Chromatic-confocal spectral interferometry for dynamic surface profiling
Final Report Abstract
Im Rahmen der ersten beiden Phasen des Projekts „Chromatisch-konfokale Spektral-Interferometrie (CCSI) zur dynamischen Profilerfassung“ wurde die Grundlagen-Entwicklung des Messverfahrens der CCSI durchgeführt und ein Vergleich mit anderen Messverfahren angestellt. In der zweiten Projektphase wurde außerdem das Konzept des spektralinterferometrischen Liniensensors (LCSI) untersucht, welches bei vorhandendenem a priori Wissen eine modellbasierte single-shot Linienmessung ermöglicht. Um die Untersuchungen zum LCSI-Verfahren ausgehend von den Ergebnissen der zweiten Projektphase abzuschließen, sollte in der dritten Phase evaluiert werden, in wie weit bei Verwendung mehrerer Lichtquellen eine single-shot Linienmessung ohne die Notwendigkeit von a priori Wissen und Modellbildung realisierbar ist. Hierzu sollte der aus der zweiten Projektphase vorhandene experimentelle Aufbau erweitert werden: eine zweite Lichtquelle sollte über dasselbe Gitter den Objektraum beleuchten, um einen zweiten unabhängigen Satz an Gleichungen zu erzeugen, sodass ein vollständig bestimmtes Gleichungssystem zur punktweisen Evaluation erzeugt wird. Bei diesem Vorgehen müssen einige anspruchsvolle Anforderungen an die Lichtquelle gestellt werden: Um die Stabilität der numerischen Lösung zu gewährleisten, muss die spektrale Separation der verwendeten Quellen mindestens 200nm betragen, da sonst eine zu große Rauschverstärkung auftritt. Da die Leistung der Lichtquelle auf eine ausgedehnte Messlinie aufgeteilt werden muss und eine stabile Interferenz gewährleistet werden soll, muss die Quelle über ausreichend Leistung und gute Strahleigenschaften verfügen, während eine hohe spektrale Bandbreite notwendig ist. Sollen beide Lichtquellen über dasselbe Gitter in verschiedenen Ordnungen genutzt werden, müssen die Wellenlängen-Bereiche Vielfache voneinander sein. Die Auswahl und Beschaffung einer geeigneten Lichtquelle gestaltete sich als äußert schwierig, da am Markt keine Lichtquelle verfügbar war, die alle gewünschten Eigenschaften aufwies. Um dennoch einige Testmessungen durchführen zu können, wurde eine breitbandige LED im gewünschten Spektralbereich beschafft, die zwar in ihrer Leistung stabilisiert ist, durch ihre geringe Strahlqualität aber sehr lange Belichtungszeiten erfordert. Bei der Auswertung dieser Testmessungen fiel auf, dass das aus den Messdaten entstandene Gleichungssystem nicht zu einer konvergierenden Lösung gebracht werden konnte. Die simulations-unterstützte Analyse des Problems zeigte, dass bei Verwendung desselben Gitters (in unterschiedlichen Ordnungen) für beide Lichtquellen prinzipbedingt lineare Abhängigkeiten im Gleichungssystem entstehen. Auf einen weiteren (auf diese Erkenntnis angepassten) experimentellen Aufbau wurde aufgrund der Komplexität und des hohen finanziellen Aufwands verzichtet. Die Untersuchungen zur Auswertung wurden jedoch auf Basis von simulierten Messdaten fortgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass selbst bei single-shot Messungen – im Vergleich zu bisherigen Messungen mit einer Lichtquelle und mehreren verschobenen Messungen – deutlich bessere Ergebnisse als zuvor erzielt werden können, insbesondere, wenn eine einfache direkte Nachbarschaftsbeziehung angenommen wird. Simulationen basierend auf verschiedenen Objekt-Topographien zeigen, dass auch an vergleichsweise steilen Gradienten und Stufen akkurate Messungen möglich sind. Aus dem Vergleich von simulierten Daten von Lichtquellen unterschiedlicher spektraler Separation ist erkenntlich, dass durch eine zu geringe Separation eine Rausch-Verstärkung stattfindet und auch die Hinzunahme einer dritten Lichtquelle in diesem Bereich keine Verbesserung der Ergebnisse liefern kann. Das LCSI-Verfahren ist einem schnell scannenden CCSI-Punktsensor in all jenen Fällen überlegen, in denen eine echte single-shot Messung einer Linie notwendig ist. Ist kein a priori Wissen verfügbar, muss die Konfiguration mit zwei Lichtquellen verwendet werden. Ist jedoch eine schnelle Punkt-Messung ausreichend, ist per CCSI eine präzisere Messung bei deutlich geringerem Aufwand möglich. Während CCSI-Sensoren mit geringem Aufwand für eine industrielle Anwendung vorbereitet werden können, ist bei LCSI insbesondere wegen der hohen Anforderungen an die Lichtquelle momentan noch kein praxistauglicher Einsatz absehbar. Das Projekt hat zu zahlreichen deutschen und europäischen Patenten geführt.
Publications
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“Chromatic confocal spectral interferometry“, Appl. Opt. 45 (32) , 8244-8252 (2006)
E. Papastathopoulos, K. Körner, W. Osten
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“Chromatic confocal spectral interferometry for technical surface characterization”, Proc. of SPIE 7432, 74320Z (2009)
W. Lyda, D. Fleischle, T. Haist, W. Osten
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„Vor- und Nachteile der chromatisch-konfokalen Spektralinterferometrie im Vergleich zur klassischen Spektralinterferometrie“, DGaO-Proceedings (2010) ISSN:1614-8436
W. Lyda, C. Ramos de Calvalho, D. Fleischle, F. Mauch, T. Haist, W. Osten
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„Laterally chromatically dispersed, spectrally encoded interferometer“, Appl. Opt. 50 (23), 4574 – 4580 (2011)
M. Gronle, W. Lyda, F. Mauch, W. Osten
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“Advantages of chromatic-confocal spectral interferometry in comparison to chromatic confocal microscopy”, Meas. Sci. Technol. 23 (5), 054009, (2012)
W. Lyda, M. Gronle, D. Fleischle, F. Mauch, W. Osten
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“Robust signal evaluation for Chromatic Confocal Spectral Interferometry“, Proc. of SPIE 8788, 87880W (2013)
T. Boettcher, W. Lyda, M. Gronle, F. Mauch, W. Osten
