OCT-Schichtdickenmessung Komplettbeschrieb

flo-ir
berührungslos messen
Aawasserstrasse 10
CH – 6370 Oberdorf, NW
Tel.: +41 (0)41 871 39 88
Fax: +41 (0)41 871 39 87
info@flo-ir.ch
www.flo-ir.ch
Berührungslose Messung der
Schichtdicken in Folien aller Art
Viele Materialien erhalten oft erst durch das Aufbringen einer Beschichtung den
erwünschten Verwendungszweck. Dünnste Schichten die auf der Oberfläche eines
anderen Materials aufgebracht werden, stellen zum Beispiel Isolierschichten zwischen
Leitern dar, Diffusionsbarrieren, Haftschichten oder einfach Schichten, welche das Produkt
vor Kratzern und Verschleiss schützen.

2
Zum Titelbild:
Das Titelbild zeigt Interferenzmuster in einer mehrschichtigen Folie. Es sind einzelne Lagen
in der Folie in welchen das Licht, welches zur Messung verwendet wird, mit sich selbst
interferiert.
Einleitung:
Damit die Funktion einer Schicht gewährleistet ist, müssen diese die erwünschte Dicke, die
geforderte Zusammensetzung, die richtige Rauigkeit und weitere, für die vorgesehene
Anwendung wichtige Eigenschaften aufweisen, weshalb die Kriterien während als auch
nach der Erzeugung einer Schicht gemessen und überwacht werden. Dazu werden optische
und/oder taktile Messverfahren eingesetzt.
Taktile Messverfahren verwenden einen Taststift in Berührung mit der Probe, um die
Stufenhöhe zwischen einer beschichteten und einer nicht beschichteten Oberfläche zu
messen. Optische Verfahren arbeiten berührungslos und analysieren Störungen oder die
Laufzeit von Photonen. Optische Messverfahren erfordern keine besondere
Probenvorbereitung.
Bei den optischen Verfahren wird festgestellt, wie eine Schicht das Licht, das zur Messung
verwendet wird, beeinflusst. Mit den optischen Verfahren wird die Dicke einer Folie
gemessen oder die optischen Eigenschaften derselben, wie zum Beispiel die Ausbreitung
oder die Streuung von Licht in einem Material. Optische Verfahren sind sehr genau,
zerstörungsfrei und erfordern wenig oder keine Probenvorbereitung.
Die gängigsten optischen Messverfahren sind die spektrale Reflexion, die Transmission und
die Ellipsometrie.
Bei der Reflektionsmessung vergleicht man die Lichtmenge die von einem dünnen Film über
einen definierten Wellenlängenbereich reflektiert wird mit dem Licht, das aus derselben
Quelle stammt, aber von einem Spiegel ungestört reflektiert wird.
Bei der Ellipsometrie arbeitet man ähnlich, ausser dass man die Reflektion bei nicht
normaler Inzidenz und bei zwei verschiedenen Polarisationen misst. Die Messung der
spektralen Reflektion ist in der Regel einfacher und kostengünstiger als die Ellipsometrie,
sie ist aber auf die Messung weniger komplexer Strukturen beschränkt.
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

3
Lichtlaufzeitmessung in der Folienproduktion
Der einzelne Bildpunkt der Lichtlaufzeitmessung basiert auf der Weisslichtinterferometrie.
Ein Vollbild besteht aus 300 * 300 axialen Interferogrammen, die sich seitlich berühren.
Mit der Lichtlaufzeitmessung wird die Flugzeit reflektierter oder gestreuter Photonen von der
Objektoberfläche mit der eines Referenzstrahls gemessen, sodass die relative optische
Wegstrecke als axiales Tiefenprofil ausgewertet werden kann.
Mit dem Rasterverfahren wird der Lichtstrahl transversal in eine oder zwei Richtungen
geführt, sodass ein flächiges Tomogramm oder ein dreidimensionales Volumen entsteht.
Anders als bei der Lichtmikroskopie ist bei der Lichtlaufzeitmessung die Auflösung in der
Tiefe von der Auflösung in der Ebene entkoppelt. Die räumliche Auflösung in die Tiefe des
Materials ist abhängig von der spektralen Breite des Lichts, das zur Messung verwendet
wird. Auf dem ASP Chip (Active Sensor Pixel- Array) sind 300 x 300 einzelne
„Interferometer“ aufgebaut. Jedes Pixel auf dem Chip ist mit einer Optik und mit der
Signalvorverarbeitung ausgerüstet.
Messkopf der Lichtlaufzeitmessung
Messprozess
Eine ebene Lichtfront wird von der Lichtquelle ausgesendet. Die Lichtfront wird am
Strahlteiler auf den Referenzarm geleitet und auf das Objekt (Messarm).
Das am Messobjekt reflektierte und gestreute Licht gelangt über den Strahlteiler zum
Sensor, nachdem die Lichtfront am Strahlteiler mit dem Licht, das vom Referenzarm
reflektiert wird, interferiert. Der Sensor empfängt interferierende Lichtfronten als Funktion
der Bedingungen auf dem Objekt. Unterschiede in der Oberflächengeometrie oder im
Material, Streuung oder Reflektion werden vom Detektor mit einer sehr hohen
Geschwindigkeit gemessen. Der Messkopf hat die Abmessungen von 70 mm * 55 mm * 200
mm und ist etwa 500 Gramm schwer. Im Messkopf sind eingebaut:
die Optik (anpassbar an die gestellte Messaufgabe)
die Lichtquelle zur Erzeugung der Lichtfront
das APS-Array (Aktiv Pixel Array) mit 300 * 300 Bildelementen
das Spektrometer.
die Signalvorverarbeitung
Ist der Messkopf am Netz angeschlossen und über die USB-Schnittstelle mit dem Rechner
verbunden, können bereits Messungen ausgeführt werden. Der robuste Messkopf kann auf
alle Manipulatoren aufgebaut werden und ist kaum anfällig auf Vibrationen oder
Bewegungen des Objektes.
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

