Focus-Variation

Das technische Prinzip

Die Fokus-Variation ist ein flächenbasiertes Verfahren zur optischen, hochauflösenden 3D Oberflächenmessung im Mikro- und Nanobereich. Die Technologie kombiniert die Funktionalitäten eines Rauheitsmessgeräts und eines Koordinatenmesssystems. Genutzt wird die geringe Tiefenschärfe einer Optik, um die Tiefeninformation einer Probe zu extrahieren.

 

Die Fokus-Variation erzielt selbst bei großen Messbereichen hohe Genauigkeiten und Auflösungen bis zu 10nm vertikal. Auch Oberflächen mit steilen Flanken oder Topographien mit stark reflektierenden Bereichen werden mit einer Messpunktanzahl von bis zu 500 Millionen Messpunkten gemessen. Die Fokus-Variation, erfasst in der aktuellen EN ISO Norm 25178 zur flächenhaften Rauheitsmessung, ist die Kerntechnologie der Alicona-Messsysteme.  Die Technologie bewährt sich unter anderem aufgrund der hohen vertikalen Auflösungsdynamik. Auch über einen hohen vertikalen Scanbereich bleibt die Auflösung konstant hoch. Das Verfahren liefert darüber hinaus mit jeder Messung auch Informationen zur Abschätzung der Messunsicherheit. Anwender erhalten zusätzlich bei jeder Messung die zu den Höhendaten registrierte Farbinformation.


Wie die Fokus-Variation funktioniert


Die Hauptkomponente der auf der Fokus-Variation basierenden Messsysteme ist eine Präzisionsoptik, die mehrere Linsensysteme enthält und mit verschiedenen Objektiven ausgestattet werden kann, um so Objekte in variabler Auflösung zu messen. Mit einem halbdurchlässigen Spiegel wird moduliertes Licht von einer Weißlichtquelle in den optischen Pfad des Messsystems geleitet und über das Objektiv auf das Bauteil fokussiert. Wenn das Licht auf der Oberfläche auftrifft, wird es je nach Probenbeschaffenheit in verschiedene Richtungen reflektiert. Bei diffusen Oberflächen findet die Reflexion in alle Richtungen gleichmäßig, bei spiegelnden Topographien hauptsächlich nur in eine Richtung statt. Alle reflektierten Lichtstrahlen, die auf das Objektiv treffen, werden mithilfe der Optik gebündelt und treffen auf einen lichtempfindlichen Sensor. Aufgrund der geringen Schärfentiefe des Systems werden immer nur kleine Bereiche des Objektes scharf abgebildet. Um eine 3D Messung und die Erzeugung eines Farbbildes mit durchgehender Schärfentiefe zu ermöglichen, ist es notwendig, den Sensorkopf entlang der optischen Achse vertikal so zu verschieben, dass der Schärfebereich über die Topographie der Probenoberfläche variiert.  Die Tiefenauswertung erfolgt gemäß dem folgenden Schema: Zunächst wird für jeden Objektpunkt, der vom Sensor erfasst wurde, ein Schärfemaß berechnet. Anschließend wird die Variation der Schärfemaße analysiert, um daraus die z-Position der Objektpunkte zu berechnen.

In der Literatur sind verschiedenste Methoden für die Berechnung der Schärfe eines Bildes bekannt, die auf der Auswertung der Grauwertdaten beruhen. Grundsätzlich gilt, dass ein Objektpunkt umso schärfer abgebildet wird, je stärker die Variation der Sensorwerte in einem kleinen lokalen Bereich ist. Eines der gängigsten Schärfemaße ist es demzufolge, alle Werte in einem kleinen lokalen Bereich aufzulisten und deren Standardabweichung als Maß für die Schärfe zu verwenden.  Aus dem Maximum des Schärfeverlaufs kann die z-Position hochgenau ermittelt werden. Als flächenbasiertes Messverfahren liefert die Fokus-Variation im gesamten Messbereich Messpunkte, ohne lateral verschieben zu müssen.

 

Parallel zu den topographisch erfassten Höhendaten wird ein Farbbild mit durchgehender Schärfentiefe erzeugt. Jeder Sensorposition werden dabei jene Farbwerte zugeordnet, die während des Scan-Verfahrens entlang der optischen Achse der schärfsten z-Position entsprechen.

 

Die Fokus-Variation liefert zusätzlich zu der hohen vertikalen auch eine hohe laterale Auflösung. Frei wählbare Objektive gewährleisten bei sämtlichen Applikationen Messungen mit höchsten Genauigkeitsanforderungen selbst über größere Messbereiche. Eine Besonderheit der auf der Fokus-Variation basierenden Alicona-Messsysteme ist die Möglichkeit, mehrere Lichtquellen zu nutzen. Die Messsysteme sind im Gegensatz zu anderen optischen Verfahren nicht nur auf eine Lichtquelle beschränkt, sondern nutzen Licht aus mehreren Quellen und Richtungen. Zusätzlich zu koaxialem Licht wird dadurch auch die Nutzung eines Ringlichtes umgesetzt. Das Ringlicht ermöglicht durch die Steuerung der Sensorparameter und integrierter Polarisation die Messung glänzender und stark reflektierender Oberflächen.  Größere Messbereiche und die Messung eines Bauteils aus mehreren Perspektiven werden mittels der Real3D Technologie umgesetzt, mit der Einzelmessungen aus verschiedenen Perspektiven zu einem vollständigen 3D Datensatz fusioniert werden.

Die Fokus-Variation liefert hochauflösende 3D Oberflächenmessungen in Labor und Produktion und deckt damit sowohl Form- als auch Rauheitsmessungen ab. Gängige Anwendungsgebiete sind Werkzeug- und Formenbau, Präzisionsfertigung, Automobilindustrie, Materialwissenschaften, Korrosions- und Tribologieforschung, Elektronik und Medizintechnik.