Absolutmessendes fasergekoppeltes Miniaturinterferometer für die Oberflächen-Topographiemessung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Lehmann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454772558

Interferometrische Abstandssensoren mit fasergekoppelten Sonden verfügen über großes Anwendungspotential in der Fertigungsmesstechnik, denn sie sind prinzipiell in der Lage, taktile Tastsysteme zu ersetzen. Im Vergleich zu taktilen Systemen zeigen interferometrische Sensoren eine bessere Auflösung. Aufgrund der berührungslosen Messung lassen sich Messabläufe beschleunigen und mikrooptische Sonden sind flexibel einsetzbar und können schwer zugängliche Oberflächenstellen erreichen. Um diese Vorteile auch praktisch nutzen zu können, sind hinreichend hohe Datenraten des Sensors, eine gute Automatisierbarkeit der Mess- und Antastprozesse sowie überschaubare Sensorkosten wichtige Voraussetzungen. Dass gegenwärtige Sensoren hieran häufig scheitern, lässt den vorhandenen Forschungsbedarf in diesem Bereich erkennen. Für die interferometrische Abstandsmessung genügt es nicht, einen einzelnen Intensitätswert zu erfassen, sondern die Messung basiert in der Regel auf zeitlicher oder räumlicher Phasenmodulation des Interferenzsignals. Auf der Grundlage eigener Vorarbeiten sollen im vorliegenden Vorhaben unterschiedliche Arten der zeitlichen Phasenmodulation realisiert und im Vergleich hinsichtlich der erreichbaren Messgenauigkeit und der relevanten Unsicherheitseinflüsse analysiert werden. Das Vorhaben geht von der Hypothese aus, dass sich in einem dreistufigen Prozess mit einem fasergekoppelten Zwei-Wellenlängen-Interferometer sowohl Antast- als auch Messprozesse schnell, robust und präzise umsetzen lassen. Dabei soll das von zwei Laserdioden emittierte Licht über den Diodenstrom wellenlängenmoduliert werden, so dass sich mit Hilfe digitaler Signalverarbeitungsalgorithmen absolute Abstandswerte mit Unsicherheiten im Bereich von 10 µm ergeben. Durch zusätzliche sinusförmige Modulation der optischen Weglänge im Referenzarm des Interferometers und eine Zwei-Wellenlängen-Auswertung soll ein Eindeutigkeitsbereich von ca. 19 µm, der der halben synthetischen Wellenlänge entspricht, mit einer maximalen Messabweichung von unter 0,5 µm erreicht werden. Die Kombination dieser Verfahren in einem System ist neu und stellt mit der Phasenauswertung für eine Lichtwellenlänge von z. B. 1550 nm, für die in Voruntersuchungen bei Wiederholungsmessungen Standardabweichungen von unter 1 nm nachgewiesen wurden, interferometrische Absolutmessungen mit Messabweichungen im Nanometerbereich in Aussicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen