Photonik || Optische Messtechnik

5 Optische Messtechnik

In der optischen Messtechnik werden optische Signale in elektrische um-gewandelt oder umgekehrt. Die optische Messtechnik bietet folgende gro-ße Vorteile: sie ist berührungslos und schnell (Messungen geschehen in Lichtgeschwindigkeit). Deshalb eignet sie sich hervorragend für direkte Messungen während des Prozesses und erlaubt beispielsweise online-Messungen zur Qualitätssicherung während des Fertigungsprozesses. Aus diesem Grunde spielt die optische Messtechnik für die Prüfverfahren im Qualitätsmanagement eine bedeutende Rolle. Im Folgenden werden die wichtigsten physikalischen Mess-Größen, ihre Mess-Prinzipien und ihre typischen Anwendungen vorgestellt (Abb. 5.1). In Abschn. 5.9 wird die interferometrische Submikrometer-Messtechnik als Beispiel für ein wichti-ges Anwendungsfeld in der Automobilindustrie vorgestellt.

Abb. 5.1. Physikalische Messgrößen und ihre Mess-Verfahren

5.1 Abstandsmessung

Für die Abstands- und Längenmessung werden hauptsächlich zwei Verfah-ren eingesetzt, für eine mittlere Genauigkeit das Verfahren der Triangula-tion und für hochgenaue Messungen interferometrische Verfahren, welche die Welleneigenschaften des Lichtes ausnützen.

234 5 Optische Messtechnik

5.1.1 Triangulation

Messprinzip

Bei dem Triangulationsverfahren wird die Länge einer Seite eines Drei-ecks aus einem Winkel und einer anderen Seite bekannter Länge bestimmt. Dabei wird ein Laserstrahl auf ein Werkstück gerichtet. Das auf der Ober-fläche des Werkstücks diffus in alle Richtungen gestreute Laserlicht wird unter einem vorgegebenen Winkel mit einem Objektiv auf einen positions-empfindlichen Detektor (PSD) abgebildet (Abb. 5.2).

Abb. 5.2. Messprinzip der Triangulation

Verschiebt man das Werkstück, so verändert sich die Position des re-flektierten Leuchtflecks auf dem Detektor. Aus der Lage des Bildfleckes auf dem PSD lässt sich bei der bekannten Abbildungsgeometrie der Ab-stand des Messobjekts in Bezug auf einen Referenzabstand bestimmen. Als Lichtquelle wird meist eine Leuchtdiode (LED) oder ein Halbleiterla-ser eingesetzt. Diese bieten den Vorteil einer einfachen Steuerung der In-tensität. Mittels einer Austastung bzw. hochfrequenter Modulation des La-serlichts lässt sich Fremd- und Störlichtunterdrückung realisieren. Es ist

5.1 Abstandsmessung 235

damit auch möglich, schnell bewegte Objekte anzutasten. Als Detektoren verwendet man in der Praxis Lateraleffektfotodioden oder CCD-Diodenzei-len, bei scannenden Systemen auch CCD-Bildsensoren.

Typische Anwendungen

Triangulationssensoren werden in vielfältiger Weise in der Prozesskontrolleund Qualitätssicherung eingesetzt. Die direkte Messung des Abstandes erlaubt es, geometrische Größen an festen und bewegten Werkstücken un-mittelbar zu messen. Folgende Eigenschaften werden gemessen (Abb. 5.3):

Ebenheit von Platten und Bauteilen, Rundlauf rotierender Bauteile, Dickenmessungen von Bandmaterial, Füllstandsbestimmung,Bestimmung der Profilkontur von Werkstücken mit gegenüberliegenden Sensorköpfen, Einsatz als berührungsfrei tastender Messkopf bei Koordinatenmessma-schinen,Anwesenheitskontrolle von Bauelementen auf Platinen.

Abb. 5.3. Anwendungsbeispiele für das Triangulationsverfahren

Genauigkeit

Die Empfindlichkeit des Triangulationssensors ist innerhalb seines Mess-bereiches nicht konstant; sie ist umso geringer, je weiter das Messobjekt vom Laser entfernt ist. Die Arbeits- bzw. Referenzabstände typischer, in-dustriell eingeführter Triangulationssensoren reichen von 20 mm bis 1.000 mm. Der Messbereich liegt dabei zwischen 1 mm und 250 mm und ist in etwa symmetrisch um die Referenzabstände. Die Auflösung liegt, je nach Arbeitsabstand, zwischen 1 m und 500 m. Allgemein ist


davon auszugehen, dass die Genauigkeit der Abstandsinformation besser ist als das 0,001-fache des Arbeitsabstandes zo.

5.1.2 Inkrementalgeber

Triangulationssensoren werden eingesetzt, wenn einerseits eine relativ freie Führung gewährleistet ist und zum anderen die Möglichkeit besteht,berührungslos antasten zu können. Sollen in Maschinen oder Geräten je-doch geführte Bewegungen hochgenau erfasst werden, so verwendet man Inkrementalgeber oder Interferometer. Beiden gemeinsam ist das Merk-mal, einen sehr großen Messbereich (bis mehrere m) bei einer Messauflö-sung im Bereich von 10 µm bis zu 1 nm erfassen zu können. Preisgünstige, aber dennoch sehr leistungsfähige Systeme finden beispielsweise in Tin-tenstrahldruckern zur Positionierung des Druckkopfes und des Papiervor-schubes Verwendung.

Absolute und inkrementelle Systeme

Inkrementelle Systeme messen von einer gegebenen Position ausgehend (Anzeige wird hier genullt) den Zuwachs des Weges (vorzeichenrichtig), wohingegen absolute Systeme jederzeit die Position gegenüber einem festen Koordinatenursprung kennen. Am einfachsten erhält man ein abso-lut messendes Systemerhalten, wenn zusätzlich zu der Gitterteilung der Maßverkörperung ein Index angebracht wird, der bei Überfahren den Zähler auf Null setzt bzw. die Messung triggert. Wesentlich sicherer sind jedoch Systeme, deren Maßstäbe eine absolute Kodierung für die Position besitzen (z.B. mit einem Binärkode). Befinden sich beispielsweise 14 Spuren nebeneinander, dann sind 214 = 16.384 diskrete Positionen unter-scheidbar. Kann die letzte, feinste Spur noch durch Interpolation in 100 Schritten pro Periode unterteilt werden, so kommt man schon auf 1.638.400 unterscheidbare Positionen. Ein Maßstab von 1,6 m Länge wäre also auf 1 µm genau auslesbar.

Messprinzip

Inkrementalgeber bestehen aus einer Maßverkörperung, beispielsweise einem schmalen, langen Streifen aus Floatglas, auf den eine sehr genaue, regelmäßig Teilung aus gleich breiten, opaken und transparenten Streifen aufgebracht ist, sowie einem Messkopf zur fotoelektrischen Registrierung der Teilung. Es existieren viele unterschiedliche Bauformen für den Mess-kopf, mit im Detail unterschiedlichen Wirkprinzipien.

5.1 Abstandsmessung 237

Abb. 5.4. Arbeitsprinzip eines Inkrementalgebers für ein absolutes Längenmess-gerät (Werkfoto: Heidenhain)

Abbildung 5.4 zeigt schematisch das Messprinzip des Inkrementalge-bers nach dem Prinzip der fotoelektrischen Abtastung feiner Strichgitter.Dabei werden die Änderungen der Lichtintensitäten einer Abtastplatte imVergleich zu einem Maßstab durch Fotozellen gemessen und daraus bei-spielsweise Längen oder Positionen ermittelt. In Abb. 5.4 ist das Prinzip für ein absolutes Längenmessgerät dargestellt. Dabei werden 7 Teilungs-

Abb. 5.5. Einsatz eines Inkrementalgebers zur Prüfung und Kalibrierung des dy-namischen Bahnverhaltens von Werkzeugmaschinen (Werkfoto: Kreuzgitter-Mess-gerät KGM 182 von Heidenhain)


spuren abgetastet. Sie sind so gewählt, dass aus den resultierenden Mess-Signalen aller Spuren eindeutig ein Bereich innerhalb der Messlänge defi-niert ist. Aus der feinsten Teilungsspur von 16 m lässt sich beispielsweise über eine Länge von 3 m ein Absolutwert mit einer Auflösung von 0,1 mrealisieren. Mit solchen Inkrementalgebern können, wie Abb. 5.5 zeigt, beispielsweise die Positioniergenauigkeiten (bzw. den Führungsfehler) bzw. das dynamische Bahnverhalten CNC gesteuerten Werkzeugmaschi-nen bestimmt werden. Das dargestellte Kreuzgitter-Messgerät kann bei-spielsweise Kreisform-Tests von 115 mm bis 1 m bei Bahnvorschüben bis zu 80 m/min berührungslos bestimmen.

5.1.3 Interferometer

Messprinzip

Das Grundprinzip eines Interferometers kann anhand Abb. 5.6 beschrieben werden.

Abb. 5.6. Schema eines Laser-Interferometers zur Längenmessung

Bezeichnungen: PSt – Polarisationsoptischer Strahlteiler; St – Strahltei-ler; S – Spiegel, AOM – akusto-optischer Modulator; TP1 – feststehendes Tripelprisma; TP2 – bewegliches Tripelprisma; /4 – Lambdaviertel-Plätt-chen zur Erzeugung zirkular polarisierten Lichtes; P – Polarisator; PPD - Pin-Photodiode; FG – Frequenzgenerator (treibt den AOM).

Abbildung 5.6 zeigt eine Vorrichtung zur vorzeichenrichtigen, hochge-nauen Messung der Verschiebung des Tripelprismas TP2 entlang einer Führung. Das Grundprinzip der Interferometrie beruht auf der Tatsache, dass bei der kohärenten (interferenzfähigen) Überlagerung von zwei Strah-len immer dann Verstärkung der gemessenen Intensität registriert wird, wenn die Lichtwege in den Interferometerarmen (gebildet durch den Strahlteiler PSt und die beiden Tripelprismen TP1 und TP2) sich um ein gerades Vielfaches von halben Wellenlängen unterscheiden. Eine Auslö-schung des Lichtes (oder wenigstens ein Interferenzminimum) erfolgt je-

5.2 Formmessung 239

doch immer dann, wenn der Wegunterschied ein ungerades Vielfaches derhalben Wellenlänge beträgt. Um zu einer vorzeichenrichtigen, hochgenau-en Registrierung der Bewegung zu kommen, wird vor das eigentliche In-terferometer zur Messung der Bewegung ein zweites Interferometer ge-stellt (bestehend aus den beiden Strahlteilerwürfeln PSt und St sowie den beiden Spiegeln S und dem akusto-optischen Modulator AOM), dessen geometrische Weglängen sich zwar nicht ändern, dessen optische Weglän-ge in einem der Arme jedoch durch einen AOM fortwährend verändert wird. Wird jedoch der Tripelspiegel TP2 auf den Teilerwürfel zu bewegt (positive Bewegungsrichtung z), so erhöht sich die Frequenz des Lichtes in diesem Interferometerarm während dieser Bewegung zusätzlich aufgrund des longitudinalen Dopplereffektes und es entstehen in dieser Zeit gerade 2z/ zusätzliche Interferenzstreifen. Diese Anzahl ist ein Mass für die Ver-schiebung des Tripelprisma TP2.

Typische Anwendungsfelder

Präzise Positionierung (1 nm) von Belichtungstischen für Wafer-Step-per zur Belichtung von integrierten Schaltungen; Schwingungsmessungen und -analysen;Vermessung der dynamischen Durchbiegung von Brücken unter Ver-kehrslast und ähnliches; Einmessen von fest integrierten Mess-Systemen, Feststellen der syste-matischen Restfehler (bzw. durch die Temperatur) und Kompensation durch eine Steuersoftware.

5.2 Formmessung

Die folgenden optischen Verfahren eignen sich insbesondere zur Messung und Bestimmung der geometrischen Form von Produkten.

5.2.1 Schattenwurfverfahren

Messprinzip

Ein paralleles Strahlenbündel (z.B. durch Aufweiten eines Laserstrahls) projiziert den Schattenwurf des zu vermessenden Objekts auf einen Licht-sensor, dessen Empfängerelemente (Pixel) in Zeilen oder Matrixform an-geordnet sind (Abb. 5.7).


Abb. 5.7. Arbeitsprinzip des Schattenwurfverfahrens

Die Helligkeitsinformation wird beispielsweise durch einen Mikrocont-roller ausgelesen. Aus den Positionen der Hell-Dunkelübergänge kann der Durchmesser eines Teils ermittelt werden. Bei einer einfachen, aber sehr schnellen Variante wird nur geprüft, ob die Helligkeit oberhalb oder unter-halb eines Schwellenwertes liegt. Hier ist die erreichbare Genauigkeit durch den Abstand der Pixel des Sensors gegeben. Eine höhere Genauig-keit (bis zu 1/10 des Pixelabstands) erzielt man bei Auswertung des Hel-ligkeitsverlaufs im Bereich der Kanten. Typische Pixelabstände liegen im Bereich von 10 m bis 120 m. Die Schattenprojektion gestaltet sich beson-ders einfach, wenn die zu vermessenden Teile im Produktionsprozess be-reits ausgerichtet vorliegen bzw. eine Ausrichtung ohne größeren Aufwand möglich ist (z.B. bei rotationssymmetrischen Teilen). Durch Verwendung eines parallelen Strahlengangs sind Variationen des Abstands zwischen Messobjekt und Sensor unkritisch.

Typische Anwendungsbereiche

Schattenwurfverfahren ermöglichen eine schnelle und berührungsfreieBestimmung geometrischer Abmessungen in zahlreichen Bereichen der Fertigungskontrolle. Sie zeichnen sich durch eine hohe Robustheit, Ge-nauigkeit und Schnelligkeit aus. Neben der Maßkontrolle bei der Ferti-gung von Massengütern, kann beispielsweise die Abisolierung von Kabel-enden, die Anwesenheit von Verschlusskappen (Abb. 5.8) oder ähnliches geprüft werden.

5.2 Formmessung 241

Abb. 5.8. Kontrolle der Anwesenheit von Verschlusskappen

5.2.2 Streifenprojektion

Einsatzbereich und Eigenschaften

Die Streifenprojektion ist eine Technik der berührungslosen optischen Formerfassung. Sie ergänzt die Koordinatenmesstechnik. Ihre Stärke liegt in der sehr schnellen und flächendeckenden Erfassung einer sehr großen Zahl von Koordinatenmesswerten (es entstehen sogenannte Punktewolken auf vielen 100.000 bis Millionen Koordinatentripeln x,y,z) und deren bild-hafte Darstellung und Weiterverarbeitung auf dem PC. Ein wesentlicher Vorteil ist die Tatsache, dass die Messwerte berührungslos und damit auch kräftefrei gewonnen werden. Damit können vor allem Materialien wie Stoff, Gummi, menschliche Haut und Ton bzw. Wachs vermessen werden.

Messprinzip

Eine Anlage zur berührungslosen Erfassung der 3D-Form einer Oberfläche besteht aus einer CCD-Kamera mit einem Messobjektiv mit fester Brenn-weite und einem Streifenprojektor. Abbildung 5.9 zeigt eine Anordnung, bei der Streifenprojektor und Kamera einen Winkel < 90° bilden.

In diesem Falle erscheinen die auf die Oberfläche projizierten Streifen von der Kamera aus betrachtet verbogen. In dieser Auslenkung der Strei-fen ist der z-Messwert des Oberflächenpunktes kodiert, aus dem mit ei-nem komplizierten Rechenverfahren die x,y-Koordinate errechnet wird. Dabei kann man sich in der Regel nicht auf ein einziges Streifenmuster beschränken, sondern es werden in der Regel eine Sequenz verschiedener Streifenmuster projiziert, die alle gemeinsam zur Auswertung herangezo-gen werden.


Abb. 5.9. Messprinzip einer Streifenprojektion


In der Praxis wird die Streifenprojektion in folgenden Bereichen ange-wendet:

Formerfassung von Designermodellen zur Überführung in eine CAD-gerechte Form (Reverse Engineering); Formerfassung kompletter Autokarossen (Zusammensetzung aus bis zu 250 Einzelansichten, Patches); Untersuchung von Formblechteilen von Automobilkarossen auf Dellen und Beulen direkt nach dem Umformvorgang zur Qualitätssicherung des Umformprozesses, Vermessung von Spritzgussteilen;

5.2 Formmessung 243

Untersuchungen zum Schrumpf-Prozess beim Abkühlen von Metall-gussteilen;Formerfassung des menschlichen Köpers oder von Teilen davon zur

Anfertigung von Maßanzügen, für plastische, rekonstruktive Chirurgie (Unfallchirurgie z.B. am Ge-sicht),berührungslose Abformung des Gesichtes zur Anfertigung von Mas-ken, Anfertigung von orthopädischen Schuhen z.B. für Diabetiker, Untersuchung von Wundheilungsprozessen;

Einjustierung von Koordinatensystemen bei der Fusion von Bildern aus der Computer Tomographie mit Bildern z.B. aus Operationsmikrosko-pen zur sicheren Navigation bei schwierigen Operationen (z.B. Gehirn-chirurgie) oder Formerfassung des Gebisses und von Bohrlöchern in Zähnen zur Anfer-tigung von Inlets.

Schwierigkeiten entstehen bei der Erfassung von glänzenden Oberflä-chen (Christbaumkugel), sehr scharfen Kanten (Schneide eines Messers), sehr dunklen Oberflächen (Gummi oder schwarzer Samt) oder in einer Umgebung, die stark von Fremdlicht beeinträchtigt wird (Werkhalle ohne Messkabine), sehr stark strukturierten („zerklüfteten“) Körpern (Haarbürs-te) oder Sacklöchern (Bohrungen).

Die Genauigkeit des z-Messwertes liegt im Bereich von typischerweise 1/1.000 bis zu 1/50.000 der Bildfelddiagonale bei besonders flachen Tei-len. Die x-y-Auflösung ist durch die Pixelzahl der zur Bilderfassung ver-wendeten CCD-Kamera gegeben; jedes Pixel liefert einen z-Messwert; typische Werte sind von ca. 580 720 Pixel bis zu > 1.000 1.200 Pixel. Hier sind weitere Fortschritte zu erwarten.

5.2.3 Weißlichtinterferometrie

Einsatzbereich und Eigenschaften

Bei der Weißlichtinterferometrie verwendet man Lichtquellen mit kurzerKohärenzlänge, welche sich, wie der Name des Verfahrens bereits andeu-tet, durch ein breites Spektrum auszeichnen. Solche Eigenschaften besitzen beispielsweise klassische Lichtquellen wie Halogen- oder Entladungslam-pen. Das Prinzip ist in Abb. 5.10 zu erkennen. Durch die sehr kurzen Emis-sionszeiten des Lichts auf atomarer Ebene und durch Störungen der Emis-sionsprozesse in der Lichtquelle liegt die zeitliche Länge der von spektral breiten Lichtquellen emittierten Wellenpakete im Femtosekundenbereich.Eine Kohärenzzeit im Femtosekundenbereich entspricht einer Kohärenz-


länge im Mikrometerbereich. Dadurch ist die Absolutbestimmung des Ab-stands zwischen Objektpunkt und Strahlteiler im Nanometerbereich mög-lich. Mit den Superlumineszenzdioden mit guter räumlicher Kohärenz und Strahlqualität ist der Interferenzkontrast mit dem Laser vergleichbar ge-worden.

Messprinzip

Abbildung 5.10 zeigt ein Interferometer mit einer kurzkohärenten Licht-quelle. Der Lichtstrahl wird mit Hilfe eines Strahlteilers in einen Referenz-strahl und in einen Probenstrahl aufgespalten. Der Referenzstrahl wird vom Referenzspiegel zurückreflektiert. Der Probenstrahl wird auf einen Objektpunkt fokussiert, dessen Position bestimmt werden soll. Der vom Objekt zurückgestreute Strahl wird am Detektor mit dem zurückreflektier-ten Referenzstrahl überlagert.

Verschiebt man den Referenzspiegel, der sich zunächst an der Position x = 0 befindet, in Strahlrichtung um x, so erhält man das in Abb. 5.11 gezeigte Interferenzsignal. Kennt man die Position des Referenzspiegels in dieser Stellung, so kennt man damit auch den zu bestimmenden Abstand des Objektpunkts.

Abb. 5.10. Aufbau eines Interferometers zur Abstandsmessung

5.3 Verformungsmessung mit der Holografischen Interferometrie 245

Abb. 5.11. Interferenzsignal am Detektor mit Weißlichtquelle (dicker Strich) und Laser

Typische Anwendungsbereiche sind:

Dreidimensionale Vermessung von rauen Oberflächen, welche das Messlicht gleichzeitig streuen und reflektieren. Die ebenfalls eingesetz-ten mechanischen Tastverfahren arbeiten sequentiell und benötigen da-her lange Messzeiten; die alternativen optischen Verfahren wie Laserin-terferometrie und Streifenprojektion sind weniger genau. Berührungslose Messung von einfachen Geometrien von Produkten wie Glasrohre, Bleche oder Folien. Die Vorschubgeschwindigkeiten sind dort einige Meter pro Sekunde mit Messgenauigkeiten im Mikrometer-bereich und darunter. Dreidimensionale Vermessung von Mikrostrukturen (z.B. Höhenprofile und Abstände) im Nanometerbereich.

5.3 Verformungsmessung mit der HolografischenInterferometrie

Einsatzbereich

Holografische interferometrische Untersuchungen werden im Rahmen der Qualitätssicherung für sicherheitsrelevante Bauteile durchgeführt, deren Fehlerfreiheit unbedingt gewährleistet und dokumentiert werden muss (z.B. Treibstofftanks für Raketen, Castorbehälter oder Flugzeugreifen).Ziel ist es hierbei, Fehler (z.B. Lunker, Schweißnahtfehler oder Ablösun-gen von Laminaten) sichtbar werden zu lassen. Im Entwicklungsbereich wird die Holografie in der vorbeugenden Qualitätssicherung ebenfalls ein-gesetzt, und zwar hauptsächlich zum Aufspüren von Geräuschquellen, beispielsweise an Autokarossen, Motor-Getriebeblöcken, Bremsscheiben


oder Autoreifen sowie zur experimentellen Prüfung von Verformungen spezieller Bauteile (z.B. im Flugzeugbau). Diese Untersuchungen werden heute meist flankierend zu Berechnungen mit der Methode der Finiten Elemente durchgeführt.

