Messen mit Licht

Mit über 30 Jahren Erfahrung in der photometrischen Messtechnik öffnet flo-ir den Kunden neue Wege, um schnell, zuverlässig und mit höchster Präzision Bauteile topografisch oder volumetrisch zu vermessen und zu charakterisieren.

 

Bild 1: Topografie eines gedruckten Strichcodes (links) und 3D-Bild eines beschichteten Gewebes (rechts).

Berührungslos, schnell und präzise

Bei der pOCT-Technologie (parallel Optical low-Coherence Tomography) werden spezielle, für die 3D-Messtechnik entwickelte CMOS-Bildsensoren verwendet. Weil jedes Bildelement mit einer eigenen Optik und Signalvorverarbeitung ausgerüstet ist, verarbeiten diese Bildsensoren bis zu 1 Mio. 2D-Scheiben (Einzelbilder) pro Sekunde mit einer vertikalen Auflösung von bis zu 20 nm. Heutige optische Profilometer zur Produktionsüberwachung und zur Prozessentwicklung sind mit professioneller Software zum Visualisieren von 3D-Daten in Echtzeit, zum Erstellen von Oberflächentopografien oder zur Schichtdickenmessung ausgerüstet.

Der OCT-Sensor ist ein ASP-Array (Active Sensor Pixel) mit einer Dynamik von 1 Mfps (1 Mio. Bilder/s). Die Sensoren messen spektral oder monochrom mit einer lateralen Ortsauflösung von 1 µm bis in den Zentimeterbereich bei einer Auflösung in z-Richtung von weniger als 1 µm. Eingesetzt werden Sensoren in verschiedenen Ausführungen: Messanlagen in Kombination mit Mikrobeamern zur Streifenprojektion oder mit andern Pulsquellen für die LockIn-Thermografie oder zur Messung fotothermischer Effekte.

In benutzerfreundlicher Desktop-Umgebung können die Systeme durch den Kunden selber eingesetzt und bedient werden. Jeder Schritt in der Vermessung wird abgespeichert, so dass die volle metrologische Nachvollziehbarkeit garantiert und die Feineinstellung aller Schritte sofort möglich ist.

Die Low-Kohärenz-Interferometrie (LCI) oder Low-Kohärenz-Tomografie (OCT) sind moderne optische Verfahren zur Vermessung von Oberflächen oder zur Messung der Schichtdicke mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich. Die Verfahren sind sehr robust und für den Einsatz im industriellen Umfeld geeignet. Ein einzelner Punkt lässt sich auch bei engsten Platzverhältnissen vermessen, weil die Signale über Fasern und miniaturisierte optische Bauelemente übertragen werden. Das OCT-Verfahren erlaubt auch «Volumenscans» und erreicht eine Tiefenauflösung (Achse senkrecht zur Oberfläche) im Submikrometerbereich. Zudem kann die Schichtdicke gemessen oder die Schichtverbindung charakterisiert werden.

In den letzten zehn Jahren haben sich die Anwendungen der LCI- oder der OCT-Verfahren vor allem zur Charakterisierung von biologischen Geweben schnell entwickelt. Signifikante Erfolge wurden bei Anwendungen zu diagnostischen Zwecken und in der Augenheilkunde sowie in der Dermatologie und Kardiologie erzielt. Die Verfahren stehen nun am Anfang der Entwicklung für industrielle Anwendungen und erschliessen neue Einsatzmöglichkeiten, die sich heute noch kaum objektiv überblicken lassen. Das Messen mit Licht ist keine Herausforderung mehr, es ist eine Technologie, die für den industriellen Einsatz bereit steht. Bei zu ungenauer Auflösung ist die Kohärenzlänge der Aufgabenstellung anzupassen, was primär durch die Pulsstrahlung erfolgt.

Für besondere Applikationen, zum Beispiel für grosse Bauteiluntersuchungen, werden universelle Referenzstrecken gebaut, die einen grossen Verfahrweg haben. Ausgehend von einem «universellen Referenzarm» stellt flo-ir verschiedene Versionen zur Verfügung, die auf spezielle Applikationen optimiert sind. Das Unternehmen ist in der Lage, auch grossvolumige Objekte photometrisch zu vermessen.

