Kohärenz-Scanning-Interferometrie (CSI)
Die Kohärenz-Scanning-Interferometrie (CSI, eine Art Weißlicht-Interferometrie) ist eine äußerst effektive Messmethode zur Auswertung der Oberflächenrauheit, da sie berührungslos arbeitet, eindeutige Daten liefert und mit interferometrischer Genauigkeit sowohl glatte als auch raue Oberflächenstrukturen erfasst. Sie nutzt dabei eine breitbandige Lichtquelle zur Erzeugung von Interferenzmustern, die zur Bestimmung von Höhenstufen bis in den Subnanometerbereich verwendet werden. Diese Fähigkeit ist in vielen Industriezweigen wie der Halbleiterfertigung, der Präzisionsoptik, der Automobilindustrie, der Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrt und der Materialwissenschaft gefragt.
Vielseitige Breitband-Lichtquelle
Durch die Verwendung von weißem Licht, das sich aus einem breiten Wellenlängenbereich zusammensetzt (bei Polytec liegt das zentrale Wellenlängenband bei 525 nm), kann ein Coherence Scanning-Interferometer als optisches Profilometer eingesetzt werden, um eine Vielzahl von Oberflächenmerkmalen zu erforschen: An glatten Oberflächen erkennt CSI kleinste Höhenabweichungen mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich. Auf rauen Oberflächen sorgt die Breitband-LED dafür, selbst kleine Strukturdetails klar zu erkennen, auch wenn die Oberfläche aus größeren, unregelmäßigen Merkmalen besteht. Dank dieser Bandbreite können Coherence Scanning-Interferometer das gesamte Spektrum der Oberflächenrauheit erfassen, von glatten, polierten Oberflächen bis hin zu solchen mit erheblichen Texturabweichungen, z. B. beim Dengeln oder bei additiv hergestellten Oberflächen.
Funktionsprinzip der Coherence Scanning-Interferometrie
In einem Kohärenz-Scanning-Interferometer wird weißes Licht durch einen Strahlteiler geleitet, der das Licht sowohl auf die Probenoberfläche als auch auf einen Referenzspiegel lenkt. Wird das Licht von diesen beiden Oberflächen reflektiert, wird es kombiniert und bildet ein Muster von Interferenzstreifen. An der idealen Fokusposition für jeden Punkt der Probe tritt der maximale Streifenkontrast auf. Entweder wird nun der Prüfling oder der Messkopf vertikal (in Z-Richtung) bewegt, sodass jeder einzelne Kamerapixel auf der Oberfläche den Fokus durchläuft. Mathematische Algorithmen helfen. Die Schärfe hängt also auch von Mathematik ab. Polytec als Spezialist für die CSI Technologie setzt sogenannte "Korrelogramme“ zur Signalverarbeitung ein. Dieser Korrelogramm-Signalverarbeitungsalgorithmus nutzt die Interferenzsignale zur Definition des Fokuspunktes und arbeitet jenseits der Diffraktionsgrenze des Lichts, um eine Z-Empfindlichkeit im Sub-Nanometerbereich zu erreichen.
Hohe Z-Empfindlichkei
Bei Verwendung dieses Korrelogramm-Algorithmus mit einem mechanischen Aufbau mit großem Verfahrweg ermöglicht dies eine hohe Z-Empfindlichkeit unter Beibehaltung des guten Rauschverhaltens und einer hohen Oberflächenempfindlichkeit, unabhängig vom langen oder kurzen Abtastbereich. Die gesammelten Datenreihen können die Höhe jedes Oberflächenpunkts mit einer Auflösung von weniger als einem Nanometer über den gesamten Z-Scanbereich präzise abbilden, ohne dass die Reichweite der Auflösung durch den Arbeitsabstand der interferometrischen Linse (bis zu 30 mm) eingeschränkt wird. Polytec entwickelte damit die CST Continuous Scanning Technology. Alle Daten sind deterministisch in Z (nicht fokusgesteuert über verschiedene Objektivoptionen) und weisen stets ein gutes Rauschverhalten auf – für eindeutige Oberflächeninformationen.
Die Continuous Scanning Technologie und die Datenverarbeitung ermöglichen präzise Messungen auch bei glatten, rauen oder unregelmäßigen Oberflächenstrukturen.
