Absolutmessendes fasergekoppeltes Miniaturinterferometer für die Oberflächen-Topographiemessung

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

In der zweiten Phase des Vorhabens soll auf der Grundlage der bisher erzielten Ergebnisse eine neue Methode zur Topographiemessung realisiert und validiert werden, die ausschließlich auf der sinusförmigen Modulation des Laserdioden-Injektionsstromes und der damit einhergehenden Modulation der Wellenlänge des emittierten Lichts basiert. Die gemessenen Interferenzsignale werden dabei abschnittsweise hinsichtlich ihrer Frequenz und Phasenlage analysiert. Mittels der Frequenzschätzung wird ein absoluter Abstands-Schätzwert ermittelt, der es erlaubt, mit Hilfe einer zusätzlichen Phasenauswertung des Signals hinsichtlich der zu erwartenden Messunsicherheit in den einstelligen Nanometerbereich vorzustoßen. Um die Zuverlässigkeit der Messung zu steigern, ist ein Zwei-Wellenlängen-Verfahren, z. B. mit Laserwellenlängen von 1550 und 1490 nm, vorgesehen. Mittels Phasenauswertung bei der synthetischen Wellenlänge stellt es die Verbindung zwischen der absolutmessenden, aber vergleichsweise ungenauen frequenzbasierten Auswertung und der genauen, aber einen geringen Eindeutigkeitsbereich von unter 1 µm aufweisenden Phasenauswertung her. Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass systematische Abweichungen bei der frequenzbasierten Absolutmessung primär durch die Überlagerung der gewünschten Frequenz- bzw. Wellenlängenmodulation mit einer unerwünschten, bei Verwendung von DFB- (Distributed Feedback) Laserdioden aber unvermeidbaren Amplitudenmodulation der Interferenzsignale bedingt sind. Deshalb besteht ein wichtiges Ziel der zweiten Projektphase darin, Algorithmen zu entwickeln, welche systematische Störeinflüsse reduzieren und somit eine genauere frequenzbasierte Abstandsmessung ermöglichen. Im Idealfall wird eine hinreichend geringe Messunsicherheit erreicht, die den Einsatz der Zwei-Wellenlängen-Methode überflüssig macht, so dass die Sensoranordnung weiter vereinfacht werden kann. Abschließend besteht das Projektziel darin, das neuartige Sensorkonzept in einen Demonstrator mit fasergekoppelten optischen Sonden zu überführen und das Verhalten dieses Sensors an Oberflächen unterschiedlicher Beschaffenheit zu untersuchen. Es wird erwartet, dass bei Projektabschluss das Potential von optischen Profilometern, deren Messprinzip auf der Interferometrie mit Wellenlängenmodulation hervorgerufen durch eine Modulation des Laserdioden-Injektionsstroms basieren, auf einer soliden Grundlage wissenschaftlich bewertet werden kann. Die neuartige Methode verfügt über ein großes Anwendungspotential, denn die Sensoren lassen sich vergleichsweise kostengünstig herstellen, erlauben hohe Datenraten und Messgeschwindigkeiten und haben sich in Untersuchungen der ersten Projektphase als robust und zuverlässig erwiesen. Ein besonderes Merkmal des Messprinzips ist der Verzicht auf mechanisch bewegte Sensorelemente. Dies verspricht eine hohe Langlebigkeit und ermöglicht ein vergleichsweise einfaches und flexibles Sondendesign.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen