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OptAssyst

Konfokale Sensoren sind wohl etabliert in der optischen Oberflächenmesstechnik und ihre Performance wurde sowohl experimentell als auch theoretisch ausführlich untersucht. Der überwiegende Anteil der theoretischen Arbeiten befasst sich allerdings mit der Messung flacher oder punktförmiger Messobjekte. Mit zunehmendem Einsatz konfokaler Sensoren bei der Inspektion rauer Oberflächen werden teils dramatische Messfehler beobachtet. Im Unterschied zu klassischen zweidimensionalen Abbildungen scheint eine zu geringe optische Auflösung bei konfokalen Sensoren nicht zu einer Tiefpassfilterung des Messergebnisses zu führen. So zeigt Abbildung 1 bei abnehmender numerischer Apertur hochfrequente Überschwinger in der Messung einer rauen Oberfläche. Die etablierten Methoden zur Charakterisierung und Kalibrierung konfokaler Sensoren scheitern häufig daran, diese Messfehler vorherzusagen. Deswegen ist die Planung und die Auswertung konfokaler Messungen rauer Oberflächen heute immer noch ein iterativer Prozess, der auf die persönliche Erfahrung von Spezialisten angewiesen ist. Daher entwickelt das Institut für Technische Optik im Rahmen des Projekts OptAssyst (siehe www.optassyst.de) ein modelbasiertes Assistenzsystem für die konfokale Inspektion rauer Oberflächen. Dieses Assistenzsystem leitet eine einfache Schätzung der objektabhängigen Messunsicherheit rauer Oberflächen aus einer komplexen Simulation konfokaler Sensoren ab. Basierend auf dieser Schätzung ist es möglich, die Sensorparameter systematisch auf eine gegebene Messaufgabe zu optimieren. Außerdem ist das Assistenzsystem dazu in der Lage, die Messunsicherheit einer fertigen Messung objektiv zu beurteilen.

optassyst_fig1

Abbildung 1: Messergebniss der Oberfläche des feinen Raunormals der Firma Halle-Normale GmbH. Die schwarze Linie zeigt die taktile Referenzmessung der Physikalisch-Technischen-Bundesanstalt (PTB). Die farbigen Linien zeigen konfokale Messungen mit unterschiedlichen Objektivlinsen. Die Objektivlinsen reichen dabei von einer 20x Vergrößerung mit 0.4 numerischer Apertur bis zu einer 100x Vergrößerung bei 0.95 numerischer Apertur.

Referenzen

  1. F. Mauch, W. Lyda, M. Gronle, W. Osten, Improved signal model for confocal sensors accounting for object depending artifacts, Optics Express, Vol. 20, Issue 18, pp. 19936-19945 (2012), http://dx.doi.org/10.1364/OE.20.019936
  2. F. Mauch, W. Lyda, W. Osten, Object Depending Measurement Uncertainty of Confocal Sensors, in Fringe 2013, Springer Berlin Heidelberg edited by W. Osten (2013), http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-36359-7_82
  3. F. Mauch, W. Lyda, M. Gronle, W. Osten, Object-depending artifacts in confocal measurements, Proc. SPIE 8466, Instrumentation, Metrology, and Standards for Nanomanufacturing, Optics, and Semiconductors VI, 846609 (October 11, 2012); http://dx.doi.org/10.1117/12.929214
  4. F. Mauch, W. Lyda, W. Osten, Model-based assistance system for confocal measurements of rough surfaces, Proc. SPIE 8788, Optical Measurement Systems for Industrial Inspection VIII, 87880U (May 13, 2013); http://dx.doi.org/10.1117/12.2019991