Ziel der Entwicklung

Ziel war die Entwicklung eines effizienten in-process konfokalen CMOS (sich ergänzender Metall-Oxid-Halbleiter)-Messsystem mit paralleler Messdatenverarbeitung auf FPGA-Hardware für mikrostrukturierte Oberflächen, transparente Schichten und transparente Mikrobauteile.
Die Basis bildet eine CMOS-Sensormatrix sowie eine flexibel rekonfigurierbare Hardware, also FPGA (Field Programmable Gate Array)-gestützte, autonome Messdatenauswertung als sogenannte embedded-system. Zur Realisierung einer in-process-Lösung, welche die Hunderprozent-Überwachung in der industriellen Fertigung ermöglicht, war die Entwicklung von Methoden und Algorithmen der schnellen parallelen Signalverarbeitung, Kalibrierung und Optimierung erforderlich.
Die bei größeren Materialdicken problemlose Trennung der Messwerte von Ober- und Unterseite eines transparenten Messobjekts ist bei wenigen zehn Mikrometer Schichtdicke, sowie bei stark unterschiedlichem Brechungsindex fehleranfällig, die Strukturzuordnung nicht eindeutig.
Messgeräte mit sehr starken Vergrößerungen besitzen große numerische Apertur (Vermögen, einfallendes Licht zu fokussieren). Die sehr kurze Fokustiefe verursacht Unschärfe. Das eingestreute Licht aus anderen Fokusebenen vermindert den Bildkontrast und begrenzt die laterale (x,y) und axiale (z) Auflösung der fokussierenden optischen Messverfahren deutlich oberhalb der beugungsbegrenzenden Eigenschaften. Es entsteht eine verwaschene Abbildung.

Vorteile und Lösungen

Das vom ITW e. V. Chemnitz entwickelte konfokale CMOS-Messsystem wurde mit einem verbesserten optischen und informationstechnischen Aufbau für das musterprojektionsbasierte Fokusverfahren ausgestattet. Die Installation einer High-Speed-Kamera mit CMOS-Sensors ermöglicht bei vierfacher Bildauflösung von 4 Megapixel mit 5,5 Mikrometer Pixel und Bildwiederholraten bis zu 160 fps (Camera Link, Full 10 Tap) gemeinsam mit der variablen Nutzung der Musterprojektion des LC-Displays eine deutliche Steigerung der lateralen Messauflösung beziehungsweise Genauigkeit.
Die Kamera verfügt über einen integrierten FPGA zur flexiblen Steuerung und Vorverarbeitung. Damit ist auch unter den schwierigen Bedingungen der in-process Qualitätsüberwachung eine robuste Bildaufnahme, präzise getaktete Bildsequenzen für unterschiedliche Fokusbewegungen und Belichtungseinstellungen möglich. Die optische, axiale Auflösung (< 1 Mikrometer) wird von der konstanten, wiederholgenauen Bewegung des Fokusantriebs, der Bildwiederholfrequenz des CMOS-Sensors sowie von Stößen und Schwingungen, die sich auf den beweglichen Aufbau am Mikroskop übertragen, begrenzt.
Die Anforderungen der Messaufgaben wie Oberflächenfeingestalt, Transparenz bzw. Opazität und Mikrostrukturgröße der Messobjekte fließen als a-priori Informationen in die Parametrierung der Messsteuerung ein.
Die Messauswertung erfolgt mit Bildverarbeitungsalgorithmen, die auf der Xilinx-FPGA KINTEX 7 des microenable 5 Framegrabbers implementiert sind. Im grafischen Entwicklungs- und Programmiersystem Visual Applets von Silicon Software wurden die Funktionen, Applets, Cores erstellt und Bibliotheken adaptiert. Die Programme wurden unter Einsatz weiterer spezifischer IP-Cores zur schnellen, parallelen Signalverarbeitung mit dem lizenzfreien ISE-Webpack von Xilinx in Form des Hardware/Software-Co Design realisiert.
Der Mescontroller steuert die Aufnahme, Verarbeitung und Ergebnispräsentation. Die DepthMap des Algorithmus Depth-from-Focus bildet die Grundlage der 3D-Messung. Die 3D-Texturierung der Messobjekte erfolgt mithilfe der berechneten Kontrast- und Fokusbilder.
An Spritzgussteilen mit Mikrostrukturen (Kanal, Reservoir), an mikrofluidischen Kartuschen, gedeckelten Chips aus transparenten Werkstoffen (Polycarbonat) für die DNA-Analyse (Lab-on-Chip-Systeme) wurden Parameterkombinationen und Verbesserungen erprobt, um das Messsystem zu optimieren.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das Haupteinsatzgebiet des konfokalen CMOS-Messsystems wird in der Fertigungsmesstechnik gesehen. Die robuste Technologie der optischen und mechatronischen Komponenten, die Modularität und gute Erweiterbarkeit lassen hohe Flexibilität bei der Adaption unterschiedlicher Mess- und Prüfaufgaben unter Produktionsbedingungen zu. Der wesentliche Vorteil wird im Aufbau und der Etablierung schneller Qualitätsregelkreise bestehen, die mit den Methoden der industriellen Bildverarbeitung stabile Bewertung der Verbesserungs- und Optimierungspotentiale in Fertigungsprozessen ermöglichen.
Die Anwender des Messgerätes werden in den Branchen der Kunststoff- und Glasverarbeitung, der Halbleiterfertigung, der Optikfertigung, der Biotechnologie und der Medizintechnik zu finden sein. Typische Anwendungsgebiete sind Messung bzw. in-process Messung abgeformter, mikrostrukturierter Oberflächen (transparent, semi- und nichttransparent, 3D-Geometrie Mikroresist-Oberflächen (Kunststoff, Glas, Metall) für LIGA-Prozesse, Mikrofluidik-Bauteile, Mikrospritzguss-Bauteile.
Zur Vermarktung der Ergebnisse werden zwei Entwicklungsrichtungen verfolgt: Labormessgerät und Produktionsmesstechnik.
Die Zusammenarbeit mit einem etablierten Messgerätehersteller bei der Produktion des konfokalen CMOS-Messsystems ist geplant. Bei der Dimensionierung und Adaption des optischen Systems an die jeweiligen Anforderungen der Auftraggeber ist die Kompetenz eines spezialisierten Partners sehr nützlich. Eine Zusammenarbeit bei Entwicklung, Produktion und Vermarktung ist mit einem Hersteller bereits während der Arbeiten am Projekt verabredet worden.
Die stärksten wirtschaftlichen Effekte werden in der Produktionstechnik für die Herstellung mikrostrukturierter, transparenter Bauteile erwartet. Mit dem Einsatz des konfokalen CMOS-Messsystems in der Mess- und Prüftechnik wird die Wettbewerbsfähigkeit der innovativen Produktionsanlagen und -prozesse erhöht. Die kontinuierliche Verbesserung der Technologien wird durch integrierte Qualitätskontrollen erreicht. Das konfokale CMOS-Messsystem wird zum zentralen Bestandteil neuer technologischer Qualitätsregelkreise.