Entwicklung eines Verfahrens zur konfokalen Mikrotopographievermessung mit Strukturprojektion

Diplomarbeit aus dem Jahr 1996 im Fachbereich Physik - Angewandte Physik, Note: 1,0, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) (Physik, Angewandte Physik), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Problemstellung:
Es wurde ein Algorithmus entwickelt, der die Auswertung von mikroskopischen Fokusserien, bezüglich der Oberflächenform des Objektes, mit einem Regressionsverfahren bei minimalem Speicherbedarf und sehr hoher Auflösung ermöglicht. Verschiedene strukturierte Raster wurden auf ihre Tauglichkeit zur mikroskopischen Projektion zwecks Kontrasterhöhung untersucht. Mehrere Kontrastoperatoren wurden bezüglich ihrer Eignung für dieses Verfahren geprüft und schließlich ein kombinierter Operator entworfen, der sich im praktischen Einsatz bewährt hat. Weiterhin wurde eine Methode entwickelt, um die axiale Auflösung zu bestimmen. Anhand dieses Parameters wurde das System optimiert. Schließlich wurden die Ursachen verschiedener systematischer Meßfehler analysiert und Möglichkeiten zu ihrer Beseitigung entwickelt bzw. aufgezeigt.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung1
1.1Motivation1
1.2Geschichte1
1.3Stand der Technik2
1.3.1Laserprofilometer2
1.3.2Streifenprojektion3
1.3.3Stereoskopie3
1.3.4Laser-Scanning-Mikroskop3
1.3.5Rastersondenmikroskop3
1.3.6Konfokale Verfahren4
2.Systembeschreibung5
2.1Aufbau5
2.2Meßmethode5
2.3Strukturbeleuchtung7
2.3.1Streuscheibe9
2.3.2Diafilm-Raster9
2.3.3Chrommasken9
2.3.4Auswahl des besten Rasters10
2.4Algorithmus10
2.4.1Scharfbild-, Kontrast-, und Momentenberechnung12
2.4.2Regression13
2.4.3Speicherbedarf13
2.4.4Laufzeit14
3.Kontrastoperatoren15
3.1Lokale Kontrastoperatoren15
3.1.1Laplace-Operator15
3.1.2AND Operator17
3.1.3Sobel Operator19
3.1.4Convsobel Operator19
3.2Globale Kontrastoperatoren22
3.2.1Aufteilung der Raumfrequenzen22
3.2.2Berechnung der Grenzfrequenzen23
3.2.3Fourier-Filterung24
3.3Vergleich der Operatoren25
3.3.1Axiales Auflösungsvermögen25
3.3.2Rechenzeit26
3.3.3Signal-Mittelwert-Verhältnis27
3.3.4Bewertung28
4.Geometrische Abschätzung des Auflösungsvermögens29
4.1Das Abbildungsmodell29
4.2Verschiebung der Fokusebene30
4.2.1Mikroskop31
4.2.2Kamera32
4.3Auflösungsvermögen324.4Messung des axialen Auflösungsvermögens32
4.4.1Methode33
4.5Theoretisches und experimentelles Auflösungsvermögen33
4.5.1Mikroskop33
4.5.2Kamera33
5.Optimale Abtastung der Kontrastkurve36
5.1Herleitung der optimalen Abtastung36
5.1.1Modellbildung36
5.1.2Fehlerfortpflanzung37
5.1.3Dreipunktabtastung38
5.1.4Optimale Schrittweite39
5.2Genauigkeit in Abhängigkeit von der Schrittweite40
5.2.1Optimale Genauigkeit40
5.2.2Genauigkeit bei nicht optimaler Abtastung41
6.Störgrößen und Meßfehler42
6.1Systematische Fehler42
6.1.1Defokussierungsfehler43
6.1.2Fehler bei Verwendung des Chromrasters46
6.1.3Fehler bei Verwendung der Streuscheibe46
6.1.4Abschattung47
6.1.5Fehler durch Formabweichungen der Kontrastkurve52
6.1.6Rundungsfehler55
6.1.7Bildfeldwölbung55
6.1.8Axiale chromatische Aberration59
6.2Statistische Fehler60
6.2.1Kontrastrauschen60
6.2.2Reproduzierbarkeit62
7.Anwendungsbeispiele63
8.Schluß65
8.1Resümee65
8.2Ausblick66
9.Danksagung67
ARegressionsformeln68
A.1Herleitung der quadratischen Regression68
A.2Herleitung der Ebenenregression70
BKontrastkurven72
CGlossar75
Literaturverzeichnis79

