SUCCESS STORY – Profiltreue Wiedergabe feinster Strukturen dank Piezotechnologie und Konfokaltechnik-- Gernot Hamann --Profiltreue Wiedergabe feinster Strukturen dank Piezotechnologie
und Konfokaltechnik
Optische 3D-Oberflächenmesstechnik für Industrie und ForschungPhysik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019, E-Mail info@pi.de, www.pi.de

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SUCCESS STORY – Profiltreue Wiedergabe feinster Strukturen dank Piezotechnologie und Konfokaltechnik-- Gernot Hamann --Optische 3DOberflächenmesstechnik
Bei Oberflächeninspektionen, die heute in vielen Bereichen
unerlässlich sind, geht der Trend zu immer kleineren
Strukturen, die es bis zu Nanometergenauigkeit abzubildenbzw. aufzulösen gilt.
Optische Messverfahren als
berührungslose und zerstörungsfreie Analyse- undPrüfmethoden sind für viele Anwendungen das Mittel derWahl, da sie auf nahezu allen Materialien einsetzbar sind undsich auch für empfindliche Proben eignen.

AlsWegbereiterderoptisch-konfokalen
3DOberflächenmesstechnik gilt schon seit vielen Jahren die
NanoFocus
AG
mit
Stammsitz
inOberhausen.
UnterschiedlicheProduktlinien
deckenverschiedene
Einsatzbereicheab,vonderschnellen
InlineProduktionsinspektion über flexible, kundenspezifischeLösungen bis hin zu den hochpräzisen µsurfSystemen (Abb. 1).

Hochgenaue konfokale Abbildungsprinzipien können die
Probentopografie und Rauheitsstrukturen nicht nur qualitativ,
sondern auch quantitativ übereinstimmend mit taktilen
Messverfahren darstellen, die in vielen Industrienormenbeschrieben sind. Piezobasierte Positioniersysteme leisten
dazu einen nicht unerheblichen Beitrag.

Abb. 2Die optische 3D-Oberflächeninspektion eignet sich sowohl fürden Labor- als auch den anspruchsvollen Industrieeinsatz, z. B. in
der Automobilindustrie zur Kontrolle des Lackerscheinungsbildes(Bild: NanoFocus)

Letztere arbeiten bei schnellen flächenhaften Messungen mit
Auflösungen bis zu 1 nm in vertikaler Richtung, lateral mit biszu 300 nm. Damit eignen sie sich sowohl für den Labor- alsauch den anspruchsvollen Industrieeinsatz (Abb. 2), z. B. fürdreidimensionale
OberflächenmessungeninderMedizintechnik, Halbleiterindustrie, Forensik, Elektronik- undAutomobilindustrie, Materialwissenschaft und Stahlindustrie.

Abb. 1

Hier die im Frühjahr 2014 eingeführte Produktneuheit µsurf
expert (Bild: NanoFocus)

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Das Messprinzip arbeitet zuverlässig sowohl auf
transparenten als auf metallischen, auf rauen und auchpolierten Oberflächen. Auch Schichtdicken teiltransparenter
Oberflächen können durch spezielle Algorithmen ausgewertet
werden.

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SUCCESS STORY – Profiltreue Wiedergabe feinster Strukturen dank Piezotechnologie und Konfokaltechnik-- Gernot Hamann --Extrem streulichtarme undrobuste Signalgebung
Herzstück jedes dieser µsurf-Systeme ist die integrierte
konfokal-optische Filtereinheit, die mit einem hochpräzisen
und schnellen Fokussiermodul kombiniert ist. Die patentierte
Multi-Pinhole-Disc (MPD) wird als optischer Filter reflektierter
Lichtstrahlen eingesetzt (Abb. 3) und zeichnet sich durch eine
extrem streulichtarme und robuste Signalgebung bei hoher
Lichtausbeute aus:
Das Objektiv fokussiert dabei Licht einer Hochleistungs-LEDQuelle durch die Multi-Pinhole-Disc auf die Oberfläche. Nur
der Anteil des Lichts, der von einem Punkt auf der Oberfläche
reflektiert wird, der genau im Fokusabstand des Objektivs
liegt, kann die Punktöffnungen der MPD passieren. Licht, dasvon einem Probenbereich reflektiert wird, der nicht in derFokusebene des Objektivs liegt, wird dagegen ausgeblendet.
Durch die Rotation der MPD lässt sich die gesamte
Probenoberfläche schnell und lückenlos scannen.
DurchVerfahren
desObjektivs
senkrecht
zur
Probenoberfläche werden nacheinander alle Höhenlinien derProbe fokussiert. Die eingesetzte CCD Kamera speichert zu
jeder Objektivposition die Helligkeitswerte des Sichtfeldes ab.
Punkte mit maximaler Helligkeit liegen dabei auf einer
Höhenlinie. Jedes Konfokalbild ist ein horizontaler Schnitt
durch die Oberflächen-Topografie der Probe. Aus derGesamtheit der Bilder in unterschiedlichen Höhenabständen,
dem sogenannten Bildstapel, lässt sich dann die 3D-Struktur
Probe ermitteln.