4
Messprinzip der Optischen Kohärenztomographie
Das Licht wird in Strahlteiler aufgeteilt. Der eine Teil durchläuft den optischen Weg eines
Referenzarms, der andere Teil gelangt auf die Probe. Die reflektierten Anteile werden im
Strahlteilerprisma wieder vereinigt. Das Referenzlicht und das Probenlicht interferieren
miteinander. Die interferometrische Auswertung kann auf verschiedene Weise realisiert
werden. Grob lassen sich zwei Grundarten unterscheiden: Time Domain OCT und Spectral
Domain OCT. Beide lassen sich an einem Michelson Interferometer verdeutlichen. Als
Probe ist vereinfacht eine reflektierende Schicht angenommen.
Time Domain OCT (Bild oben)
und
Spectral Domain OCT (Bild rechts)
Time Domain OCT
Das Licht der beiden Arme wird zeitlich korreliert. Dazu wird der Referenzarm in der Länge
verändert, das heisst, die Laufzeit in diesem Arm wird geändert. Wenn die Laufzeit exakt
der Laufzeit einer Reflexion aus der Probe entspricht, sind für alle im Spektrum enthaltenen
Wellenlängen die Referenzarmwelle und die Probenarmwelle in Phase und die elektrischen
Feldstärken addieren sich.
Bereits eine Verstimmung der Arme um die Hälfte der Zentralwellenlänge bewirkt eine
gegenseitige Auslöschung. Eine weitere Verschiebung führt in der Folge wieder zu
konstruktiver Interferenz. Je weiter man sich von der genauen Abstimmung der Weglängen
entfernt, desto flacher ist die Ausprägung der Wellenberge und Wellentäler - der
Interferenzkontrast nimmt ab. Das liegt daran, dass für jede enthaltene Wellenlänge ein
anderer Abstand zwischen dem zentralen Interferenz Maximium und dem nächsten
Minimum vorliegt und natürlich die elektrische Feldstärke aller Wellenlängen an jedem Punkt
aufaddiert wird. Je mehr Wellenlängen enthalten sind, umso stärker fällt die
Interferenzamplitude um den genauen Abstimmungspunkt ab. Die 1/e² Breite der
Einhüllenden des Interferogramms ist die zeitliche Kohärenzlänge des Lichts.
Sie verhält sich umgekehrt proportional zur spektralen Bandbreite der Lichtquelle. Genau
die Einhüllende ist aber der entscheidende Messwert der OCT und wird durch ein
Filterungsverfahren aus dem Interferogramm gewonnen. Der Verlauf dieser Einhüllenden
bei einer mehrschichtigen Probe ergibt ein Tiefenprofil der Probe.
Spectral Domain OCT
Der Referenzarm wird etwas kürzer oder länger als der Probenarm fest eingestellt. Die
Interferenz wird spektral ausgewertet, das heißt es wird bei jeder Wellenlänge die
Überlagerung von Referenzarmlicht und Probenlicht ausgewertet. Das kann durch ein
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

