Sekunden statt Minuten

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Interferometrische Oberflächeninspektion mit mobilem Messfleck

Eine vollständige 3D-Vermessungen von Objekten mit Hilfe von Weißlichtinterferenz in der Massenproduktione ist zeitaufwändig und daher kaum als Inline-Inspektion einsetzbar. Die langen Messzyklen mit komplexen Sequenzen erzeugen zudem große Datenmengen, deren Verarbeitung in die Gesamtbetrachtung einbezogen werden muss. Der Flying Spot Scanner (FSS) umgeht die aufgeführten Nachteile geschickt und ist daher ideal für Inline-Inspektionen.

 I­individuelle Rezepte von ­Scanobjekten, z.B. beliebige Geometrien oder ROIs. (Bild: Precitec-Optronik GmbH)

I­individuelle Rezepte von ­Scanobjekten, z.B. beliebige Geometrien oder ROIs. (Bild: Precitec-Optronik GmbH)

b (Bild: Precitec-Optronik GmbH)

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Die Chrocodile-Sensoren arbeiten mit Hilfe der spektralen Analyse von Licht. Sie messen entweder Distanzen und Dicken mit dem chromatisch konfokalen Messprinzip oder auf Basis der Weißlichtinterferenz. Bei der chromatisch konfokalen Methode misst der Sensor den farbkodierten Abstand zu einer Oberfläche oder mehreren optischen Grenzflächen. Alternativ kann mit der Weißlichtinterferenz der Abstand von zwei Oberflächen zueinander gemessen werden. Die IT-Produktserie ist speziell für die Weißlichtinterferenz im NIR-Spektralbereich optimiert. Die Sensoren arbeiten mit langlebigen SLDs als Lichtquelle und sind ideal für Dickenmessungen an transparenten Materialien, wie z.B. Glas, Kunststoff oder Schutzlacken. Zusätzlich können auch Dicken von Werkstoffen gemessen werden, die im IR-Licht, aber nicht zwangsläufig für das sichtbare Licht transparent sind, wie z.B. Siliziumwafer.

Problem Lineartisch

Das Chrocodile 2 IT ist das Herzstück der Sensorik und beinhaltet Lichtquelle, spektrale Auswertung und eine Embedded-Elektronik für das Post-Processing, um Messwerte anhand des Lichtsignals zu berechnen. Wichtiger Bestandteil ist eine passive Messoptik, die das Licht in einem Punkt auf das Messobjekt fokussiert. Die Optik dient auch als Apertur, um den Rückreflex von der Oberfläche einzufangen. Messkopf und Sensor sind über Lichtleiter miteinander verbunden. Für das Erzeugen von Messdaten in Form von mehreren Punkten, Linienquerschnitten oder einer Fläche muss das Messobjekt oder die passive Messoptik bewegt werden. Die Bewegung erfolgt typischerweise durch einen Lineartisch, wobei die Synchronisation von Messsignal und Bewegung aufwändig sind. Speziell bei kleinen Objektgrößen ist der Preis von Lineareinheiten und deren Ansteuerelektronik vergleichsweise hoch. Zudem ist die Zykluszeit einer Messung stark von der Bewegungsgeschwindigkeit und Beschleunigung der verwendeten Lineareinheiten abhängig. Bei preiswerten Achsen leidet zudem die Genauigkeit der Messung bei hohen Geschwindigkeiten. Diese Umstände führen dazu, dass nur Stichproben einer Produktion der nötigen Qualitätssicherung unterzogen werden.