Abb. 4

Abb. 3

LED-Lichtquelle (1), Multi-Pinhole-Disc (2), Probenoberfläche (3),Spiegel (4) und CCD-Kamera (5) (Bild: NanoFocus)

Durchschnittlich besteht ein solcher Stapel aus 200 bis 400
Einzelbildern, die in wenigen Sekunden aufgenommen undvon der Messsoftware in ein dreidimensionales Höhenbild
umgewandelt werden (Abb. 4) – mit wenigen Nanometern
Genauigkeit.

200 bis 400 Einzelbildern werden von Messsoftware in ein
dreidimensionales Höhenbild umgewandelt (Bild: NanoFocus)

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SUCCESS STORY – Profiltreue Wiedergabe feinster Strukturen dank Piezotechnologie und Konfokaltechnik-- Gernot Hamann --Piezo-Positioniersystem für dasObjektiv
Um eine dermaßen hohe Messauflösung zu erreichen, mussdas Objektiv in Richtung der z-Achse mit hoher Genauigkeit
bewegt werden. „Mit konventionellen motorischen Antrieben
ist dies kaum realisierbar“, erläutert Dr. Georg Wiora (Abb. 5),
zuständig
fürstrategische
Entwicklung
undInnovationsmanagement
beiNanoFocus.
„Das
Positioniersystem für unser Objektiv basiert deshalb auf
Piezoaktoren. Sie arbeiten verschleiß- und reibungsfrei sowie
ohne Spiel und eignen sich aufgrund ihrer Dynamik für diehohen Aufnahmefrequenzen.“ Spielfreie und hochgenaue
Festkörperführungen sorgen gleichzeitig für eine hohe
Fokusstabilität. Auf diese Weise lässt sich in derbeschriebenen Anwendung ein Verfahrweg von bis zu 500 µm
realisieren; die Verfahrgenauigkeit der Kinematik liegt dabei
im Nanometerbereich.

Abb. 6

Das piezobasierte einachsige Positionssystem wurde genau auf
die Anwendungsanforderungen abgestimmt. Aufgrund seiner
kompakten Abmessungen ließ es sich gut im Objektivträger
unterbringen (Bild: PI)

Hochauflösendes Messverfahren
und anwendungsspezifischerControllerWiederholgenauigkeit und Linearität bei hochdynamischen
und hochauflösenden Positioniersystemen sind nicht denkbar
ohne den Einsatz höchstauflösender Messverfahren.
Genauigkeiten im Bereich weniger Nanometer und darunter
erfordern Positionsmessverfahren, die Bewegung in diesem
Bereich auch erfassen können.