Messprinzip

Die Grundidee der holografischen Interferometrie besteht darin, zwei Zu-stände eines Objektes, die zeitlich nacheinander vorliegen, mit Hilfe der Holografie aufzuzeichnen und ihre Bilder gleichzeitig zu rekonstruieren. Die gleichzeitig vorhandenen Bilder sind in der Lage, miteinander zu inter-ferieren, so, als ob beide Zustände gleichzeitig vorliegen würden. Aus den sichtbar werdenden Interferenzen können die Verformungsvektoren bzw.die Abweichungen quantitativ ermittelt werden. Abbildung 5.12 zeigt eine mögliche Anordnung zur holografischen Untersuchung eines Objektes.

Abb. 5.12. Anordnung zur interferometrischen Holografie

Für die Aufnahme des Hologramms müssen zwei Teilbelichtungen auf die gleiche holografische Filmplatte aufgezeichnet werden; zwischen diesen Belichtungen wird die Belastung des zu untersuchenden Objektes geändert. Für die erste Belichtung sind die Verschlüsse 1 und 3 geöffnet, so dass das Objekt mit der Beleuchtungswelle beleuchtet und gleichzei-tig die Hologrammplatte mit der Referenzwelle 1 bestrahlt wird. Die von der rauen Objektoberfläche diffus reflektierte Welle interferiert aufgrund der Kohärenz des Laserlichtes zu einem raumfesten, stationären Mikroin-terferenzmuster, den sogenannten Speckles, die mikroskopisch kleine

5.3 Verformungsmessung mit der Holografischen Interferometrie 247

Hell-Dunkel-Erscheinungen in dem Raum vor dem Objekt bilden. Jedes dieser Speckles besitzt eine eigene Phase der Lichtwelle, die durch die Mikrorauheit und die Position der Objektoberfläche festgelegt wird. Die-se Phase der Speckles wird in einem mikroskopisch feinen Interferenz-muster in der Hologrammplatte gespeichert, wobei die Speckles mit der ebenfalls einstrahlenden, intensitätsstarken Referenzwelle interferieren. Diese liefert sozusagen die Bezugsphase für das Specklefeld. Nach der Verformung des Objektes erfolgt die Belichtung 2, wobei nun die Ver-schlüsse 2 und 3 geöffnet werden. Die nun aufgezeichneten Phasen des aufgrund des neuen Lastfalles leicht modifizierten Specklefeldes werden bezüglich der Phase der Referenzwelle 2 aufgezeichnet. Hierbei ist we-sentlich, dass sich die Mikrostruktur der Oberfläche durch die Verfor-mung nicht geändert hat, wohl aber ihre makroskopische Position. Die beiden holografisch gespeicherten Specklefelder unterscheiden sich also ebenfalls nicht in ihrer mikroskopischen Feinstruktur, wohl aber in ihrer makroskopischen Phasenlage zueinander. Nach der Entwicklung der Hologrammplatte kann diese mit Hilfe der beiden Referenzwellen 1 und 2 rekonstruiert werden. Jetzt werden also die beiden Verschlüsse 1 und 2 geöffnet; das Objekt selbst wird nicht mehr benötigt. Dabei rekon-struiert Referenzwelle 1 das erste Specklefeld, Referenzwelle 2 das zweite Specklefeld. Da beide Felder eine nahezu identische Feinstruktur der Phase aufweisen, können sie miteinander interferieren. Die Interfe-renzstreifen zeigen jeweils eine Phasenänderung um 2 an, was einer Verformung der Oberfläche um etwa /2 entspricht, wobei die Wel-lenlänge des Lasers bei der Hologrammaufnahme ist. Die Interfe-rogramme werden mit einer CCD-Kamera aufgenommen und mit Com-puterprogrammen ausgewertet. Abbildung 5.13 zeigt das Schwingungs-verhalten von Turbinenschaufeln.

Abb. 5.13. Drei verschiedene Schwingungsmoden einer Turbinenschaufel: 16.680Hz, 21.400Hz, 32.983Hz (Werkfoto: Kiemle & Röss)


Abbildung 5.14 zeigt das interferometrische Hologramm einer an 5 Punkten eingespannten Platte.

5.4 Spannungs-, Dehnungs-, Kraftmessung

5.4.1 Spannungsoptische Verfahren

Spannungsmessungen an transparenten Bauteilen lassen sich traditionell mit spannungsoptischen Verfahren durchführen. Viele lichtdurchlässige, optisch isotrope Körper werden durch elastische Verformung wie Zug, Druck, Biegung und Torsion doppelbrechend. Befinden sich diese Bauteile zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren, so hellt sich das Gesichtsfeld an den Stellen auf, an denen durch Deformation die Brechzahl verändert wurde. Um bei lichtundurchlässigen, komplizierten oder besonders großen Bauteilen die Verteilung der Spannung untersuchen zu können, bringt man maßstabsgetreue Modelle in den Strahlengang zwischen die gekreuzten Polarisationsfilter. Als Material für die Modelle verwendet man Kunsstof-fe, beispielsweise Phenolharze. Unter Belastung entstehen Aufhellungen, im weißen Licht Linien gleicher Farbe, sogenannte Isochromaten. Diese entsprechen den Gebieten mit gleicher Hauptspannungsdifferenz. Durch Abzählen der Isochromaten kann man auf die Höhe der Spannung und ihre Verteilung schließen. Sie sind anschaulich die Höhenlinien des Belas-tungsgebirges (Abb. 5.15).

Abb. 5.14. Speckle-Interferomterie an einer an 5 Punkten eingespannten und mit gleichmäßigem Druck belasteter Platte

5.4 Spannungs-, Dehnungs-, Kraftmessung 249

Abb. 5.15. Isochromaten eines druckbelasteten Zylinders

5.4.2 Speckle-Pattern-Interferometrie (ESPI)

Spannungen und Spannungsverteilung an einer zugbelasteten Probe lassen sich mittels Speckle-Interferometrie direkt an der Universalprüfmaschine aus der Dehnung der Probe ermitteln. Das Verfahren ist in Abschn. 5.3 beschrieben.

5.4.3 Faseroptische Sensorik (FOS) zur Spannungs- undDehnungsmessung

Die Vorteile faseroptischer Sensoren sind augenscheinlich: Unempfind-lichkeit gegenüber extremen Umgebungsbedingungen (z.B. elektromagne-tische Felder, Umwelteinflüsse, Chemikalien, hohe und tiefe Temperatu-ren), Miniaturisierung, Gewichtseinsparungen, einfache Integration in Bauteile, insbesondere in Faserverbundwerkstoffen. Lange Lebensdauer und geringer Wartungsaufwand verbinden sich mit hoher Messgenauig-keit. Der Einsatz faseroptischer Sensoren (FOS) in Messtechnik und Quali-tätssicherung wird begünstigt durch die enormen Fortschritte in den opti-schen Technologien und der Telekommunikation mit kostengünstig erhältlichen Komponenten: den Fasern, Halbleiterlasern, Optokopplern und der zugehörigen Signalelektronik. Die Fiber-Bragg-Grating-Sensoren stehen dabei an der Schwelle der industriellen Einführung und werden zu den wichtigsten Messtechniken gehören.

Faseroptische Sensoren mit Multimodefasern

Die Lichtausbreitung erfolgt durch Totalreflexion zwischen Fasermantel und Faserkern. Bei Multimodefasern liegt der Kerndurchmesser bei 50 m. Es wird die Änderung der Lichtintensität durch Krafteinwirkung


auf die Faser gemessen. Durch Krafteinwirkung auf die Faser ändert sich die durch die Faser transmittierte Intensität auf Grund von Verlusten durch Modenauskopplung (Abb. 5.16).

Abb. 5.16. Schematische Darstellung der Kraftmessung mit faseroptischen Senso-ren

Eine Änderung der Lichtmodulation kann auch durch eine Belastung außerhalb der Faser hervorgerufen werden. Der FOS besteht dabei aus einer Sende- und einer oder mehreren Empfängerfasern. Dabei wird das von einer Membran in die Faser zurückgestreute oder zurückreflektierte Licht gemessen. Variiert der Abstand der Membran zum Faserende auf Grund eines äußeren Druckes, so ändert sich die von der Empfängerfaser aufgenommene Lichtmenge (Abb. 5.17).

Abb. 5.17. Faseroptischer Drucksensor mit einer Membran zur Druckaufnahme

5.4 Spannungs-, Dehnungs-, Kraftmessung 251

Sensoren mit Monomodefasern (Faserinterferometer)

Wegen des geringen Faserkerndurchmessers von etwa 5 m kann sich nur ein Wellenmodus entlang der Faser ausbreiten. Bei der Messung wird die Verschiebung der Phase im Lichtwellenleiter (LWL) ermittelt, die durch die Einwirkung einer äußeren Kraft hervorgerufen wird. Durch die Über-lagerung des Lichts aus einem Mess-LWL mit dem eines Referenz-LWL lässt sich die Phasenänderung bis zu einer Genauigkeit von 10-6 rad bestimmen. Damit lässt sich ein Verschiebeweg von 10 nm auflösen.

Fiber-Bragg-Grating-Fasersensoren (FBGS)

Bei Fiber-Bragg-Grating-Fasersensoren handelt es sich um Monomode-Glasfasern (Kerndurchmesser 5 m), in die eine Gitterstruktur mit einer periodischen Brechzahländerung eingeprägt wird. Diese Gitterstruktur reflektiert das durchlaufende Licht bei der sogenannten Bragg-Wellen-länge, d.h. bei einer Wellenlänge B, die dem Zweifachen der Gitterperio-de d entspricht. Andere Wellenlängen werden ohne wesentliche Abschwä-chung durchgelassen. Die FBG-Sensoren werden zur Spannungsmessung in die zu überwachende Struktur eingebettet. Wird die Faser einer Zug-spannung oder einer Temperaturänderung unterworfen, so ändert sich auf Grund der Dehnung der Faser die Gitterperiode (und die Brechzahl) und damit die Wellenlänge des reflektierten Laserlichtes. Aus der Wellenlän-genänderung lassen sich Dehnungen und Zugspannungen sehr genau bestimmen. Der Messbereich für die Dehnung der FBGS reicht von 103 m pro Meter Faserlänge bis +104 m/m und besitzt eine relative Auf-lösung bis zu 1 m/m ( ). Die Messtechnik ist sehr robust, weil nicht die Intensität, sondern die Wellenlängenänderung des reflektierten Lichtes gemessen wird. Allerdings ist häufig eine Temperaturkompensation erfor-derlich (z.B. durch einen weiteren FBGS für die Temperatur). Die Länge eines Bragg-Gitters liegt bei 1 mm. In eine Faser lassen sich mehrere Git-ter unterschiedlicher Periode an beliebig verschiedenen Stellen einschrei-ben. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, mit einer Faser eine Vielzahl von Mess-Stellen (bis zu 100) gleichzeitig zu überwachen. Wird zusätzlich die Laufzeit des reflektierten Signals bestimmt, so lassen sich die Stellen der äußeren Kraft- oder Lasteinwirkung angeben. Die erreichbare Ortsauflö-sung liegt (bei Faserlängen von 1 km) bei etwa 1 m. Als Lichtquelle wird ein breitbandiger Laser (z.B. eine Superlumineszensdiode) oder ein durch-stimmbarer Laser eingesetzt. Auch das Verfahren des Wellenlängenmulti-plexing findet Anwendung. Da die Signalgewinnung schnell erfolgt, ist es möglich, dynamische Lastwechselvorgänge an Bauteilen zu messen und Schwingungen- und Vibrationen auszuwerten. Die Abtastfrequenzen rei-chen im Augenblick bis 500 Hz. Vorteilhaft ist dabei die im Vergleich zu anderen Sensoren (z.B. Dehnmess-Streifen) außerordentlich lange Lebens-


dauer der FBGS, die mehr als 106 Belastungszyklen standhält, sowie ihre Stabilität über lange Zeiträume (> 25 Jahre).

