Oszillierender mikrooptischer Fasersensor für die Präzisionsmesstechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Folgeprojekts wurde ein Demonstrator zur 3D-Oberflächentopographiemessung mit dynamischer Fokusnachführung erarbeitet und realisiert. Das Messsystem verwendet zur Erfassung der Messobjektoberfläche eine fasergekoppelte, interferometrische Messsonde mit hoher numerischer Apertur, die eine laterale Auflösung im µm-Bereich mit einer Höhenauflösung im nm-Bereich kombiniert. Die dynamische Fokusnachführung, die es dem System ermöglicht, Topographien mit kontinuierlichen Höhenänderungen im mm-Bereich zu erfassen, basiert auf dem Einsatz einer fasergekoppelten, interferometrischen Sonde mit geringer numerischer Apertur und einem Schärfentiefebereich von mehreren Zentimetern. Im Zusammenhang mit dem 3D-Topographiemesssystem wurde ein umfangreiches echtzeitfähiges Mikrocontrollersystem zur Signalverarbeitung und Messdatenerfassung realisiert. Die Generierung von Topographiemessdaten in Echtzeit ermöglicht die Regelung der dynamischen Fokusnachführung und ist eine Besonderheit des Messsystems. Während der Entwicklung des Demonstrators wurden verschiedene Messobjekte und neue Signalverarbeitungsstrategien untersucht. Mit dem fasergekoppelten Zweiwellenlängeninterferometer und einem Signalverarbeitungsalgorithmus zur Korrektur von Phasensprüngen bei der Topographieauswertung wurden berührungslose Messungen an rauen Oberflächennormalen durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass die durch taktile Messung ermittelten Kennwerte der Rauheitsnormale durch das optische Messsystem gut reproduziert werden können. Darüber hinaus gelang die Implementierung eines Algorithmus zur Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs in der Zweiwellenlängeninterferometrie auf dem Echtzeitsystem. Die Vergrößerung des Eindeutigkeitsbereichs konnte experimentell nachgewiesen werden. Der verwendete Algorithmus ist in seiner Anwendbarkeit nicht auf das im Projekt verwendete fasergekoppelte Zweiwellenlängeninterferometer beschränkt, sondern allgemein auf jedes Mehrwellenlängeninterferometer anwendbar. Der vergrößerte Eindeutigkeitsbereich ermöglicht Messungen an Strukturen mit großen Oberflächengradienten, die ansonsten zu systematischen Messfehlern führen würden. In Simulationen wurde die Auswirkung eines Resamplings der Interferogramm-Abtastwerte auf die Phasenauswertung mittels zeitdiskretem Hilberttransformationsfilter untersucht. Dabei zeigte sich eine Verringerung der Standardabweichung der Phasenwerte. Die Phasenauswertung durch Hilberttransformation führt zu einer deutlichen Erhöhung der Datenrate. Durch den aufgebauten Demonstrator besteht auch nach Abschluss des Projektes die Möglichkeit, Messergebnisse zu reproduzieren, neue Messobjekte zu untersuchen und neue Signalverarbeitungsstrategien in das Echtzeitsystem des Demonstrators zu integrieren und zu erproben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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High-resolution fibercoupled interferometric point sensor for micro- and nanometrology, 58th Ilmenau Scientific Colloquium, Ilmenau 2014
M. Schake, M. Schulz, and P. Lehmann
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Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs eines fasergekoppelten Zwei-Wellenlängen-Interferometers, XXIX. Messtechnisches Symposium des AHMT, Ilmenau, 2015
M. Schake und P. Lehmann
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High-resolution fibercoupled interferometric point sensor for micro- and nanometrology, tm - Technisches Messen, 82 (7–8), 367–376, 2015
M. Schake, M. Schulz, and P. Lehmann
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Anwendungsorientiertes Verfahren zur Eindeutigkeitsbereichserweiterung eines fasergekoppelten Zweiwellenlängeninterferometers, tm - Technisches Messen, 83 (4), 192-200, 2016
M. Schake und P. Lehmann
