Qualitätssicherung
Qualitätssicherung Optische 3D-Oberflächenmesstechnik nutzt Piezotechnologie Bei Oberflächeninspektionen geht der Trend zu immer kleineren Strukturen, die es bis zu Nanometergenauigkeit abzubilden bzw. aufzulösen gilt. Bild 1: Die im Frühjahr 2014 eingeführte µsurf expert Bild 2: Optische 3D-Oberflächeninspektion eignet sich für den Labor- und Industrieeinsatz, z.B. in der Automobilindustrie zur Kontrolle des Lackerscheinungsbilds. Optische Messverfahren als berührungslose und zerstörungsfreie Analyse- und Prüfmethoden sind für viele Anwendungen das Mittel der Wahl, da sie auf nahezu allen Materialien einsetzbar sind und sich auch für empfindliche Proben eignen. Hochgenaue konfokale Abbildungsprinzipien können die Probentopografie und Rauheitsstrukturen nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ übereinstimmend mit taktilen Messverfahren darstellen, die in vielen Industrienormen beschrieben sind. Piezobasierte Autoren: Dipl.-Physiker Gernot Hamann, Business Development Manager für Mikroskopie bei Physik Instrumente (PI) und Ellen- Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee Positioniersysteme leisten dazu einen nicht unerheblichen Beitrag. Ein Wegbereiter der optisch-konfokalen 3D-Oberflächenmesstechnik ist die NanoFocus AG mit Stammsitz in Oberhausen..Unterschiedliche Produktlinien decken verschiedene Einsatzbereiche ab, von der schnellen Inline-Produktionsinspektion über flexible, kundenspezifische Lösungen bis hin zu den hochpräzisen µsurf-Systemen (Bild 1). Letztere arbeiten bei schnellen flächenhaften Messungen mit Auflösungen bis zu 1 nm in vertikaler Richtung, lateral mit bis zu 300 nm. Damit eignen sie sich sowohl für den Laborals auch den anspruchsvollen Industrieeinsatz (Bild 2). Das Messprinzip arbeitet zuverlässig sowohl auf transparenten als auf metallischen, auf rauen und auch polierten Oberflächen..Auch Schichtdicken teiltransparenter Oberflächen können durch spezielle Algorithmen ausgewertet werden. Das Herzstück jedes µsurf-Systems ist die integrierte konfokal-optische Filtereinheit, die mit einem hochpräzisen und schnellen Fokussiermodul kombiniert ist. Die patentierte Multi- Pinhole-Disc (MPD) wird als optischer Filter reflektierter Lichtstrahlen eingesetzt (Bild 3) und zeichnet sich durch eine Bild 3: Durch die Rotation der MPD wird die gesamte Probenoberfläche lückenlos gescannt: LED-Lichtquelle (1), Multi-Pinhole- Disc (2), Probenoberfläche (3), Spiegel (4) und CCD-Kamera. extrem streulichtarme und robuste Signalgebung bei hoher Lichtausbeute aus: Das Objektiv fokussiert dabei Licht einer Hoch- 8 1/2015
Qualitätssicherung Bild 4: 200 bis 400 Einzelbildern werden von Messsoftware in ein dreidimensionales Höhenbild umgewandelt. Linearität und Wiederholgenauigkeit bei hochdynamischen und hochauflösenden Positioniersystemen sind nicht denkbar ohne höchstauflösende Messverfahren. Genauigkeiten im Bereich weniger Nanometer und darunter erfordern Positionsmessverfahren, die Bewegung in diesem Bereich auch erfassen können. In der beschriebenen Anwendung sorgen kapazitive Sensoren für diese hochgenaue Istwert- Erfassung. Durch die hohe Bandbreite der Sensoren ist die Regelung auch im dynamischen Betrieb möglich. Die kapazitiven Sensoren eignen sich prinzipiell für Messbereiche bis 1 mm bei Auflösungen bis hinunter zu 0,01 nm. Die Auswertung der Sensordaten und die Ansteuerung des Piezoaktors des Positioniersystems übernimmt ein Controller mit integriertem Piezoverstärker..Die kompakte Sonderelektronik ließ sich sowohl mechanisch als auch hinsichtlich der Schnittstelleistungs-LED-Quelle durch die MPD auf die Oberfläche. Nur der Anteil des Lichts, der von einem Punkt auf der Oberfläche reflektiert wird, der genau im Fokusabstand des Objektivs liegt, kann die Punktöffnungen passieren. Durch Rotation lässt sich die gesamte Probenoberfläche schnell und lückenlos scannen. Durch Verfahren des Objektivs senkrecht zur Probenoberfläche werden nacheinander alle Höhenlinien der Probe fokussiert..Eine CCD-Kamera speichert zu jeder Objektivposition die Helligkeitswerte des Sichtfeldes ab..Punkte mit maximaler Helligkeit liegen dabei auf einer Höhenlinie..Jedes Konfokalbild ist ein horizontaler Schnitt durch die Oberflächen-Topografie der Probe..Aus der Gesamtheit der Bilder in unterschiedlichen Höhenabständen, dem sogenannten Bildstapel, lässt sich dann die 3D-Struktur der Probe ermitteln. Durchschnittlich besteht ein solcher Stapel aus 200 bis 400 Einzelbildern, die in wenigen Sekunden aufgenommen und von der Messsoftware in ein dreidimensionales Höhenbild umgewandelt werden (Bild 4) – mit wenigen Nanometern Genauigkeit..Piezo-Positionierung dient dazu, das Objektiv in Richtung der Z-Achse mit hoher Genauigkeit zu bewegen. Sie arbeiten verschleiß- und reibungsfrei sowie ohne Spiel und eignen sich aufgrund ihrer Dynamik für die hohen Aufnahmefrequenzen. Spielfreie und hochgenaue Festkörperführungen sorgen gleichzeitig für eine hohe Fokusstabilität..Auf diese Weise lässt sich in der beschriebenen Anwendung ein Verfahrweg von bis zu 500 µm realisieren; die Verfahrgenauigkeit der Kinematik liegt dabei im Nanometerbereich. Das im µsurf-System eingesetzte piezobasierte einachsige Positionssystem (Bild 5) stammt aus dem umfangreichen Produktprogramm der Karlsruher Firma Physik Instrumente. Es wurde genau auf die Anwendungsanforderungen abgestimmt, ließ sich dank seiner kompakten Abmessungen gut im Objektivträger integrieren Bild 5: Das piezobasierte einachsige Positionssystem wurde genau auf die Anwendungsanforderungen abgestimmt. Aufgrund seiner kompakten Abmessungen ließ es sich gut im Objektivträger unterbringen. (Fotos: NanoFocus, PI) und verfährt das Objektiv mit konstanter Geschwindigkeit. Zum Messen wird also nicht gestoppt. Kernanforderung ist eine hohe Geschwindigkeitskonstanz im Nanometerbereich..Wichtig ist aber auch die Wiederholgenauigkeit. len nahtlos in das Steuerungskonzept von NanoFocus integrieren. NanoFocus www.nanofocus.de Physik Instrumente (PI) www.physikinstrumente.de Dr. Georg Wiora, zuständig für strategische Entwicklung und Innovationsmanagement bei NanoFocus: „Das Positioniersystem für das Objektiv basiert auf Piezoaktoren. Sie arbeiten verschleiß- und reibungsfrei sowie ohne Spiel und eignen sich aufgrund ihrer Dynamik für hohe Aufnahmefrequenzen.“ 1/2015 9
