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Speckle-basierte Messverfahren zur Charakterisierung rauer Oberflächen
Dipl.-Ing. Dr. Johannes Lettner
Betreuer und 1. Begutachter: | Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Zagar |
2. Begutachter: | |
Rigorosum: | 28. Oktober 2013 |
Die Beschichtung von Materialien wird heute in vielen Gebieten angewendet. Mit fortschreitender technischer Entwicklung und aus Kostengründen werden immer dünnere Schichtdicken bei vergleichbarer Funktionalität gefordert, deren Einhaltung im Produktionsprozess permanent überwacht werden muss. Zerstörungsfreie Prüfverfahren, die im laufenden Produktionsprozess verwendet werden können, werden bevorzugt, um das beschichtete Produkt sowie dessen Produktionsprozess möglichst wenig zu beeinflussen. Laser-Speckle-Verfahren eignen sich besonders für die Messung von µm dünnen, transparenten Schichten auf reflektierenden, optisch rauen Trägermaterialien.
Durch Interferenz der an einer rauen Oberfläche gebeugten Wellenfronten entsteht ein sogenanntes Speckle-Muster. Die statistischen Eigenschaften des Speckle-Muster (mittlere Specklegröße, Kontrast, usw.) werden durch verschiedene Parameter, wie der Rauheit des unbeschichteten Materials und den optischen Eigenschaften der Beschichtung, der Wellenlänge und des Durchmessers des beleuchteten Bereichs sowie des Brechungsindex der transparenten Beschichtung beeinflusst. Die sich über einer rauen Oberfläche einstellende Schichtdicke einer viskosen Schicht hängt unter anderem von mehreren Parametern wie den Adhäsions- und Kohäsionskräften, der Temperatur und der Rauheit des Grundmaterials selbst ab. Durch statistische Auswertungen der Speckle-Muster und teilweiser Kenntnis der Parameter Wellenlänge und Rauheit des Grundmaterials kann die mittlere Schichtdicke bestimmt werden.
Abbildung 1: Darstellung des Prinzips der Speckle-Erzeugung. Die ebene Wellenfront des Lichts kann diskretisiert werden und näherungsweise durch Zeiger mit der entsprechenden Amplitude und Phase beschrieben werden. Bei einer Betrachtung in der Bildebene ergeben sich die Speckle durch destruktive und konstruktive Überlagerungen dieser Zeiger. Für exakte Ergebnisse muss aber ein wellentheoretischer Ansatz gewählt werden.
Abbildung 2: Korrelationskoeffizienten von Speckle-Bildern, beleuchtet mit zwei Wellenlängen mit 640 nm und 660 nm. Die Speckle-Bilder wurden mit verschieden dicken Ölschichten auf elektrolytisch verzinktem Blech aufgenommen. Die Ergebnisse zeigen eine sichere Bestimmung der Schichtdicke von wenigen µm Öl auf rauem Walzblech.
In dieser Arbeit werden Speckle in verschiedenen Anwendungsgebieten diskutiert, um einen Gesamtüberblick zu erhalten. Für das bessere Verständnis werden die Grundlagen der Speckle-Messtechnik und die Grundlagen zur Flüssigkeitsverteilung auf rauen Oberflächen sowie Fehlerquellen in optischen Messaufbauten untersucht. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene berührungslose Laser-Speckle-Verfahren zur Schichtdickenbestimmung im µm-Bereich von transparenten Schichten auf Metall erarbeitet. Neben der Diskussion der Vor- und Nachteile der verschiedenen Verfahren werden auch die grundlegenden Ergebnisse der Speckle-Messungen der rauen Oberfläche gezeigt. Es wird jeweils das Prinzip des Messaufbaus und die Auswertung diskutiert sowie damit erzielte Messergebnisse präsentiert.
Schlagwörter: Laser-Speckle, Berührungslos, Dünnschicht, Oberflächenrauheit