5
nachgeschaltetes Spektrometer oder durch zeitlich spektral durchgestimmte
Laserlichtquellen passieren (Swept Source OCT). In beiden Fällen wird das Spektro-
Interferogramm auf Wellenzahlen umskaliert und Fourier transformiert. Die Fourier
Transformierte des Leistungsspektrums entspricht wieder der Korrelation. Man erhält also
wieder einen A-Scan aus dem Spektrum und wieder ist die axiale Auflösung umgekehrt
proportional zu der spektralen Breite, die ausgewertet wurde. Hinzu kommt noch die
endliche Auflösung des Spektrometers bzw. die instantane Linienbreite des
durchgestimmten Lasers. Sie wirken sich auf den möglichen Messbereich aus, je höher die
Spektrometerauflösung bzw. je monochromatischer das instantane Laserlicht und damit je
kleiner der mögliche Abstand der Stützpunkte im Spektrum, desto tiefer ist der Messbereich.
Streufeld- OCT
Die OCT erstellt tiefenaufgelöste Schnittbilder durch ein Material. Dazu wird Licht
eingestrahlt und das zurückgestreute Licht wird in einem Interferometer ausgewertet. Der
Kontrast im Material stammt von Streuprozessen an Strukturgrenzen, die einen Übergang
im optischen Brechungsindex darstellen, z.B. dem Übergang von Einbettmasse zu Partikeloder
Übergang von Molekülen. Licht wird an verschiedenen Streuzentren zu einem kleinen
Teil auch genau entgegengesetzt zur Einfallsrichtung zurückgestreut. Um Licht tief
eindringen zu lassen werden oft längere Wellenlängen gewählt.
Die mittlere freie Weglänge bei Streuprozessen in optisch streuendem Material (trüb,
milchig) liegt in der Größenordnung von einigen 100 µm bis zu einigen Millimeter. Die
Absorption durch Wasser oder andere Absorber ist in der Regel weniger stark als die
Verluste durch Streuung. Den transparenten Teil einer Probe (Lack, Glaskörper) kann man
vollständig erfassen. Eine relativ dünne Beschichtung die aus vielen ganz dünnen Lagen
besteht, wie zum Beispiel in Sonnenschutzgläsern, lässt sich sehr eindrucksvoll darstellen.
Das OCT Bild zeigt die erste Lichtfront (Bild links) auf der Oberfläche und den Vertikalschnitt
durch den Stack von 500 Bildern (Bild rechts). Im Vertikalschnitt sind die einzelnen
Schichten im Sonnenschutzglas klar erkennbar.
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

6
A-Scan und B-Mode Bild
Wird die Probe mit einem Lichtstrahl abgerastert gewinnt man ein Tiefenprofil entlang des
Lichtstrahls pro Rasterpunkt durch Bewegen des Referenzarmspiegels. Die sich daraus
ergebende Darstellung eines Tiefenprofils nennt man Amplitudenscan (A-Scan, Bild oben
rechts). Die Umwandlung des Tiefenprofils in Helligkeiten und die Darstellung vieler
benachbarter Tiefenprofile entlang eines Rasterwegs als Helligkeitswerte ergibt ein
sogenanntes Brightness-Mode Bild (B-Mode-Bild, Bild links).
Das transversale Auflösungsvermögen (x, y- Richtung) hängt von der Fokussierung des
Lichtstrahls ab. Je steiler fokussiert wird, desto genauer kann in der Fokusebene aufgelöst
werden, aber umso stärker verschlechtert sich die Auflösung mit steigendem Abstand vor
und hinter dieser gewählten Fokusebene. Wird sehr stark fokussiert spricht man von
optischer Kohärenzmikroskopie.
Punktuelle Messung
Die berührungslose Messung der Dicke eines Films oder einer Folie mit Licht ist sehr schnell
und höchst genau. Das Licht durchquert bei der Messung dabei die transparente (oder
semitransparente) Schicht zweimal, was zu einem deutlich grösseren Absorptionssignal
führt und auch Polarisationseffekte der Messung zugänglich macht, weil senkrecht zur
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

7
Einfallsebene linear polarisierte Strahlung im Bereich der Grenzfläche des metallischen
Substrats eine unbedeutend kleine Feldstärke aufweist und nicht mit den auf der Oberfläche
adsorbierten Molekülen wechselwirkt.
Wird abwechselnd mit senkrecht und parallel polarisiertem Licht bestrahlt, zeigt sich im
Spektrum ein Wechsel aus Referenzspektrum ohne Adsorbat (senkrecht polarisiert) und
dem Spektrum mit Adsorbat (parallel polarisiert). Von der Lichtquelle aus gelangt der
Lichtstrahl auf die auf die transparente Schicht und durchquert diese zweimal.
Mit der Methode wird die Dicke von Schichten gemessen, die dünner als 1 Mikrometer sind.
s- Polarisation Senkrecht zur Einfallsebene
p- Polarisation In der Einfallsebene
Zum Beispiel können die von einer Metalloberfläche adsorbierten Kohlenstoffmonoxide nur
mit p-polarisierter Strahlung wechselwirken, weil das Spektrum nur Wechselwirkungen mit
Dipolen zeigt, die parallel zur Einfallsebene sind. Mit dieser Methode lässt sich auf einfache
Art und Weise untersuchen, welche Moleküle von einer Oberfläche adsorbiert werden.
Mit der Methode werden alle transparenten Filme zwischen 1nm Dicke bis 1 mm Dicke
schnell und sehr genau gemessen.
Interferenz durch partielle Reflexion an Schichtsystemen
Als Strahlungsquellen werden monochrome Lichtquellen eingesetzt. Diese sind kompakt
gebaut und lassen sich elektrisch ansteuern. Der einfallende Lichtstrahl wird an der
Oberfläche reflektiert, gestreut und durchgelassen.
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

