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Der Anwendungsbereich von Confovis Messsystemen mit patentiertem konfokalem Messverfahren (Structured Illumination Microscopy, „SIM“) wird durch Einsatz von Fokusvariation erweitert. Im Gegensatz zu konfokaler Mikroskopie, wird hierbei ausschließlich der Oberflächenkontrast für die Erzeugung der Messdaten genutzt. So können durch eine Ringlichtbeleuchtung – unabhängig von der numerischen Apertur (NA) der Objektive und dadurch der Vergrößerung – auch Flankenwinkel über 80° erfasst werden.

Zur Messung von Form und weiteren geometrischen Merkmalen (z.B. Schartigkeits- und Verschleißmessungen von Zerspanungswerkzeugen) ergänzt die Fokusvariation die Konfokal Mikroskopie optimal: Stark reflektive und feine Oberflächen, wie z. B. monokristaliner und polykristaliner Diamant, Silizium oder Siliziumdioxid, sind sehr kontrastarm. Dadurch sind sie mit Fokusvariation nicht ausreichend detailgetreu messbar. Wohingegen Schneiden von Zerspanungswerkzeugen mit kleinen Keilwinkeln gut mit Fokusvariation messbar sind.

+ Messung von glänzenden und transparenten Oberflächen möglich 

+ Die Messbarkeit von steilen Flanken wird durch die numerische Apertur begrenzt

– Beleuchtung mit Ringlicht ermöglicht die Messung von steilen Flanken

– Bei geringem Oberflächenkontrast, z.B. auf glänzenden Oberflächen, liegt kein korrektes Signal vor

Die ie Fokusvariation nutzt die limitierte Schärfentiefe der Objektive und den Kontrast der Oberfläche im scharfen Bereich der Abbildung aus. Über die Variation der Fokusposition ergibt sich die Höheninformation, die für eine 3D-Darstellung notwendig ist. Im Strahlengang werden eine Weißlichtquelle (LED) sowie zwei Teilerspiegel, die das Licht von der weißen LED in die Fokusebene sowie zurück auf die Kamera abbilden, verwendet. Zusätzlich kommt ein Ringlicht zur Anwendung, um auch Flankenwinkel größer als 80° zu beleuchten.

Für die Berechnung der Messdaten wird der Kontrastverlauf aus den aufgenommenen Bildern in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander (z.B. 5×5 nebeneinanderliegende Pixel) verwendet. So ergibt sich für jeden Pixel eine Kontrastkurve entlang des Fokusverlaufs und somit durch einen Gauß-Fit entsprechende Höheninformationen für den Messpunkt.

Anhand eines handelsüblichen Fräsers (Artikel: YG-1, E5E50060) sollen die physikalischen Grenzen der Fokusvariation gezeigt werden. Für die Bestimmung der Rauheit in der Spannut liefert lediglich konfokale Mikroskopie zuverlässige Messwerte. Die Fokusvariation kommt bei dieser beispielhaften Rauheitsmessung an ihre Verfahrensgrenze. Ursächlich ist der geringe Kontrast der Oberfläche, der zu Faktor 10 zu hohen Sa-Werten führt. 

Unter Datenfusion bzw. Datafusion versteht man die Zusammenführung aus Fokusvariation und konfokal gemessenen 3D-Oberflächendaten in einem gemeinsamen Koordinatensystem.

Die Messpunktdichte der Fokusvariation ist aufgrund der verfahrensbedingt geringeren Auflösung kleiner als beim konfokalen Messverfahren. Vor allem stark reflektierende, kontrastarme Oberflächen stellen physikalische Grenzen der Fokusvariation dar. Aus diesem Grund bietet die Kombination beider Messverfahren mit Data Fusion eine Lösung zur Erfassung wichtiger geometrischer Dimensionen (Keilwinkel, Schneidkantenradius) und hochaufgelösten Rauheitsmessungen (z.B. Schartigkeit).

Für Bereiche, bei denen es auf Schartigkeit und Rauheit ankommt, erfolgt mit konfokaler Messtechnik. Die hohe laterale Auflösung der konfokalen Messung zeigt einen Ausbruch und Schartigkeit auf der Schneidkante. Diese Datenqualität steht auch bei schwierig zu messenden Oberflächen, wie Monokristallinem Diamant (MKD), Polykristallinem Diamant (PKD) oder verschiedenen Beschichtungen, zur Verfügung.

Zur Messung und Auswertung von steilen Flanken wird die Schneidkante mit Fokusvariation und Ringlicht gemessen (Objektiv 10x/0.30 NA). Diese Messung eignet sich zur Ermittlung der Geometriedaten, auch der Schneidkantenradius kann zuverlässig ausgewertet werden. Ein Defekt in der Schneidkante ist jedoch aufgrund der geringeren Datendichte kaum ersichtlich.

Zusammengeführte Messdaten einer mit Fokusvariation (gelbe Punktewolke) und einer konfokal (blaue Punktewolke) gemessenen Schneidkante eines Zerspanungswerkzeuges mittels Data Fusion.
Die Fusion der Punktewolken ermöglicht die Kombination der Vorteile beider Verfahren.

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