Kontaktlose Messgeräte zur Messung von Rauheiten und Profilen auf Oberflächen

Kontaktloser Typ

Anstelle des Taststifts von Kontaktmessgeräten arbeitet ein kontaktloses Messinstrument mit Licht. Es gibt viele Messgeräte dieser Art, wie zum Beispiel den konfokalen Typ oder Weißlicht-Interferenzmessgeräte, die je nach verwendetem Funktionsprinzip variieren. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl an kontakthaften Detektoren, wie solche, die durch Ersetzen der Prüfspitzen durch optische Sensoren in kontaktlose Messgeräte umgewandelt wurden, oder Mikroskope. In diesem Abschnitt wird das KEYENCE-3D-Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X als Beispiel herangezogen, um den konfokalen Typ zu erläutern.

Ein 3D-Laserscanning-MIkroskop verwendet das Konfokalprinzip, um Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche eines Messobjekts zu messen.
Dabei nutzt es einen Laser als Lichtquelle. Das System ist wie in der Abbildung rechts dargestellt konfiguriert. Das Messobjekt wird auf dem XY-Objekttisch der Messeinheit platziert und anschließend gemessen.

Beim KEYENCE-3D-Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X ist in die Messeinheit ein X-Y-Scanner integriert. Der Laser, der als Lichtquelle dient, tastet die Oberfläche des Messobjekts in X- und Y-Richtung ab, um die Oberflächendaten zu ermitteln. Die Funktionsprinzipien sind weiter unten erläutert.

Messprinzipien eines 3D-Laserscanning-MIkroskops

1. 1. Der Strahl aus der Laserlichtquelle tastet die Oberfläche des Messobjekts ab.
2. 2. Das von der Oberfläche des Messobjekts reflektierte Laserlicht geht durch einen halbdurchlässigen Spiegel und trifft auf das Lichtaufnahmeelement. An diesem Punkt werden die Intensität der empfangenden Reflexion und die Höhenposition des Objektivs abgespeichert. Das Lasermikroskop nimmt 1024 Datenpunkte in X- und 768 in Y-Richtung auf. Die Intensität des reflektierten Lichts und die Linsenhöhe werden für jeden dieser 1024 × 768 = 786432 Punkte aufgezeichnet.
3. 3. Wenn eine Oberflächenebene komplett abgetastet wurde, wird das Objektiv um die festgelegte Schrittweite in Z-Richtung verschoben.
4. 4. Der Abtastvorgang wird an der Stelle, an die das Objektiv verschoben wurde, wiederholt, und wieder wird an 1024 × 768 Punkten die Intensität des reflektierten Lichts gemessen. Die Lichtintensität jedes einzelnen Pixels wird mit der zuvor gespeicherten Lichtintensität verglichen. Ist die neue Lichtintensität höher, werden die Daten für die reflektierte Lichtintensität und die Höheninformation überschrieben.
5. 5. Die Schritte (2) bis (4) werden bis zum vorgegebenen Z-Abstand wiederholt.
6. 6. Am Ende sind für jedes der 1024 × 768 Pixel ein Wert für die Intensität des reflektierten Lichts und die Linsenhöhe zum Zeitpunkt der stärksten Laserlichtreflexion im Speicher abgelegt.
7. 7. Bei optischen Mikroskopen ist der Arbeitsabstand WD (Working Distance: Abstand vom Objektiv zum Messobjekt), bei dem die Objektivlinse fokussiert ist, konstant. Wenn man davon ausgeht, dass das Bild fokussiert ist, wenn die Intensität des reflektierten Lichts ihren maximalen Wert erreicht, dann kann man 3D-Daten im Betrachtungsbereich (1024 × 768 Pixel) des Mikroskops erhalten, indem man die Objektivhöhen zusammenfügt, bei denen das Bild fokussiert war, d. h. wenn die Intensität des reflektierten Lichts am höchsten war.

Messgenauigkeit eines 3D-Laserscanning-MIkroskops

Die Fähigkeit, den Spitzenwert der reflektierten Lichtintensität präzise abzulesen, hat erhebliche Auswirkungen auf die Messgenauigkeit von konfokalen Messsystemen. Es gibt viele Möglichkeiten, ein konfokales optisches System aufzubauen. Im Folgenden wird die konfokale Lochblenden-Methode erläutert, die an KEYENCE-3D-Laserscanning-MIkroskopen eingesetzt wird. Bei der konfokalen Lochblenden-Methode wird eine Lochblende vor dem Lichtaufnahmeelement platziert. Die Lochblende hat einen Durchmesser im zweistelligen Mikrometerbereich und blockiert das reflektierte Licht, wenn das Bild nicht im Fokus ist. Ist das Bild fokussiert (folgende Abbildung), wird das reflektierte Licht vom Lichtaufnahmeelement sowohl im normalen optischen System als auch im konfokalen optischen Lasersystem empfangen. Schaut man sich den Teil der Abbildung an, in dem das Bild nicht fokussiert ist, gelangt das reflektierte (unfokussierte) Licht nur durch das normale optische System, wird aber von der Lochblende im konfokalen optischen Lasersystem blockiert. In anderen Worten: Die Struktur ist so gewählt, dass das reflektierte Licht nur auf das Lichtaufnahmeelement trifft, wenn das Bild fokussiert ist, und diese Struktur wird verwendet, um ein konfokales optisches System einzurichten.

Die Wirkung der Lochblende auf das eingehende Licht ist in der Abbildung rechts dargestellt. Bei der konfokalen Optik erreicht die Lichtintensität am Brennpunkt ihren Spitzenwert. Andererseits führt die normale Optik zu einer sanft ansteigenden und abfallenden Kurve. Der fehlende Spitzenwert am Brennpunkt macht es schwerer, zu erkennen, wann das Messobjekt fokussiert ist.

Laserauflösung in XY-Richtung

Beim kontaktlosen Typ entspricht der Lichtpunkt dem Taststift der Kontaktmessgeräte. Kontaktlose Typen berühren das Messobjekt nicht direkt, worin sie sich von den Kontaktmessgeräten unterscheiden. Daher haben kontaktlose Messeinrichtungen den Vorteil, dass die Taster nicht verschleißen und Messobjekte nicht zerkratzt werden können. Allerdings spielt die Größe des Lichtpunktdurchmessers eine wesentliche Rolle bei der präzisen Messung des Objektprofils. Grundsätzlich gilt: Je kleiner der Lichtpunktdurchmesser, desto kleinere Mängel lassen sich stabil erkennen. Lasermikroskope nutzen Laser als Lichtquelle, mit denen sich extrem kleine Lichtpunkte erzeugen lassen. Zusammen mit einem 150×-Objektiv (N.A.=0,95) erreicht das Modellreihe VK-X, das als Lichtquelle einen violetten Laser nutzt, eine ebene räumliche Auflösung von 0,13 μm.