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Messen und Prüfen - Optische 3-D-Messtechnik

Coherence-Scanning- Interferometrie (Weißlicht-Interferometrie)

1 Funktionsweise
2 Varianten
3 Beispiele
Vermessung von Bauteilen für Piezoeinspritzdüsen in Automotoren
Vermessung von Laserchips
Vermessung einer Euro-Münze
Tiefes Spritzgusselement
4 Zusammenfassung

Am Ende des 19. Jahrhunderts schuf der Amerikaner Albert A. Michelson mit der Erfindung des Interferometers die Grundlagen für die interferometrische Messtechnik. Die Kombination mit der heutigen modernen Bildverarbeitung ermöglichte die Weiterentwicklung zur hochgenauen Topographieerfassung, welche vielfach als industrielle Messtechnik angewendet wird. Das Erfassen von Parametern wie Rauheit, Ebenheit und Topographie zählt in vielen industriellen Qualitätskontrollen zum Standard, und dies bei immer kleiner werdenden Bauteilgrößen und Strukturen. Oft wird dies überhaupt nur durch eine zerstörungsfreie und schnelle Messtechnik möglich. Beide Kriterien erfüllt die Coherence-Scanning- Interferometrie (Weißlicht-Interferometrie).

1 Funktionsweise

Das moderne Coherence-Scanning- Interferometer besteht aus einer Lichtquelle mit einer Kohärenzlänge im µm-Bereich, einem Strahlteiler, einem Referenzspiegel und einer CCD-Kamera mit Objektivsystem (Bild 1). Im Gegensatz zu klassischen Interferometern sind die hier beschriebenen Weißlicht-Interferometer in der Lage, raue technische Oberflächen zu vermessen.

Bild 1. Telezentrischer Aufbau eines modernen Weißlicht-Interferometers (Quelle: Polytec GmbH)

Bild 1. Telezentrischer Aufbau eines modernen Weißlicht-Interferometers (Quelle: Polytec GmbH)

Die kurzkohärente Strahlung der Lichtquelle ermöglicht die hochgenaue Messung der Oberfläche. Dabei interferieren Objekt- und Referenzstrahl nur dann miteinander, wenn der Weg zwischen dem Strahlteiler und dem Objekt exakt dem Weg zwischen dem Strahlteiler und dem Referenzspiegel entspricht.

Zur Veranschaulichung kann man sich auf der Objektseite des Interferometers eine virtuelle Referenzebene denken. Interferenzen entstehen nur, wenn sich diese mit dem Objekt schneidet. Durch Verfahren der interferometrischen Anordnung gegenüber dem Messobjekt ist es nun möglich, die durch das Objekt gelegte, virtuelle Referenzebene zu verschieben. Dabei entsteht an jedem Punkt der Oberfläche, der sich mit der virtuellen Referenzebene schneidet, Interferenz. Die Interferenzen zeigen sich als Helligkeitsschwankungen auf der CCD-Kamera. Die Software wertet diese Schwankungen aus und ordnet jedem Pixel einen entsprechenden Höhenwert zu. So entsteht durch langsames Verfahren der virtuellen Ebene nach und nach ein hochgenaues Höhenbild der Oberfläche.

2 Varianten

Coherence-Scanning-Interferometer gibt es in verschiedenen Ausführungen. Während lange Zeit nur Mikroskopsysteme erhältlich waren, werden nun auch telezentrische Systeme mit größeren Messfeldern angeboten. Die beiden Varianten unterscheiden sich in der lateralen Auflösung, der Messfeldgröße und dem vertikalen Verfahrweg. Während Interferometer mit mikroskopischem Aufbau eine laterale Auflösung von 1µm und kleiner erreichen, weisen sie einen vertikalen Messbereich von nur einigen Millimetern oder weniger auf. Dazu kommt die recht kleine Messfeldgröße im Millimeter-Bereich. Zur Erfassung größerer Objekte müssen deshalb Einzelmessungen aneinander gereiht (gestitcht) werden. Bei Interferometern mit telezentrischem Aufbau werden typische laterale Auflösungen zwischen 10µm und 50µm und Messfeldgrößen im Zentimeterbereich erreicht. Der vertikale Verfahrweg beträgt mehrere Zentimeter.

Gemeinsam ist beiden Aufbauten die sehr hohe vertikale Auflösung. Bedingt durch die kurze Interferenzlänge der Lichtquelle sind Auflösungen von einigen Nanometern bei Coherence-Scanning-Interferometern typisch.

3 Beispiele Vermessung von Bauteilen für Piezoeinspritzdüsen in Automotoren

Zwei Dichtflächen eines Bauteils müssen bei einer Taktrate von ca. 5s als 3D-Profil aufgenommen und hinsichtlich Ebenheit, Parallelität und Abstand ausgewertet werden. Dabei ist eine Wiederholpräzision von ca. 100nm gefordert. Das Ergebnis ist in Abbildung 2 zu sehen.

