Grundlagen

Weißlicht-Interferometrie

Die Kombination von herkömmlichen Interferometern mit der heutigen modernen Bildverarbeitung ermöglichte die Weiterentwicklung zur hochgenauen Topographieerfassung, welche mehr und mehr in der industriellen Qualitätssicherung eingesetzt wird. Das Erfassen von Parametern wie Rauheit, Ebenheit und Topographie zählt in vielen industriellen Qualitätskontrollen zum Standard – und das bei immer kleiner werdenden Bauteilgrößen und Strukturen. Möglich wird dies nur durch eine zerstörungsfreie und schnelle Messtechnik. Beide Kriterien erfüllt die Weißlichtinterferometrie.

Die genaue Funktionsweise ist in der neuesten Ausgabe unseres Polytec Tutorials im Detail für unsere telezentrischen und mikroskop-basierten Weißlichtinterferometer beschrieben.

Die modernen Weißlichtinterferometer bestehen aus einer Lichtquelle mit einer Kohärenzlänge im µm-Bereich, einem Strahlteiler, einem Referenzspiegel und einer CCD-Kamera mit Objektivsystem (Abbildung oben). Im Gegensatz zu klassischen Interferometern haben die hier beschriebenen Weißlichtinterferometer die Möglichkeit, raue technische Oberflächen zu vermessen. Die kurzkohärente Strahlung der Lichtquelle ermöglicht dabei die hochgenaue Messung der Oberfläche.

Dabei interferieren Objekt- und Referenzstrahl nur miteinander, wenn der Weg zwischen dem Strahlteiler und dem Objekt exakt dem Weg zwischen dem Strahlteiler und dem Referenzspiegel entspricht. Zur Veranschaulichung kann man sich auf der Objektseite des Interferometers eine virtuelle Referenzebene denken. Interferenzen entstehen nur, wenn sich diese mit dem Objekt schneiden. Durch Verfahren der interferometrischen Anordnung gegenüber dem Messobjekt ist es nun möglich, die virtuelle Referenzebene durch das Objekt zu verschieben. Dabei entsteht an jedem Punkt der Oberfläche, der sich mit der virtuellen Referenzebene schneidet, Interferenz. Die Interferenzen zeigen sich als Helligkeitsschwankungen auf der CCD-Kamera. Die Software wiederum wertet diese Schwankungen aus und ordnet dem entsprechendem Pixel einen Höhenwert zu. So entsteht durch langsames Verfahren der virtuellen Ebene nach und nach ein hochgenaues Höhenbild der Oberfläche.

Weißlichtinterferometer gibt es in verschiedenen Ausführungen. Während lange Zeit nur Mikroskopsysteme erhältlich waren, bietet Polytec als erste Firma telezentrische Systeme mit größeren Messfeldern an. Die Geräte der TMS-Serie unterscheiden sich in der lateralen Auflösung, der Messfeldgröße und dem vertikalen Verfahrweg von herkömmlichen Systemen. Während Interferometer mit mikroskopischem Aufbau eine laterale Auflösung von 1 µm und kleiner erreichen, weisen sie jedoch einen kleineren vertikalen Messweg von nur einigen Millimetern oder weniger auf. Dazu kommt die recht kleine Messfeldgröße im mm-Bereich. Zur Erfassung größerer Objekte müssen Einzelmessungen teilweise umständlich aneinander gereiht (gestitcht) werden. Mit den Weißlichtinterferometern von Polytec erreicht man typische laterale Auflösungen zwischen 9 µm und 50 µm. Messfeldgrößen von 30 mm x 40 mm können damit einfach realisiert werden. Die Vorteile liegen auf der Hand. Deutlich reduzierte Messzeiten beschleunigen die Messung. Mögliche Fehler durch komplizierte Stitchingalgorithmen werden vermieden. Dabei beträgt der vertikale Verfahrweg mehrere Zentimeter. Ebenheitsmessungen von mehreren Flächen in unterschiedlichen Höhen werden damit in einer Messung zusammengefasst. Die Software liefert schnell und präzise die gewünschten Informationen ohne mehrere Messungen miteinander vergleichen zu müssen. Gegeben durch die kurze Interferenzlänge der Lichtquelle sind Auflösungen von wenigen Nanometern typisch.