Bildverarbeitung

Hochpräzise Vermessung ­technischer Spiegel

11.12.2024 - Automatisierte Oberflächenkontrolle von spiegelnden und glänzenden Objekten

Die Vermessung technischer Spiegel ist in der Optikindustrie eine stetige Heraus­forderung. Mit speziellen Sensoren und Messsystemen bietet Micro-Epsilon Möglichkeiten, diese Aufgaben mit hoher ­Präzision zu lösen. Mit Verständnis für die ­Komplexität und Bedeutung der Oberflächencharakterisierung technischer Spiegel treibt das Unternehmen die Optimierung der Messprozesse für Anwendungen von der Medizintechnik bis zur Raumfahrt voran.

Die Oberflächencharakterisierung technischer Spiegel ist für Hersteller von essentieller Bedeutung. Vielfach wird die Qualität durch das menschliche Auge bewertet. Da diese Arbeit höchste Konzentration erfordert, ist sie tagesformabhängig und führt mit der Zeit zur Ermüdung der Augen. Die Leistungsfähigkeit der Mitarbeiter schwankt und nicht alle vorhandenen Parameter werden zuverlässig erkannt. Auf diese Weise ist eine reproduzierbare Qualitätsstrategie nur bedingt möglich. Micro-Epsilon Messtechnik bietet hierfür mit Reflectcontrol eine Lösung. Mit dem Sensorsystem lässt sich eine automatisierte Oberflächenkontrolle spiegelnder oder glänzender Objekte mit gleichbleibend hoher Qualität durchführen. Die Ergebnisse werden in Form von 2D-Bildern und einer 3D-Punktewolke ausgegeben.

Vorteile der 3D-Technologie

Wenn präzise 3D-Messungen auf spiegelnden und glänzenden Bauteilen gefragt sind, kommt der Reflectcontrol-Sensor zum Einsatz. Insbesondere bei ebenen Ober­flächen punktet die Technologie durch hohe Messraten bei Nanometer-Genauigkeit. Der 3D-Sensor nutzt das Prinzip der phasenmessenden Deflektometrie und zeichnet sich durch seine hohe z-Auflösung im Nanometerbereich aus. In Kombination mit einem Messbereich von 170 x 160 mm können innerhalb weniger Sekunden bis zu fünf Millionen Datenpunkte der zu vermessenden Oberfläche erfasst werden. Zum Vergleich: Ein konventioneller Punktsensor würde mit einem X-Y-Scan mindestens eine halbe Stunde benötigen. Eingesetzt wird der Reflectcontrol-Sensor zur 3D-Formerfassung von Wafern in der Halbleiterproduktion, der Qualitätsprüfung von Flachglas (zum Beispiel in der Smartphone-Produktion) und der Oberflächenprüfung von Headup-Displays.


Kratzer, Dellen und Körner: Präzise Defekterkennung

Vielfach werden bei den Herstellern technischer Spiegel Sensorlösungen eingesetzt, bei denen Spiegel von 100 mm Durchmesser mit rund 16 Sensoren vermessen werden. Aus den sich ergebenden Messpunkten wird über die Spiegeloberfläche interpoliert, um auf die jeweilige Verformung zu schließen. Diese Messmethoden sind für Qualitätsvorgaben im Nanometerbereich nur bedingt geeignet. Der Reflectcontrol-Sensor dagegen erfasst die Oberfläche mit bis zu fünf Millionen Datenpunkten, wodurch das Messobjekt präzise rekonstruiert wird. Eine exemplarische Darstellung einer Messung auf einem technischen Spiegel ist in den Abbildungen zu sehen. Unter Aufhebung des Seitenverhältnisses lässt sich die Oberfläche, die nur um 725 nm verformt ist, hochgenau visualisieren. Sowohl die rillenförmige Vertiefung als auch zusätzlich kleinste Partikel, welche sich auf der Spiegelfläche befinden, konnten identifiziert werden. Zusätzlich liefert der Sensor auch 2D-Bilder der erfassten Oberfläche. Im Krümmungsbild können zahlreiche Oberflächendeformationen identifiziert werden: Vertiefungen wie Kratzer, Dellen oder Kerben. Aber auch Erhöhungen wie Pickel, Körner und Raupen lassen sich visualisieren. Im Amplitudenbild werden sämtliche, die Reflektivität der Oberfläche verändernden, Effekte dargestellt. Klassische Beispiele hierfür wären Fingerabdrücke oder andere Verschmutzungen.


Messprinzip der Deflektometrie

Der Reflectcontrol-Sensor arbeitet nach dem Prinzip der phasenmessenden Deflektometrie. Das Verfahren eignet sich insbesondere für die hochpräzise Defekterkennung und dreidimensionale geometrische Erfassung ebener spiegelnder Objekte. Bei der Deflektometrie wird nicht die Oberfläche selbst untersucht, sondern deren optisch verzerrende beziehungsweise intensitätsschwächende Wirkung, die sich im Spiegelbild eines Musters zeigt. Dabei wird ein Sinusmuster auf einem Display dargestellt und anschließend das Spiegelbild dieses Musters mit Kameras aufgenommen. Unter Phasenverschiebung des dargestellten Musters werden einige wenige Bilder mit CCD-Kameras aufgenommen. Anhand der gewonnenen Daten werden algorithmisch Krümmungen und Intensitätsamplituden vollflächig ermittelt. Deflektometrische Systeme sind anderen optischen Verfahren dahingehend überlegen, dass über die gesamte von der Kamera erfasste Fläche die gesuchten lokalen Krümmungs-, Intensitäts- und Amplitudendaten zur Verfügung stehen. Der Vorteil des Stereo-Messsystems liegt in der simultanen Bildaufnahme zweier Kameras aus verschiedenen Richtungen. Die kombinierte Auswertung der Daten beider Kameras erlaubt eine nanometergenaue 3D-Rekonstruktion des Messobjekts.


Zusammenfassung

Durch den Einsatz der phasenmessenden Deflektometrie in Form des Reflectcontrol-Sensors, können selbst kleine Defekte oder Verformungen prozesssicher erfasst werden. Speziell im Bereich technischer Optiken und Spiegel stellt das hier dargestellte Verfahren eine gute Möglichkeit dar, den hohen Qualitätsanforderungen gerecht zu werden.

Autor
Dr. Thomas Reitberger, Produktmanager 3D-Sensorik, bei Micro-Epsilon Messtechnik

Kontakt

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Königbacher Strasse 15
94496 Ortenburg
Deutschland

+49 8542 168 0
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