Digitale Analyse periodischer und transienter Messsignale anhand von Beispielen aus der optischen Präzisionsmesstechnik

Optische 3D-Präzisionsmessverfahren, wie Weißlichtinterferometrie oder konfokale Mikroskopie, die eine Höhenauflösung bis in den Subnanometerbereich sowie sehr kurze Messzeiten von unter einer Sekunde erreichen, haben sich in den letzten Jahrzehnten in industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen etabliert. Der aktuelle Trend in der Industrie ist die hundertprozentige Qualitätskontrolle. Schnell und kosteneffizient lässt sich dieses Ziel nur durch die Integration der Messsysteme direkt in den Fertigungsprozess realisieren. Die hohe Genauigkeit der angesprochenen Messverfahren lässt sich allerdings bei konventionellen Systemen nur in einer schwingungsreduzierten Umgebung beispielsweise in einer Messkammer auf einem schwingunsgedämpften optischen Tisch erzielen.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung, dem Aufbau und der Charakterisierung von interferometrischen Sensoren und der dazugehörigen Signalverarbeitung. Diese erreichen hohe laterale und axiale Auflösungen sowie kurze Mess- und Auswertezeiten und sind unempfindlich gegenüber Umgebungsschwingungen, weshalb sie in die Maschinenumgebung integriert werden können. Die Sensoren vereinen Weißlichtinterferometer zur flächenhaften Topographieerfassung und punktförmig messende Laserinterferometer zur Abstandserfassung zwischen Messobjekt und Messkopf des Sensors. Beide Interferometer verwenden teilweise einen gemeinsamen Strahlengang, sodass die Abstandsmessung innerhalb des Messfeldes des Weißlichtinterferometers erfolgt. Zur robusten Auswertung des Laserinterferenzsignals wird es mittels periodischer optischer Weglängenmodulation im Referenzarm sinusförmig moduliert. Durch optische, elektronische und softwaretechnische Maßnahmen wird sichergestellt, dass beide Interferometer keinen negativen Einfluss aufeinander ausüben. Die Abstandsinformationen werden verwendet, um die durch Umgebungsvibrationen an zunächst unbekannten axialen Positionen aufgenommen Weißlichtinterferenzsignale zu korrigieren. Dazu werden robuste Algorithmen zur Korrektur von Weißlichtinterferenzsignalen vorgestellt und charakterisiert. Die korrigierten Signale werden anschließend mit den etablierten Signalverarbeitungsalgorithmen ausgewertet und daraus wird die Oberflächentopographie der Messobjekte mit vergleichbarer Genauigkeit wie ohne Umgebungsschwingungen bestimmt.

Die Systeme werden anhand von bekannten Messobjekten charakterisiert und die Kompensationen der Störschwingungen sowohl bei bekannten generierten Schwingungen als auch direkt in der Maschinenumgebung durch Messungen in einer Schwingprüfmaschine demonstriert. Außerdem werden Limitierungen der Systeme und der Algorithmen aufgezeigt.

Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Erarbeitung neuer sowie der Optimierung und der Anpassung bereits existierender Signalverarbeitungsalgorithmen zur Auswertung von Weißlicht- und Laserinterferenzsignalen unter den gegebenen Einsatzbedingungen. Dabei werden bestehende und sich als zuverlässig erwiesene Algorithmen hinsichtlich höherer Genauigkeit und schnellerer Mess- und Auswertezeiten weiterentwickelt, optimiert und miteinander kombiniert.