 

Bild 2: Aus verschiedenen Schichten aufgebaute Folie: aus zwei Schichten (links), aus drei Schichten (Mitte) und aus vier Schichten (rechts).

Fasertechnik und Scanoptik

Durch die konsequente Fokussierung auf photometrisches Messen ist es flo-ir in den letzten Jahren gelungen, auch faseroptische Komponenten in die Systeme zu integrieren. Damit ergeben sich neue Möglichkeiten für den Einsatz der OCT-Technologie in industriellen Prozessen.

Das Programm umfasst Faserkoppler für photometrische Messverfahren, Fasern für universelle OCT-Anwendungen, Fasern die unempfindlich für Bewegungen des Objektes sind und vieles mehr. Weil sich reale Objekte frei bewegen und sich deshalb die Qualität des Signals nicht verschlechtern darf, verfügt flo-ir über Lösungen, bei denen sich das Objekt auch bewegt. Konfektioniert werden unterschiedliche Fasertypen und danach auch miteinander verspleisst.

Das patentrechtlich geschützte ASP-Array ist das Kernelement der OCT-Messtechnik von flo-ir. Zum Abscannen von Objekten wird meistens ein Galvo­scannermodul verwendet, das in zwei Achsen einen Scanstrahl über die Probe führt. Um gute OCT-Bilder zu erhalten, ist die Optik auf die Wellenlänge des OCT ausgelegt, und die Abbildungseigenschaften sind optimiert. Mit dem Spezialsensor lassen sich zweidimensionale OCT-Bilder mit einer Dynamik von 1 Mio. fps aufnehmen.

 

Bild 3: Die Pulsstrahlung streut sich an den Molekülen der Beschichtung und im Kunststoffteil stärker als im Übergang zwischen den zwei Schichten.

Tomografischer Einblick

Optische Profilometer sind für verschiedene Anwendungen in Wissenschaft und Forschung, für die Laborautomatisierung oder zur Prozessentwicklung, für die Qualitätssicherung oder zur Produktionsüberwachung konzipiert. Bild 1 zeigt den gedruckten Strichcode auf einem Kunststoff (links) mit der Höhenskala und die Lackschicht auf einem Gewebe (rechts), wo im Lack eingebettete Fasern sichtbar werden (roter Kreis).

 

Selektive Schichtdickenmessung

Bei jedem Schichtübergang werden Photonen reflektiert und gestreut, so dass aus der Menge der gemessenen Photonen auf die Dicke der durchdrungenen Schicht geschlossen werden kann. Der hochintegrierte CMOS-Sensor liefert die Photonensignale von mehreren hundert 2D-Datensätzen an den Rechner und erstellt daraus ein Volumenbild. Mit dem OCT-Verfahren werden Schichtdicken im Submikrometerbereich vermessen.

 

Bild 4:Vermessung der Dicke und Geometrie einer PET-Flasche.

Lokalisieren von Verunreinigungen in Kunststoffen in der laufenden Produktion

Bild 2 zeigt den Peak auf der Oberfläche der Kunststofffolie (links) und der zweiten Schicht (gelbe Markierung). In der Folge erkennt man variable Streuungen im Kunststoffteil und schlussendlich die Rückwand des Kunststoffs (ganz rechts). Der Messbereich beträgt 3 mm, wobei die erste Schicht etwa 270 µm dick ist.

Bild 3 wurde am gleichen Bauteil aufgenommen und zeigt eine deutliche Streuung der Pulsstrahlung in der ersten und ebenfalls in der zweiten Kunststoffschicht. An diesem Beispiel erkennt man, dass nur durch mehrere Messungen am gleichen Ort zuverlässige und reproduzierbare Aussagen über die Dicke einer Beschichtung abgeleitet werden können.

 

Topografie und Oxidschichtdicke

Eigenschaften eines Produkts sind durch Oberflächen bestimmt, wo nicht nur optische sondern auch elektrische, chemische oder mechanische Eigenschaften wirken. Häufig ist es eine Kombination verschiedener Eigenschaften, die messtechnisch zu überwachen, zu prüfen oder zu vermessen sind, um Klarheit zu erlangen. Die Charakterisierung der Oberfläche in Hinblick auf Rauheit, Kontur und Topographie gehört in vielen Fällen zur Produktionsüberwachung oder zur Prozessoptimierung.

