Optical scanning sensor system with submicron resolution

Selva Ginani, Luciano GND

In this work, autofocus and optical scanning technologies are brought together in the design of a simplified scanning microscope. The developed system uses an autofocus sensor based on the Foucault knife-edge principle and piezo-based stages for scanning the samples in axial and lateral directions. It is built with a reduced number of components and designed to offer a simple set-up for the analysis of optical aberrations. The traditional way of addressing optical aberrations in scanning system is to improve the optical system such that it works as a paraxial lens. Breaking this paradigm and observing the optics as part of a complex system, it is possible to use simpler optics and correct the resultant errors computationally. These errors are systematic and, as long as they can be measured and modelled, they can be predicted and corrected. This way, the design of the system becomes more flexible and the task of error handling can be divided between optics optimization and computational correction, reducing overall size and weight, raising system dynamics and reducing costs.

Laser-Scanning Mikroskopie ist eine im Bereich der Oberflächenmessung wichtige und vielversprechende Technologie für schnelle, genaue und wiederholbare Messungen. Es ist im Grunde eine Technik zur Erhöhung von Kontrast und Auflösung in optischen Abbildungssystemen. Ein Prüfling wird punktweise abgetastet und ein dreidimensionales Bild seiner Oberfläche mit Hilfe eines Rechners erfasst und rekonstruiert. In dieser Arbeit werden Autofokus- und optische Abtastverfahren in der Entwicklung und Konstruktion eines alternativen, vereinfachten Scanning Mikroskops für Oberflächenmessungen im Millimeterbereich mit Sub-Mikrometer Auflösung zusammengebracht. Das entwickelte System verwendet einen auf dem Foucault‘sches Schneidenverfahren basierenden Autofokussensor um die Fokuslage zu bestimmen und einen Piezo-Linearantrieb für die Verschiebung des Objektivs entlang der optischen Achse und das Abtasten des Prüflings in der axialen Richtung. Die laterale Abtastung des Prüflings wird durch den Einsatz eines Piezo-Spiegels realisiert, der um zwei Achsen schwenkbar ist. Das entwickelte Mikroskop hat eine reduzierte Anzahl von optischen Komponenten und bietet einen einfachen und vielseitigen Versuchsaufbau zur Messung und Analyse von Fehlern, die durch die bewusste Verwendung von unkompensierten Optiken auftreten. Die damit verbundenen Abbildungsfehler erzeugen Asymmetrien in den Autofokussensoren und beeinträchtigen die Gesamtleistung. Die herkömmliche Lösung dieser Problematik ist das System durch Addition zusätzlicher Komponenten zu verbessern, sodass es wie ein paraxiales System wirkt. Diese Verbesserung bringt aber die Nachteile von Baugröße, Gewicht und Kosten mit sich. Durch das Brechen des Paradigmas der Verbesserung der Optik bis zu einem paraxialen System und die Betrachtung der Optik als Teil eines komplexen Systems ist es möglich, simplere Optik zu verwenden, und die resultierenden Fehler rechnerisch zu korrigieren. Diese Fehler sind systematisch und können – solange sie modelliert und gemessen werden können – vorhergesagt und korrigiert werden. Damit wird das Design des optischen Systems flexibler und die Aufgabe der Fehlerbehandlung zwischen Optimierung der Optik und rechnerischer Korrektur aufgeteilt. Baugröße, Gewicht und Kosten können dann reduziert werden und die Systemdynamik erhöht sich, ohne Einschränkung der Präzision. Das Ziel ist nicht jeden Abbildungsfehler individuell zu untersuchen, sondern deren Zusammenwirken auf die Messungen zu beobachten und zu modellieren. Verschiedene Strategien für die Behandlung dieser Messfehler werden in dieser Arbeit vorgeschlagen, diskutiert und experimentell validiert.

Laser Scanning Microscopy has been used for a long time in the field of surface measurement and is today one of the most promising technologies for fast, accurate and repeatable measurements. It is technique for increasing contrast and resolution in optical imaging systems through the rejection of out-of-focus light. Images are acquired point-by-point and reconstructed with a computer, allowing three-dimensional reconstructions of objects. In this work, autofocus and optical scanning technologies are brought together in the design of an alternative simplified scanning microscope for surface measuring in millimetre range with sub-micrometer resolution. The developed system uses an autofocus sensor based on the Foucault knife-edge principle to generate a defocus signal and a piezo positioning stage for translating the objective and scanning the samples in the axial direction. For the lateral scanning, a piezo driven tip-tilt mirror is used. The developed scanning microscope is built with a reduced number of optical components and designed to offer a simple and versatile set-up for the measurement and analysis of errors induced by optical aberrations due to the use of suboptimal optics. The use of uncompensated lenses has always been avoided in scanning microscopy as it generates asymmetries in the defocus signal and deteriorates its overall performance. The traditional way of solving this problem is to improve the optical system such that it works as a paraxial lens, but that comes with the price of heavy and costly optics. By breaking the paradigm of improving the optics to a paraxial lens and observing the optics as part of a complex system, it is possible to use simpler optics and correct the resultant errors computationally. These errors are systematic and, as long as they can be measured and modelled, they can be predicted and corrected. This way, the design of the optical system becomes much more flexible and the task of error handling can be divided between optics optimization and computational correction, reducing overall size and weight, raising system dynamics and reducing costs, without losing accuracy. The goal is not to study each optical aberration individually, but to measure and model their combined influence in the measurements. Different strategies for addressing these measurement errors caused by the use of uncompensated optics are proposed, discussed and experimentally validated

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Selva Ginani, Luciano: Optical scanning sensor system with submicron resolution. Ilmenau 2013. Universitätsverlag Ilmenau.

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