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tm - Technisches Messen

Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik

[TM - Technical Measurement: A Platform for Methods, Systems, and Applications of Measurement Technology
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Editor-in-Chief: Puente León, Fernando / Zagar, Bernhard


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ISSN
2196-7113
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Volume 86, Issue 4

Issues

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
  • Corresponding author
  • Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Germany
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/ Janik Schaude
  • Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Germany
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/ Prof. Dr.-Ing. habil. Tino Hausotte
  • Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Germany
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Published Online: 2019-03-14 | DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2019-0008

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.

Schlagwörter: Konfokalsensor; Nanokoordinatenmessgerät; Oberflächenmessung

Keywords: Confocal sensor; nano coordinate measuring machine; surface measurement

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About the article

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.


Received: 2019-01-14

Accepted: 2019-02-19

Published Online: 2019-03-14

Published in Print: 2019-04-04


Funding Source: Deutsche Forschungsgemeinschaft

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

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


Citation Information: tm - Technisches Messen, Volume 86, Issue 4, Pages 216–226, ISSN (Online) 2196-7113, ISSN (Print) 0171-8096, DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2019-0008.

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