Anwendungen

Es sind in der nahen Zukunft weitreichende Anwendungen bei vielen Mess- und Überwachungsaufgaben (Monitoring) in Luft-und Raumfahrt, im Automotive-Bereich und in der Bautechnik zu erwarten:

Integration von FBGS in Bauteile aus Verbundwerkstoffen, z.B. in die Tragflügel von Verkehrsflugzeugen, in die Rotorblätter von Hubschrau-bern, in den Mast von Hochseeyachten, zur Untersuchung und der Ü-berwachung von statischen und dynamischen Belastungen. Integration von FBGS in Schiffsrümpfen, Treibstoffbehälter von Flug-zeugen und Raketen sowie Karosserien. Überwachung (Monitoring) von Bauwerken mit langreichweitigen Fa-sern und mit Fasernetzen, beispielsweise Staudämme, Hängbrücken, Hochhäuser, Kernreaktoren, Tunnel oder Offshore-Anwendungen.

5.5 Schwingungsmessung

Optische Verfahren messen und analysieren Schwingungen bzw. Vibratio-nen von Oberflächen und von Bauteilen ohne mechanischen Kontakt zur Oberfläche. Da die Messung masselos erfolgt, ist sie ohne Verfälschung der Schwingung- und Schwingungsform durch das Eigengewicht des Sen-sors. Für die punktuelle Vermessung schwingender Bauteile eignen sich spezielle ausgelegte Triangulationssensoren (Abschn. 5.1), sowie für hohe Genauigkeitsanforderungen insbesondere Laser-Doppler-Vibrometer. Mit Verfahren der holografischen Interferometrie und der Speckle-Pattern-Interferometrie lassen sich Bauteilschwingungen flächenhaft beobachten und analysieren.

5.5.1 Laser-Doppler-Vibrometer

Messprinzip

Beim Laser-Doppler-Vibrometer handelt es sich um ein interferometri-sches Einpunktverfahren das hohe Empfindlichkeit und große Bandbreite in sich vereinigt (Abb. 5.18).

5.5 Schwingungsmessung 253

Abb. 5.18. Aufbau eines Laser-Doppler-Vibrometers

Das kohärente Licht eines Helium-Neon-Lasers wird in einem ersten Strahlteiler BS 1 in einen Mess- und einen Referenzstrahl aufgespalten. Der Referenzstrahl gelangt über BS 3 direkt auf die Detektoren D1 und D2. Der Messstrahl passiert den Strahlteiler BS 2 und wird mit Hilfe eine Projektionsoptik (Linse) auf das schwingende Objekt abgebildet. Das vom Objekt zurückgestreute Licht gelangt über die Strahlteiler BS 2 und BS 3 auf die Detektoren D1 und D2 auf denen sich die beiden Signale jeweils überlagern. Durch die Bewegung der Oberfläche wird das von der Ober-fläche zurückreflektierte Licht wegen des Dopplereffektes in seiner Fre-quenz verändert. Die Frequenzverschiebung des rückgestreuten Lichtes ist direkt proportional der Geschwindigkeit der angetasteten Oberfläche.

Messbereich

Mit dieser Technik können Bauteilgeschwindigkeiten bis 10 m/s erfasst wer-den und sie erlaubt auch die Erkennung der Bewegungsrichtung der Objekte. Man kann Laser geringer Leistung (Laser-Klasse 2, Leistung kleiner 1 mW) verwenden, so dass der Einsatz des Verfahrens nicht auf Grund von Sicher-heitsauflagen eingeschränkt ist. Die Amplitude der Bauteilschwingung lässt sich unabhängig von der Schwingungsfrequenz absolut bestimmen. Die hohe Auflösung reicht je nach Arbeitsbereich von etwa 0,01 m bis 40 m. In Abb. 5.19 ist der typische Arbeitsbereich eines Laser-Vibrometers und der holografischen Doppelpuls-Interferometrie dargestellt.


Abb. 5.19. Arbeitsbereiche des Laser-Vibrometers und der holografischen Interfe-rometrie


Abbildung 5.20 zeigt typische Anwendungen bei der Qualitätssicherung aus den Bereichen Automobilbau, Maschinenbau, Computertechnik und Elekt-ronik.

Schwingungs- und Modalanalyse an Karosserieblechen und Motorblö-cken sowie Vibrationsanalyse an rotierenden Bremsscheiben oder am Ventiltrieb von Zylinderköpfen. Schwingungsuntersuchungen an Werkzeugmaschinen, insbesondere an rotierenden Teilen, wie Spindeln und Werkzeugen. Über die Schwin-gungsanalyse ist die Untersuchung und frühzeitige Erkennung von La-gerschäden möglich. Untersuchung der Wobbelbewegung von rotierenden Festplatten und der Bewegung der Schreib- Leseköpfe. Schwingungsmessung an bewegten Audio- und Videobändern.Einsatz bei der Untersuchung der Qualität von Lötstellen in elektronischen Schaltungen (Platine muss dabei zu Schwingungen angeregt werden). Aufgrund der Fokussierbarkeit des Laserstrahls auf wenige m sind Messungen an sehr kleinen Strukturen, beispielsweise an Drähten, Na-deln von Druckern oder Relais-Kontakten möglich. Schwingungsanalyse an Lautsprechermembranen.

5.5 Schwingungsmessung 255

Abb. 5.20. Typische Anwendungen für Laser-Doppler-Vibrometer

Faseroptische Vibrationssensoren

Benutzt man den Referenzarm des Interferometers als zweiten Messarm so erhält man ein Vibrometer mit dem man den Bewegungsunterschied zwi-schen zwei angetasteten Messpunkten erfassen kann (Zwei-Punkt-Vibro-meter). Besonders flexible Einsatzmöglichkeiten ergeben sich, wenn das Laserlicht über zwei polarisationserhaltende Lichtfasern zu den Messköp-fen transportiert wird (differenzielles faseroptisches Vibrometer). Damit lassen sich beispielsweise Rotations- und Torsionsschwingungen eines rotierenden Laufwerkes erfassen.

In der zukünftigen Entwicklung werden faseroptische Systeme eine be-sondere Rolle spielen. Es ist mit dieser Technik möglich, Vibrationssenso-ren auf der Basis von Mikrointerferometern extrem zu miniaturisieren. Sie sind völlig unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen und sie sind leicht in Sensornetze integrierbar, deren Ausdehnung bis in den Kilo-meterbereich reichen können. (Abschn. 5.7 Fasersensoren)

5.5.2 Holografische Interferometrie und Speckle-Pattern-Interferometrie

Holografische Verfahren und die Speckle-Messtechnik werden insbesonde-re zur genauen Verformungsmessung von Bauteilen eingesetzt: Das Mess-prinzip ist in Abschn. 5.2 beschrieben. Beide Verfahren lassen sich aber auch zur Untersuchung von stationären Schwingungen einsetzen. Man benutzt hierbei das sogenannte Zeit-Mittelungsverfahren. Dabei werden bei der Aufnahme auf dem Hologramm bzw. der CCD-Kamera innerhalb der Belichtungszeit mehrere Schwingungen aufgezeichnet. Das entstehen-de Interferogramm zeigt flächenhaft über dem Objekt Interferenzlinien als Orte gleicher lokaler Schwingungsamplitude (Abb. 5.21).


Abb. 5.21. Schwingungen einer Lautsprechermembran (Labor für optische Mess-technik der FH Aalen)

Mit solchen Untersuchungen lassen sich auch quantitative Angaben über die räumliche Verteilung der Schwingungsamplituden von Bauteilen ge-winnen.

5.6 Temperaturmessung

Messprinzip

Mit optischen Messungen im infraroten, nicht sichtbaren Spektralbereich kann die Temperatur von festen, flüssigen oder gasförmigen Körpern sehr schnell, berührungsfrei und mit geringem Fehler bestimmt werden. Die Geräte messen die vom Messobjekt abgestrahlte Strahldichte und berech-nen mit Hilfe des Planck´schen Strahlungsgesetzes die Oberflächentempe-ratur des Messobjektes.

Im Gegensatz zur berührenden Temperaturfühlern haben Strahlungs-temperatur-Messgeräte folgende Vorteile:

Sie beeinflussen nicht das Messobjekt. Das Messergebnis ist nicht ab-hängig von der Messentfernung. Sie sind etwa um den Faktor 1.000 schneller. Bei Temperaturen über 1.300°C sind sie die einzige kostengünstige Möglichkeit der Temperaturmessung. Sie sind sehr wirtschaftlich, wenn viele Temperaturwerte gleichzeitig auf einer Fläche gemessen werden sollen.

Der vom Messgerät genutzte Wellenlängenbereich richtet sich nach der Messaufgabe. Bei heißen Messobjekten (>500°C) wird das nahe Infrarot genutzt. Bei Objekten im Raumtemperaturbereich kommt das mittlere Infrarot bis 14 µm zum Einsatz. Bei großen Messentfernungen nutzt man

5.6 Temperaturmessung 257

die atmosphärischen Fenster von 3 µm bis 5 µm oder 8 µm bis 14 µm. Zum Messen der Oberflächentemperatur von Kunststoffen oder Gläsern werden spezielle Spektralbereiche genutzt.

Messgeräte

Die Strahlungstemperatur-Messgeräte werden in 3 Gruppen eingeteilt:

Strahlungsthermometer (von einer runden Fläche wird die Durch-schnittstemperatur ermittelt). Linescanner (eine Messlinie wird abgetastet und die Temperatur wird entlang der Linie berechnet). Thermografie-Kamera (das Messobjekt wird als Farbbild dargestellt, wobei der Farbwert einem Temperaturwert zugeordnet ist).

Strahlungsthermometer (Pyrometer)

Der zu messende Gegenstand wird dabei durch einen Laserpointer odereinen optischen Sucher anvisiert. Der Temperaturwert wird auf einem Dis-play angezeigt oder als elektrisches Signal an einer Standard-Schnittstelle zur Verfügung gestellt. Die Messgeräte werden bezüglich ihrer Optik, Elektronik und Spektralbereich auf den Anwendungszweck optimiert. Bei-spiele für Kennwerte von industriell einsetzbaren Strahlungsthermometern sind in Tabelle 5.1 enthalten.

Tabelle 5.1. Kennwerte von Strahlungsthermometern

Messgröße Typische Werte Messtemperatur-Bereich, unterteilt in Abschnitte

-100°C bis 3.000°C

Messunsicherheit 0,1 K 0,1% des Messwertes Rauschäquivalente Temperatur-auflösung

0,05 K bei Messtemperatur 20°C, Einstellzeit t90 = 0,25 s

Distanzverhältnis 1:1 bis 100:1 (Messentfernung/Messfelddurchmesser)

Einstellzeit bei Temperatursprung (25°C auf 1.000°C)

50 ms (90% des Endwertes)

Bevorzugte Einsatzgebiete

Unzugängliche, aggressive, spannungsführende oder weit entfernte Messobjekte.Schnell bewegte Messobjekte, wie Folienbahnen, Walzen, sich drehende Teile oder Fahrzeuge in Bewegung.


