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  • Inspektion von schwierigen

    Objekten mittels differentiellem

    Interferenz-Kontrast

    3.-4.11.2015 Peter Andrä

    Thomas Schäffler

  • Qioptiq unrestricted

    © Qioptiq 2013 2

    Agenda

    Hochauflösende Inspektion von schwierigen Objekten mittels

    differentiellem Interferenz Kontrast – DIC

    von den technologischen Grundlagen zur industriellen Anwendung

     Über Qioptiq

     Trends in Produktion und Inspektion

    Technologische Herausforderungen

     Basistechnologien Interferometrie und DIC-Mikroskopie

    Lösungen und Grundlagen

     Umsetzung in Mikro-Inspektionssysteme

     DIC-Technologie Anwendungen und Beispiele

  • Qioptiq unrestricted

    © Qioptiq 2013 3

    Über Qioptiq

    Innovatives Design,

    neueste Technologien

    und modernste Werke in

    Westeuropa und Nordamerika

    Produktionsstätten mit niedrigeren

    Kosten und zugleich hohen

    Qualitätsstandards in Asien

    Worin unterscheidet sich Qioptiq von anderen

    Photonic-Unternehmen?

    Rochester, NY, USA

    Asslar, Deutschland

    Göttingen, Deutschland

    München, Deutschland

    Regen, Deutschland

    St. Asaph, UK

    Bodelwyddan, UK

    Hamble, UK

    Singapur

  • Qioptiq unrestricted

    © Qioptiq 2013 4

    Über Qioptiq

  • Qioptiq unrestricted

    © Qioptiq 2013 5

    Trends in Produktion & Inspektion

    Miniaturisierung von Bauteilen und Geräten

     Mikroelektronik, Mikrooptik, Mikromechanik, Mikrosystemtechnik MEMS

     auf großen Flächen, z.B. Wafer, PCB und FP-Displays

  • Qioptiq unrestricted

    © Qioptiq 2013 6

    Trends in Produktion & Inspektion

    Funktionalisierung von technischen Oberflächen

     mechanische und optische Funktionsflächen

     Präzisionsbearbeitung, Mikrostrukturierung und Beschichtung

     ausgedehnte Oberflächen

    Quelle: Fa. Precitech Scanneroptiken

    UmlenkSpiegel f. KfZ HUD

    Mikro

    strukturen*

    *Quelle: Fraunhofer-Institut IPT Aachen

  • Qioptiq unrestricted

    © Qioptiq 2013 7

    Technologische Herausforderungen

    Herausforderungen für industrielle Bildverarbeitung

     kleinste Strukturen, Partikel und Defekte im Mikrobereich abbilden,

    erkennen und vermessen

     industrielle Produktionsumgebung, inline Qualitätssicherung

     großflächige und im Produktionstakt bewegte Bauteile

    Schwierige Objekte für bildgestützte Inspektion

     kleinste Strukturen auf unterschiedlichen Materialien

     transparente Objekte mit sehr schwer bis unsichtbaren Strukturen

     Oberflächen mit Strukturen sehr geringer Höhe

    Ursache

     Amplitudenobjekte beeinflussen die Amplitude und

     Phasenobjekte beeinflussen die Phase des verwendeten Lichtes

    (geometrische und physikalische Phasenobjekte)

  • Qioptiq unrestricted

    © Qioptiq 2013 8

    Technologien für bildgestützte Inspektion

    Vorgehensweise bei klassischen MachineVision-Anwendungen

    Objektspezifische Auswahl der optimalen Komponenten:

     Kamera (Sensor mit vielen Pixeln, Auflösung)

     Objektiv mit passender Brennweite (Vergrößerung, Abbildungs-Qualität)

     Beleuchtung, die genügend Licht bringt und zum Prüfobjekt passt

    Optik & Beleuchtung entscheidend für

     benötigte Auflösung und Messfeldgröße

     genügenden Kontrast zur zuverlässigen Detektion von Strukturen &

    Defekten auch auf schwierigen Oberflächen

    Welche Beleuchtung und Bildgebung für schwierige Objekte ?

    Hohe Vergrößerung mit

    großem Sensor

  • Qioptiq unrestricted

    Basistechnologien: Klassische

    Interferometrie & Nomarski-Mikroskopie

    Optik: Mikro- & Makro-Interferometer

    Leitz Metalloplan (Nomarski-Mikroskop)

    DIC

    Differential Interference Contrast

    © Qioptiq 2013 9

    Qualitative Gütebeurteilung von sehr glatten, planen (optischen) Oberflächen

     DF: Streulicht produzierende Verschmutzungen und Beschädigungen (Kratzer, Löcher)

     DIC: Strukturen auf feinstpolierten Flächen, verschiedene Polituren unterscheidbar

    Makro-Interferometer zur quantitativen Prüfung

     IF: Flächenprüfung (Passe), Glas-Homogenität

  • Qioptiq unrestricted

    Zwei-Strahl-IF mit Amplituden-Strahlteilung

     Twyman-Green-IF, 1916

    Interferometer: mit Referenzspiegel

    Interferogram: Wellenfront Form

    => z (x,y)

    Zwei-Strahl-Interferometrie

    © Qioptiq 2013 10

    Murty‘s laterales shear-IF, 1964

    (Saunders 1961)

    Shear-IF ohne Referenz

    Gradient in shear-Richtung

    z (x,y) – z (x+s,y)

    => dz (x,y)/ dx

    Quelle: D. Malacara etc. 2005

  • Qioptiq unrestricted

     IF mit Polarisations-Strahlteilung (polarisierende Teilerschichten)

    Polarisations-Interferometrie

    QuarzPl.

