Fokusabstandsmodulierter fasergekoppelter Konfokalsensor für die Oberflächenmesstechnik (Akronym: MoKoSens)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es wurde ein hochfrequent fokusabstandsmodulierter, fasergekoppelter, konfokaler Punktsensor bzw. Abstandssensor erarbeitet, realisiert und untersucht. Dieser ermöglicht es, in Kombination mit einem hochgenauen Oberflächen- und Koordinatenmesssystem (NMM-1) stetige Oberflächen durch einen einzigen lateralen Scan bei gleichzeitiger Nachregelung des axialen Abstandes mit dem Positioniertisch durchzuführen. Im Gegensatz zu konventionellen Ansätzen der Konfokalmikroskopie, bei denen laterale Scans auf diskreten axialen Höhen durchgeführt werden, wurde hierbei eine vom axialen Messbereich abhängige immense Reduktion der Messzeit, respektive aufgrund geringerer Temperaturdriften eine Verringerung temperaturbedingter Messabweichungen erreicht. Realisiert wurde dies zum einen durch eine innovative Kombination einer fasergekoppelten Beleuchtung und Detektion mit einer akustisch getriebenen, modulierbaren Flüssigkeitsgradientenlinse (engl. tuneable, acoustically driven gradientindex fluid lens, Abk. TAG-Linse) zur hochfrequenten Abstandsmodulation des Fokus. Zum anderen durch eine neuartige Signalverarbeitung mit einer FPGA-basierten Lock-in-Verstärkung, welche durch eine Quotientenbildung der 3. und 2. harmonischen der Lock-In-Verstärkung eine von den Reflexionseigenschaften und Neigung der Oberfläche unabhängige Abstandsauswertung gewährleistet. Durch eine Quotientenbildung des 2. harmonischen Ausgangssignals und eines Mittelwertsignals wurde eine von der Intensität des Eingangssignals unabhängige Bestimmung der Grenzen der Kennlinien aufgezeigt. Ferner wurde ein Verfahren untersucht, welches die Justierung des optischen Systems ermöglicht. Weiterhin wurde die optische Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems anhand verschiedener Messungen an Gitter- und Stufennormalen demonstriert. Bereits bei den ersten Messungen konnte eine Korrelation zwischen den ermittelten Messabweichungen und den erfassten Umgebungstemperaturen identifiziert werden. Durch ein speziell für den Sensor entworfenes Konzept aus hochauflösenden Temperatursensoren, deren Rückführung durch eine Kalibrierung mithilfe DAkkS-kalibrierter Vergleichssensoren sichergestellt wurde, konnten diese Korrelationen validiert und quantifiziert werden. Des Weiteren wurde gezeigt, dass mithilfe einer speziell für das hochgenaue Oberflächen- und Koordinatenmesssystem NMM-1 entwickelten Temperierkammer die Messabweichungen signifikant reduziert werden konnten, sodass sich bei 25 Wiederholmessungen innerhalb von 16 min bei einer Temperaturkonstanz unterhalb der Auflösung der verwendeten Pt100 Temperatursensoren (<1 mK) eine punktweise Wiederholpräzision (Standardabweichung) vom 1,7 nm über die gesamte Kennlinie ergab. Die Vergleichspräzision des Sensors wurde über einen Zeitraum von 12 Stunden ermittelt, wobei bei einer maximalen Temperaturschwankung der Umgebungstemperatur von 6,5 mK die punktweise Standardabweichung 3,6 nm betrug. Weiterhin wurde in einem Zeitraum von 24 Stunden eine Standardabweichung der Position der Schwingungsmittelebene von 14 nm ohne Korrektur der temperaturbedingten Driften sowie 9 nm mit Korrektur bestimmt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- High-speed focal-distance-modulated fiber-coupled confocal sensor for coordinate measuring systems. In: Applied Optics. 2018. 57(14), S. 3907–3914
Hausotte, T.; Gröschl, A. C.; Schaude, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/ao.57.003907) - Improvements of a highspeed focus distance modulated fibrecoupled confocal sensor for nanocoordinate measuring systems. In: Sensoren und Messsysteme, 2018, VDE Verlag GmbH, Berlin, Offenbach, S. 657–661 – ISBN 978-3-8007-4683-5
Gröschl, A. C.; Köhnen, S.; Schaude, J.; Hausotte, T.
- Kontinuierliche laterale Abtastung von Oberflächen durch axiale Regelung des Arbeitsabstandes in einem Nanokoordinatenmessgerät mit einem hochfrequent fokusabstandsmodulierten, fasergekoppelten, konfokalen Punktsensor. In: tm – Technisches Messen. 2018, 85(S1): S. 26– 32
Gröschl, A. C.; Schaude, J.; Hausotte, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/teme-2018-0040) - Evaluation of the optical performance of a novel high-speed focal-distance-modulated fibre-coupled confocal sensor. In: Proc. SPIE 11056, Optical Measurement Systems for Industrial Inspection XI, 110560N (21 June 2019)
Gröschl, A. C.; Schaude, J.; Hausotte, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2526038) - Evaluation und Justierung eines neuartigen, hochfrequent fokusabstandsmodulierten, fasergekoppelten, konfokalen Punktsensors für axial geregelte Oberflächenmessungen mit einem Nanokoordinatenmessgerät. In: tm – Technisches Messen. 2019, 86(4): S. 216–226
Gröschl, A. C.; Schaude, J.; Hausotte, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/teme-2019-0008) - Evaluation und Korrektur thermischer Driften eines hochfrequent fokusabstandsmodulierten, fasergekoppelten konfokalen Punktsensors. In: tm – Technisches Messen. 2019, 86(S1): S. 117–121
Gröschl, A. C.; Schaude, J.; Hausotte, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/teme-2019-0060)