Objekte mit schneller Temperaturänderung, wie Impulsheizer, Kühl- und Heizgeräte. Objekte mit geringer Wärmeleitfähigkeit wie Glas, Kunststoffe, hochle-gierte Stähle, Keramik, Grafite oder Faserverbundwerkstoffe. Messung durch Sichtfenster hindurch auf das dahinter befindliche Messobjekt, wie in Öfen, Vakuumkammern. Kleine Messobjekte, Spitzen, Drähte, Gitter, Netze oder Folien. Objekte mit unterschiedlicher Oberflächentemperatur-Verteilung, wie Bauwerke, biologische Objekte, Glas- oder Kunststoffbahnen während der Herstellung. Schnelles Erkennen von Veränderungen, wie bei der Geländeüberwa-chung, Prüfung von elektronischen Baugruppen, Brandherdlokalisation oder vorbeugende Instandhaltung.

Linescanner und Thermografiekameras

Linescanner messen gleichzeitig entlang einer Linie die Temperaturvertei-lung. Thermografiekameras stellen die Temperaturverteilung als flächiges Bild (meist in Farbe) dar. Häufig ist rot die höchste und blau die niedrigs-te Temperatur, so dass man schnell einen exakten Überblick bekommt. Die Bildgeräte liefern wertvolle Informationen für die Qualitätssicherung in der Entwicklung und der Produktion. Typische Kennwerte von indus-triell einsetzbaren Thermografiesystemen sind in Tabelle 5.2 zusammen-gestellt.

Tabelle 5.2. Kennwerte von Thermografiesystemen

Messgrößen von Thermografiesystemen Typische Werte Messtemperatur-Bereich, unterteilt in Abschnitte

-50°C bis 2.000°C

Messunsicherheit 1 K 0,5% des Messbereiches Rauschäquivalente Temperaturauflösung 0,02K am Hohlraumstrahler bei 30°C Geometrische Auflösung 1mrad x 1mrad Pixel pro Bild 104 bis zu 106

Bildfrequenz 0,5 Hz bis 60 Hz

Bevorzugte Eisatzgebiete

Thermografiekameras und Linescanner werden überall dort eingesetzt, wo Bilder einen schnellen Überblick bringen:

5.6 Temperaturmessung 259

Inspektion von energietechnischen Anlagen (Generatoren, Motoren, Hochspannungsleitungen, Transformatoren, Öfen oder Auspuffe). Analyse der Wärmeisolation von Gebäuden und Fehlerlokalisation bei der Winddichtheit und Lecks in der Fußbodenheizung. Überwachung von Erwärmungs- und Abkühlprozessen bei Bahnware, Stangen, Drähten oder Folien. Auffinden von Heißläufern an Lagern. Temperaturüberwachung bei der Lebensmittelproduktion (Kakaoer-zeugnisse, Backwaren). Optimierung von Reibwiderständen (Reifenprüfung, Bremsbeläge oder Anströmflächen). Prüfung von Wärmeaustauschern, Nachweis der Wirkung der Wärme- oder derKälteisolation.Lokalisation der thermischen Belastung von Gewässern, Deponien oder Lecks in Fernwärmeleitungen.

Eine Kombinationen von Thermografiekamera und Wärmewellen-Messtechnik (Lock-in-Thermografie) eröffnet neue Möglichkeiten der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Damit können Delaminationen in Schichtwerkstoffen, Risse und Inhomogenitäten in größeren Tiefen sicht-bar gemacht werden (Abb. 5.22).

Abb. 5.22. Thermografie der Frontscheibe eines PKW´s (Werkfoto: InfraTec GmbH, Dresden). Die Oberflächentemperatur wurde in Farbflächen (hier: Grau-werte) umgewandelt. Die Temperaturen der Messpunkte P01 bis P06 sind in der rechten oberen Tabelle aufgelistet. Der Temperaturverlauf entlang der weißen Messlinie L07 ist im oberen Diagramm als Funktion der Pixel-Nr. dargestellt.


5.7 Feuchtemessung

Messprinzip und Einsatzbereich

Der physikalisch gebundene Anteil von Wasser in Gasen oder festen Stoffen wird als Feuchte bezeichnet. Den Feuchtegehalt an der Oberfläche von Ge-genständen kann man optisch messen; denn die Wassermoleküle verursa-chen im infraroten Spektralbereich Absorptionsunterschiede. Das feuchte Messobjekt wird mit infraroter Strahlung bestrahlt, die aus zwei unterschied-lichen Wellenlängenbereichen stammt. Die Strahlungsanteile des 1. Wellen-längenbereiches werden auf Grund der Feuchte stark absorbiert und die An-teile des 2. Wellenlängenbereich werden deutlich weniger absorbiert. Der Quotient der beiden Messergebnisse (Signal der 1. Messung geteilt durch Signal der 2. Messung) ist proportional dem Wasseranteil im Messgut. Nach dem gleichen Prinzip werden auch die Gasanteile in der Luft bestimmt. Aus Kostengründen nutzt man bei der Feuchtebestimmung Absorptionsbandenbei 0,95 µm, 1,1 µm, 1,43 µm und 1,93 µm. Je nach Anzahl und Anordnung der optischen Sensoren (z.B. Einelementsensor, Zeile oder Matrix) kann der Durchschnittswert der Feuchte von einer Fläche, die Feuchteunterschiede entlang einer Linie oder von einer ganzen Fläche bestimmt werden. Beson-ders aussagekräftig sind Bildaufnahmen, bei denen man in Millisekunden Feuchtewerte von einer ganzen Fläche erhält. Die beiden Wellenlängenbe-reiche 2 µm bis 5 µm sowie 8 µm bis 14 µm eignen sich ebenfalls für die Feuchtebestimmung. Dafür können kommerzielle Thermografiekameras eingesetzt werden (Abschn. 5.6) mit dem Vorteil einer schnellen, berüh-rungslosem Bestimmung der Oberflächenfeuchte im Bereich von 0% bis 10% relative Feuchte.

Typische Anwendungsfelder

Die Anwendungsfelder liegen vor allem bei der Feuchtemessung an der Oberfläche von Baustoffen, Pulver, Tabak, Lebensmittel, Bauwerken und Gemälden.

5.8 Farbmessung

5.8.1.1 Einsatzbereiche

In folgenden Bereichen spielt die Farbmessung eine wichtige Rolle für die Qualitätssicherung:

5.8 Farbmessung 261

Farberkennung Das Wiedererkennen einer Farbe durch Vergleich mit abgespeicherten Farbmustern ist wichtig für die Kontrolle von Farbmarkierungen auf Arzneimittelflaschen, bei der Kontrolle der Reihenfolge verschiedenfar-biger Pillen in Verpackungen oder bei der Sortierung verschiedenfarbi-ger Gegenstände (z.B. Getränkekästen).Farbrezeptierung Farbmessgeräte zusammen mit entsprechenden Computerprogrammenerzeugen die gewünschten Farbtöne in der Drucktechnik, beim Lackie-ren oder bei der Herstellung gefärbter Kunststoffe. FarbkontrolleBei zahlreichen Produkten (z.B. bei Textilien) spielt die Farbe (inter-national standardisiert) eine entscheidende Rolle. Die Qualität der Farbwiedergabe ist auch wichtig bei Erzeugnissen der Druckindustrie (Farbdruck), des Maschinenbaus (farbige Produktoberflächen), bei Farbmonitoren und bei LC-Displays.

Messprinzip

Ziel der Farbmessung ist es, den vom Menschen wahrgenommenen Farb-eindruck durch eindeutige reproduzierbare Zahlenwerte zu beschreiben. Die Farbwahrnehmung des menschlichen Auges beruht auf drei unter-schiedlichen Sinneszellen, die für die Farben Rot, Grün, Blau empfindlich sind. Ein bestimmter Farbeindruck lässt sich daher durch Angabe der unter-schiedlichen Reizstärken der 3 Farbrezeptoren als Zahlentripel charakteri-sieren, das als Punkt in einem dreidimensionalen Farbraum dargestellt wer-den kann. Ist die spektrale Energieverteilung des den Farbreiz erzeugenden Lichts bekannt, lassen sich die Farbkoordinaten rechnerisch ermitteln.

Die Farbmessung wird deshalb so vorgenommen: Das von der Probe rückgestreute Licht wird meist durch ein optisches Gitter spektral in drei der menschlichen Farbwahrnehmung entsprechende Farbanteile zerlegt und die genormten Farbkoordinaten berechnet. Anschließend werden diese Farb-Koordinaten mit den eingespeicherten verglichen und entsprechende Aktionen eingeleitet. Einfacher aufgebaut sind Farbmessgeräte, die nach dem Dreibereichsverfahren arbeiten, bei dem häufig keine genormten Farbkoordinaten bestimmt werden. Diese Geräte verwenden drei Licht-empfänger, die direkt den Normfarbwerten X, Y und Z entsprechen. Das Dreibereichsverfahren wird häufig bei Farbsensoren eingesetzt, bei denen es lediglich darauf ankommt, eine oder mehrere Farben aus bestehenden Farbmustern wiederzuerkennen, bzw. festzustellen, ob die Abweichung vom vorgegebenen Farbmuster einen Toleranzwert überschreitet.


Anwendungsbeispiele

Kontrolle von Farbdisplays (Abb. 5.23)

Abb. 5.23. Qualitätskontrolle bei einem Farbdisplay

Bei dieser Anwendung (Abb. 5.23) wird ein spektral messender Sensor eingesetzt. Das Objektiv bildet das (selbstleuchtende) Objekt auf eine Lichtleitfaser ab, die für eine Durchmischung des Lichts sorgt. Die unter-schiedlichen Farbanteile sind so gleichmäßig über den Austrittsquerschnitt der Faser verteilt. Das optische Gitter zerlegt das Licht in die spektralen Anteile, die von einem Zeilensensor erfasst werden.

Erkennung von Farbmarken (Abb. 5.24)

Abb. 5.24. Erkennung von Farbmarken

Zur Erkennung von Farbmarken nach Abb. 5.24 wird ein Sensor nach dem Dreibereichsverfahren verwendet. Über ein Lichtleiterbündel wird das Messobjekt beleuchtet. Das zurückgestreute Licht wird ebenfalls über ein Lichtleiterbündel zum Farbsensor geführt. Die Trennung in drei Wellen-längenbereiche erfolgt durch vor den Sensoren angeordnete dichroitischeSpiegel.

5.9 Interferometrische Submikrometer-Messtechnik in der Automobilind. 263

Abb. 5.25. Erkennung von Farbmarken (nicht selbstleuchtende Objekte)

5.9 Interferometrische Submikrometer-Messtechnik inder Automobilindustrie

5.9.1 Stand und Entwicklung der Messtechnik

Die Anforderungen an High-Tech-Komponenten im Kraftfahrzeug steigen ständig. Der Grund für diese Entwicklung liegt vor allem darin, dass sich durch die Einhaltung kleiner Toleranzen in der Regel Funktionsverbesse-rungen der Bauteile erreichen lassen. Um beispielsweise bei Einspritzsys-temen Druckverlauf und Dosierung verbessern zu können, sind Toleranzen von 0,5 µm erforderlich; dies bedeutet, dass das Messsystem eine Auflö-sung in der Größenordnung von 10 nm haben muss.

Ein Großteil der im Maschinenbau gestellten messtechnischen Anforde-rungen kann mit konventioneller, taktiler Messtechnik nicht mehr zufrie-denstellend erfüllt werden. Daher besteht großes Interesse an der Entwick-lung berührungsloser Tastsysteme für hochgenaue Formmessmaschinen auf der Basis interferometrischer Methoden.

