ESPI

Entstehung von Speckles

Wird eine rauhe Oberfläche mit Laserlicht beleuchtet, so führt die Streuung des Lichts an den vielen verschiedenen Oberflächenpunkten zu Inteferenzerscheinungen. Bei der Beobachtung der Fläche mit einer Kamera oder mit dem Auge entsteht ein "körniges" Bild, es erscheinen viele Speckle. Diese Speckles sind praktisch ein Fingerabdruck der Mikrostruktur der Oberfläche. Sie können für hochgenaue Oberflächenmessungen genutzt werden.

Out-of-plane Messung

Die Grafik zeigt das Prinzip eines ESPI Aufbaus zur Messung der out-of-plane Komponente der Oberflächenverschiebung. Der Laserstrahl wird in zwei Arme aufgeteilt. Der Objektstrahl beleuchtet die Oberfläche des Messobjektes. Von dort wird das Licht in die Kamera zurück gestreut. Der Referenzstrahl wird über einen Strahlteiler wieder mit dem Objektlicht kombiniert und auf die Kamera gelenkt. Beide Lichtwellen formen ein Interferenzmuster - das Speckle Muster - das von der Kamera registriert wird. Ein erstes Referenzbild wird aufgenommen. In diesem Zustand beträgt die Phasendifferenz zwischen Objekt- und Referenzwelle φ. Bei Verformung des Testobjekts ändert sich die Phasendifferenz zu (φ + Δ), wobei die Phasenänderung Δ aus der Verformung resuliert. Durch Subtraktion der beiden Bilder vor und nach Verformung erhält man direkt die Verformung der Objektober-
fläche.

In-plane Messung

Um die In-plane Komponente zu messen wird üblicherweise eine symmetrische Beleuchtungsanordnung gewählt. In diesem Fall wird das Speckle Muster durch die Interferenz der von den beiden Beleuchtungen reflektierten Wellen erzeugt. Dadurch liegt die Messrichtung in diesem Fall in der von den beiden Beleuchtungen aufgespannten Ebene senkrecht zur Beobachtungsrichtung und es werden nur Bewegungskomponenten in dieser Richtung als Phasenänderung Δ registriert. Möchte man die In-plane Komponente senkrecht dazu erfassen, so wird ein zweites Beleuchtungspaar benötigt.

3D Measurement

Eine 3D Messung erfolgt durch Kombination beider Methoden. Zur Erfassung der kompletten In-plane Bewegung werden zwei orthogonal angeordnete Beleuchtungspaare benötigt. Eine dieser Beleuchtungen wird mit einem Referenzstrahl gekoppelt, um die Out-of-plane Komponente zu erhalten. Die verschiedenen Beleuchtungen werden unmittelbar nacheinander umgeschaltet und die entsprechenden Specklebilder aufgenommen. Das Ergebnis der Messung sind 3D Datensätze mit den Verschiebungen bzw. Verformungen der gesamten betrachteten Oberfläche.

Spezifikationen:

  • Empfindlichkeit

    • out-of-plane ca. 30nm
    • in-plane ca. 100 ... 300 nm

  • Messfläche bis ca. 200 x 300 mm2
  • Messgeschwindigkeit:

    • 3D Datensatz ca. 2 sec / Aufnahme
    • 1D Datensatz ca. 0.5 sec / Aufnahme

  • Serienmessung für grosse Verformungen