Inspektion von schwierigen Objekten mittels differentiellem Interferenz-Kontrast 3.-4.11.2015 Peter Andrä Thomas Schäffler
Inspektion von schwierigen
Objekten mittels differentiellem
Interferenz-Kontrast
3.-4.11.2015
Peter Andrä
Thomas Schäffler
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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
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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
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Trends in Produktion & Inspektion
Miniaturisierung von Bauteilen und Geräten
Mikroelektronik, Mikrooptik, Mikromechanik, Mikrosystemtechnik MEMS
auf großen Flächen, z.B. Wafer, PCB und FP-Displays
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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
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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)
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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
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Basistechnologien: Klassische
Interferometrie & Nomarski-Mikroskopie
Optik: Mikro- & Makro-Interferometer
Leitz Metalloplan (Nomarski-Mikroskop)
DIC
Differential Interference Contrast
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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
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Zwei-Strahl-IF mit Amplituden-Strahlteilung
Twyman-Green-IF, 1916
Interferometer: mit Referenzspiegel
Interferogram: Wellenfront Form
=> z (x,y)
Zwei-Strahl-Interferometrie
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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
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IF mit Polarisations-Strahlteilung (polarisierende Teilerschichten)
Polarisations-Interferometrie
QuarzPl.
Obj.
/2-Pl.
Pol.
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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
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Prisma
Pupille
Objektiv
Objekt
Kond.
Pol.
IF-Mikroskop mit Referenz ohne shear (für technische Oberflächen im Auflicht)
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Mikro-Interferometer - Interferenz-Mikroskop
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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
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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
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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
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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
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DIC-Prisma im linear polarisierten Licht
• IF-Kontrast abhängig von Ausrichtung
reliefartiges Pseudo 3D-Bild
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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
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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
Qioptiq Inspektionsobjektive für diverse Anforderungen
Allgemeine Inspektion Display und PCB
Inspektion
Sub-µ Inspektion
MachVis
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DIC-Technologie Anwendung & Beispiele
Objekte mit optischer Funktion: Makro- und Mikrostruktur, Einschlüsse, Partikel
MLA 8x7 Mikro-Linsen-Array 2,4 x 2,1 mm2
R~2 mm, 300 µm pitch
Linsenform,
Oberflächengüte, Einzellinse 0,32 mm2
Sauberkeit
DIC
Geschliffenes Glas 2,5 x 2,1 mm2
Flüssiglinse mit Einschlüsse
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DIC-Technologie Anwendung & Beispiele
Objekte, mechanisch bearbeitete: Makro- und Mikrostruktur, Defekte, Sauberkeit
Uhrwerk:
Zahnrad D~2,5 mm, Ebenheit
Bearbeitungsstrukturen
1,6 x 2,1 mm2
HF DIC
Diamantgedrehter Spiegel, 0,37 x 0,28 mm2
Mikrostruktur, getrockneter Fleck
Öltropfen, 0,15 x 0,11 mm2
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DIC-Technologie Anwendung & Beispiele
Objekte der Mikro- und Halbleitertechnik
HF
FlexLeiterplatten mit Lack
2,5 x 1,7 mm2
DIC
Leiterbahnen ~9 µm breit
verschiedene Höhen/ Schichten
0,5 x 0,4 mm2
Leiterbahnen ~80 µm breit
0,69 x 0,69 mm2
Klebepunkte mit D~4 µm