8
Der durchgelassene Anteil des Lichts wird als Funktion des Brechungsindexes abgelenkt
und an der nächsten Schicht wieder reflektiert, gestreut oder durchgelassen.
Ein Teil des Lichts, das auf die Oberfläche trifft, wird reflektiert oder durchgelassen. Die
Amplitude, und damit auch die Intensität, des reflektierten Anteils wird nach den
Fresnel’schen Gleichungen für eine feste Polarisationsrichtung aus dem Einfallswinkel und
den Brechungsindizes auf beiden Seiten der Grenzschicht berechnet.
Eine weitere Aufspaltung des durchgelassenen Lichts erfolgt an der nächsten Grenzschicht.
Die an den zwei Grenzflächen der Schichten reflektierten Lichtstrahlen werden dem
ankommenden Lichtstrahl überlagert, sodass ein Interferenzmuster entsteht.
Durch Mehrfachreflexionen in einer Schicht sind an der Entstehung der Interferenzen „viele
Lichtstrahlen“ beteiligt, der prinzipielle Intensitätsverlauf im Interferenzbild wird dadurch
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

9
aber nicht beeinflusst. Der Einfluss beschränkt sich auf eine Änderung der Kurvenform die
bei der Interpretation berücksichtigt wird. Entscheidend für das Interferenzverfahren ist der
Wegunterschied der Lichtstrahlen. Der Wegunterschied ist proportional zur Dicke der
Schicht und zum Brechungsindex. Der Wegunterschied des Lichts führt zu einer
Phasenverschiebung der reflektierten Lichtstrahlen, was sich bei der Überlagerung in einer
Verteilung der Lichtintensität zeigt. Ändert sich die Dicke der Schicht, resultiert eine andere
Lichtintensität. Dies bedeutet, dass durch die Messung der Intensität des Lichts die Dicke
der Schicht bestimmt werden kann.
Mathematische Ansätze ermöglichen die messtechnischen Grenzen zu unterschreiten. Mit
der von Taylor Hobson entwickelten "Helical Conjugate Field"-Funktion lassen sich aus den
Rohdaten auch Informationen zu dünnsten Schichten extrahieren.
Bei der Auswertung der Intensitätsverteilung ist
die Periodizität der Intensitätskurve
entscheidend.
Die Messung der relativen Änderung der Dicke
einer Schicht ist mit geringem Aufwand
durchführbar.
Durch die kontinuierliche Messung wird die
Intensitätsänderung am Messort festgestellt.
Über die Phasenberechnung wird die Änderung
der Dicke bestimmt. Der Grafik links zeigt den
zeitlichen Verlauf der Intensitätsänderung am
Detektor bei gleichmässiger Änderung der
Schichtdicke.
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

10
Ein-Strahl-Verfahren
Die einfachste interferometrische Schichtdickenmessung erfolgt mit einem Lichtstrahl und
mit einer einfachen punktförmigen Detektion eines Intensitätswertes.
Von der Lichtquelle (A) gelangt das Licht auf den Strahlteiler (B). Am Strahlteiler wird der
Lichtstrahl in einen Referenzstrahl (C) und in einen Messstrahl (D) aufgeteilt. Der Messstrahl
gelangt auf das Objekt (E) wo dieses Licht wieder zum Strahlteiler zurück reflektiert wird.
Der reflektierte Anteil des Lichts aus dem Messstrahl interferiert am Strahlteiler mit dem
Licht des Referenzstrahls (F). Je nach Laufzeit des Messstrahls bilden sich helle
(Konstruktive Interferenz) und dunkle (Destruktive Interferenz) Bereiche, die sich, wie
vorgängig beschrieben, bei bekanntem Brechungsindex, einer Schichtdicke zuweisen
lassen.
C
A
B
F
D
E
Das erfasste Signal ist also eine Funktion des Brechungsindexes des gemessenen
Materials und der Schichtdicke. Ist eine dieser Grössen bekannt, kann aus dem Signal auf
einfache Weise die zweite Größe ermittelt werden.
Zwei-Strahl-Verfahren
Da bei optischen Messverfahren der Brechungsindex der Materialien eine grosse Rolle
spielt, entspricht das gemessene Signal nicht unmittelbar der Schichtdicke. Der
Brechungsindex des gemessenen Signals muss berücksichtigt werden. Weil bei vielen
Beschichtungsverfahren der Brechungsindex einer Schicht von den Parametern der
Beschichtung (Dicke, Spannung, Temperatur) abhängt ist es oft vorteilhaft, wenn der
Brechungsindex der aufgebrachten Schicht auch gemessen wird.
Die Messung der geometrischen Schichtdicke und des Brechungsindexes erfolgt mit zwei
Einfallswinkeln des Lichts aus derselben Quelle. Da die Periodizität der aufgenommenen
Intensitätsmodulation während eines Schichtwachstums auch vom Einfallswinkel abhängt,
ergeben sich zwei Signale mit unterschiedlicher Periodizität. Das Verhältnis der beiden
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

