Multisensor Mess- und Referenzsystem für optische Präzisionssensoren
Final Report Abstract
Das Multisensor Mess- und Referenzsystem ist eine Vorrichtung, mit der mit verschiedenen Sensoren Oberflächentopografien im Mikro- und Nanometerbereich in einer Aufspannung gemessen und die Resultate miteinander verglichen werden können. Aufgrund der hohen Präzision der lateralen Positionierund Scanachsen können auch lateral gegeneinander versetzte Messfelder zueinander in Bezug gesetzt werden. Vergleichende Untersuchungen von selbstentwickelten Sensoren mit Referenzsensoren unter identischen Umgebungsbedingungen und bei vergleichbaren Messfeldern ermöglichen die Analyse der Übertragungseigenschaften der eingesetzten Sensoren. Damit kann das Messsystem sowohl für typische Topografiemessungen als auch zur Grundlagenforschung eingesetzt werden. Zur Charakterisierung des Übertragungsverhaltens optischer Sensoren an Kanten und Flanken und damit einhergehend zur theoretischen Analyse des Batwing-Effektes wurden verschiedene mathematische Modelle untersucht. Dabei hat sich unter anderem herausgestellt, dass die Auswirkungen des Effektes abhängig von der Kantenhöhe und der effektiven Lichtwellenlänge des eingesetzten Sensors sind. Die Abhängigkeit der Batwinghöhe von der Lichtwellenlänge wird über den HWR-Wert (Height-to-Wavelength Ratio) ausgedrückt. Der praktische Nachweis der systematischen Abhängigkeit des Batwing-Effektes vom HWR-Wert wurde unter anderem mit dem selbst entwickelten Mirau-Interferometer des Multisensor-Messsystems erbracht. Die Beleuchtungswellenlänge des Interferometers lässt sich durch Wechseln der LED-Beleuchtung leicht ändern. Somit ließen sich Messungen mit unterschiedlichen Wellenlängen bei identischem Messfeld realisieren. Um die Abhängigkeit von der Stufenhöhe zu untersuchen, wurden Messungen auf Messobjekten mit verschiedenen Höhenstufen durchgeführt. Vergleichsmessungen mit einem Rasterkraftmikroskop und einem Konfokalmikroskop, die die Referenzsensoren des Messsystems darstellen, zeigen, dass neben der Höhendifferenz auch die Kantensteilheit ein wichtiges Kriterium für die Entstehung des Batwing-Effektes ist. Mit Hilfe des Multisensor-Messsystems konnten die Erkenntnisse der theoretischen Übertragungsmodelle für den interferometrischen Sensor und das Konfokalmikroskop praktisch verifiziert werden. Für Hochgeschwindigkeitsmessungen von Formänderungen einer Bremsscheibe wurde im Fachgebiet Messtechnik ein Single-Shot Streifenprojektionssystem realisiert. Zur Charakterisierung der Übertragungseigenschaften dieses Systems wurde auf Metallrohlingen eine Oberflächenstruktur in Form von Stufen eingefräst. Der Nachweis der tatsächlich vorliegenden Höhendifferenz wurde durch Vergleichsmessungen mit dem Konfokalmikroskop und dem Mirau-Interferometer erbracht. Die Messergebnisse der Sensoren dienen somit als Referenz für Untersuchungen mit dem Streifenprojektionsverfahren. Das Multisensor-Messsystem trug auch zur messtechnischen Qualifizierung eines Variable-Height- Kalibriermessobjektes des Fachgebiets Fertigungs- und Präzisionsmesstechnik der Technischen Universität Ilmenau bei. Dieses Messobjekt besitzt 2 mm lange eingelassene rampenförmige Strukturen mit einem maximalen Höhenunterschied von 4 µm. Diese Strukturen liegen in unterschiedlichen Grabenbreiten vor. Die variablen Höhendifferenzen des Messobjektes können so beispielsweise für die detailliertere Untersuchung des Batwing-Effektes genutzt werden. Mit dem Messsystem wurden auch Voruntersuchungen zur Überprüfung der Messbarkeit von additiv gefertigten Oberflächen mit unterschiedlichen optischen Messverfahren durchgeführt. Zudem trug das Multisensor-Messsystem zur Ermittlung geeigneter Messgeräteeigenschaften für die interferometrische Messung in einer maschinennahen Umgebung bei. Zurzeit werden verschiedene Auswertealgorithmen von Konfokalsignalen untersucht. Das Konfokalmikroskop stellt für diesen Zweck Signalverläufe von Messungen unter verschiedenen Bedingungen und Messobjekten zur Verfügung. Für die Untersuchung der Algorithmen werden unter anderem Vergleichsmessungen des Mirau-Interferometers und des Rasterkraftmikroskops herangezogen. Anzumerken ist, dass es sich bei dem Messsystem um eine individuelle Sonderanfertigung handelt, die auch zweieinhalb Jahre nach der Erstinbetriebnahme noch weiterentwickelt, ergänzt und optimiert wird. Erst danach kann das Potential des Gerätes in vollem Umfang genutzt werden.
Publications
- Influences of edges and steep slopes in 3D interference and confocal microscopy, SPIE Proceedings 9890, Optical Micro- and Nanometrology, 2016
W. Xie, S. Hagemeier, C. Woidt, H. Hillmer, P. Lehmann
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2228307) - Multisensor-Messsystem zur Messung von Mikro- und Nanotopographien, XXXI. Messtechnisches Symposium des AHMT, Technisches Messen 84(s1) 2017
S. Hagemeier, P. Lehmann
(See online at https://doi.org/10.1515/teme-2017-0031) - Transfer characteristics of optical profilers with respect to rectangular edge and step height measurement, SPIE-Proceedings 10329, 2017
W. Xie, S. Hagemeier, J. Bischoff, R. Mastylo, E. Manske, P. Lehmann
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2270185) - Vibration compensated high-resolution scanning white-light Linnik-interferometer, SPIE Proceedings 10329, 2017
S. Tereschenko, P. Lehmann, P. Gollor, P. Kühnhold
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2270226)
