Fachwörter-Lexikon
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Weißlichtinterferometer - Oberflächenvermessung
Weißlichtinterferometer sind optische Messgeräte, die breitbandiges Licht im sichtbaren Bereich (meist mit LED als Lichtquelle) verwenden. Mathematisch lässt sich das abgestrahlte Bündel an Frequenzen als ein Wellenpaket mit einer mittleren Frequenz zusammenfassen (Abb. 1), dessen Ausdehnung und Form von der spektralen Verteilung definiert wird. Je breiter die Verteilung ist, desto geringer ist die Ausdehnung (Länge) des Wellenpaketes (anschaulich: das Wellenpaket beschreibt den Bereich, in dem die Lichtwellen im Takt schwingen (feste Phasenbeziehung zueinander)). Physikalisch wird dieser Bereich als kohärent bezeichnet.
Abb. 1: Wellenpaket mit Einhüllenden (blau) und mittlerer Frequenz (orange)
Das Wellenpaket wird in einem Strahlteiler in zwei gleichartige Portionen zerlegt. Ein Teil trifft im Referenzarm auf einen Spiegel und wird dort zurück reflektiert. Der andere Teil reflektiert auf der Objektoberfläche. Beide Pakete werden auf dem Rückweg wieder im Strahlteiler vereinigt. Sind die optischen Wege der beiden Teilstrahlen nahezu gleich, dann treffen sich die zuvor getrennten Wellenpakete wieder und können messbar interferieren. Der Unterschied der beiden optischen Wege darf dabei nicht größer sein als die Ausdehnung bzw. Länge des Wellenpaketes. Die Länge wird auch als Kohärenzlänge bezeichnet, da nur in diesem Bereich die Wellen im Takt schwingen und so eine messbare Interferenz stattfinden kann. Registriert wird in diesem Bereich eine durch Interferenz verursachte Intensitätsänderung.
Für die Messung bedeutet dies, dass Interferenzstreifen (Hell-Dunkel-Schwankungen) nur in einem sehr kleinen Bereich von wenigen µm erkennbar sind (die Probe muss sehr genau angefahren werden). Interferometer sind so ausgelegt, dass sich in diesem Bereich auch der Fokus befindet. Außerhalb des Interferenzbereichs ist das Bild eine reine Überlagerung aus Objektoberfläche und Spiegel. Durch das Auftreten der Interferenzerscheinungen in einem schmalen Abstandsbereich, lassen sich Interferenzstreifen auch als Höhenlinien interpretieren.
Vereinfacht wird die Einhüllende eines Wellenpaketes als eine Gaußverteilung angenähert. Dadurch sind Interferenzerscheinungen umso kontrastreicher und deutlicher, je besser die zwei zurückreflektierten Wellenpakete sich überlagern. Bei einer Messung werden die Lichtwege von Objektarm und Referenzarm zueinander geändert, indem z.B. der Messkopf mit einem festen Referenzarm in der vertikalen Achse verfährt, so dass das Objekt in der Höhe durchfahren wird und jeder Objektlichtstrahl mit dem entsprechenden Referenzlichtstrahl interferieren kann. Durch die Form des Wellenpaketes sind bei einer leichten Überlagerung die Interferenzerscheinungen nur schwach ausgeprägt, die mit zunehmend besseren Übereinstimmung deutlich sichtbarer werden, um wieder abzuklingen, wenn die Differenz beider Lichtwege wieder größer wird. Im Gegensatz dazu sind bei einer Laser-Beleuchtung immer Interferenzen deutlich sichtbar.
Abb. 39: Prinzipieller Interferometer-Aufbau
Die Auswertesoftware hat bei dem charakteristischen Verlauf des Interferenzsignals (Korrelogramm) den Vorteil, dass neben dem Hell-Dunkel-Übergang (Phase) auch der Verlauf des Kontrastes zur Positionsbestimmung verwendet werden kann. Die Einhüllende des Korrelogramms wird vom Spektrum der Lichtquelle definiert und ist unabhängig von der Apertur. Deshalb spielt bei Interferometern im Gegensatz zu fokalen Messsystemen die Art des Objektivs (Messfeld, Arbeitsabstand) keine Rolle bei der vertikalen Auflösung. Für die möglichst präzise Erfassung des Korrelogramms wird die Abstandsänderung in Nanometer-Schritten durchgeführt (üblicherweise über Piezoversteller oder hochpräzise Linearachsen). Damit kann die maximale Interferenz in jedem Pixel mit der entsprechenden Position der Achse korreliert und die Topografie des Objektes erzeugt werden.
Eine sehr breitbandige Lichtquelle führt zu einem sehr kurzen Wellenpaket mit einer entsprechend steilen Einhüllenden, während eine Einschränkung der Bandbreite zu einer Ausdehnung des Wellenpakets führt. Im Grenzfall einer monochromatischen Lichtquelle entspräche das einer unendlichen Ausdehnung des Wellenpakets.