11
Perioden zueinander ist das Mass für den Brechungsindex der Schicht. Mit dem so
gemessenen Brechungsindex kann analog zum Ein-Strahl Verfahren aus einem der beiden
aufgenommenen Intensitätsverläufe die geometrische Schichtdicke bestimmt werden.
Ein-Strahl-Verfahren mit wissensbasierter Auswertung
Das beschriebene Verfahren mit zwei Einfallswinkel ist einfache und sehr genau zur
gleichzeitigen Messung des Brechungsindexes und der Schichtdicke. In einigen
Anwendungsfällen ist aber ein optischer Zugang unter zwei deutlich unterschiedlichen
Winkeln zur Messstelle nur mit hohen Aufwand realisierbar.
Wird aber in die Auswertung eines gemessenen Intensitätssignal die physikalisch exakt
berechnete Strahlintensität bei gegebenem Brechungsindex und Schichtdicke verwendet,
kann für jede Kombination der Einflussfaktoren die entsprechende Intensität berechnet
werden. Durch Iteration können mit den gemessenen Werten beide Parameter mit einer
Messung bestimmt werden. Der Brechungsindex bestimmt dabei vor allem den genauen
Verlauf der Kurve zwischen zwei Extremwerten, während die Schichtdicke die Periode, also
den Abstand der Extrema bestimmt. Durch diesen unterschiedlichen Einfluss der beiden
Parameter auf die Intensitätskurve können beide Parameter mit hinreichender Genauigkeit
getrennt bestimmt werden.
Statische Messungen
Oft stellt sich auch die Aufgabe, fertige Schichten nachträglich zu vermessen. Mit einer
Diodenzeile an Stelle einer Photodiode ist die Aufnahme des räumlichen Intensitätsverlaufs
möglich. Dieser kann ähnlich wie der zeitliche Verlauf interpretiert und ausgewertet werden
womit eine deutliche Erweiterung der Messmöglichkeiten erreicht wird. Von bestehenden
Schichten kann so die Dicke und der Brechungsindex gemessen werden, wobei auch bei
dieser Messung die Kenntnis des theoretischen Kurvenverlaufs bei der Auswertung genutzt
wird.
Die Interferometrie zeichnet sich durch eine sehr hohe Empfindlichkeit und Robustheit aus.
Die hohe Empfindlichkeit ergibt sich aus dem interferometrischen Prinzip. Änderungen in
der Intensität von 0 auf 100% ergeben sich bereits durch eine Dickenänderung im Bereich
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

12
von 0,1 μm. Eine Auflösung von 0,01 μm (10 nm) kann mit dem Verfahren noch gemessen
werden. Schwingungen wirken sich nicht auf das Messsignal aus.
Aufgrund unserer Ausrichtung und der OCT-Messtechnik haben wir Kontakt zu vielen
Industrieunternehmen aufgebaut und bedienen diese mit unserer Kompetenz in der
Messtechnik. Die Erkenntnisse im Markt zeigen, dass das OCT-Verfahren in der
Qualitätsüberwachung sehr gute Resultate liefert. Aus der Messung der Lichtlaufzeit
berechnet sich die Dicke einer Schicht oder es lassen sich Inhomogenitäten in einer Schicht
feststellen.
Aus den oben stehenden Skizzen erklärten sich die Interferenzerscheinungen. Die rote
Linie ist in beiden Fällen am gleichen Ort (gleicher Messzeitpunkt). Man erkennt die
Reflektion von der Oberfläche und von der Folienrückseite. Ist die Folie dicker, so verändern
sich die Interferenzen. Während in der Skizze links zwei Wellentäler aufeinander treffen
(rote Linie) sind es in der Skizze rechts ein Wellenberg und ein Wellental. Vom Sensor wird
die Summe beider Wellen registriert. Es entstehen Helle und dunkle Zonen, je nach
Interferenz, was schlussendlich ausgewertet wird.
Dickenunterschiede erkennt man an den Interferenzen im Bild. Die hellen und
dunklen Streifen zeigen, wie die Dickenunterschiede in der Folie verteilt sind.
1
2
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

