Miniatur-Sensor zur Tiefen- und Profilerfassung mittels chromatisch-konfokaler Spektral-Interferometrie (CCSI)

Die chromatisch-konfokale Spektral-Interferometrie (CCSI) ergibt sich aus der geschickten Kombination von Weißlicht-Interferometrie und dem Prinzip der chromatisch-konfokalen Fokussierung. Es ermöglicht in Verbindung mit Lichtfasertechnik eine bisher unerreichte Miniaturisierung des Sensor-Aufbaus bei sehr hohen Abtastgeschwindigkeiten und eignet sich damit insbesondere für die minimalinvasive, bildgebende Medizintechnik und andere Bereiche, die auf eine zuverlässige und gleichzeitig schnelle, hochdynamische Objekterfassung angewiesen sind.

Mittels konfokaler Mikroskopie können Höhenprofile von Objektoberflächen sehr präzise erfasst werden, indem die Reflexion eines Lichtstrahls vom Objekt auf einen punkt­förmigen Detektor abgebildet wird. Die detektierte Lichtintensität ist direkt abhängig von der relativen Lage des Objekts zur Fokusebene; durch Abscannen kann daher ein intensitätsabhängiges, dreidimensionales Profil erstellt werden. Da dieses Verfahren als sehr exakt gilt, findet es sich in praktisch jedem optischen Messlabor.

Industriell erfolgt die Tiefenerfassung an Objekten (bspw. Kontrolle von Schweißnähten) häufig im SISCAN-Verfah­ren, einem dreidimensional scannenden, konfo­kalen System, das mittels Mikrodachkanten­reflektoren für prä­zise inline-Messaufgaben geeignet ist. Allerdings sind mechanisch scannende Varianten stets in der Geschwin­digkeit begrenzt; andere bieten nur begrenzte Schärfen­tiefe bei großen Tiefenausdehnungen.

Bei diesem Verfahren werden die Weißlicht-Interferomet­rie und das Prinzip der chromatisch-konfokalen Fokus­sierung in einem System zur chromatisch-konfokalen Spektral-Interferometrie (CCSI) vereint, was in Verbin­dung mit Lichtfasertechnik eine bisher unerreichte Mini­aturisierung des Sensor-Aufbaus ermöglicht. Das System verwendet eine mehrfarbige, punktförmige Licht­quelle, ein diffraktives Zonenelement im Objektab­bildungs­strah­lengang (DOZE) sowie einen achroma­tischen Refe­renz­strahlengang. Diese Aus­führung ohne me­ch­anisch bewegte Komponenten bietet neben der Mög­lichkeit zur Miniaturisierung auch ein me­chanisch sehr robustes System. Gleichzeitig können Tiefen und Profile bei einer sehr hohen Abtastgeschwin­digkeit und gleich­zeitig sehr hoher Tiefenauflösung ermit­telt werden. Die Position des Objektes wird dabei mittels Spektro­meter­modul erfasst.

• Hochdynamische Objekttiefenerfassung bei hoher lateraler Messgenauigkeit
• Starke Miniaturisierung des Sensorkopfes
• Tiefen- und Profilerfassung bei sehr hoher Abtastgeschwindigkeiten realisierbar
• Schnelle Identifikation von Oberflächendefekten
• Auswertung der Phaseninformation im spektralen Signal liefert Nanometer-Tiefenauflösung

Das an der Universität Stuttgart entwickelte Kombina­tionsverfahren bietet nicht nur die Möglichkeit einer bisher unerreichten Miniaturisierung derartiger Sensorsysteme, auch die Erfassung bewegter Objekte funktioniert schnell und zuverlässig. Die Apparatur ist vergleichsweise kos­tengünstig reali­sierbar und bietet Optimierungspotenzial in unterschiedli­chen Anwendungsbereichen wie der mini­malinvasiven Medizintechnik, der technischen Qualitäts­kontrolle, etc.