Inlinefähige konfokale 3D-Messtechnik für Oberflächentopographien

Inline-Messung der Topographie von spiegelnden bis matten Oberflächen

Das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB, Karlsruhe, zeigt einen inlinefähigen 3D-Sensor zur Messung der Topographie von Oberflächen mit Eigenschaften von spiegelnd bis vollständig diffus reflektierend, z.B. rauen Oberflächen. Gezeigt wird ein Zeilensensor mit mehr als 2.000 Zeilenmessungen pro Sekunde. Durch Wechsel der Kamera können auch 50.000 Zeilenmessungen pro Sekunde erreicht werden. Die vertikale Auflösung des Sensors liegt im Nanometerbereich und deckt gleichzeitig einen Messbereich von einem Millimeter ab. Dies ermöglicht es, in der Anwendung mit einer Genauigkeit von einem Mikrometer zu messen. Darüber hinaus ist der Sensor ausreichend robust, um eine Messmittelfähigkeitsprüfung zu bestehen.

Inline-Topographiemessung von Oberflächen durch multispektrale Zeilenkamera

Der chromatisch konfokale Aufbau kodiert mittels unterschiedlicher Wellenlängen verschiedene Objekthöhen. Die eigentliche Messung der Höhe erfolgt durch die Bestimmung der korrespondierenden Wellenlänge des Lichts mittels einer multispektralen Zeilenkamera. Um eine schnelle Messung der Wellenlänge mit hoher Präzision zu ermöglichen, wurde eigens eine mehrkanalige, multispektrale Aufnahmetechnik entwickelt. Die multispektrale Zeilenkamera kombiniert die spektrale Auflösung eines Spektrometers mit der Geschwindigkeit einer Zeilenkamera mit Zeilenfrequenzen im kHz-Bereich. Durch dieses Gesamtkonzept wird das Messdatenaufkommen gering gehalten und es können die derzeit höchsten Messgeschwindigkeiten erzielt werden.

Inline-Produktionsüberwachung von Oberflächentopographien

Durch die hohe Messgeschwindigkeit ist der CCT-Sensor besonders für den Einsatz in der Inline-Produktionsüberwachung geeignet. Als Besonderheit und Weiterentwicklung zu früheren Ergebnissen wird das Licht besser genutzt, sodass auch bei hohen Geschwindigkeiten ausreichend Licht für ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zur Verfügung steht. Der technische Aufbau kommt ohne bewegliche Komponenten aus, was einen geringen Wartungsaufwand und wirtschaftlichen Preis ermöglicht. Insbesondere ist es gelungen, den optischen Aufbau zu vereinfachen und kompakt auszuführen.

Messung der Topographie von spiegelnden als auch rauen Oberflächen

Eine besondere Eigenschaft ist, dass sowohl perfekt spiegelnde als auch diffus reflektierende, z.B. raue Oberflächen vermessen werden können. Gerade die Prüfung von Oberflächen mit örtlich variierenden Eigenschaften von spiegelnd über hoch glänzend, schwach glänzend bis zu matt, sind besonders relevant in der metallverarbeitenden Industrie.

 

CCT Karlsruher Schloss
© Fraunhofer IOSB
CCT einer Münze, die das Karlsruher Schloss zeigt

Beispielhafte Anwendungen der Oberflächentopographie-Messung:

 

  • Vermessung von Steckerkontakten
  • Inspektion von Lötkugeln auf Wafern
  • Vermessung von Laser-Schweißnähten
  • Vermessung von verchromten Bauteilen im Automobilbereich
  • Inline-Qualitätssicherung von metallischen Dichtflächen im Motorenbau
  • Prüfung der Formhaltigkeit von Laserstrukturierungsprozessen
  • Inline-Qualitätssicherung von gestanzten metallischen Bauteilen
  • Inline-Rauheitsmessungen

Prinzipiell kann die Sensortechnologie auch als Punktsensor ausgeführt werden. Dann sind pro Punktmessung Messgeschwindigkeiten im MHz-Bereich möglich.

Schnappschuss einer Oberflächentopographie-Messung
© Fraunhofer IOSB
Schnappschuss einer Oberflächentopographie-Messung. Der CCT-Sensor scannt ähnlich einer Zeilenkamera das zu vermessende Objekt. Zur Beleuchtung werden unterschiedliche Wellenlängen verwendet, welche als Regenbogenmuster sichtbar sind

Kontakt

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Dr.-Ing. Miro Taphanel

Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB
Fraunhoferstr. 1
76131 Karlsruhe, Deutschland

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