Volume 89, Issue 6 - 122. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO) / Gastherausgeber: Andreas Fischer, Ralf B. Bergmann

The coherence function offers new possibilities for optical metrology that are not available with conventional wave field sensing. Its measurement involves a spatio-temporal sampling of the wave fields modulated by the object under investigation. Temporal sampling is well known e. g. by means of White Light Interferometry (WLI) and spatial sampling can e. g. performed by Computational Shear Interferometry (CoSI). The present paper describes an approach that combines both temporal and spatial sampling using a robust common-path setup. While the evaluation of the coherence function is more elaborate than approaches that either sample the temporal or the spatial domain, an information theoretical treatment shows that it also delivers more information about the object under investigation. Our approach is based on the mutual information that represents the reduction of uncertainty about the object as a consequence of the measurements performed. Using a simplified measurement case, we calculate the mutual information for different measurement situations and demonstrate that spatio-temporal sampling of the coherence function results in a higher mutual information as compared to classical approaches. Based on the proposed approach, we identify further open research tasks for an efficient information extraction from the coherence function to surpass current limitations of optical metrology.

Zusammenfassung In diesem Beitrag wird ein scannendes, ereignisbasiertes Weißlichtinterferometriemesssystem (eCSI) in Verbindung mit der Nanomess- und Positioniermaschine NPMM-200 vorgestellt. Die scannende Kurzkohärenzinterferometrie wird in der Forschung und Industrie zur Vermessung von Form und Strukturen mit einer interferometrischen Auflösung und einem hohen Messbereich durch die Bestimmung der interferometrischen Streifenordnung aus der Kohärenzfunktion verwendet. In herkömmlichen Systemen wird zur Scanbewegung ein Piezoaktuator verwendet, der den Referenzspiegel oder das Objektiv relativ zum Prüfling verschiebt. In diesem System wird der Piezoaktuator durch die NPMM-200 ersetzt, was einen Scanbereich von 200 × 200 × 25 mm 3 ermöglicht. Um den anfallenden großen Datenmengen in diesen Scanbewegungen entgegenzuwirken, wird das neuartige Konzept eCSI verwendet. Dabei wird im Vergleich zu einem herkömmlichen Kurzkohärenzinterferometer ein ereignisbasierter Sensor verwendet. Dieser registriert anstatt eines Frames einen kontinuierlichen Informationsstrom über die Änderungen der Intensitäten an den jeweiligen Pixeln. Bleibt die Intensität konstant, liefert der Sensor keine neuen Signale, was eine effizientere Ausnutzung der Bandbreite ermöglicht. Zu Beginn des Beitrags wird das Messsystem in Verbindung mit der NPMM-200 beschrieben. Dann wird die Signalgenerierung unter Verwendung einer ereignisbasierten Kamera erläutert. Im Anschluss daran werden experimentelle Ergebnisse an einem Tiefeneinstellnormal und einem Silizium-Kalibriertarget gezeigt und analysiert. Diese zeigen eine exzellente Übereinstimmung mit den kalibrierten Werten.

As artificial intelligence and deep learning becomes more important, new approaches for photonic neural computing arise. We investigate the concept of deep diffractive neural networks. First proposed in 2018, deep diffractive neural network operate passively, using coherent images and diffractive optics to do image-to-image regression and object classification. In this article we shortly review current approaches, give a brief introduction into the mathematical description of such diffractive networks using the Angular Spectrum method and show the first results of our own developments of convolutional diffractive networks with an experimental accuracy of approximately 84 %. The objective of this article is to give an introduction into the field of optical computing with neural networks using diffraction and free-space propagation of light.

To determine step heights between a few nanometers and several micrometers, we present a statistical evaluation procedure which overcomes the limitations of the unambiguity range of conventional multi-wavelength interferometry. The experimental setup consists of a shear interferometer with two different wavelengths to measure the phase difference between light reflected from an object with regions of two different heights. The statistical averaging over a large area of both regions of the object for both wavelengths generates a pair of phase difference values. A diagram of the space of phase values converts the pair of phase difference values into a step height. This statistical method enables the determination of step heights greater than the synthetic wavelength with an accuracy of a few nanometers even with small tilts of the object.

Zusammenfassung Ellipsometrie ist eine der vielseitigsten Methoden zur optischen Nanostrukturcharakterisierung. Insbesondere die Müller-Matrix-Ellipsometrie ermöglicht die Messung von optischen oder geometrischen Parametern mit Genauigkeiten bis in den Sub-Nanometer-Bereich. In der konventionellen Ellipsometrie wird dabei über die komplette Beleuchtungspunktgröße gemittelt. Wenn der strukturierte Bereich auf der Probe kleiner ist als der Beleuchtungspunkt, oder die Struktur keine Periodizität aufweist, kann das Messergebnis durch in den Randbereichen reflektiertes Licht beeinträchtigt werden. Besonders problematisch ist dies bei freistehenden Nanostrukturen mit charakteristischen Größen kleiner als die Beleuchtungspunktgröße. In solchen Fällen kann abbildende Ellipsometrie genutzt werden. Dabei wird eine Müller-Matrix für jedes Pixel in einem Kamerabild gemessen, wodurch der Polarisationseinfluss der Probe lokal bestimmt wird. In diesem Beitrag liefern wir Ansätze, konkrete Zusammenhänge zwischen geometrischen Eigenschaften von Nanostrukturen auf Nebendiagonalelemente der Müller-Matrix zu ermitteln. Dazu haben wir einen Aufbau für die Messung von Müller-Matrix-Bildern bei verschiedenen Einfallswinkeln in Transmission und Reflexion realisiert sowie eine Probe gefertigt, mit der wir geometrische Struktureigenschaften in Müller-Matrix-Bildern systematisch messen. Wir stellen Messungen sowie numerische Simulationen zum Vergleich der Ergebnisse vor. Des Weiteren diskutieren wir thermische Einflüsse auf Messergebnisse und stellen einen Algorithmus zu deren Behandlung vor.

Light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) is a powerful method for 3D characterization of fluorescent samples. In this contribution we introduce the technique for the application in material analytics by demonstrating the 3D imaging of Ce 3+ -doped YAG (Y 3 Al 5 O 12 ) crystals isolated in a glass matrix. When excited with short wavelength laser radiation, the Ce 3+ doping enables fluorescence in the wavelength range between about 450 nm and 680 nm. Since the excitation wavelengths of Ce 3+ in the YAG and glass phases of the glass ceramic differ substantially, a suitable laser wavelength can be used to excite only the YAG phase. Thus, an imaging contrast to the surrounding glass matrix is generated. We exploit the crystal dendrites for monitoring the image contrast and improve it by a deconvolution operation of the images. This field of application of LSFM offers great potential, e. g. for fundamental understanding of the microstructuring processes in silicate glasses.

The working range of triangulation-based measuring systems is often limited by the depth of field of the applied optical system. Approaches such as increasing the depth of field range by reducing the aperture are limited in their effectiveness by a lower light yield and thus require a longer exposure time. Focus adjustable optics enable the depth of field to be modified and thus effect the location and shape of the working range. However, the validity of the model-based camera calibration is limited to the corresponding focus setting, especially with optics that exhibit the effect of focus breathing, i. e. whose focal length change with the focus setting. This paper presents an approach to model the calibration parameters over the entire focus range of a lens using function fitting of the camera parameters and the influence of different configurations on this process is examined.