Optische Meßtechnik an technischen Oberflächen

A.W. Koch, M.W. Ruprecht, O. Toedter, G. Häusler:
Optische Meßtechnik an technischen Oberflächen.
expert-Verlag, Renningen, 1998, Reihe Technik, ISBN 3-8169-1372-5.

 Inhaltsverzeichnis

1 Einführung
1 1.1 Motivation
1 1.2 Eigenschaften optischer Meßverfahren 2
1.3 Definition einer technischen Oberfläche 4
1.4 Definition der Meßaufgabe 5
1.5 Prinzipaufbau eines optischen Meßsystems 7
1.6 Relevanz für Praxis und Lehre 7

2 Grundlagen der Lasermeßtechnik 9
2.1 Allgemeine Begriffe 9
2.1.1 Strahlen- und Wellenoptik 9
2.1.2 Strahlungsphysikalische und lichttechnische Größen 10
Strahlungsphysikalische oder radiometrische Größen 10
Lichttechnische oder photometrische Größen 11
2.1.3 Brechung und Beugung von Licht 12
Brechung von Licht 12
Beugung von Licht 13
2.1.4 Diffuse Reflexion 14
2.1.5 Die optische Abbildung 14
2.1.6 Interferenz 16 Interferenz 17
Speckle-Effekt 18
2.2 Laser 19
2.2.1 Prinzip 20
2.2.2 Inversion 20
2.2.3 Moden 21
2.2.4 Beispiele von Laseranordnungen 24
2.3 Optische Detektoren 25
2.3.1 Lichtempfindlicher Widerstand 25
2.3.2 Photoelement und Photodiode 27
2.3.3 Photovervielfacher 28
2.3.4 Positionsempfindliche optische Detektoren 30
2.3.5 Detektor-Arrays 31
2.3.6 Bildverstärker 32

3 Abstandsmessung, Geschwindigkeitsmessung und Objektklassifizierung 35
3.1 Lichtschranken 35
3.1.1 Ausführungsformen 35
Einweg-Systeme 36
Zweiweg-Systeme 37
Tastende Systeme 39
Weitere Merkmale von Lichtschranken 40
3.1.2 Flächenabdeckende Lichtschranken 42
Lichtgitter 42
Lichtvorhänge 43
3.1.3 Besondere Anwendungen 43
3.1.4 Lichtschranken zur Geschwindigkeitsmessung 44
Grundprinzip 44
Realisierung 45
Fehlerquellen 46
Auswerteeinheiten 47
Anwendungen 47
3.2 Triangulation 48
3.2.1 Grundprinzip 48
3.2.2 Grenzen des Systems 50
Einfluß der Objektoberfläche 51
Einfluß des Laserstrahls 52
Abschattung 52
Weitere Einflüsse 52
3.2.3 Langreichweitige Triangulation 53
Prinzip der langreichweitigen Triangulation 53
Realisierung des langreichweitigen Triangulationssensors 54
3.2.4 Anwendungen von Triangulationssensoren 56
3.2.5 Flächenhafte Triangulation 56
3.3 Laufzeitverfahren 57
3.3.1 Grundprinzip 57
Pulslaufzeitverfahren 57
Phasenmessende Verfahren 58
Laufzeitmessung mit Pseudo-Noise-Modulation 60
3.3.2 Grenzen des Systems 61
3.3.3 Anwendungen 62
3.3.4 Flächendeckende Verfahren 62
X-Y Scanner 63
,,Synchronscanning'' 63
,,Rotationsscanner'' 64
3.4 Laser-Doppler-Velocimetrie 65
3.4.1 Prinzip des Verfahrens 65
3.4.2 Empfänger 68
3.4.3 Begrenzungen des Verfahrens 69
Einflußder Geometrie und der Wellenlänge 69
Stabilisierung des Diodenlasers 69
Stillstands- und Richtungserkennung 69
Weitere Einflußgrößen auf die Meßunsicherheit 70
3.4.4 Auswertemöglichkeiten und Anwendungen 70

