Optische Messsysteme erlauben hochgenaue Abstands- und Dickenbestimmung

White Light

Wenn hochpräzise Messergebnisse gefragt sind, sind optische Messverfahren unverzichtbar. Konfokal-chromatische Sensoren und Interferometer arbeiten auf Basis der Weißlicht-Technologie. Eingesetzt werden beide Messsysteme zur Abstands- und Dickenmessung in Bereichen, in denen höchste Genauigkeit und Signalstabilität gefordert werden.
 Die Interferometer ermöglichen eine enorme z-Auflösung, die unter einem Nanometer liegt. Darüber hinaus erzeugen sie einen kleinen Lichtfleck mit nur 10µm über den gesamten Messbereich.
Die Interferometer ermöglichen eine enorme z-Auflösung, die unter einem Nanometer liegt. Darüber hinaus erzeugen sie einen kleinen Lichtfleck mit nur 10µm über den gesamten Messbereich.Bild: Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Messprinzip Interferometer

Das Messprinzip eines Interferometers basiert auf der Wellennatur des Lichts. Diese führt dazu, dass sich überlagernde Wellen entweder verstärken oder auslöschen können, je nachdem, ob Wellenberg auf Wellenberg oder Wellenberg auf Wellental trifft. Teilt man einen Lichtstrahl so auf, dass er verschiedene Wege nimmt und sich die beiden Teilstrahlen im Anschluss wieder überlagern, tritt eine Interferenz auf, die von der Differenz der beiden Wege abhängig ist. Ändert sich die Länge eines der beiden Wege um eine halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts, so führt das zu einem kompletten Wechsel von positiver Interferenz (Verstärkung) zu negativer Interferenz (Auslöschung). Damit ist die Messmethode sehr empfindlich, die Genauigkeit liegt bis in den Sub-Nanometer-Bereich. Um mit dieser Methode z.B. Abstände zu messen, wird einer der beiden Teilstrahlen am Messobjekt reflektiert und anschließend mit dem Referenzstrahl überlagert. Ändert sich der Abstand zum Messobjekt, lässt sich diese Abstandsänderung sehr empfindlich an der Interferenz feststellen. Sollen Dicken etwa von Folien oder Gläsern gemessen werden, wird ausgenutzt, dass sowohl Vorder- als auch Rückseite des Messobjekts reflektieren. Dickenänderungen sorgen dann ebenfalls für die Änderung des Interferenzsignals zwischen den beiden Oberflächen. Ein separater Referenzstrahl ist dabei nicht notwendig. Eine Besonderheit der Dickenmessung: Da die beiden interferierenden Teilstrahlen von der Ober- und Unterfläche stammen, ist das Messergebnis unabhängig vom Abstand zum Messobjekt.

Interferometer für Nanometergenauigkeit

Die Sensoren der Reihe Interferometer des Herstellers erreichen mit einer Auflösung von <30pm hohe Präzision in der optischen Messtechnik. Je nach Anwendung stehen drei verschiedene Ausführungen zur Verfügung: Das IMS5400-DS für hochpräzise und industrielle Abstandsmessungen, das IMS5600-DS mit vakuumtauglicher Ausführung für Abstandsmessungen in Sub-Nanometer-Genauigkeit sowie das IMS5400-TH für hochpräzise Dickenmessungen.

Das IMS5400-TH wird zur Dickenmessung von dünnen transparenten Materialien eingesetzt. Die Messung erfolgt mit nur einem Sensor unabhängig vom Abstand zum Messobjekt, wodurch Flattern oder Positionierunregelmäßigkeiten ignoriert werden können. Aufgrund der nah-infraroten Lichtquelle können auch Dickenmessungen von anti-reflexbeschichtetem Glas durchgeführt werden. Das IMS5400-DS wird zur industriellen Abstandsmessung eingesetzt. Das Messsystem liefert absolute Messwerte und kann beispielsweise Stufen und Kanten zuverlässig und ohne Signalverlust erfassen. Das IMS5600-DS ist für Abstandsmessungen im Reinraum und im Vakuum (bis UHV) konzipiert. Ein Sonderabgleich des Controllers ermöglicht eine Sub-Nanometer-Auflösung, die beispielsweise bei der Wafer-Ausrichtung oder bei der Stagepositionierung erforderlich ist. Die Interferometer bestehen aus einem Controller, einem Sensor und einem Lichtleiterkabel. Die Sensoren sind für industrielle Messaufgaben entwickelt worden. Daher sind sie mit robusten Metallgehäusen und flexiblen Kabeln ausgestattet. Dank der kompakten Bauformen können die Sensoren auch in beengten Bauräumen integriert werden.

Stabile Dickenmessung von Flachglas

Bewegliches Flachglas ab nur 35m bis 1,4mm Dicke wird vom Interferometer auf ±100nm genau erfasst. Dabei kann sich das Glas in einem Arbeitsbereich von 7mm bewegen. Um die gleiche Genauigkeit mit konfokalen Sensoren zu erzielen, müsste ein extrem kleiner Messbereich von nur 100m gewählt werden. Die Messergebnisse des Interferometers sind äußerst stabil. Während konfokal-chromatische Sensoren bei Glas, das in der Produktionslinie durch den Messbereich läuft, jeweils eine andere Wellenlänge fokussieren, nutzt das Interferometer die Glasrückseite als Referenz. Dies ermöglicht auch bei Schwingungen und Abstandsänderungen des Messobjekts hochgenaue und stabile Ergebnisse.

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

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