Klappentext

Inhaltsangabe:Problemstellung: Es wurde ein Algorithmus entwickelt, der die Auswertung von mikroskopischen Fokusserien, bezüglich der Oberflächenform des Objektes, mit einem Regressionsverfahren bei minimalem Speicherbedarf und sehr hoher Auflösung ermöglicht. Verschiedene strukturierte Raster wurden auf ihre Tauglichkeit zur mikroskopischen Projektion zwecks Kontrasterhöhung untersucht. Mehrere Kontrastoperatoren wurden bezüglich ihrer Eignung für dieses Verfahren geprüft und schließlich ein kombinierter Operator entworfen, der sich im praktischen Einsatz bewährt hat. Weiterhin wurde eine Methode entwickelt, um die axiale Auflösung zu bestimmen. Anhand dieses Parameters wurde das System optimiert. Schließlich wurden die Ursachen verschiedener systematischer Meßfehler analysiert und Möglichkeiten zu ihrer Beseitigung entwickelt bzw. aufgezeigt. Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis: 1.Einleitung1 1.1Motivation1 1.2Geschichte1 1.3Stand der Technik2 1.3.1Laserprofilometer2 1.3.2Streifenprojektion3 1.3.3Stereoskopie3 1.3.4Laser-Scanning-Mikroskop3 1.3.5Rastersondenmikroskop3 1.3.6Konfokale Verfahren4 2.Systembeschreibung5 2.1Aufbau5 2.2Meßmethode5 2.3Strukturbeleuchtung7 2.3.1Streuscheibe9 2.3.2Diafilm-Raster9 2.3.3Chrommasken9 2.3.4Auswahl des besten Rasters10 2.4Algorithmus10 2.4.1Scharfbild-, Kontrast-, und Momentenberechnung12 2.4.2Regression13 2.4.3Speicherbedarf13 2.4.4Laufzeit14 3.Kontrastoperatoren15 3.1Lokale Kontrastoperatoren15 3.1.1Laplace-Operator15 3.1.2AND Operator17 3.1.3Sobel Operator19 3.1.4Convsobel Operator19 3.2Globale Kontrastoperatoren22 3.2.1Aufteilung der Raumfrequenzen22 3.2.2Berechnung der Grenzfrequenzen23 3.2.3Fourier-Filterung24 3.3Vergleich der Operatoren25 3.3.1Axiales Auflösungsvermögen25 3.3.2Rechenzeit26 3.3.3Signal-Mittelwert-Verhältnis27 3.3.4Bewertung28 4.Geometrische Abschätzung des Auflösungsvermögens29 4.1Das Abbildungsmodell29 4.2Verschiebung der Fokusebene30 4.2.1Mikroskop31 4.2.2Kamera32 4.3Auflösungsvermögen32 4.4Messung des axialen Auflösungsvermögens32 4.4.1Methode33 4.5Theoretisches und experimentelles Auflösungsvermögen33 4.5.1Mikroskop33 4.5.2Kamera33 5.Optimale Abtastung der Kontrastkurve36 5.1Herleitung der optimalen Abtastung36 5.1.1Modellbildung36 5.1.2Fehlerfortpflanzung37 5.1.3Dreipunktabtastung38 5.1.4Optimale Schrittweite39 5.2Genauigkeit in Abhängigkeit von der Schrittweite40 5.2.1Optimale Genauigkeit40 5.2.2Genauigkeit bei nicht