In der Automobilindustrie kommt hinzu, dass eine Großserienfertigung stattfindet: Der Materialdurchsatz ist hoch und die Taktzeiten bewegen sich typischerweise bei wenigen Sekunden. Wegen der genannten Genauigkeits-anforderungen bieten sich hierbei besonders interferometrische Methodenwie die Weißlichtinterferometrie (WLI) an, die unter den Randbedingungen Wirtschaftlichkeit (geringe Taktzeit zur vollständigen Vermessung kom-pletter Funktionsflächen) und bauteilspezifischer Anpassbarkeit (z.B. zur Messung an schwer zugänglichen Stellen) optimiert werden müssen.


Neben den erhöhten Anforderungen an die Toleranz ist auch die Tendenz zur schrittweisen Miniaturisierung der Bauteile erkennbar. So werden Messungen mit sehr kleinen Sonden (Tastern) an funktionsrelevanten Flächen notwendig, die nur schwer zugänglich sind (z.B. Messungen in kleinen oder sehr tiefen Bohrungen). Die derzeit eingesetzten taktilen Mess-verfahren sind für diese Aufgaben zunehmend ungeeignet. Schließlich ge-winnt die Forderung nach kurzen Messzeiten und dadurch geringeren Kosten pro Messung, insbesondere in Verbindung mit einer hohen Auflö-sung, immer mehr an Bedeutung. Mit taktil messenden Verfahren sind heute keine wesentlich kürzeren Messzeiten mehr erreichbar. Optische Ver-fahren zählen dagegen zu den schnellsten und genauesten Messverfahren. Der Übergang von taktiler zu optischer Messung ist daher für einen Großteil der Anwendungen nur eine Frage der Zeit.

Alternative berührungslose Messverfahren, wie beispielsweise Ultra-schall und Röntgen-Computer-Tomographie (RCT) sind wegen der gerin-geren lateralen und vertikalen Auflösung im Vergleich zu optischen Ver-fahren bisher nur bedingt geeignet.

Mit Hilfe der Weißlicht-Heterodyn-Interferometrie (WHI) können mit hoher Abtastrate Funktionsflächen mit einer vertikalen Auflösung bis hin-unter in den Bereich weniger nm vermessen werden. Die Entwicklung von Sonderoptiken erlaubt zudem die Vermessung von Funktionsflächen in fertigungsnaher Umgebung. Zusätzlich muss die Rückführung von interfe-rometrischen Messmethoden auf amtliche Normale gewährleistet werden.

5.9.2 Weißlichtinterferometrie (WLI)

Das Prinzip des WLI (Abschn. 5.2.3) beruht darauf, dass eine kurzkohä-rente Lichtquelle für die Beleuchtung eines abbildenden Systems benutzt wird. Das abbildende System besitzt zusätzlich zur normalen Abbildungs-optik einen Referenzzweig, welcher von einem Teil des eingestrahlten Lichts durchlaufen wird (Abb. 5.10 und 5.11). Ist der Wegunterschied des Laufwegs des Lichts O im Objektzweig und im Referenzzweig R gerin-ger als die Kohärenzlänge lC des Lichts, d.h. gilt

COR l , (5.1)

so weisen die wieder zusammengeführten Teilstrahlen eine messbare In-terferenz auf. Während einer Messung wird der Wegunterschied der Teil-strahlen definiert verändert und gleichzeitig die Intensität der interferie-renden Teilstrahlen auf einem flächenhaft messenden Detektor, üblicher-weise einer CCD-Kamera, gemessen (Abb. 5.25).


Abb. 5.25. a) Schema des Funktionsprinzips eines Weißlichtinterferometers. b) Darstellung eines idealisierten Messsignals (Kohärenzlänge lc)

Die pixelweise Auswertung der durch die Interferenz erzeugten Intensi-tätsmodulation, das in Abb. 5.25 b gezeigte Intensitätskorrelogramm, liefert eine eindeutige Höheninformation für jedes einzelne Pixel. Dies gestattet, für das gesamte Bildfeld ausgeführt, die Berechnung einer vollständigen Höheninformation des Objektes.

Kommerzielle erhältliche WLIs weisen typisch folgende Spezifikatio-nen auf:

Die Höhenauflösung z ist durch die verwendete mittlere Wellenlänge des Lichts m, die Kohärenzlänge lC und die Art des Korrelogrammaus-wertealgorithmus gegeben. Typische Werte wie m= 600 nm, lC = 2 mund ein geeigneter Phasenauswertungsalgorithmus des Korrelogramms ermöglichen Werte von z • 1 nm. Die laterale Auflösung gleicht der eines konventionellen abbildenden Systems und ist prinzipiell beschränkt durch m und die Numerische Apertur NA der Abbildungsoptik:

./61.0 NAm (5.2)

Der maximale messbare Gesamthöhenunterschied zmax bestimmt sich aus der technischen Machbarkeit, einen Wegunterschied in Referenz-arm und Objektarm zu erzeugen, der über die gesamte Strecke präzise geführt wird. Geregelte Piezosysteme ermöglichen heute Werte von zmax 400 m.Die Baugröße und die Einsetzbarkeit eines WLI sind vergleichbar mit der von Mikroskopen zur optischen Inspektion.


Die WLIs gehören zu den Standardinstrumenten der Auswahlprüfung. Dabei werden ausgewählte Teile an einem speziell eingerichteten WLI-Messplatz bezüglich Merkmalen wie Form und Oberflächenbeschaffenheit vermessen. Die Messung an schwer zugänglichen Stellen, beispielsweise Bohrungsver-schneidungen im Inneren eines Teils, kann bei diesen Standardinstrumenten nur durch vorherige zerstörende Aufbereitung des Teils durchgeführt wer-den; denn das Teil muss an geeigneter Stelle geschnitten werden.

5.9.3 Weißlichtinterferometrie mit Sonderoptiken

Die optische Messtechnik kann im Fertigungsprozess wesentliche Aufga-ben übernehmen. Hier sollen insbesondere die Weißlichtinterferometrie und der Einsatz optischer Endoskope betont werden. Während WLIs die Aufnahme von Höhenprofildaten eines Objektes ermöglichen, wenn das Objekt gut zugänglich für die aufnehmende Optik ist, liefern endoskopi-sche Abbildungen Intensitätsbilder an schwer zugänglichen Stellen. Im folgenden wird eine Technologie vorgestellt, mit der beide Methoden zu-sammengeführt werden können.

Optische Endoskope für schwer zugängliche Stellen

Weil die Weißlichtinterferometrie nur an gut zugänglichen Stellen messen kann oder im anderen Falle Werkstücke zerstören muss, kann diese Metho-de häufig nicht zur 100%-Prüfung im Produktionsprozess eingesetzt wer-den. In diesen Fällen kann die Inspektion durch ein Endoskop sinnvoll sein.

Abb. 5.26. Schematische Darstellung eines Dieseleinspritzsystems (Common Rail Injektor). Der Ausschnitt zeigt eine endoskopische Abbildung eines Spritzlochs (Werkfoto: Robert Bosch GmbH)


Das optische Endoskop zeichnet sich dadurch aus, dass die abbildenden Linsen so dicht vor das Objekt gebracht werden können, dass die Numerische Apertur NA (Gl. 5.2) Werte annimmt, die eine ausreichende Auflösung ermöglichen. Die Auflösung wird wieder verschlechtert, weil sich eine Bild-übertragungsoptik (z.B. ein Faserbündel oder ein Linsensystem) anschließt.

Ein Beispiel für ein endoskopisches System im Fertigungseinsatz ist die Vermessung von Spritzlöchern in Düsen für Dieseleinspritzsysteme (Abb. 5.26). Das Endoskop ermöglicht die Aufnahme eines Spritzloches, welches durch eine 40 mm tiefe und 4 mm breite Bohrung betrachtet wer-den muss. Die optische Auflösung des Endoskops beträgt etwa 3,5 m. Eine Lösung in Freistrahloptik würde für diese Geometrie eine Numeri-sche Apertur 05.0NA ergeben. Bei einer Beobachtungswellenlänge

m = 600 nm errechnet sich nach Gl. (5.2) daraus eine Auflösung von etwa 7,5 m. Diese einfache Abschätzung zeigt das höhere Auflösungsvermö-gen endoskopischer Systeme. Der wesentliche Vorteil der interferometri-schen Technik besteht jedoch darin, dass die vollständige Höhengeometriedes zu untersuchenden Objektes wiedergeben kann, während durch eine Endoskopabbildung allein nur ein Intensitätsbild übertragen wird.

Weißlichtinterferometer mit Endoskopen und Sonderoptiken

Die genannten Beispiele aus der Praxis zeigen, dass die Weiterentwicklung von WLIs für den Einsatz in der Fertigung eine Zusammenführung des WLI mit einer endoskopischen Technik erfordert. So entstehen Ansätze für neue WLI-Systeme, die zum einen endoskopische Optiken und zum ande-ren auf das zu untersuchende Bauteil abgestimmte Optiken benutzen.

Rundsichtoptiken

Ein wichtiger Vertreter bauteil-spezifischer Sonderoptiken für WLIs sind sogenannte Rundsichtoptiken. Diese ermöglichen Abbildungen von Objek-ten, die sich unter einem großen Winkel relativ zur optischen Achse befin-den (Abb. 5.27). Solche Rundsichtoptiken werden beispielsweise zur Ver-messung von Ventilsitzen eingesetzt.

Die wichtigsten Messgrößen, die mit einer WLI-Messung mit Rundsicht-optik erfasst werden können, sind der Kegelwinkel , die Rundheit entlangder Dichtkante und Oberflächenkenngrößen. Abbildung 5.28 zeigt die WLI-Aufnahme eines Ventilsitzes, der in der Benzineinspritzung benutzt wird.


Abb. 5.27. Idealisierter Strahlengang einer Rundsichtoptik

Abb. 5.28. Das Intensitätsbild der CCD-Kamera während der WLI Messung eines Ventilsitzes (links; das gesamte Ventil ist in dem kleinen Ausschnitt zu sehen). Aus der WLI Messung des Ventilsitzes resultierende Höhendaten in Falschfarbendar-stellung (rechts). (Quelle: Mit freundlicher Genehmigung von Zygo Corporation)

Vermessung von Innenkegeln mit konventionellen Systemen

Geometrisch entspricht die Form von Ventilsitzen weitgehend der von Innenkegelflächen. Die Vermessung solcher Flächen mit einem WLI birgt hierbei eine Besonderheit, die näher untersucht werden soll. Zunächst kann man sich die Messung mit einem konventionellen WLI vorstellen. Hier wird im Referenzarm ein ebener Spiegel verwendet. Unter der Annahme idealer Flächen ergibt sich in der Abbildung des Innenkegels ein Intensi-tätsverlauf der erzeugten Interferenzstreifen von

rIIIrI

m

M

2cos22cos1)(

00 , (5.3)

wobei r die Radialrichtung auf der Kegelfläche darstellt, Io die mittlere Intensität und IM die durch die Interferenz erzeugte Intensitätsmodulation. Abbildung 5.29 zeigt die einfache geometrische Überlegung, die zu Gl. (5.3) führt.