13
Unterschiedliche Interferenzen entstehen entweder wenn die Foliendicke nicht homogen ist,
wenn der Brechungsindex ändert oder der Betrachtungswinkel. In der Folie zeigen sich in
Produktionsrichtung streifenförmige Interferenzlinien die sich systematisch abwechseln. Die
kleinen, partiellen Interferenzen im Bild stammen von der Folienrückseite, sie sind ein
Einfluss der Folienauflage. Die schwarze Markierung (1) zeigt die Lage des Ziehstreifens.
Bei den roten Markierungen (2) wurden OCT Messungen durchgeführt. Im Bereich des
Ziehstreifens erkennt man einen klaren Sprung in der Interferenz
Auf der Aufnahme der Folie erkennt man ein systematisches in Querrichtung verlaufendes
Raster von Interferenzen. Die Interferenzen sind von beiden Folienseiten an denselben
Stellen und verlaufen in Produktionsrichtung der Folie. Die Interferenzen zeigen
Dickenunterschiede in der Folie im nm-Bereich. Der Abstand der Abweichenden
Interferenzen liegt zwischen 1 bis 2 cm.
Das in Echtzeit erfasste Interferenzmuster auf einer Folie hängt unter Anderem direkt
von der Foliendicke ab.
Streuung
Beschichtungen enthalten Oxide, Fasern oder Pigmente, an denen Licht mehr oder weniger
in alle Richtungen gestreut wird. Diese Streueffekte lassen sich bestimmen. Bei der
statischen Lichtstreuung betrachtet man die Winkelabhängigkeit der zeitlich gemittelten
Streuintensitäten, bei der dynamischen Lichtstreuung die Streuintensität in ihrer Winkelund
Zeitabhängigkeit.
Bei der Rayleigh-Streuung trifft Licht auf ein Medium mit wenigen statistisch verteilten
Streuzentren mit kleinerem Durchmesser als die einfallende Wellenlänge.
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

14
Die statistische Verteilung und das Medium sind bei der Rayleigh-Streuung wichtig, da so
seitlich zur Ausbreitungsrichtung eine destruktive Interferenz zwischen den Streuwellen
verschiedener Streuzentren ausgeschlossen werden kann.
In regelmäßigen Medien oder bei Partikeldimensionen, die gegenüber der Wellenlänge
gross sind (Oxide, Pigmente, Faser), wird die seitliche Streuung durch destruktive
Interferenz abgeschwächt. In einer regelmässig aufgebauten Beschichtung sind viele
Streuzentren vorhanden.
Produktion von Kunststoff-Filmen:
Deshalb liegt zu jedem Streuzentrum auch ein
seitlicher Nachbar im Abstand von λ/2, sodass sich
deren Streuwellen in seitlicher Richtung gerade
destruktiv überlagern.
Grosse Teilchen reflektieren das auftreffende Licht
zunehmend unabhängig von der Wellenlänge.
Ist die Wellenlänge kleiner als das betrachtete
Partikel, ist also d ≈ λ, liegt Mie-Streuung vor.
Je größer die Partikel sind, desto schwächer wird
die Wellenlängenabhängigkeit. Das OCT-Bild zeigt
unterschiedliche Streueffekte in einer Folie.
In einem Bericht der EU werden die Produktionskosten für mehrlagige Folien, die eine
Gesamtdicke von 76 Mikrometer haben, mit € 212,1 pro 1000 m 2 beziffert. Durch die
Reduktion der Dicke der einzelnen Folien auf eine Gesamtdicke von 51 Mikrometern sinken
nach diesem Bericht die Produktionskosten auf € 131,90.
Durch den Einsatz eines Faser-OCT-Systems wird es möglich, die Schichtdicken der
einzelnen Folien im laufenden Betrieb zu messen und dadurch die Produktionsanlagen zu
regeln.
Die Kosten für Kunststofffolien können um mehr als 30% gesenkt werden, wenn das
OCT-Verfahren mit einem flexiblen Abbildungssystem zur Messung der Dicke der
einzelnen Folien in der laufenden Produktion verfügbar ist.
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

15
Produktion von Folien für den Thermoform- Prozess:
Kaffeekapseln, Nahrungsmittelschalen oder Cups aller Art bestehen aus mehrlagigen
Folien. Die teuerste Schicht in einer solchen Folie ist die Gassperrschicht, welche die
Sauerstoffdiffusion verhindert und dadurch das Produkt länger haltbar macht.
Der Gassperrschicht folgen auf beiden Seiten Haftvermittlerschichten, welche etwa 5-mal
teurer sind als die Aussen- oder Innenschichten aus PE oder PP. Oft wird in solche Folien
auch mehr oder weniger Mahlgut dazwischen eingestreut. Um die Dicke und vor allem die
Vollständigkeit der einzelnen Schichten zu gewährleisten, sind Messungen in der laufenden
Produktion erwünscht, was mit dem OCT-System mit flexiblen Abbildungsorten
gewährleistet ist.
Das jährliche Potential zur Einsparung von Kosten in einem Unternehmen, das auf
einer Anlage mit 120 m/min, bei 1 m Breite, während 8 Stunden pro Tag eine Folie aus
7 Lagen produziert, liegt bei mehreren hunderttausend Euro.
Dünn beschichtete
Kunststoffbauteile
Gassperrschicht
Titanoxidschicht
Mehrlagige Folie
Software zur Auswertung
Messung "dicker" Schichten (mehrere 100 Mikrometer bis mm dick)
Die Messung der obersten Schicht einer Probe ist anspruchsvoll, weil bei der Bestimmung
der Rauheit dieser Schicht auch Signale aus den anderen Schichten überlagert werden.
Durch Einstellen des Z-Verfahrwegs kann dieses Problem umgangen werden, sodass
lediglich das Interferogramm der obersten Schicht detektiert wird und nicht zusätzlich noch
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

