Zerstörungsfreie tomographische Prüfung dünner Schichten mit hochauflösender OCT

OCT-System und Beispielbilder
© Fraunhofer IPT
OCT-System und Beispielbilder.
Schematischer OCT-Systemaufbau
© Fraunhofer IPT
Schematischer OCT-Systemaufbau.

Die Optische Kohärenztomographie (OCT) ist eine zerstörungsfreie, optische Messtechnik, die auf dem Prinzip der kurzkohärenten Interferometrie basiert und somit Querschnittbilder (semi-)transparenter Werkstücke und Proben generiert. Das Hauptanwendungsgebiet der OCT ist seit Anfang der Entwicklung die biomedizinische Diagnostik, zum Beispiel die nicht-invasive Darstellung des Augenhintergrunds innerhalb der Ophthalmologie. Vom stetigen Forschungsinteresse in der Biomedizin profitieren mittlerweile auch industrielle Anwendungen. Beispiele hierfür sind die Inspektion von Mikrobauteilen bzw. mikrostrukturierter Oberflächen, die Charakterisierung von Schweißnähten innerhalb eines Laserschweißprozesses oder die Formprüfung von Mikrooptiken.

Bei einer Vielzahl an Anwendungen bedarf es jedoch einer Dickenmessung von Schichten kleiner als die Auflösungsgrenze konventioneller OCT. Hierzu zählen beispielsweise Lackierungen von Werkstücken oder der Auftrag funktioneller Beschichtungen. Oftmals beeinflusst hierbei die Schichtdicke bzw. die Auftragsmenge nicht nur die optische Funktionalität der Schicht, sondern auch Schutzfunktionen, beispielsweise bei einer Barriere-Beschichtung. Für die Bestimmung sehr dünner Schichten müssen sogenannte Ultrahigh-resolution OCT (UHR-OCT) in die Produktion integriert werden. Hierfür hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen, ein UHR-OCT entwickelt, welches eine axiale Auflösung von ~1µm gewährleistet und eine Eindringtiefe von bis zu 1 mm in das Bauteil zulässt. Da die axiale Auflösung der OCT beeinflusst wird durch die spektrale Bandbreite der Lichtquelle und invers proportional ist zur verwendeten Wellenlänge, werden für die Entwicklung hochauflösender OCT breitbandige Superlumineszenz-Dioden verwendet, welche ein Spektrum von ca 300nm abdecken können. Somit lassen sich mit der UHR-OCT zerstörungsfrei und berührungslos Schichtdicken kleiner 3 µm differenzieren.

Ein weiterer Vorteil der OCT als zerstörungsfreie Prüfmethodik ist die Integrierbarkeit in Produktionsanlagen. Die Inline-Prozesskontrolle vermeidet nachgelagerte Qualitätsprüfungsschritte und erlaubt eine adaptive Steuerung der Prozessparameter. Im Falle der Schichtdickenmessung erlaubt eine integrierte Messung in den Auftragsprozess vor allem eine verbesserte ökologische Effizienz des Auftragsmaterials.

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M.Sc. Charlotte Stehmar

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
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