Abb. 5.29. Schematische Skizze zur Herleitung der Bedingung für Interferenzma-xima auf einer Innenkegelfläche bei einer interferometrischen Messung. Die vom Ventilsitz zurückreflektierten Strahlen besitzen durch die Oberflächenbeschaffen-heit auch Richtungsanteile, die mit den einfallenden Strahlen zusammenfallen.

Aus Gl. 5.3 entnimmt man, dass die Intensität mit einer Periodenlänge von

= m/(2cos /2) (5.4)

moduliert wird. Für eine Standardanwendung mit einem Kegelwinkel 90 und einer Beobachtungswellenlänge m = 600 nm folgt dann aus

Gl. (5.4) eine Periodenlänge • 425 nm. Gl. (5.3) und Gl. (5.4) benutzen vereinfachende Annahmen. Trotzdem lässt sich die notwendige Auflösung des abbildenden Systems abschätzen. Zur Sichtbarkeit der Interferenzstrei-fen in obigem Beispiel benötigt man eine Auflösung, die besser als 425 nm ist. Eine solche Auflösung ist durchaus erzielbar, allerdings nur mit inter-ferometrischen Objektiven hoher Vergrößerung und großer Numerischer Apertur. Damit wird in konventionellen Systemen das Bildfeld soweit eingeschränkt, dass die Dichtfläche eines Ventilsitzes, typischerweise mit einem Durchmesser im Millimeterbereich, nicht in einer einzigen Messung vermessen werden kann.

Angepasste Referenzspiegel

Um die benötigte Auflösung zu verringern und damit beispielsweise größe-re Bildfelder zu realisieren, kann man auf das zu untersuchende Objekt an-gepasste Referenzspiegel verwenden. Nimmt man an, dass der Referenz-spiegel genau die Geometrie des Objektes wiedergibt, so wird im Idealfall je nach optischer Weglängendifferenz zwischen Referenzarm und Objekt-arm das gesamte Bildfeld hell (Interferenzmaximum) oder dunkel (Interfe-renzminimum) erscheinen. In der Praxis reicht auch schon eine zum Objekt ähnliche Geometrie des Referenzspiegels. So wurde bei der Messung des Ventilsitzes ein sphärischer Spiegel als Referenz verwendet (Abb. 5.28).


Angepasste Optik

Ein anderer Weg, die interferometrische Messung an Innenkegelflächen vorzunehmen, ist eine Anpassung der Optik an das zu vermessende Ob-jekt. Das Design der Optik sollte durch die Wahl geeigneter Randbedin-gungen folgende Ziele anstreben:

Ein geeigneter Aufbau des Linsensystems soll die optischen Weglängen im Objektzweig gezielt so beeinflussen, dass im Referenzzweig ein ebe-ner Referenzspiegel einsetzbar ist. Die Optik soll so ausgelegt werden, dass der gesamte interessierende Bereich ohne Nachfokussieren scharf abgebildet wird.

Das Linsenssytem muss deshalb so aufgebaut sein, dass die Periodenlänge der durch die Interferenz erzeugten Intensitätsmodulation größer ist als der durch die optische Auflösung bedingte Abstand von zwei getrennt mess-baren Punkten. Für das optische Design folgt daraus die Bedingung für die optischen Weglängen von benachbarten Objektpunkten zum Detektor zu

.2)()(: mDif rr (5.5)

Spezielle Software für Optik-Design ermöglicht in den meisten Fällen die Erreichung beider Ziele. Weil die Erfüllung dieser Forderungen je nach zu untersuchendem Objekt nicht immer möglich ist, wurden für Kegelwin-kel von 90° geeignete Systeme entwickelt.

Zusammenführung von Rundsichtoptiken und Endoskopen

Die im letzten Beispiel gezeigte Rundsichtoptik, die speziell auf das zu untersuchende Objekt angepasst ist, lässt sich in endoskopische WLI-Systeme integrieren. Abbildung 5.30 zeigt die Integration einer solchen Optik.

In dieser Anwendung kommen folgende Vorteile des angepassten opti-schen Designs zum Tragen:

Durch die scharfe Abbildung des gesamten interessierenden Bereichs ist während der Messung keine Relativbewegung zwischen Optik und Ob-jektiv zur Nachfokussierung nötig. Damit sind auch Endoskopgeomet-rien wie beispielsweise gekrümmte oder sehr lange Endoskope einsetz-bar.Der weißlichtinterferometrische Tiefenscan wird mit der Bewegung eines ebenen Spiegels im Referenzarm durchgeführt. Der Referenzarm ist Teil einer interferometrischen Plattform. Die Änderung des abbil-denden optischen Systems (Endoskop oder Sonderoptik) erfordert eine einmalige Veränderung der Länge des Referenzarms.


Die scharfe Abbildung des gesamten Bereichs und der Tiefenscan im Referenzarm ermöglichen eine standardisierte Software zur Steuerung und Auswertung der Messung. In anderen weisslichtinterferometrischen Konzepten, in denen für den Tiefenscan eine Bewegung zwischen Optik und Objekt erfolgt, können die Objektpunkte während der Variation des Abstands über das Bildfeld wandern. Dies erfordert zusätzlich zur Stan-dardsoftware eine Software zur Objektpunktverfolgung.

Abb. 5.30. Schematische Skizze des Abbildungs- und Beleuchtungsstrahlengangs einer WLI-Plattform, die auch mit Sonderoptiken und Endoskopen arbeitet (Werk-foto: Robert Bosch GmbH)

Da die Optiken in Referenzarm und Objektarm verschieden sind, kann ein Phasenauswertealgorithmus zur Korrelogrammauswertung unter Um-ständen nicht eingesetzt werden. Eine teilweise Anpassung der beiden Interferometerarme ist jedoch durch die in Abb. 5.30 gezeigte Dispersi-onskompensation möglich. Dazu wird in den Referenzarm ein Glasteil eingesetzt, welches die Dispersion im Referenzarm der durch Abbildungs-optik und Endoskop eingeführten Dispersion im Objektarm angleicht.


5.9.4 Weißlicht-Heterodyn-Interferometer (WHI)

Bei der Entwicklung des Weißlicht-Heterodyn-Interferometers (WHI)wurde das Ziel verfolgt, einen flexiblen optischen Abstandssensor mit ho-her Auflösung und hoher Messrate zu konzipieren. Dieser Sensor sollte in einfacher Art und Weise an konventionelle Formmessmaschinen adaptiert werden können, um die bereits vielfach eingesetzten taktilen Messtaster zu ersetzen.

Das WHI-Konzept basiert auf der Kombination eines kurzkohärenten faseroptischen Interferometers mit der Heterodyn-Technik sowie gleich-zeitig mit der Zwei-Wellenlängen-Interferometrie. Im folgenden wird das Verfahren kurz beschrieben (Abb. 5.31).

Abb. 5.31. Prinzipdarstellung des Weißlicht-Heterodyn-Interferometers (WHI)

Das WHI besteht im Wesentlichen aus einem Modulations- (MOI) und einem Mess-Interferometer (MSI), die über eine Singlemode-Faser mitein-ander verbunden sind. Das MOI ist durch einen Mach-Zehnder Freistrahl-Aufbau realisiert, während das MSI als Michelson-Aufbau dargestellt ist. Das MSI enthält den Objekt-Arm, der den zu messenden Abstand defi-niert. Es stellt damit die eigentliche Mess-Sonde dar, die relativ zum Ob-jekt mechanisch positioniert werden muss.

Das Licht der breitbandigen Lichtquelle (1) durchläuft zunächst die bei-den Arme des MOIs, in denen sich je ein akustooptischer Modulator (2)


befindet. Das Licht wird anschließend in eine Faser eingekoppelt und nach deren Durchlauf in das MSI, d.h. in die Mess-Sonde geführt. Dort wird das Licht im Objekt- bzw. Referenzarm reflektiert und in entgegengesetzter Richtung wieder in die Faser eingekoppelt. Nach nochmaligem Durchlauf zurück durch die Faser wird die Lichtintensität mit den Photodioden der Detektoreinheit detektiert.

Das MOI enthält im einen Arm ein Verzögerungselement (3) mit einer optischen Weglänge (Delay), die um ein Vielfaches größer ist als die Ko-härenzlänge der verwendeten Strahlung lC. Dieses Delay wird im MSI wie-derum durch entsprechend unterschiedliche Armlängen ausgeglichen. Nach Durchlauf des Gesamtsystems können gemäß der Kohärenzbedin-gung nach Gl. (5.1) nur diejenigen Teilstrahlen aus Objekt- und Referenz-arm im MSI messbar miteinander interferieren, die auch im MOI die ent-sprechend zugehörigen Arme durchlaufen haben. Da diese Zuordnung eindeutig ist, wird auf diese Weise die Trennung zwischen Objekt- und Referenzstrahl im MOI erreicht und damit eine individuelle Modulation beider Teilstrahlen ermöglicht.

Die Modulation erfolgt durch zwei akustooptische Modulatoren (2) im MOI die als Bragg-Zellen arbeiten und mit einer Differenzfrequenz von

= 100 kHz betrieben werden. Dadurch werden die interferierenden Teilstrahlen aus Referenz- und Objektarm um den Betrag gegeneinan-der frequenzverschoben. Es ergibt sich dementsprechend eine mit der He-terodynfrequenz oszillierende Intensität, deren Phase durch den zu messenden Abstand L und die optische Wellenlänge gegeben ist:

L4. (5.6)

Die Abstandsbestimmung lässt sich mit dieser Heterodyn-Technik auf eine Phasenmessung eines zeitlich oszillierenden elektrischen Signals zu-rückführen. Die Messrate des WHIs ist damit durch die Heterodyn-Frequenz von = 100 kHz begrenzt.

Aus der Phasenmessung ergibt sich nach Gl. (5.6) ein Eindeutigkeitsbe-reich für den Abstand von nur /4. Um diesen zu erweitern, wird das WHI zusätzlich mit zwei verschiedenen optischen Wellenlängen 1 und 2

betrieben, die aus dem Spektrum der breitbandigen Lichtquelle ( • 100 nm) ausgeschnitten werden. Die spektrale Trennung erfolgt durch ein Gitter (4), das sich im Strahlengang vor den Fotodetektoren (5) befindet (Abb. 5.31). Die Auflösung des Gitters • 10 nm bestimmt da-mit die effektive Kohärenzlänge der Strahlung:

2

Cl . (5.7)


Die Detektoreinheit enthält für beide Wellenlängen 1 und 2 je eine Fo-todiode, so dass analog zu Gl. 5.6 zwei Phasendifferenzen 1 und 2 be-züglich beider Wellenlängen gemessen werden. Der Abstand L lässt sich damit aus der Phasendifferenz ( 1 2) berechnen:

214L mit

21

21 . (5.8)

Der Eindeutigkeitsbereich wird damit auf /4 vergrößert, wobei als synthetische Wellenlänge bezeichnet wird. Für die beiden realen Wellen-längen 1 = 1,56 µm und 2 = 1,53 µm beträgt die synthetische Wellen-länge = 79,6 µm.

Das MOI kann zusammen mit entsprechend vielen Fotodioden in der Detektoreinheit auch mit mehreren Mess-Sonden betrieben werden. Abbildung 5.31 zeigt als Beispiel den Betrieb einer zusätzlichen Referenz-Sonde mit einer weiteren Fotodiode, die zu Kompensationszwecken verwendet wird. Auf diese Weise lässt sich eine hohe Stabilität gegenüber temperaturbedingten Veränderungen innerhalb des MOIs erreichen.