Abb. 5

Dr. Georg Wiora, zuständig für strategische Entwicklung undInnovationsmanagement bei NanoFocus (Bild: NanoFocus)

Das im µsurf-System eingesetzte piezobasierte einachsige
Positionssystem (Bild 5) stammt aus dem umfangreichenProduktprogramm der Physik Instrumente (PI). Es wurdegenau auf die Anwendungsanforderungen abgestimmt, ließsich dank seiner kompakten Abmessungen gut imObjektivträger integrieren und verfährt das Objektiv mit
konstanter Geschwindigkeit. Zum Messen wird also nichtgestoppt. Kernanforderung an das Positioniersystem ist daher
eine hohe Geschwindigkeitskonstanz im Nanometerbereich.
Nur so können Rauheitsmessungen mit Absolutgenauigkeiten
von wenigen Nanometern durchgeführt werden, diekompatibel zu taktilen Verfahren sind und die Anforderungender entsprechenden Industrienormen erfüllen.
Genauso wichtig ist aber auch beim Positionieren desObjektivs die Wiederholgenauigkeit, damit bei derAuswertung des Stapels von Einzelbildern ein Höhenversatz
zuverlässig vermieden wird.

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In der beschriebenen Anwendung sorgen kapazitive Sensoren
für diese hochgenaue Ist-Wert-Erfassung. Durch die hohe
Bandbreite der Sensoren ist die Regelung auch im
dynamischen Betrieb möglich. Die kapazitiven Sensoren
eignen sich prinzipiell für Messbereiche bis 1000 µm, bei
Auflösungen bis hinunter zu 0,01 nm. Die Wiederhol- undAbsolutgenauigkeiten bei der Objektivpositionierung sind
damit gewährleistet.
Die Auswertung der Sensordaten und die Ansteuerung desPiezoaktors des Positioniersystems übernimmt ein Controller
mitintegriertem
Piezoverstärker.
Diekompakte
Sonderelektronik ließ sich sowohl mechanisch als auchhinsichtlichderSchnittstellen
nahtlos
indas
Steuerungskonzept von NanoFocus integrieren.
„Auch in diesem Punkt haben wir mit Physik Instrumente (PI)einen fachkundigen Partner gefunden, der entscheidend zu
unserem Erfolg beigetragen hat“, sagt Dr. Wiora.
Piezobasierte Positioniersysteme haben damit einmal mehrbewiesen, dass sie die Technik vorantreiben können.

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SUCCESS STORY – Profiltreue Wiedergabe feinster Strukturen dank Piezotechnologie und Konfokaltechnik-- Gernot Hamann --Über NanoFocus

AutorBereits seit 1994 entwickelt, produziert und vertreibt die
NanoFocus AG hochpräzise optische 3D-Messsysteme undSoftware zur Charakterisierung von technischen Oberflächen.
Die innovativen Systeme ermöglichen eine äußerst schnelle,berührungslose und einfache Messung der 3D-Topografie mit
Auflösungen im Mikro- und Nanometerbereich.
Die Produktfamilien µsurf, µscan und µsprint bieten
zuverlässige und wiederholbare Messgenauigkeit fürunterschiedliche Anwendungsbereiche. Zur Messung,
Auswertung und Ansteuerung steht die passende, intuitiv
bedienbare Software zur Verfügung. Sie liefert normkonforme
Ergebnisse, umfangreiche Messreports und die Möglichkeit
zur Automatisierung von Messreihen.
Mit hohen Mess- und Analysegeschwindigkeiten eignen sich
die Systeme sowohl für das Prüflabor als auch für den
produktionsnahen Einsatz und die Inline-Kontrolle. Typische
Einsatzbereiche finden sich z. B. in der Medizintechnik,
Halbleiterindustrie,Forensik,
Elektronikund
Automobilindustrie, Materialwissenschaft und Stahlindustrie.

Dipl.-Physiker Gernot Hamann, Leiter
Management bei Physik Instrumente (PI)KeyAccountEllen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro StutenseeÜber Physik Instrumente (PI)In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente(PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller vonPositioniersystemen mit Genauigkeiten im Nanometerbereich
entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vier
Sitzen in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebsund Serviceniederlassungen international vertreten.
Über 850 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Weltversetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jede Anforderung ausdem Bereich innovativer Präzisionspositioniertechnik zu
erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus
entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur
Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik undElektronik ebenso wie die Positionssensorik.
Die dafür benötigten piezokeramischen Elemente werden bei
der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem derweltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet
aktorischer und sensorischer Piezoprodukte.
Die PI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist spezialisiert
auf flexible Positioniersysteme für UltrahochvakuumAnwendungen sowie parallelkinematische Positioniersysteme
mit sechs Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

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