 

Geometrievermessung und Schichtdicke bei Kunststoffen

Die Vermessung der Dicke einer PET-Flasche erfolgt im Millisekundentakt. Gleichzeitig wird auch die Geometrie der Flasche vermessen. Die Messresultate werden aus den gleichen Messdaten extrahiert. Bild 4 zeigt die Geometrie der Oberfläche (gelber Verlauf der Kurve) und die Dicke der Kunststoffschicht (violette Kurve). Die Vermessung der Kunststoffdicke und der Geometrie erfolgt gleichzeitig mit dem gleichen Sensor in einem Arbeitsgang.

Die grossen Herausforderungen waren die ungenaue Positionierung des Produkts (3 bis 5 mm), die hohe Produktionsgeschwindigkeit (bis 20 Teile/s) und die Winkelabhängigkeit der Prüfstrahlung (0 bis 70°) Dank einem ausgeklügelten Messkonzept basierend auf der OCT-Technik wurden die Herausforderungen bewältigt.

 

Bild 5: Mit der OCT-Technologie werden die einzelnen CFK-Schichten in der Tiefe erkannt.

«Durchleuchten» von CFK-Bauteilen

Die Trennung von Schichten im Untergrund sowie Feuchtigkeit, Materialfehler oder Schichtdicken sind von aussen mit blossem Auge an Bauteilen nicht festzustellen. Mit Hilfe der PTRT-Technologie lassen sich die inneren Strukturen schnell und zuverlässig visualisieren. Ihr Hauptvorteil besteht darin, dass keine Berührung zum Bauteil notwendig ist und die Prüfungen schnell und völlig berührungslos ablaufen. Mit der OCT-Technologie erkennt man die einzelnen CFK-Schichten in der Tiefe.

Die OCT-Verfahrenstechnik macht «Lichtstreuung» im Innern einer CFK-Schicht sichtbar. Solche Streuungen treten bei einer Delamination (Entschichtung), bei eingebauten Schichten aus anderem Material, bei Faseranhäufung oder bei Rissbildungen auf (Bild 5).

 

Siegelnahtprüfung

Die Versiegelung von Tuben, Folien, Behältern oder irgendwelcher Verpackungen erfordert Prüfverfahren, die schnell genug sind, um die erforderlichen Aussagen in der laufenden Produktion abzuleiten und die auch die erforderliche geometrische Auflösung haben. Weil die Verpackungsmaterialien unterschiedlich sind, ist der Wahl des Prüfverfahrens gebührend Beachtung zu schenken. Während der Verschluss von Verpackungen, die aus einer einzelnen Folie bestehen, einfach ist, erfordert die Prüfung von Folien mit metallischen Einlagen oder mehrschichtige Verpackungen einen deutlich grösseren Aufwand.

 

Flattern erlaubt

Bei der Messung in der laufenden Produktion stellt sich immer wieder das Problem, dass das Objekt zur Messung nicht ruhig liegt, sondern dass es sich bewegt. Dies ist beim OCT-Messkopf nicht der Fall. Durch besondere Massnahmen liefert er in allen Situationen ein Signal, das unabhängig ist vom Abstand zwischen der Linse am Messkopf und dem Objekt (Bild 6). Somit beeinflussen die Bewegungen einer Folie das Messresultat nicht. Das Signal folgt jeder Folienbewegung. In einer Siegelnaht wird zum Beispiel jeder Bildpunkt mit einer Ortsauflösung von 20 µm * 1 µm bei einer Produktegeschwindigkeit von 1 m/s gemessen.

 

Bild 6:Die Bewegungen einer Folie beeinflussen das Messergebnis nicht.

 

Ausblick

Es scheint, dass das Jahrhundert des Photons angefangen hat, weil die Vielfalt an Verfahren und Anwendungen photometrischer Verfahren deutlich zugenommen haben. Durch die Kombination mit bisher bekannten Verfahren werden laufend neue Anwendungen für die berührungslose Messtechnik erschlossen:

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