Johannes Lettner,
"Speckle-basierte Messverfahren zur Charakterisierung rauer Oberflächen"
, 10-2013
Original Titel:
Speckle-basierte Messverfahren zur Charakterisierung rauer Oberflächen
Sprache des Titels:
Deutsch
Original Kurzfassung:
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-Musters (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.
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.
Sprache der Kurzfassung:
Deutsch
Englischer Titel:
Laser-speckle techniques for Characterising rough surfaces
Englische Kurzfassung:
In industry coating of materials is a standard process. Due to cost reduction and better production processes the thickness of the coatings becomes thinner and thinner under a comparable performance. For quality control, the thickness of the coating layer ideally needs to be measured already in the production process (in-line). Further the measurement principle needs to allow for a contactless measurement and should further provide a large stand-off distance to reduce the impact on the production process. For thickness measurements of optically transparent non-polar liquids or organic residues in the µm range laser-speckle based methods are very suitable.
The speckle pattern results from the constructive and destructive interferences of diffracted laser light off of a rough surface. The statistical properties of the speckle pattern depend on several parameters like the roughness of the surface and the coating layer, the wavelength and diameter of the laser beam, and the refractive index of the coating. The thickness distribution of the coating is dependent on adhesive and cohesive forces, the temperature and mainly on the surface topography. The thickness of transparent coatings can be evaluated by considering the parameters of wavelength and roughness by using statistical data processing.
In this work several different noncontacting laser-speckle-based measurement systems are presented to determine the thickness of the µm-thin liquid layers on rough metallic surfaces. The measurement principles and the data processing, as well as the measurement results are presented. The advantages and disadvantages of different principles and the preliminary analyses of the speckle patterns are discussed. For a better understanding the theory of laser speckle and the theory of the distribution of liquids on rough surfaces will be detailed. At the beginning there is a discussion on laser speckles on different application areas to get an overview about the topic.