16
dasjenige des Substrats. Durch spezielle Algorithmen werden mögliche Unterschiede in der
Schichtdicke erkannt.
Die Grenzen zwischen den Schichten „PET_
Haftvermittler_EVOH“ erscheinen im OCT
Bild deutlich.
Messung "dünner" Schichten (1-2 Mikrometer)
Der Wunsch, auch kleinste Strukturen dünnster Schichten zu erfassen, wächst. Weil sich
die Interferogramme überlappen, ist es aber mit optischen Systemen schwierig,
Schichtdicken < 1.5 µm von ihrem Substrat zu unterscheiden. Mit der Einführung neuer
Funktionen ist es aber mit der Coherence Correlation Interferometry (CCI) gelungen, in
diese Messbereiche vorzustossen. Aufgrund der Kenntnisse der Dünnschichtstruktur lässt
sich eine reflektionsbedingte Phasenänderung kompensieren, so dass "wahre"
Stufenhöhen gemessen werden können.
Messung sehr dünner Schichten (unter 1 Mikrometer)
Moderne Schichten sind öfters nur noch wenige Mikrometer oder gar wenige Nanometer
dick. Bei der Messung ganz dünner Schichten überlagern sich die Einhüllenden der
Interferogramme. Sie werden mit Hilfe des Intensitätsschwellwerts getrennt, sodass die
Messung der Dicke einer Schicht unter 2 µm mit derselben Genauigkeit möglich ist wie bei
"dickeren" Schichten. Die folgenden OCT Bilder zeigen Kanäle mit einer Breite von 400 µm
und einer Tiefe von 20 µm (Bild links), eine raue Oberfläche auf einem Stahl (Bild mitte) und
eine sehr dünne Fettspur auf einem Kunststoffträger.
Zur Vermessung einer Oberfläche mit einer vertikalen Auflösung im Nanometerbereich ist
die interferometrische Oberflächenprofilierung etabliert. Das Verfahren wird normalerweise
nicht zur Messung bewegter Objekte eingesetzt. Mit der „Single-Shot-Interferometrie“ und
der globalen Modellanpassung kann die optische Konfiguration für drei Wellenlängen
verwendet werden. Man erhält ein „interferometrisches Farbbild“. Die Beziehung zwischen
den Signalen aus den Farben RGB (rot, grün, blau) zur Höhe der Oberfläche erlaubt die
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

17
Analyse der optischen Wegdifferenz der Messstrahlen. Die Höhe jedes Bildpunktes kann
unabhängig über die Nachbarpunkte auch im laufenden Betrieb ausgewertet werden.
Praktische Anwendungen von Licht in der Messtechnik
Im OCT- Bild zeigen Lichtfronten, welche durch destruktive Interferenz unterbrochen sind,
an, dass sich auf der betrachteten Oberfläche eine dünne Schicht befindet. Die Schichtdicke
leitet sich aus den geometrischen Verhältnissen des Lichtweges ab (Beleuchtungs- und
Betrachtungswinkel).
Die folgenden OCT Bilder zeigen eine klare Lichtfront wie sie üblicherweise erwartet werden
kann, (Bild links), eine Lichtfront, die durch destruktive Interferenz unterbrochen ist (2. Bild
von links) sowie mehrere destruktive Interferenzen in einer Zwischenschicht (3. Bild von
links) und eine Schicht, die sich vom Untergrund ablöst, respektive bereits abgelöst hat.
Folienproduktion:
An Folien, die aus mehreren Lagen bestehen, liefert das OCT-Verfahren Signale, aus denen
die Dicke der einzelnen Schichten abgeleitet werden können. Die vermessene Folie hat
einen „dicken“ Kern und ist auf den Aussenseiten mit je einem dünnen Film beschichtet.
Schichtdicke 1 10 / 1,5 * 2 = 12,9 μm
Schichtdicke 2 210 / 1,5 * 2 = 280,0 μm
Schichtdicke 3 10 / 1,5 * 2 = 12,9 μm
Messung einer beidseitig dünn beschichteten Platte aus Polycarbonat.
Das OCT Bild zeigt zwei Lichtfronten die etwa 4 mm auseinander liegen. Die einzelnen
Lichtfronten, die erkannt werden, sind zudem noch dünn beschichtet. Weil sich
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

