Mehr als Lasermessgeräte

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Laserbasierte Triangulationsmessgeräte sind seit über 50 Jahren im Einsatz und werden von vielen Anwendern als Massenware betrachtet. Walzwerke verwenden Lasermessgeräte, um die Ebenheit von gewalztem Blech zu prüfen, Gießereien verwenden sie, um die Höhe von geschmolzenem Metall zu messen, und Automobilhersteller verwenden sie, um Passgenauigkeit und Verarbeitung von Autos zu überprüfen. Die Preise sind im Laufe der Jahre gesunken und die Möglichkeiten haben sich verbessert. Messungen auf ein Tausendstel Zoll über einen Bereich von mehreren Zoll sind für ein paar hundert Dollar möglich, während Sensoren mit großer Reichweite und äußerst robuster Technologie nur etwas mehr kosten. Diese Sensoren bieten eine hohe Zuverlässigkeit und Robustheit, weisen jedoch weiterhin einige Probleme auf, wie z. B. das „Laserflecken“-Rauschen auf rauen Oberflächen und variablen Texturen, die immer noch einige Herausforderungen darstellen.

In den letzten 10 bis 20 Jahren wurden neue optische Sensoren auf den Markt gebracht, die neue Fähigkeiten bieten, wie z. B. Submikron-Fähigkeiten für die Messung kleiner Präzisionsteile sowie Online-Oberflächenmessungen, die früher nur mit nicht wirklich kompatiblen Präzisionsmessinstrumenten möglich waren mit der prozessbegleitenden Fertigungsumgebung. Zu diesen neueren Tools gehören:

Es gibt mehrere Anbieter dieser Tools und natürlich werden immer wieder neue Variationen entwickelt. In diesem Artikel untersuchen wir, wie diese neuen optischen Sensoren funktionieren und wie sie eingesetzt werden könnten, um kritische Anforderungen an die Teilequalifizierung und Prozesssteuerung in Präzisionsfertigungsanwendungen zu erfüllen.

Die Tiefenschärfe (DFF) nutzt einen in der Fotografie häufig vorkommenden Effekt. Eine Kamera kann aus einer bestimmten Entfernung ein scharfes Bild aufnehmen, nähere oder weiter entfernte Objekte können jedoch unscharf sein. Indem der Benutzer eine größere Anzahl von Bildern mit unterschiedlichen Fokuseinstellungen aufnimmt und die Merkmale nach Klarheit für jede Fokuseinstellung durchsucht, kann er eine Karte des Bereichs für jeden Punkt im Bild erstellen, der in einer bestimmten Brennweite scharf fokussiert ist. [1] Einige Mikroskopsysteme verwenden diesen Ansatz, um in jedem Bild Bereiche zu definieren, die am besten fokussiert sind, und kombinieren diese Bereiche dann, um ein einziges, fokussiertes Bild zu erstellen. Eine Anwendung dieses Werkzeugs war die Inspektion integrierter Leiterplatten zur Überprüfung der Teile- und Lötplatzierung.

Eine andere Möglichkeit, die Fokusschärfe zu betrachten, als nur das zu verwenden, was im Fokus ist, besteht darin, ein Modell der optischen Abbildung und des Ausmaßes der Defokussierungsunschärfe an jedem Punkt entfernt von einer Fokusebene zu verwenden, um abzuschätzen, wie weit ein bestimmtes Bildmerkmal von einer entfernt ist bestes Fokusbild. Die Tiefenschärfe-Methode bietet das Potenzial, eine kontinuierliche Karte aller Entfernungspunkte eines Motivs zu erstellen, mit viel weniger Bildebenen als die Tiefenschärfe-Methode.

Bei beiden Ansätzen muss die Annahme erfüllt sein, dass es immer noch etwas gibt, auf das man sich bei der Messung konzentrieren kann. Anstatt aber mithilfe der Tiefenschärfe zwischen Bildbereichspunkten mit dem besten Fokus zu interpolieren, können das Ausmaß und die Art der Defokussierung von Kanten und Merkmalen verwendet werden, um den Bereich an jedem Merkmal analytisch zu bestimmen.

Beide Methoden wurden zur Kartierung kleiner Teile wie Elektronikteile, zur Kartierung von Schneidwerkzeugen und Schraubengewinden sowie in gewissem Umfang auch zur Messung der Oberflächenbeschaffenheit bearbeiteter Metallteile verwendet. Die Grenze für die Messung der Oberflächengüte mit fokusbasierten Methoden wird erreicht, wenn die Textur unterhalb der optischen Auflösung des Objektivs liegt, die für ein kleines Feld von einigen Zehntel Zoll (einigen Millimetern) 20 Millionstel Zoll (0,5 mm) betragen kann Mikrometer). Unterhalb eines praktischen Niveaus kann die optische Methode nichts erkennen, worauf man sich konzentrieren könnte. Aber bei messbaren Oberflächen kann eine Messung in wenigen Sekunden über Teile und Flächen von wenigen Zoll und Sub-Zehntelmil (1–2 Mikrometer) durchgeführt werden.