Mit dem Flying Spot Scanner reduzierte sich die Messdauer von 40Min auf 40Sek Verbundprojekt ToolRep (Förderkennzeichen 02P14A032). (Bild: Precitec-Optronik GmbH)

Mit dem Flying Spot Scanner reduzierte sich die Messdauer von 40Min auf 40Sek Verbundprojekt ToolRep (Förderkennzeichen 02P14A032). (Bild: Precitec-Optronik GmbH)

b (Bild: Precitec-Optronik GmbH)

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Flying Spot Scanner

Diese Lücke schließt der Flying Spot Scanner (FSS). Der aktive Messkopf wurde speziell für den Inline-Einsatz entwickelt und ergänzt sich ideal mit den Chrocodile 2 IT zu einem smarten Inspektionssystem. Über einen Lichtleiter wird das Licht vom Sensor in den Messkopf eingekoppelt und über ein ausgeklügeltes Spiegelsystem umgelenkt. Zuletzt durchläuft das Licht ein telezentrisches Objektiv, das als Fokussiermodul auf dem Hinweg und als Messapertur für das reflektierte Licht dient. Durch das bewegliche Spiegelsystem wird der Messlichtstrahl in unterschiedlichen Winkeln abgelenkt, so dass der Messfleck innerhalb des Blickfeldes des Objektivs frei positioniert werden. Lange Wege von Linearachsen werden durch kurze Drehbewegungen ersetzt, was zu einer deutlichen Verkürzung der Mess-/Scanzeit führt. Durch den Einsatz angepasster Fokussiermodule kann der Scanner für unterschiedliche Anwendungsszenarien eingesetzt werden. Die Optiken zeichnen sich durch eine geringe Krümmung der Fokusebene, kleine Telezentriefehler und eine große Tiefenschärfe aus. Das Messsystem kann zudem in zwei Betriebsarten genutzt werden: Einem Dicken- oder Distanzmodus. Wesentliches Feature des FSS ist die Steuerung der Spiegelpositionen durch die Embedded Elektronik des Chrocodile-2-IT-Sensors. Dadurch wird zusätzliche Hardware in Form einer Schnittstellenkarte und eines Steuerrechners eingespart.

Messung nach Rezept

Der Sensor führt die erhalten Messdaten direkt mit den dazugehörigen Koordinaten der Spiegel zusammen. Die notwendigen Steuersignale erzeugt der Sensor aus einem individuell im Speicher abgelegten Rezept. Ein Rezept besteht aus einer Liste von Scanobjekten, die beliebige Geometrien oder ROIs repräsentieren und nacheinander abgearbeitet werden. Zudem gibt es auch auswählbare Objekte, die Sensoreinstellungen ändern oder auf externe Events reagieren. Während der eigentlichen Messung ordnet der Sensor die Messpunkte den einzelnen Scanobjekten zu und sendet diese an einen übergeordneten PC zur Verarbeitung, das heißt es müssen keine Features mehr in großen 3D-Bilddatensätzen extrahiert werden. Zur Erstellung der Rezepte gibt es eine spezielle Software. In einer Vorschau des Messobjektes kann der Benutzer seine Scanobjekte beliebig im Scanfeld positionieren. Während der Rezepterstellung ist es zudem möglich, dieses in einem Scandurchlauf zu testen und die Messdaten in Graphen und Bildern zu analysieren. Eine Optimierung der Messzyklen und Korrektur der Scanobjekte ist damit deutlich einfacher. Die Software ermöglicht zudem den Einsatz von Stand-Alone-Lösungen für Inline Messungen und bietet die Möglichkeit, die Messaufgabe auf ein OK/NOK-Entscheidung zu reduzieren. Er reduziert Kosten und ermöglicht eine detaillierte Qualitätskontrolle durch den Inline Einsatz. Der FSS kann im automatisierten Umfeld oder als Stand-Alone-Lösung eingesetzt werden. Der Flying Spot Scanner ermöglicht es so, Taktzeiten für Messungen von Schichtdicken und Topographien auf ein Minimum zu reduzieren. Dies gilt nicht nur für ausgewählte Bereiche auf einem Messobjekt, sondern auch bei kompletten Oberflächenscans.

Thematik: inVISION 4 2018
Ausgabe:
Precitec-Optronik GmbH
www.precitec-optronik.de

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