Auf technisch glatten Oberflächen lassen sich mit dem Weißlichtinterferometer Wiederholbarkeiten in der vertikalen Richtung im nm-Bereich erreichen. Je rauer die Oberfläche wird, desto mehr kommen Störreflexe benachbarter Objektpunkten zum Tragen, die im Extremfall zu einer zufälligen Verschiebung der Phase im Korrelogramm führen und keiner Position mehr zugeordnet werden können. Die Oberfläche erscheint mit einem fleckigen Muster (engl.: Speckles) und der Auswertealgorithmus kann nur noch die Einhüllende des Korrelogramms verwenden, was die Genauigkeit etwas reduziert. Bei Interferometern beeinflusst damit die Rauheit die Genauigkeit der Höhenmessung. Bei typischen technischen (metallischen) Oberflächen mit Rauheiten kleiner 1 µm sind Wiederholbarkeiten im nm-Bereich problemlos möglich. Gegenüber anderen optischen Messverfahren kann die Weißlichtinterferometrie sowohl bei sehr glatten, kontrastarmen Oberflächen als auch auf sehr rauen Oberflächen eingesetzt werden.
Vorteil der Weißlichtinterferometrie ist die Anwendungsbreite, wenn es um hochpräzise, flächenhafte Oberflächenmessungen geht: Objektive mit geringen Arbeitsabständen und hoher Apertur oder Objektive mit großen Messfeldern und Arbeitsabständen von einigen cm. Somit können z.B. feinste Strukturen, tiefsitzende Flächen oder über Ablenkspiegel auch Innenwände von Bohrungen vermessen werden.
Die Objektive sind normalerweise bereits mit einem Referenzarm ausgestattet (erkennbar an seitlich abstehenden Erweiterungen des Objektivs oder breiterer Bauart mit einem Justage-Ring). Die Objektive lassen sich so ohne Anpassung des Referenzarm beliebig austauschen. Der Scan selbst wird typischerweise mit dem gesamten Messkopf durchgeführt, um den Abstand von Objektiv und Objekt zu verändern. Die Geschwindigkeit bewegt sich bei den Weißlichtinterferometern bei einigen µm/s und kann bei entsprechender Unterabtastung auch bis zu mm/s betragen.
Der relativ große und damit sichere Messabstand, die hohe Scangeschwindigkeit und die hohe Wiederholbarkeit ermöglichen einen Einsatz unter Fertigungsumgebung; im klassischen Maschinenbau bevorzugt in der Qualitätssicherung und in Feinmessräumen als Ersatz oder Ergänzung taktiler Form- und Rauheitsmessgeräte. In der Entwicklung ist das Weißlichtinterferometer vor allem bei tribologischen Untersuchungen gut geeignet. Durch die flexible Gestaltung des Bildfeldes und des Arbeitsabstandes können auch schwer zugängliche Stellen erfasst werden oder geringste Verschleißtiefen von wenigen Nanometern. Neben Verschleißtiefen auf ebenen Flächen z.B. auch Schichtabplatzer auf kegelförmigen Flächen oder Kavitationsschäden in Zylinderbohrungen vermessen werden.
Mit der tribologischen Belastung verbundenen Änderung der Topografie ändern sich oft auch die Reflexionseigenschaften. Durch Überlagerung des Objektstrahls mit dem Referenzstrahl kann es zu einer Dominanz des Referenzstrahls kommen (Interferenzerscheinung werden unterdrückt). Das lässt sich durch Abdunkeln des Referenzstrahls mittels Filter oder Aufnahme und Zusammenfügen mehrere Bilder mit verschiedenen Beleuchtungsstärken korrigieren.
Interessant für tribologische Untersuchungen ist auch die Farbinformation der Oberfläche. Moderne Geräte erzeugen künstliche Farbbilder aus verschiedenen Farben oder arbeiten mit einer Farbkamera (Abb. 40 und 41).
Autor: Dr. rer. nat Jochen Strähle, Robert Bosch GmbH
Abb. 40: Topografie einer lasergebohrten Oberfläche (Lochdurchmesser in der Größenordnung eines Haars)
Abb. 41: Verformung des Randes durch Einpressen von Steckerpins auf einer Platine
Strahlen mit Glasperlen
Kaum oder nicht abrasiv wirkt das Stahlen mit Glaskugeln. Es dient beispielsweise zum Mattieren von Oberflächen auf dekorativen Metallteilen, kann aber auch zur Aktivierung von Stählen vor einer Beschichtung in Betracht kommen. Beim dekorativen Strahlen ist zu berücksichtigen, dass die Glaskugeln im Prozess brechen können und die Bruchstücke in die Oberfläche eingedrückt werden können. Bei der Beschichtung mit galvanischen Schichten können derartige Bruchstücke Quellen für Blasenbildungen und nachfolgender Korrosion sein. Bei der galvanischen Beschichtung ist darauf zu achten, mit geringen Schichtdicken (weniger als 2 µm bis 3 µm) oder mit speziellen Verfahren – glanzerhaltende Abscheidung – zu beschichten.
Atmosphärendruckplasma - Solartechnik
Auf Solarzellen wurde bislang als Korrosionsschutz eine polymere Beschichtungen im µ-Bereich erzeugt. Die atmosphärische Plasmapolymerisation ergibt den gleichen Schutz, jedoch bei weit geringerer Schichtdicke und zwar im Nanometerbereich, was eine deutliche Reduzierung der Lichtabsorption der Schicht zufolge hat.