitel 6-7) werden der experimentelle Aufbau und die Messverfahren vorgestellt, mit denen im tiefen ultravioletten Spektralbereich ortsaufgelöst die vollständige polarisationsoptische Information eines partiell polarisierten Lichtwellenfeldes in Form der Kohärenzmatrix vermessen werden kann. Durch die Gegenüberstellung von Messung und Simulation wird das Rekonstruktionspotential von Sublambdastrukturmerkmalen durch hochaufgelöste polarimetrische Messungen deutlich. Die Beispiele zeigen, dass die bildgebende Polarimetrie gerade in der hochauflösenden Metrologie einen tiefen Einblick in die physikalisch-optischen Effekte der mikroskopischen Bildentstehung ermöglicht. Im dritten Teil (Kapitel 8) wird das Konzept der Strukturrekonstruktion im Sublambdabereich auf Basis des polarisationsoptischen Transferverhaltens in einen allgemeinen mathematischen Kontext gestellt. Zur Beschreibung des Polarisationstransfers dienen das Jones- und das Müller-Matrix-Kalkül. Spezielle Formmerkmale der untersuchten Strukturen prägen den Matrizen charakteristische Eigenschaften auf. Sie werden damit zum polarisationsoptischen Fingerabdruck, den die Struktur als charakteristisches Merkmal bei der Wechselwirkung im Lichtwellenfeld hinterlässt. Der dabei entwickelte Formalismus ist nicht nur die Basis für neuartige metrologische Messmethoden, sondern kann auch gewinnbringend für das Design von Nanostrukturen angewendet werden.
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Zur Optimierung von Auswerteverfahren für Tilted-Wave Interferometer
(Stuttgart : Institut für Technische Optik, Universität Stuttgart, 2016) Fortmeier, Ines; Osten, Wolfgang (Prof. Dr.)