    Obj.

    /2-Pl.

    Pol.

    © Qioptiq 2013 11

     Laterales shear-IF (doppelbrechende Platten oder Prismen und Polarisator)

     Francon-Jordery, 1953 Jamin-Lebedeff, 1868-1930

    Durchlicht

    Lateraler shear von deformierter Wellenfront

    (Polarisatoren nicht dargestellt)

    Quelle: D. Malacara 2007, H. Paul 1999

  • Qioptiq unrestricted

    Prisma

    Pupille

    Objektiv

    Objekt

    Kond.

    Pol.

     IF-Mikroskop mit Referenz ohne shear (für technische Oberflächen im Auflicht)

    © Qioptiq 2013 12

    Mikro-Interferometer - Interferenz-Mikroskop

    © Qioptiq 2013 12

    Prisma

    Objektiv

    Obj.

    Kond.

    Pol.

     Polarisations-IF mit lateralem shear und Richtungsaufspaltung

    DIC mit Wollaston-Prismen

     Smith, 1947

    Durchlicht

    IF-Ebene: im Prisma

    Spezialobjektiv nötig

    modifiziert mit Nomarski-Prisma

    Nomarski, 1952/55

    außerhalb Prisma, z.B. in

    Austrittspupille innerhalb Objektivs Quelle: H. Paul 1999

  • Qioptiq unrestricted

    Shear-Interferometer in Auflichtanordnung

    D I C

    mit Bildaufspaltung

     größer als Auflösungsgrenze Objektiv: totale Bildaufspaltung (Doppelbild)

     kleiner als Auflösungsgrenze Objektiv: differentielle Bildaufspaltung

    DIC - Mikroskop nach Nomarski

    © Qioptiq 2013 13

    mit geringem Winkel oder parallelen Teilstrahlen (Winkel ~0)

     Streifen im Bild sichtbar: Streifenauswertung nötig

     keine Streifen, da weit auseinander: Interferenz-Kontrast sichtbar

    Quelle: D. Malacara 2007

  • Qioptiq unrestricted

    Polarisationsoptisches Shear-Interferometer

    • kontrastreiche Abbildung von Phasenobjekten

    • IF-Kontrast durch lokalen Gangunterschied benachbarter Objektpunkte:

    – Oberflächenstruktur (geringste Höhenunterschiede)

    – verschiedene Materialien (Brechzahldifferenz, Objektdicke)

    – transparente und metallisch reflektierende Materialien

    DIC – Mikroskop nach Nomarski

    einfallende

    Wellenfront

    © Qioptiq 2013 14

    DIC-Prisma im linear polarisierten Licht

    • IF-Kontrast abhängig von Ausrichtung

    reliefartiges Pseudo 3D-Bild

  • Qioptiq unrestricted

    © Qioptiq 2013 15

    Mikro-Inspektionssystem mag.x 125 – DIC

    Mikroskop-Technologien für industrielle Inspektion & Qualitätssicherung

     Abbildung großer, auch schwieriger Objekte mit hoher Auflösung, auch axial

     DIC-Mikroskopie in Auflicht bei koaxialer Beleuchtung

    Vorteile und Nutzen

     hohe Auflösung < 1 µm bei Objektfeld bis 5 mm (5x Objektiv, diagonal)

     große Flächen-/ Zeilensensoren bis 57 mm (Pixelanzahl, Auflösung)

     für große Objektfelder bis 12.5 mm und schnelle Bilderfassung

     für große, auch bewegte Objekte

     beidseitige Telezentrie und homogene Beleuchtung

     für exakte Messungen und Kameras mit Mikrolinsen

     hohe Bildqualität und -Kontrast im Feld, Spektrum 430-700 nm

     modulares System, optimal für Anwendung konfigurierbar

     für automatisierte Inspektion, flexibel durch Autofokus

     kompakte, mechanisch robuste, industrietaugliche Mechanik

     für inline- & offline Mikro-Inspektion

  • Qioptiq unrestricted

    © Qioptiq 2013 16

    Inspektionssysteme für die Industrie

    Auflösung

    10µm 7µm 5µm 2µm 0,7µm

    Rodagon Apo-

    Rodagon

    inspec.x L

    5.6/105

    inspec.x L

    4/105

    mag.x 125

    5x/2.25x

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