Bild 2. Ebenheit und Parallelität zweier Ringflächen eines Werkstücks in Piezoeinspritzdüsen.

Bild 2. Ebenheit und Parallelität zweier Ringflächen eines Werkstücks in Piezoeinspritzdüsen.

Vermessung von Laserchips

Für die qualitative Bewertung von Laserchips ist es notwendig, die exakte Geometrie und Topographie jedes einzelnen Chips zu erfassen. Wichtige Parameter dabei sind Welligkeit, Rauheit und Durchbiegung. Da es sich um eine sehr empfindliche Oberfläche handelt, kann nur eine optische Messmethode zerstörungsfrei arbeiten. Die 3-D-Darstellung, wie in Bild 3 dargestellt, gibt erste Aufschlüsse über die allgemeine Topographie der Laserchips. Eine genauere Bewertung lassen Schnitte durch die Messdaten zu (siehe Bild 4). Diese können in alle beliebigen Richtungen gelegt werden und liefern einen Höhenverlauf entlang einer Linie. Anhand dieser Daten ist es nun möglich, die gewünschten Werte für die oben genannten Parameter zu berechnen.

Bild 3. Laserchip in 3-D-Ansicht (Quelle: Polytec GmbH)

Bild 3. Laserchip in 3-D-Ansicht (Quelle: Polytec GmbH)

Bild 4. Schnitt mit Höhenverlauf (Quelle: Polytec GmbH)

Bild 4. Schnitt mit Höhenverlauf (Quelle: Polytec GmbH)

Da alle Höheninformationen gleichzeitig vorliegen, ist es oft ratsam, einige Bereiche auszublenden. Im Beispiel dient dies der Untersuchung der Durchbiegung der eigentlichen Fläche des Laserchips. Bild 5 zeigt eine 3-D-Darstellung dieser Ansicht.

Auch durch diese Teilbereiche können, je nach Software, nach Belieben Schnitte gelegt und ausgewertet werden.

Bild 5. Oberfläche eines Laserchips (Quelle: Polytec GmbH)

Bild 5. Oberfläche eines Laserchips (Quelle: Polytec GmbH)

Vermessung einer Euro-Münze

Zu den klassischen Beispielen einer großflächigen Anwendung zählt die Vermessung einer Euro-Münze. Sie weist einen Innendurchmesser von 21,5mm auf und lässt sich nur mit einem telezentrischen Coherence-Scanning-Interferometer vollständig in einer einzigen Messung erfassen. Typische Messzeiten für dieses Beispiel liegen im Sekunden-bereich. Bild 6 zeigt eine 3-D-Darstellung der Münze.

Bild 6. 3-D-Darstellung einer Münze (Quelle: Polytec GmbH)

Bild 6. 3-D-Darstellung einer Münze (Quelle: Polytec GmbH)

Tiefes Spritzgusselement

Für die Vermessung tiefer Bauteile wird ein großer vertikaler Verfahrbereich benötigt. Durch ihre besonderen Eigenschaften ermöglichen telezentrische Systeme eine Messung entlang scharfer Kanten bis auf den Grund des Bauteils (Bild 7).

Bild 7. Spritzgusselement mit 18 mm Tiefe (Quelle: Polytec GmbH)

Bild 7. Spritzgusselement mit 18 mm Tiefe (Quelle: Polytec GmbH)

Alle Beispieldarstellungen wurden mit einem telezentrischem Coherence-Scanning-Interferometer (TopMap Serie, Polytec GmbH) aufgenommen.

4 Zusammenfassung

Die Coherence-Scanning-Interferometrie ist zu einem wichtigen Werkzeug für die zerstörungsfreie Qualitätsprüfung geworden. Auf dem Markt sind zwei Arten von Geräten etabliert: mikroskopische und telezentrische. Die Wahl des richtigen Geräts wird durch die Anwendung bestimmt. Auswahlkriterien sind dabei unter anderem die Messfeldgröße, die laterale Auflösung und der vertikale Verfahrbereich.

Dipl.-Ing. (FH) Jens Klattenhoff. Weißlicht-Interferometrie. In: Norbert Bauer (Hrsg.). Leitfaden zu Grundlagen und Anwendungen der optischen 3-D-Messtechnik, Erlangen 2003, S. 15-16. Mit freundlicher Genehmigung der Fraunhofer-Allianz Vision, Erlangen.
Inhaltliche Überarbeitung durch: Dr. Heinrich Steger, Leitung Strategisches Produktmarketing, Polytec; Erlangen 2012.

Dipl.-Ing. (FH) Jens Klattenhoff. Weißlicht-Interferometrie. In: Norbert Bauer (Hrsg.). Leitfaden zu Grundlagen und Anwendungen der optischen 3-D-Messtechnik, Erlangen 2003, S. 15-16. Mit freundlicher Genehmigung der Fraunhofer-Allianz Vision, Erlangen.
Inhaltliche Überarbeitung durch: Dr. Heinrich Steger, Leitung Strategisches Produktmarketing, Polytec; Erlangen 2012.

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