Berührungsfrei Höhendaten (Z) auf XY messen
Einer der Hauptvorteile des CSI-Profilometers besteht darin, dass es keinen Kontakt mit dem Messgut erfordert. Dies verhindert eine Oberflächenbeeinträchtigung, wie sie bei taktilen Verfahren wie Tastspitzen und Koordinaten-Messmaschinen (CMM) auftreten. Der berührungslose Charakter von CSI ist gerade für zerbrechliche oder empfindliche Oberflächen vorteilhaft, wie Optiken, flexible Elektronik oder Dünnschichttechink, bei denen physischer Kontakt die Oberflächenstruktur verändern würde. Darüber hinaus ermöglicht die berührungslose Messung mit dem Weißlicht-Interferometer die Erfassung von Daten über einen größeren Bereich in kürzerer Zeit. Es wird direkt ein großes Sichtfeld (FOV) auf einmal gescannt, welche nach Belieben per Stitching erweitert werden können für einen noch größeren Messbereich. Diese zusammengesetzten Daten werden per Software erstellt, welche die Visualisierung der Textur über größere Oberflächenbereiche ermöglicht. CSI als 3D-Verfahren gilt als schnellere Messmethode als herkömmliche Punkt- bzw. Linienprofile, wobei die hohe Präzision und Datenqualität erhalten bleibt.
Präzisionsdaten von glatten und rauen Oberflächen
CSI kann die Oberflächenrauheit sowohl auf glatten als auch auf rauen Oberflächen effektiv messen, da die vertikale Auflösung bis in den Sub-Nanometerbereich reicht. Auf glatten Oberflächen liefert CSI detaillierte Höheninformationen und erkennt selbst kleinste Abweichungen in der Textur. Auch raue Oberflächen können mit hoher Genauigkeit gemessen werden, da die Technik große Höhenschwankungen ohne Auflösungsverlust bewältigen kann und dem Bediener den Zugriff auf eine große räumliche Frequenzbandbreite von Daten ermöglicht, insbesondere wenn sie durch Bildstitching unterstützt wird. Das Ergebnis sind numerische Daten mit guter Stabilität, die sich ideal für die Kontrolle und Überwachung der feinen Veränderungen einer Oberfläche eignen, sowie visuell ansprechende Bilder mit Klarheit und Integrität, die sich ideal als hilfreiches Werkzeug für die Fehleranalyse eignen.
Messung auf unkooperativen Materialien
Die Fähigkeit der Kohärenz-Interferometrie, mit einer Vielzahl von Oberflächenstrukturen umzugehen, wird durch Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Oberflächeneigenschaften verstärkt. Dies macht sie vielseitig für Anwendungen mit wechselnden Materialien, seien es Metalle, Keramik, Glas, Silizium, Papier oder Polymere, mit unterschiedlichem Rauheitsgrad, Kontrast und Reflexionsvermögen (von 0,05 % bis 100 %).
Aussagekräftigere 3D-Oberflächendaten
Im Gegensatz zu herkömmlichen 2D-Profilen liefert CSI umfassende dreidimensionale Topografiemessdaten. Durch die Erfassung detaillierter Höheninformationen über die gesamte Oberfläche ermöglicht sie eine tiefergehende Rauheitsanalyse. Die resultierende 3D-Topografie ermöglicht es Ingenieuren und Wissenschaftlern, die Gesamttextur und Gleichmäßigkeit der Oberfläche zu beurteilen, was eine präzisere Prozesskontrolle ermöglicht, wie z. B. bei optischen Linsen, Beschichtungen und in der Mikroelektronik.
Vivid color mode adding value information
One area where traditional white-light interferometers (WLI) have proved less suitable is that typically WLI are signal processing grey scale image data, therefore, camera image captures are normally only supplied as grey scale images. This makes WLI system much less intuitive for applications like tribology and some material sciences, where added color images can add to the sense of a surface.
However, Polytec has developed a method to gather the RGB intensity information from a surface using three light sources (red, green and blue). Collecting this additional surface information enables a vivid color representation of the surface in line with the original areal data set, offering the end operator a supreme vasal experience unique to the Polytec CSI profilers featuring Continuous Scanning Technology.
Die farbige Oberflächenabbildung identifiziert Defekte und Materialunterschiede, die sonst nur schwer zu erkennen wären. Nutzer arbeiten leichter mit 3D-Höhendaten oder einer intuitiven grafischen Visualisierung für ein besseres Verständnis, um...
„… die Antwort einer Oberfläche zu erfahren“