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.
 Konfokal-chromatische Sensoren 
und Interferometer arbeiten auf 
Basis der Weißlicht-Technologie.
Konfokal-chromatische Sensoren und Interferometer arbeiten auf Basis der Weißlicht-Technologie.Bild: Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Licht wird in der Sensorik vielseitig eingesetzt. Rotes Laserlicht zählt hier zu den bekanntesten Lichtquellen und wird beispielsweise in Tastern, Lichtschranken und Sensoren genutzt. Zahlreiche Applikationen lassen sich dadurch hochgenau lösen. Der Sensorhersteller Micro-Epsilon setzt bei konfokal-chromatischen Sensoren wie auch bei den Interferometern auf die Weißlicht-Technologie, die das sichtbare weiße Licht sowie den Infrarotbereich umfasst. Bis in den Subnanometerbereich erfolgen stabile Abstands- und Dickenmessungen u.a. auf Glas, Folien oder in der Halbleiterindustrie.

Doch auch wenn beide Sensortypen mit der Weißlicht-Technologie arbeiten, so unterscheiden sich die beiden Messverfahren dennoch deutlich. Gleichzeitig ergänzen sie sich aber auch hervorragend und bilden ein leistungsstarkes Portfolio, das enorme Anwendungsvielfalt und Genauigkeit bietet. Konfokal-chromatische Sensoren liefern mikrometergenaue Ergebnisse, überwiegend bei der Automatisierungs- und Fertigungsüberwachung in dynamischen, industriellen Inlineanwendungen. Die Interferometer von Micro-Epsilon sind in der Regel in solchen Anwendungen im Einsatz, die Nanometerpräzision in Verbindung mit höchster Signalstabilität einfordern wie in der Halbleiterindustrie oder der Präzisionsglasproduktion. Im Vergleich lassen sich die konfokal-chromatischen Systeme durchaus als die flexiblere Lösung bezeichnen, jedenfalls was die Anzahl der verschiedenen Sensoren und somit die Anwendungsvielfalt betrifft. Sie können entweder die Dicke von transparenten Objekten oder Abstände auf zahlreichen Oberflächen messen. Gekrümmte und insbesondere strukturierte Oberflächen werden mit konfokal-chromatischen Sensoren zuverlässig erfasst, denn diese Sensoren der Reihe ConfocalDT bieten einen großen Verkippungswinkel bis zu 48°. Daher sind auch Rundungen und Profile mit dem konfokalen System zuverlässig messbar. Auch beim Grundabstand und den Messbereichen ist das konfokal-chromatische System sehr flexibel. Das Interferometer hingegen eignet sich mit einem Messwinkel von 2° bestens für ebene Oberflächen wie sie bei Wafern vorhanden sind. Der Messbereich wird vom Controller vorgegeben und kann daher nicht so flexibel wie beim konfokal-chromatischen Messsystem geändert werden.

Spitzenreiter in Sachen Genauigkeit ist allerdings das Interferometer. Dieses erreicht Auflösungen bis zu 30pm. Die Grenze des konfokalen Systems liegt bei 3nm. Über analoge und digitale Schnittstellen wie Ethernet und Ethercat ist eine einfache Anbindung der beiden Sensorsysteme möglich. Eine Besonderheit ist die Konfiguration, die über ein benutzerfreundliches Web-Interface erfolgt. Ohne Softwareinstallation erfolgt die Inbetriebnahme und Parametrierung auf einer verständlichen Benutzeroberfläche. Beide Systeme liefern mit ihren Vorteilen ein nahtlos ineinander übergehendes Produktportfolio für alle hochgenauen Anwendungen in Industrie, Forschung und Entwicklung, mit präzisen Ergebnissen bis in den Subnanometerbereich.

