Miniatur-Sensor zur Tiefen- und Profilerfassung mittels chromatisch-konfokaler Spektral-Interferometrie (CCSI)
Kurzfassung
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.
Hintergrund
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.
Problemstellung
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.
Lösung
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.
Vorteile
- 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
Anwendungsbereiche
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.