Skip to content
Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by Oldenbourg Wissenschaftsverlag March 14, 2019

Evaluation und Justierung eines neuartigen, hochfrequent fokusabstandsmodulierten, fasergekoppelten, konfokalen Punktsensors für axial geregelte Oberflächenmessungen mit einem Nanokoordinatenmessgerät

Evaluation and adjustment of a novel high-speed focal-distance modulated fibre-coupled confocal sensor for axial closed-loop surface scans with a nano coordinate measuring system
Andreas Christian Gröschl

Andreas Christian Gröschl ist seit 2012 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik sowie seit 2015 Leiter des lehrstuhleigenen Kalibrierlabors Messzentrum FMT. Sein Forschungsschwerpunkt liegt in der Sensorentwicklung für die Mikro- und Nanomesstechnik.

EMAIL logo
, Janik Schaude

Janik Schaude ist seit 2017 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik. Sein Forschungsschwerpunkt liegt in der Sensorentwicklung für die Mikro- und Nanomesstechnik.

and Tino Hausotte

Tino Hausotte ist seit 2011 Inhaber des Lehrstuhls für Fertigungsmesstechnik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg. Unter seiner Leitung befasst sich der Lehrstuhl insbesondere mit den Forschungsfeldern interferenzoptische Längen- und Koordinatenmesstechnik, Multisensor-Koordinaten- und Oberflächenmesstechnik (taktile, optische und elektrische Sensorik, Rasterkraftsensorik), Fotogrammetrie und Bildverarbeitung, Röntgen-Computertomografie, Messdatenfusion, metrologische Strukturauflösung und Messunsicherheits- und Messmittelfähigkeitanalyse.

From the journal tm - Technisches Messen

Zusammenfassung

In diesem Artikel wird ein neues Messverfahren zur Oberflächenmessung bei gleichzeitiger axialer Regelung des Arbeitsabstandes eines hochfrequent fokusabstandsmodulierten, fasergekoppelten, konfokalen Punktsensors in einem Nanokoordinatenmessgerät (NMM-1) [T. Hausotte, B. Percle, and G. Jäger. Meas. Sci. Technol., 2009] vorgestellt. Während bei diesem Verfahren alle bekannten Vorteile der Konfokaltechnik beibehalten werden, stellt die innovative Kombination einer fasergekoppelten Beleuchtung und Detektion mit einer akustisch getriebenen, modulierbaren Flüssigkeitsgradientenlinse (engl. tuneable, acoustically driven gradient-index fluid lens, Abk. TAG-Linse) [Tag Optics Inc. Datasheet, 2013] zur hochfrequenten Abstandmodulation des Fokus zusammen mit einer neuartigen Signalverarbeitung auf Basis einer Lock-in-Verstärkung eine wesentliche Verbesserung dar. Durch die Anordnung und Auswertung ergibt sich im Gegensatz zu konventionellen konfokalen Punktsensoren eine nahezu lineare Kennlinie, wobei die Richtung der Abweichung der Messobjektoberfläche relativ zur Fokusebene des Objektivs eindeutig bestimmt werden kann. Es wird insbesondere die Verwendung des Sensors sowie die Nutzung der resultierenden Kennlinie zur Regelung der Oberflächenposition in einem Nanokoordinatenmessgerät gezeigt. Im Gegensatz zum Verfahren konventioneller Konfokalsensoren, bei der lateral flächenhafte Abtastungen auf vielen diskreten axialen Höhen durchgeführt werden, um daraus für jeden lateralen Messpunkt durch eine Maximalwertsuche einen Höhenwert zu ermitteln, kann durch die gezeigte Nachregelung eine Oberflächenerfassung durch eine einzige laterale Abstastung erfolgen. Die sich daraus ergebende immense Zeitersparnis führt zusätzlich zu Messungen mit geringeren thermischen Driften und geringeren Messabweichungen.

Abstract

This article presents measurements of surfaces by performing closed-loop line scans using a nano coordinate measuring system (NMM-1) [T. Hausotte, B. Percle, and G. Jäger. Meas. Sci. Technol., 2009] and a new high-frequency focal-distance-modulated confocal point sensor. While maintaining the known advantages of the confocal measurement, the sensor represents an innovative combination of a fibre-coupled confocal illumination and detection with a tuneable, acoustically driven gradient-index fluid lens (TAG-lens) [Tag Optics Inc. Datasheet, 2013] for modulation of the focus distance and a novel signal processing utilizing a lock-in amplifier. The new arrangement is able to achieve an approximately linear characteristic curve for the optimised feedback control of a coordinate measuring system (CMS) in scanning sample mode. This article emphasises the implementation and use of the sensor in a coordinate measuring system and the advantages of lateral closed-loop scans holding the distance between the sample and the objective constant compared to conventional lateral scans in axial stepwise layers. The enormous saving of time eventuates in measurements with reduced measurement errors due to less thermal drifts.