Konfokale Methoden werden in der Biologie schon seit langem zur Messung der Zellstruktur eingesetzt. Bei den alten konfokalen Mikroskopen handelte es sich ausschließlich um Laborgeräte, die ähnlich wie die Tiefenschärfemethode funktionierten, jedoch mit einer zusätzlichen Besonderheit in Form eines optischen Filters, der einfach jegliches Licht von jedem Punkt blockiert, der nicht im Fokus liegt. Hierbei handelt es sich in der Regel um punktbasierte Messungen und nicht um Flächenmessungen wie oben, sie sind jedoch auch als Linienmessung verfügbar. Die zusätzliche Wendung in den letzten Jahren war die Verwendung eines chromatischen oder „Farb“-Fokuseffekts, bei dem verschiedene Lichtfarben in unterschiedlichen Entfernungen fokussiert werden. [2] Auf diese Weise kann ein Farbsortiergerät (z. B. ein Spektrometer) schnell den Bereich jedes Punkts bestimmen, ohne dass der Sensor wie beim älteren konfokalen Design mechanisch in der Tiefe abgetastet werden muss. Dies ermöglicht schnellere Messungen (Tausende Punkte pro Sekunde) innerhalb eines Arbeitsbereichs, als dies in einer Tiefe von Bruchteilen eines Zolls bis Zolls (einige Millimeter bis Zentimeter) möglich ist.

Bei chromatischen konfokalen Sensoren wird grundsätzlich davon ausgegangen, dass jede Farbe eine geringe Fokustiefe hat und genügend Licht zurückkommt, um sie zu erkennen. In der Optik bedeutet eine geringe Fokustiefe, dass das Licht in einem weiten Kegelwinkel gesammelt wird, entweder durch die Nähe zum Teil oder durch eine große Linse weiter entfernt. Die Notwendigkeit eines breiten Lichtkegels bedeutet auch, dass ein größerer Oberflächenwinkel (Neigung) relativ zur Sensorachse die Messleistung beeinträchtigt, da das Licht den größeren Sammelkegel nicht mehr ausfüllt.

Chromatische konfokale Sensoren haben sich bei kontinuierlichen schnellen Scans (mehrere Kilohertz) über Oberflächenformen mit Auflösungen von Tausendstel bis Zehntausendstel Zoll (zehn Mikrometer bis Submikrometer) bewährt. Dies hat ein schnelleres Scannen ermöglicht, als es mit einer Kontraktpunkt- oder Schleppsonde möglich ist, jedoch mit vergleichbaren Auflösungen.

Das andere Messinstrument, das wir besprechen werden, basiert auf der Verwendung der Weißlichtinterferometrie. Die Interferometrie gibt es seit über 150 Jahren als Methode zur Messung optischer Elemente, deren Oberfläche auf ein Millionstel Zoll (Nanometer) genau ist. Diese Präzisionsformen ermöglichen es uns, Laborinstrumente wie Mikroskope, aber auch große Teleskope wie das kürzlich gestartete James Webb-Weltraumteleskop herzustellen. Vor etwa 25 Jahren nutzte eine Gruppe von Forschern am MIT den Effekt, dass weißes Licht (kein Laser oder einfarbig) ein Interferenzmuster nur über einen sehr flachen Bereich im Mikrometer- bis Submikronbereich erzeugt.[3] Im Laufe der Zeit haben ähnliche Werkzeuge wie die oben beschriebenen, die mechanische Abtastung und Spektraleffekte nutzen, zu Tisch-Weißlichtinterferometern geführt, die heute in Präzisionsfertigungsbetrieben häufig als Standard für die Messung der Oberflächengüte oder feiner Merkmale wie Oberflächenfehler eingesetzt werden. In diesen Instrumenten wird typischerweise ein ähnlicher Scanmechanismus verwendet, der nun jedoch das Vorhandensein eines Interferenzmusters aus „blinkendem Licht“ nutzt, um bestimmte Orte in einer bestimmten Tiefe zu identifizieren, anstatt die Klarheit zu fokussieren. In jüngerer Zeit wurden diese Tools auf Punktmesssensoren ausgeweitet, die sehr schnelle Messungen im Sub-Zehntel-Mil-Bereich (Submikrometer) bei Kilohertz-Raten liefern können. [4]

Der Weißlicht-Interferometersensor kann eine Reichweite von Zoll (Zentimetern) haben, ohne dass ein großer Lichtsammelwinkel erforderlich ist. Systeme mit Spiegeln und rotierenden Scannern haben sich bei der Messung kleiner, tiefer Bohrlöcher und Hohlräume durch Blick durch Zugangsöffnungen mit begrenzter Größe bewährt. Das Licht muss immer noch zum Sensor zurückreflektiert werden und kann nicht „verfälscht“ werden, wie etwa durch Lichtleitungen in einem Kunststoff- oder durchscheinenden Teil. Ansonsten kann die Weißlichtsonde eine robuste Messung in sehr feinen Dimensionen liefern.

Diese neuen Variationen optischer Flächen-, Linien- und Punktsonden im Vergleich zum alten Laser-Triangulationsmessgerät ermöglichen Messungen mit höherer Auflösung, ohne dass ein Triangulationswinkelzugang zur Oberfläche erforderlich ist und ohne das klassische „Laser-Speckle-Rauschen“, das den Einsatz optischer Messgeräte bisher eingeschränkt hat die Vergangenheit. Die Möglichkeit, in kleine Löcher und Öffnungen vorzudringen, innere Hohlräume zu sehen und eine Höhenänderung einer Stufe ohne Schatten aufgrund des erforderlichen Triangulationswinkels abzubilden, bietet das Potenzial, Anwendungen zu bewältigen, die mit klassischen Lasermessgeräten nicht einfach möglich wären.

Kevin Hardingvon Optical Metrology Solutions LLC