4 Messung der Oberflächenform 73
4.1 Einführung 73
4.2 übersicht über nicht-interferometrische Verfahren 74
4.2.1 Einführung 74
4.2.2 Abtastende Verfahren 75
4.2.3 Projektion strukturierten Lichts 78
4.3 2D-Interferenzverfahren 79
4.3.1 Interferenz an rauhen Oberflächen mit breitbandiger Beleuchtung 79
4.3.2 Interferenz an rauhen Oberflächen mit monochromatischer Beleuchtung 79
4.3.3 Praxisrelevante Grundlagen der Speckle-Interferometrie 82
Aufnahme von Interferogrammen 87
4.4 Anwendungen der Speckle-Interferometrie 100
4.4.1 Oberflächenprofilvermessung mittels Zweiwellenlängentechnik 100
4.4.2 Deformationsmessung vertikal zur Oberfläche 102
4.4.3 Deformationsmessung in der Oberfläche 105
4.4.4 Schwingungsmessung 108

5 Möglichkeiten und Grenzen von optischen Sensoren für die Formerfassung 113
5.1 Einführung 113
5.2 Zur Auswahl von Sensoren 114
5.3 Aktive Lasertriangulation zur flächenhaften Vermessung 115
5.3.1 Theoretische Grenzen der Meßunsicherheit 116
5.3.2 Meßunsicherheit an technischen Oberflächen 117
5.3.3 Möglichkeiten zur Verringerung der Meßunsicherheit 118
Kohärenz 118
Oberflächenpräparation 118
5.3.4 Beispielmessungen 119
5.3.5 Kalibrierung 121
5.3.6 Zusammenfassung für den Anwender 122
5.4 Phasenmessende Triangulation 122
5.4.1 Prinzip der Phasenmessenden Triangulation 123
Codierter Lichtansatz 123
Phasenshift-Verfahren 123
5.4.2 Theoretische Grenzen der Meßunsicherheit 125
5.4.3 Modifikationen der Streifenprojektion 125
Mehrfrequenz-Verfahren 125
Projektion eines Streifenmusters durch Zylinderoptik 125
5.4.4 Probleme beim praktischen Einsatz 126
5.4.5 Beispielmessungen 127
5.4.6 Zusammenfassung für den Anwender 127
5.5 Kohärenzradar 128
5.5.1 Meßprinzip 128
5.5.2 Theoretische Grenzen, Vergleich zu konventionellen Sensoren 131
5.5.3 Meßergebnisse aus der industriellen Praxis 132
5.5.4 Zusammenfassung für den Anwender 136
5.6 Vergleich der Meßverfahren, Resum\'e 136

6 Messung der Oberflächenrauheit 139
6.1 Einleitung 139
6.2 übersicht über optische Verfahren zur Rauheitsmessung 142
6.2.1 Abtastende Verfahren 143
6.2.2 Streulicht-Messung 143
6.3 Speckle-Verfahren 145
6.3.1 Zusammenhang Rauheit und Specklestatistik 145
6.3.2 Speckle-Kontrast 145
6.3.3 Speckle Elongation 147
6.3.4 Speckle Korrelation 148
Meßanordnungen zur Speckle-Korrelation 148
Auswertung der Speckle-Bilder 150
6.4 Anisotrope Oberflächenrauheiten 153
6.5 Bewertung mechanischer und optischer Verfahren zur Rauheitsmessung 155
6.5.1 Mechanische Rauheitsmessung 155
6.5.2 Optische Rauheitsmessung 156

7 Messung von Oberflächenschichten - Dünnschichtinterferometrie 157
7.1 Grundlagen 157
7.1.1 Interferenzeffekt an dünnen Schichten 157
7.1.2 Einflu ßder Polarisation 160
7.1.3 Bezug zur Ellipsometrie 162
7.1.4 Vorteile der Dünnschichtinterferometrie 163
7.2 Dünnschichtinterferometrische Me ßanordnungen 165
7.2.1 Einstrahlinterferometrie 165
7.2.2 Zweistrahlinterferometrie 165
7.2.3 Konvergente Einstrahlinterferometrie 167
7.3 Anwendungsbeispiele 170
7.3.1 Dünnschichttechnologie 170
7.3.2 Aufbau an einem Plasmabeschichtungsreaktor 170
7.3.3 Messung der thermischen Ausdehnung 175

Literatur 180
Index 206