Technische Realisierung

Das Weißlicht-Heterodyn-Interferometer ‘WhitePoint’ wurde als industrie-taugliches Messgerät gebaut und basiert auf weitgehend standardisierten Komponenten der Telekommunikationsindustrie. Die in Abb. 5.32 dar-gestellte Auswerteeinheit beinhaltet das Modulationsinterferometer, eine austauschbare Referenzsonde, die Signalauswerteelektronik und den Aus-werterechner. Die Messsonde wurde als optischer Tastarm aufgebaut und ist mit einem einzelnem Lichtleiterkabel über einen standardisierten Stecker mit der Auswerteeinheit verbunden.

Abb. 5.32. Auswerteinheit WhitePoint


Der Tastarm kann, je nach Messaufgabe, in verschiedenen Ausführungen realisiert werden und wird an eine Formmessmaschine angeschlossen. Eine einfache mechanische Schnittstelle des Tastarms (z.B. ein Zylinder mit einem Durchmesser von Ø = 4 mm) ermöglicht die Verwendung des optischen Tastsystems mit unterschiedlichen Formmessmaschinen.

Abbildung 5.33 zeigt einen optomechanischen Tastarm auf einer Form-messmaschine. Der Tastarm hat neben einem optischem Ausgang zusätzlich eine Rubinkugel für die taktile Abtastung. Eine weitere Ausfüh-rung des optischen Tastarms ist in der Abb. 5.34 dargestellt. Dieser Tastarm wurde entwickelt, um Formmessungen in kleinen Bohrungen (Ø 2 mm) durchzuführen. Der aus Keramik hergestellte Schaft des Taststifts hat einen Durchmesser von 1,4 mm und beinhaltet einen optischen Ausgang für eine Zylinderabtastung unter einem Winkel von 90° und einen zweiten für eine Kegelabtastung unter einem Winkel von 45°.

Abb. 5.33. Optomechanischer Tastarm auf einer Formmessmaschine der Fa. Mahr (Werkfoto: Robert Bosch GmbH)


Abb. 5.34. Optischer Tastarm mit zwei Ausgängen

Messungen

Auflösung und zeitliche Stabilität des Interferometers

Für die Prüfung der Auflösung und der zeitlichen Stabilität wird der opto-mechanische Tastarm mit einem Endmaß als Messobjekt verwendet. Der Tastarm und das Objekt sind auf einem schwingungsgedämpften Tisch fest montiert und gegen Luftbewegungen abgeschirmt. Die zeitliche Stabilität des optischen Tastsystems kann insbesondere durch die Bewegungen der Luft mit unterschiedlichen Temperaturen beeinflusst werden.

Zur Bestimmung der Auflösung des Systems (abstandsäquivalentes Rau-schen) wurde die Standardabweichung der Messwerte aus einer Messung mit 60 Sekunden Dauer zu = 0,75 nm ermittelt. Zur Bestimmung der zeit-lichen Stabilität wurde eine Ausgleichsgerade aus den Messwerten inner-halb einer Messzeit von 60 s errechnet und die maximale Abstandsänderung ermittelt. Die zeitliche Stabilität (Drift) unter Laborbedingungen beträgt 1,2 nm/min.

Beispielmessung

Das neuentwickelte optische Tastsystem mit einer Formmessmaschine wird eingesetzt, um hoch auflösende Formmesssungen, beispielsweise Rundheit, Geradheit, Parallelität an präzisen Teilen der Automobilkomponentendurchzuführen. Abbildung 5.35 zeigt die Ergebnisse einer flächenhaften Messung an einem Präzisionskolben, gemessen mit diesem optischen Tastsystem. Bei der Messung wurde ein 0,5 mm hoher Bereich mit 11 Wendellinien (4.000 Messpunkte/Wendel) abgetastet. Die maximale Form-abweichung des gemessenen Zylinders beträgt 400 nm.


Abb. 5.35. Messung am präzisen Kolben. a) Projektion der Messergebnisse in der Ebene senkrecht zur Zylinderachse. b) Darstellung der3D-Zylindermessung


5.9.5 Rückführung der Weißlichtinterferometrie auf amtliche Normale

Die Voraussetzung für den Einsatz der Weißlichtinterferometrie in der industriellen Messtechnik ist die Rückführung der Messgrößen auf amtli-che Normale. Als Normale werden im allgemeinen hochpräzise Maßver-körperungen verwendet, die von einer amtlichen Stelle (z.B. von der Phy-sikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB)) kalibriert werden. Für die taktile Messtechnik sind im industriellen Umfeld viele höchstpräzise ka-librierte Normale im Einsatz. Das Ziel ist, diese Normale auch für die Rückführung der optisch-interferometrischen Messtechnik verwenden zu können.

Wie oben beschrieben, haben Weißlichtinterferometer in den verschie-denen Raumrichtungen ein unterschiedliches Auflösungsvermögen. In den beiden lateralen Raumrichtungen liegt die Auflösung im µm-Bereich; in der vertikalen Raumrichtung ist dagegen eine Auflösung in der Größen-ordnung weniger nm möglich. Aus diesem Grund müssen für die verschie-denen Raumrichtungen unterschiedliche Normale verwendet werden.

Rückführung der lateralen Raumrichtungen

Kommerzielle WLI arbeiten im allgemeinen mit einer konventionellen Mikroskopoptik. Aus diesem Grund können die Normale, die aus der kon-ventionellen Mikroskopie bekannt sind, für die Rückführung verwendet werden. Ein Beispiel dafür ist das Objektmikrometer, das aus einer Quarz-glasplatte besteht, auf der durch Aufdampfen einer dünnen Metallschicht und anschließender Strukturierung Linienstrukturen erzeugt werden, die einen µm-Maßstab bilden. Abbildung 5.36 a zeigt das Ergebnis der Ver-messung eines solchen Objektmikrometers mit einem Weißlichtinterfero-meter. Aufgrund der großen Höhenauflösung ist bei der interferometri-schen Messung im Gegensatz zu der konventionellen Mikroskopie hier auch die Höhe der Struktur messbar.

Rückführung der vertikalen Raumrichtung

Für die Rückführung der vertikalen Raumrichtung stehen unterschiedliche Normale zur Verfügung. Es gibt Normale mit stufenartigen und rillenarti-gen Vertiefungen, die jeweils das Tiefenmaß verkörpern. Abbildung 5.36b zeigt das Ergebnis der Vermessung einer Rille eines Tiefeneinstellnormals, das auch zur Rückführung von Tastschnittgeräten (taktiles Oberflächen-messgerät) eingesetzt wird. Im Gegensatz zur taktilen Vermessung ist auch hier die Rille in allen Raumrichtungen messbar.


Abb. 5.36. Weißlichtinterferometer-Aufnahmen a) eines Objektmikrometers, b) ei-nes Tiefeneinstellnormals

Rückführung von Ebenheit und Rauheitskenngrößen

Die Ebenheit von Bauteilen ist in der Industrie von hoher Bedeutung (z.B. für die Charakterisierung von Plandichtflächen). Zur direkten Rückführung des Merkmals Ebenheit gibt es Ebenheitsnormale, die in unterschiedlichen Ebenheitsklassen verfügbar sind. In den Ebenheitsnormalen sind genau spezifizierte „Unebenheiten“ verkörpert. Abbildung 5.37 zeigt beispielhaft die Oberfläche eines Ebenheitsnormals.

Für die Rückführung der Rauheitskenngrößen können die Normale ver-wendet werden, die auch für die taktile Rauheitsmessung mit dem Tast-schnittgerät verwendet werden. Diese Raunormale sind in allen metallver-arbeitenden Industriebetrieben in unterschiedlichsten Rauheitsklassen im Einsatz. Die Auswertung der Rauheitskenngrößen erfolgt mit den gleichen Auswertestrategien wie bei der taktilen Messtechnik, d.h. es werden gleichartige Filter und vergleichbare Auswertelängen verwendet. Die Er-gebnisse der interferometrischen Messung (Abb. 5.38) sind sehr gut ver-gleichbar mit denen der taktilen Messung, wenn die laterale Auflösung des Weißlichtinterferometers mit dem Tastspitzendurchmessers der taktilen Messung vergleichbar ist.


Abb. 5.37. Ebenheitsnormal aufgenommen mit einem Laserinterferometer

Abb. 5.38. Rauhnormal aufgenommen mit einem Weißlichtinterferometer.

5.10 Zusammenfassung und Ausblick

Mit der Weißlichtinterferometrie (WLI) steht heute eine Technik zur schnellen und hochpräzisen Vermessung von Funktionsflächen zur Verfü-gung. Wie am Beispiel einer Rundsichtoptik mit Endoskop gezeigt wurde, ist eine Anwendung der WLI zur Qualitätskontrolle für viele Bauteile möglich. Besondere Geometrien (z.B. von Ventilsitzen) lassen sich auch dann vermessen, wenn sie sich an schwer zugänglichen Stellen befinden.

Die hier beschriebene Kombination eines WLI mit einem Endoskop bie-tet häufig die einzige Methode zur hochpräzisen Vermessung schwierig zugänglicher Funktionsflächen. Für einen breiten Einsatz der WLI in der Fertigung wird es entscheidend sein, interferometrische Systeme zu ent-werfen, die durch ihr Design, den Messablauf und die Auswertungsmetho-de unempfindlich gegenüber Störungen durch Umwelteinflüsse sind.


Aufbauend auf dem Prinzip des Weißlicht-Heterodyn-Interferometers (WHI) wurde ein neuartiges interferometrisches Tastsystem entwickelt und industrietauglich realisiert. Das Messgerät besteht aus einer Auswerteein-heit und einem kleinen, robusten Tastarm, der in unterschiedliche Form-messmaschinen integriert werden kann. Die Auflösung des Systems be-trägt 0,75 nm. In Verbindung mit einer Formmessmaschine wird das Tastsystem für höchstpräzise, flächenhafte Formmessungen an Teilen in der Automobilindustrie eingesetzt.

5.11 Literatur

DeGroot P, Deck L (1995) Surface profiling by analysis of white-light interfero-grams in the spatial frequency domain. J mod Optics 42:389 401

DeGroot P, Colonna de Lega X (2003) Valve cone measurement using white light interference microscopy in a spherical measurement geometry. Opt Eng 42:1232 1237

Drabrek P (1999) Interferometrische Messeinrichtung zum Erfassen der Form oder des Abstandes insbesondere rauer Oberflächen. Europ. Patent, internat. Veröffentlichungsnr. WO 99/44009

Dresel T, Häusler G, Venzke H (1992) Three-dimensional sensing of rough surfa-ces by coherence radar. Appl Opt 31:919 925

Ettl P, Schmidt B, Schenk M, Laszlo I, Häusler G (1998) Roughness parameters and surface deformation measured by „Coherence Radar“. In: Proc. of the In-ternat. Society for Optical Engineering (SPIE) 3407:133 140

Harasaki A, Schmit J, Wyant JC (2000) Improved vertical scanning interferome-try. Appl Opt 39:2107 2115

Hecht E (1997) Optics. Addison-Wesley, Reading, Mass- Lindner M.W (2002) White-light interferometry via an endoscope. In: Proc of the

Internat. Society for Optical Engineering (SPIE) 4777:90 101 Rao Y J, Jackson D A (1996) Recent progress in fibre optic low-coherence inter-

ferometry. Meas Sci Technol 7:981 999

Photonik || Optische Messtechnik

Documents

Transcript of Photonik || Optische Messtechnik