Award Identifier / Grant number: HA 5915/10-1

Funding statement: Die Autoren möchten der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Finanzierung des Projekts (HA 5915/10-1) danken.

Über die Autoren

Andreas Christian Gröschl

Andreas Christian Gröschl ist seit 2012 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik sowie seit 2015 Leiter des lehrstuhleigenen Kalibrierlabors Messzentrum FMT. Sein Forschungsschwerpunkt liegt in der Sensorentwicklung für die Mikro- und Nanomesstechnik.

Janik Schaude

Janik Schaude ist seit 2017 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik. Sein Forschungsschwerpunkt liegt in der Sensorentwicklung für die Mikro- und Nanomesstechnik.

Prof. Dr.-Ing. habil. Tino Hausotte

Tino Hausotte ist seit 2011 Inhaber des Lehrstuhls für Fertigungsmesstechnik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg. Unter seiner Leitung befasst sich der Lehrstuhl insbesondere mit den Forschungsfeldern interferenzoptische Längen- und Koordinatenmesstechnik, Multisensor-Koordinaten- und Oberflächenmesstechnik (taktile, optische und elektrische Sensorik, Rasterkraftsensorik), Fotogrammetrie und Bildverarbeitung, Röntgen-Computertomografie, Messdatenfusion, metrologische Strukturauflösung und Messunsicherheits- und Messmittelfähigkeitanalyse.

Literatur

1. C. Cremer and T. Cremer. Considerations on a laser-scanning-microscope with high resolution and depth of field. Microsc. Acta, 81(1):31–44, 1978.Search in Google Scholar

2. M. Duocastella, G. Vicidomini, and A. Diaspro. Simultaneous multiplane confocal microscopy using acoustic tunable lenses. Optics Express, 22(16):19293–19301, 2014.10.1364/OE.22.019293Search in Google Scholar PubMed

3. A. Gröschl, S. Köhnen, J. Schaude, and T. Hausotte. Improvements of a high-speed focus distance modulated fibrecoupled confocal sensor for nanocoordinate measuring systems. 19. ITG-/GMA-Fachtagung, 2018.Search in Google Scholar

4. T. Hausotte, B. Percle, and G. Jäger. Advanced three-dimensional scan methods in the nanopositioning and nanomeasuring machine. Meas. Sci. Technol., 20(8):1–8, 2009.10.1088/0957-0233/20/8/084004Search in Google Scholar

5. T. Hausotte, A. Gröschl, and J. Schaude. High-speed focal-distance-modulated fiber-coupled confocal sensor for coordinate measuring systems. Appl Opt., 57(14):3907–3914, 2018.10.1364/AO.57.003907Search in Google Scholar PubMed

6. N. Koukourakis, M. Finkeldey, M. Stürmer, C. Leithold, N. C. Gerhardt, M. R. Hofmann, U. Wallrabe, J. W. Czarske, and A. Fischer. Axial scanning in confocal microscopy employing adaptive lenses (cal). Optics Express, 22(5):6025–6039, 2014.10.1364/OE.22.006025Search in Google Scholar PubMed

7. A. Mermillod-Blondin, E. Mcleod, and C. B. Arnold. High-speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens. Optics Express, 33(18):2146–2148, 2008.10.1364/OL.33.002146Search in Google Scholar

8. M. Minsky. Memoir on inventing the confocal scanning microscope. Scanning, 10:128–138, 1988.10.1002/sca.4950100403Search in Google Scholar

9. C. Sheppard and A. Choudhury. Image formation in scanning microscope. Opt. Acta, 24:1051–1073, 1977.10.1080/713819421Search in Google Scholar

10. Tag Optics Inc. The physics behind tag optics’ technology and the mechanism of action of using sound to shape light. Datasheet, 2013.Search in Google Scholar

11. E. Uhlmann, B. Mullany, D. Biermann, K. P. Rajurkar, T. Hausotte, and E. Brinksmeier. Process chains for high-precision components with micro-scale features. CIRP Annals – Manufacturing Technology, 65:549–572, 2016.10.1016/j.cirp.2016.05.001Search in Google Scholar

12. T. Wilson and C. Sheppard. Theory and Practice of Scanning Optical Microscopy. Academic Press, 1984. ISBN 0-12-757760-2.Search in Google Scholar

Erhalten: 2019-01-14
Angenommen: 2019-02-19
Online erschienen: 2019-03-14
Erschienen im Druck: 2019-04-04

© 2019 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston

Downloaded on 30.11.2022 from frontend.live.degruyter.dgbricks.com/document/doi/10.1515/teme-2019-0008/html
Scroll Up Arrow