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Minimales Rauschen, maximale Präzision

Marketing Team
Erodierte Metalloberfläche

Eine Weißlichtinterferometrie-Serie ergänzt seit 2021 das Mahr-Portfolio in der Oberflächenmesstechnik. Thorsten Höring, Global Product Manager Surface Metrology 3D, erklärt, wie der neuartige „Intelligent Correlation Algorithm“ (ICA) ein höchst stabiles Signal bei einem extrem niedrigen Rauschmaß ermöglicht und bei welchen Oberflächen die Serie zum Einsatz kommt.

Mahr ist für seine taktilen und konfokalen Systeme bekannt. Warum hat das Unternehmen nun auch eine Weißlichtinterferometer-Serie im Portfolio?
Thorsten Höring: Mit den Weißlichtinterferometern haben wir unser Spektrum bis in den Subnanometerbereich erweitert. Das ist, finde ich, nur eine logische Konsequenz für einen Messtechnikspezialisten wie Mahr.

Was genau kann die Weißlichtinterferometrie, wie arbeitet sie?
Thorsten Höring: Grundsätzlich ermöglicht die Weißlichtinterferometrie 3D-Profilmessungen von Strukturen, deren Größe zwischen wenigen Nanometern und einigen Mikrometern liegt. Das Verfahren nutzt die Überlagerung bzw. Interferenz von Wellen, um eine Größe zu bestimmen. Dabei läuft Licht über zwei Pfade: Der eine Pfad führt zur Referenz, während der zweite auf die zu messende Oberfläche geleitet wird. Befindet sich das Messobjekt im Fokus, dann addieren sich die Wellen und ergeben ein Intensitätsmaximum. Außerhalb des Fokus heben sich die Wellen gegenseitig auf und führen zu einem Intensitätsminimum. Aus diesen Informationen lassen sich präzise Höhenwerte berechnen.

Was für Oberflächen werden in diesem Bereich gemessen?
Thorsten Höring: Immer mehr Bauteile müssen Oberflächen mit sehr speziellen Eigenschaften aufweisen – etwa die Oberflächen von Linsen, um richtig zu fokussieren, oder auch von Halbleitern, um Signale schnell weiterzugeben. Ein weiteres Beispiel sind Implantate oder künstliche Gelenke: Die Oberflächen solcher Endoprothesen müssen nanometergenau geschliffen werden, damit beispielsweise Kniegelenks-Endoprothesen aus Metall- und Kunststoffkomponenten nahtlos mit dem menschlichen Knochen interagieren.

Was zeichnet die Interferometer von Mahr aus?
Thorsten Höring: Sie verfügen über einen neuartigen Algorithmus, die sogenannte ICA-Technologie. Diese vereint die guten Eigenschaften der bisher üblichen PSI- und VSI-Methoden bei einer sehr hohen vertikalen Auflösung und einem großen Anwendungsbereich.

Können Sie kurz PSI und VSI näher erläutern?
Thorsten Höring: Hier muss ich etwas ausholen: Herkömmliche Verfahren nutzen für Messungen entweder das Vertical Scanning (VSI) oder die Phase-Shift-Methode (PSI). Beim VSI werden die Höhenwerte mittels Schwerpunktverfahren ermittelt. Dabei bildet eine Kennlinie das sogenannte „Korrelogramm“. Legt man über dieses eine einhüllende Linie, so erhält man eine Gaußverteilung und kann den Schwerpunkt berechnen. Grundsätzlich ist diese Methode robust und schnell, führt aber nicht zu so genauen Ergebnissen.
Die Phase-Shift Methode, kurz PSI, steht hingegen für eine höhere Genauigkeit. Sie schaut im Korrelogramm nach dem größten „Phasenunterschied“, also dem Hell-Dunkel-Wechsel. Dieses Verfahren ist wesentlich genauer, aber deutlich empfindlicher.
Anders bei den Weißlichtinterferometern von Mahr: Ihr neuartiger Algorithmus vereint die guten Eigenschaften der PSI- und VSI-Methoden bei einer sehr hohen vertikalen Auflösung in einem einzigen großen Anwendungsbereich.

Wie erfolgt konkret die Messung mit ICA?
Thorsten Höring: Mit der Aufnahmesoftware MarSurf Metrology wird der Fokusbereich durchfahren und ein sogenannter „Image Stack“, also ein Bilderstapel, der Höheninformationen aufgenommen. Dieser Stapel ähnelt dem eines Computertomografen. Die Auswertung des Stacks erfolgt für jedes Pixel und damit für jeden einzelnen Datenpunkt in XY-Richtung separat.
Aus der Gesamtheit dieser Punkte wird ein „typisches“ Korrelogramm als Referenz definiert und als Vergleich für die Auswertung jedes Datenpunktes in XY-Richtung genutzt. Auf diese Weise lässt sich ein zuverlässiger und präziser Höhenwert erzeugen. Das Referenzsignal wird am gemessenen Interferogramm entlanggeschoben und die Stelle mit der besten Übereinstimmung gesucht. Aus dieser Position ergibt sich dann der präzise Höhenwert für diesen Pixel.

Wie kommt es zu dem geringen Rauschen von 80 Pikometern?
Thorsten Höring: Dadurch, dass ICA eine so exakte Bestimmung der Höhenwerte ermöglicht, minimiert sich gleichzeitig das Rauschen, was für eine sehr hohe Datenqualität sorgt. Durch dieses sehr gute Signal-Rausch-Verhältnis erreicht die Mahr-Technologie das Qualitätslevel eines PSI mit nur 80 Pikometern (STR-Surface-Topografie-Repeatability), hat dabei aber eine deutlich bessere Stabilität und höhere Zuverlässigkeit. Zum Vergleich: Bisherige Einstiegsgeräte liegen beim einem STR von rund 150 Pikometern. Zudem verfügen die neuen Mahr-Interferometer neben einer maximalen Zuverlässigkeit über eine hohe Dynamik auch bei geringer Intensität.

Wie genau heißt die Weißlichtinterferometer-Produktreihe von Mahr?
Thorsten Höring: Sie heißt MarSurf WI und umfasst die drei Geräte MarSurf WI 50 M, MarSurf WI 50 und MarSurf WI 100. Mit ihnen erhalten Forschungslabore und Qualitätssicherungen in der Industrie drei leistungsstarke Geräte zur Auswahl, um feinste Rauheiten, Stufenhöhen oder Ebenen im Nanometerbereich zu eruieren – und das in wenigen Sekunden.

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