 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.
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.Bild: Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Messprinzip Konfokalsensor

Das konfokal-chromatische Messprinzip arbeitet mit polychromatischem Licht. Eine mehrlinsige Optik teilt dieses weiße Licht in die einzelnen Spektralfarben auf und fokussiert es in unterschiedlichen Abständen zum Sensor. Kurzwelliges, blaues Licht mit 400nm wird stärker gebrochen als langwelliges, rotes Licht mit 700nm. Der Messbereichsanfang liegt bei blauem Licht, das Messbereichsende bei rotem Licht. Durch die kontrollierte chromatische Abweichung liegt jede Wellenlänge in einer anderen Fokusebene. Mittels werkseitiger Kalibrierung wird jeder Wellenlänge ein bestimmter Abstandspunkt zum Messobjekt zugeordnet. Das Sensorsystem wertet die Wellenlänge für die Abstandsbestimmung aus, die sich exakt auf dem Messobjekt fokussiert. Die Lichtreflexion wird über eine optische Anordnung auf ein lichtempfindliches Sensorelement abgebildet, auf der die zugehörige Spektralfarbe erkannt und ausgewertet wird. Bei jeder Änderung des Brechungsindex, beim Übergang verschiedener Materialien, wird ein Teil des Lichts zurück reflektiert. So lassen sich auch einseitige Dickenmessungen von transparenten Materialien durchführen. Für Multilayer-Messungen werden mehrere Abstandspunkte ausgewertet.

 Ein hoher Messwinkel von bis zu ±30° erlaubt die zuverlässige
 Erfassung gekrümmter und strukturierter Oberflächen.
Ein hoher Messwinkel von bis zu ±30° erlaubt die zuverlässige Erfassung gekrümmter und strukturierter Oberflächen.Bild: Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Konfokal-chromatische Messsysteme für industrielle Anwendungen

Hochpräzise Messungen sind auf spiegelnden Oberflächen, wie hochglanzpolierten Metallen oder Flüssigkeiten, auf matten Oberflächen, wie Kunststoff oder schwarzem Gummi, und auf transparenten Materialien, wie Glas oder Kunststoffplatten, möglich. Dank der sehr schnellen Belichtungszeitregelung kann das Messsystem auch bei Materialwechsel von matt zu glänzend und umgekehrt stabil messen. Der extrem kleine Messfleck, der je nach System nur wenige m umfasst, ermöglicht Messungen auf winzigen Objekten, wie beispielsweise IC-Pins auf Leiterplatten, Bonddrähten oder kleinen Konturen mechanischer Teile. Bis zu fünf Schichten lassen sich mit der Mehrschichtmessung auswerten. Dadurch können auch mehrschichtige Objekte wie z.B. Verbundglas zuverlässig vermessen werden.

 Aufgrund der Multi-Peak-Option messen die Sensoren die Dicke transparenter Mehrschichtmaterialien in Mikrometergenauigkeit. Sechs Peaks können vom Messsystem ausgewertet werden, wodurch die Messung von fünf Schichten möglich ist.
Aufgrund der Multi-Peak-Option messen die Sensoren die Dicke transparenter Mehrschichtmaterialien in Mikrometergenauigkeit. Sechs Peaks können vom Messsystem ausgewertet werden, wodurch die Messung von fünf Schichten möglich ist.Bild: Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Rauheitsmessung und Geometrieprüfung in Koordinatenmessmaschinen

Ein hoher Messwinkel von bis zu ±30° erlaubt die zuverlässige Erfassung gekrümmter und strukturierter Oberflächen. Des Weiteren bietet der Sensor einen großen Messbereich von 3mm, eine numerische Apertur (NA) von 0,53 und einen hohen Grundabstand von 28mm. In Verbindung mit dem großen Messwinkel sind diese Sensoren für Geometrieprüfungen in Koordinatenmessmaschinen prädestiniert. Besonders auf Oberflächen wie Zahnrädern oder Außengewinden werden stabile und hochgenaue Ergebnisse ausgegeben.

 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.

Fazit

Der große Messbereich kombiniert mit der hohen Genauigkeit soll dem Interferometer eine Vorreiterrolle in der optischen Präzisionsmesstechnik zuschreiben. Dies zeigt am Beispiel der Glasdickenmessung, die mit bis unter 1nm Auflösung erfolgt. Durch die Kombination konfokal-chromatischer Systeme zusammen mit den Interferometern entsteht sich ein leistungsstarkes Sensorportfolio, das den Anforderungen der Halbleiterindustrie, der Glasindustrie, der Medizintechnik und der Kunststoffproduktion gerecht wird.

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

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