Holographie

Am Lehrstuhl für Photonik und Terahertztechnologie werden zwei holographische Verfahren zur topographischen Vermessung von Objekten angewendet: die photorefraktive Holographie und die digitale Holographie.

Funktionsprinzip der Holographie:

Bei der Holographie überlagern sich zwei kohärente Strahlen in einem holographischen Material und bilden ein Interferenzmuster aus, welches als Hologramm bezeichnet wird. Wenn einer der Strahlen vorher an einem Objekt reflektiert wurde, so trägt dieser Strahl - genannt Objektstrahl - die topografische Information des Objektes. Wird er mit einem ungebeugten Strahl - dem Referenzstrahl - überlagert, wird in dem sich ergebenden Hologramm die Objektinformation gespeichert (Abbildung 1a). Die Information kann wieder gewonnen werden, indem der Referenzstrahl das Hologramm erneut bescheint und am Hologramm so gebeugt wird, dass der Objektstrahl wieder erzeugt wird (Abbildung 1b).

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Abbildung 1a: Schreiben eines Hologramms, O = Objektstrahl, R= Referenzstrahl.

Abbildung 1b: Lesen eines Hologramms, RO = rekonstruierter Objektstrahl, R = Referenzstrahl

Photorefraktive Holographie:

Als holographisches Material wird bei diesem Verfahren ein photorefraktiver Kristall verwendet. Durch eine breitbandige Lichtquelle kann die komplette Tiefeninformation mit nur einem Schuss in verschiedenen Hologrammen in dem photorefraktiven Kristall gespeichert werden [1,2]. Durch eine Auswertung über alle spektralen Komponenten, die mit der der optischen Kohärenztomographie verwandt ist, ist es möglich im Anschluss die Tiefeninformationen aus den gespeicherten Hologrammen zu gewinnen. Die laterale Auflösung liegt dabei durch die Größe der Pixel und verwendeten Optiken im µm-Bereich. Die axiale Auflösung ist abhängig von der Anzahl der Wellenlängenkomponenten und ist zurzeit im 100 µm Bereich zu realisieren. Ein Beispiel einer Probe mit Fotographie und Tiefeninformation ist in Abbildungen 2a-2b gegeben.

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Abbildung 2a: Fotographie der Probe

Abbildung 2b: Tiefeninformation der Probe

Digitale Holographie:

Bei der digitalen Holographie wird kein holographisches Material zum Speichern des Hologramms verwendet, sondern eine CCD- oder CMOS-Kamera. Der prinzipielle Aufbau ist in Abbildung 3a gezeigt.

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Abbildung 3a: Aufbau zur digitalen Holographie, O = Objektstrahl, R= Referenzstrahl

Um die Objektinformation zu erhalten, werden Amplitude und Phase des Objektstrahls aus dem Hologramm numerisch rekonstruiert. Dabei kann eine laterale Auflösung - begrenzt durch die Pixelgröße des CCD chips und der verwendeten Optiken - von mehreren µm erreicht werden. Eine axiale Auflösung ist im 10 nm-Bereich erreichbar. Eine Rekonstruktion eines Bond-Pads einer MOEMS Struktur (Abbildung 3b) ist in Abbildung 3c zu sehen.

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Abbildung 3b: Bond-Pad

Abbildung 3c: Rekonstruierte Bond-Pads

Digitale holographische Mikroskopie:

Durch das Hinzufügen eines Mikroskopobjektivs kann sowohl die laterale als auch die axiale Auflösung verbessert werden. Außerdem können numerische Amplituden- und Phasenfilter auf den Datensatz angewendet werden, so dass verschiedene Filtereffekte wie zum Beispiel die Dunkelfeldmikroskopie ohne das Hinzufügen von mechanischen Komponenten numerisch realisiert werden können. Ein typischer digital holographischer Mikroskopieaufbau ist in Abbildung 4 gezeigt.

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Abbildung 4: Digitale holographische Mikroskopie, O = Objektstrahl, R = Referenzstrahl, MO = Mikroskopobjektiv

In Abbildung 5a und 5b ist links die Amplitudenrekonstruktion und rechts die Phasenrekonstruktion eines USAF Testcharts dargestellt.

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Abbildung 5a: Amplitudenrekonstruktion

Abbildung 5b: Phasenrekonstruktion

Mit Hilfe der Phase kann die Höhenstruktur des zu vermessenden Objektes dargestellt werden. Eine dreidimensionale Darstellung des Testcharts ist in Abbildung 6 zu sehen. Es können Höhenstrukturen zwischen ca. 10 nm und 400 nm rekonstruiert werden. Lateral ist die Auflösung kleiner als 2 µm.

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Abbildung 6: 3-dimensionale Rekonstruktion des Testchart

Dual-wavelength scanning:

Objekte, die größere Höhenunterschiede besitzen, können mit Hilfe des Dual-wavelength scannings dargestellt werden. Bei diesem Verfahren werden zwei digitale Hologramme mit unterschiedlicher Wellenlänge aufgenommen und ihre berechneten Phasen voneinander subtrahiert. Die sich ergebenden Phasendaten stellen die Phasendaten einer größeren synthetisierten Wellenlänge dar, durch die man höhere Strukturen rekonstruieren kann. Abbildung 7 zeigt die Rekonstruktion von 200 µm hohen Metallstufen, die mit zwei Hologrammen der Wellenlängen 833 und 834 nm aufgenommen wurden.

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Abbildung 7: 3-dimensionale Rekonstruktion einer Stufenprobe mit Dual-wavelength scanning

Übersicht der Auflösung holographischer Verfahren:

Verfahren Bildbereich laterale Auflösung axiale Auflösung (Minimun) axiale Auflösung (Maximum)
Photorefraktive Holographie bis 25 mm² Beschränkung durch Pixelgröße 200 µm 1,5 mm
Digitale Holographie bis 25 mm² Beschränkung durch Pixelgröße 30 nm 420 nm
Digitale holographische Mikroskopie 10 mm² bis 0,1 mm² bis 1µm 10 nm 420 nm
Dual-wavelength scanning bis 25 mm² bis 1 µm 450 nm bis 3,5 µm 9 µm bis 70 µm

Referenz:

  • [1] Koukourakis, N., Kasseck, C., Rytz, D., Gerhardt, N. C., & Hofmann, M. R. (2009). Single-shot holography for depth resolved three dimensional imaging. Optics Express, 17(23), 21015-21029.
  • [2] D. Grosse, N. Koukourakis, N. C. Gerhardt, T. Schlauch, J. C. Balzer, A. Klehr, G. Erbert, G. Tränkle, and M. R. Hofmann, “Single-shot holography with colliding pulse mode-locked lasers as light source,” in Proceedings of the International Quantum Electronics Conference and Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim 2011, (Optical Society of America, 2011), paper C835.

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