18
Funktionsschichten im Messsignal auswirken ist es vorteilhaft, Messungen immer von
beiden Seiten vorzunehmen.
OCT Bild Nr. 464, Draufsicht
OCT, Vertikalschnitt durch den ganzen Stack.
Seite unten
Seite oben
Gesamtdicke und Interfaceschicht in der Mitte der Probe. Die Probe ist etwa 4 mm dick. Die
äussere Oberfläche ist beschichtet.
Vermessung von Folien mit integrierter Alu- Schicht
Zur Vermessung von Folien mit integrierten Alu- Schichten werden 2 Messköpfe eingesetzt,
um in einem Messvorgang die Gesamtdicke der Folie, die Einzelschichten, die Parallelität
und die Planarität zu vermessen.
Oberfläche der Folie
Interface- Schicht(en) zwischen Folie und Kleber
Oberfläche der Alu- Schicht resp. Rückseite der Kleberschicht
Oberfläche der rückseitigen Schicht(en)
Dicke der rückseitigen Schicht(en)
PE- Schicht
Alu-Schicht
Kleberschicht
Rückseitige
Schicht
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

19
Fragen Sie uns – wir zeigen Ihnen wie einfach das geht.
Sie können bei uns Anlagen auch für eigene Testzwecke bestellen. Wir bieten Ihnen
Kompetenz in der Photonenmesstechnik und Erfahrung mit modernster Technologie.
Formbauteile und Volumen vermessen
Das OCT-Verfahren erlaubt „Volumenscans“ und erreicht eine Tiefenauflösung (Achse
senkrecht zur Oberfläche) im Submikrometer-Bereich. Es wird eingesetzt zur Feststellung
von „Materialverdünnungen“ beim Umformen von Kunststoffen oder auch Blechen.
Dickenabweichungen im Submikrometerbereich werden mit dem Verfahren noch sicherer
festgestellt. Soft- und Hardware sind in der Standardkonfiguration vorhanden und dienen
zur Weiter-entwicklung des Systems für die flächenmässige Schichtdickenmessung und
Oberflächen-analyse.
Dicke 2
Dicke 2
Dicke 1
Dicke 1
Vorderseite 2
Rückseite 2
Vorderseite 1
Rückseite 1
Die Vermessung der Oberflächengeometrie (Signale der Vorderseite oder der Rückseite),
der Volumen (Differenz der Geometriesignale) oder der Schichtdicke erfolgt in einem
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

20
einzigen Messvorgang. Gleichzeitig werden auch Inhomogenitäten im Innern des verarbeiteten
Materials (Materialverdünnung) festgestellt.
Messung jeder Foliendicke in einer mehrschichtigen Folienkonstruktion
Messung der Dicke einzelner Folien im Folienverbund
Jede Schicht in der Folie
erscheint klar und deutlich.
Zur Bestimmung der Filmdicke
wird die Laufzeit der ausgesendeten
Photonen im
Material gemessen.
Die Genauigkeit liegt unter 1
µm.
Die Daten links zeigen ein
einzelnes Bild aus dem ganzen
Stack von 456 Einzelbildern
sowie einen Horizontal- und
Vertikalschnitt durch das
Einzelbild.
Das Tomogramm zum Datensatz
besteht aus 456 einzelnen
Bildern, die mit 1 Million fps
aufgenommen worden sind.
Es steht also alle 0,6 µm ein
Bild zur Auswertung bereit.
(Gesamtdicke der drei
Schichten 300 µm, Anzahl
Bilder 456)
Mit dem OCT-Verfahren kann
die Dicke einer Schicht oder
die Geometrie eines Bauteils in
Millisekunden gemessen,
charakterisiert und vermessen
werden.
Diese zwei Messresultate wurden an derselben Folie erzeugt. Die Messdatenerfassung
erfolgte von beiden Seiten her. Das Resultat zeigt, dass die Daten verschieden aussehen
können, aber die Auswertung zeigt auch, dass die effektive Dicke der einzelnen Folien
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

21
immer aus den Messdaten extrahiert werden kann. Die Streuung in den Deckschichten ist
ausgeprägter als im Materialinnern.
1 = Deckschicht Dicke 10,9 μm
2 = Folie Dicke 289,2 μm
3 = Deckschicht Dicke 10,0 μm
1 = Gesamtdicke 310,0 μm
Charakterisieren der Homogenität einer produzierten Schicht
1
1
1
2
Im REM-Bild sind keine Fehler erkennbar,
aber im OCT-Bild zeigen sich in den
Schnitten „Einschlüsse“ oder „Verunreinigungen“
im Kunststoff. Die hellen
Punkte (1) zeigen Reflektionen oder
Streuungen der eingestrahlten Photonen.
Die horizontal verlaufenden Ebenen (2)
zeigen, dass die Messungen bei einer sehr
hohen lateralen Ortsauflösung erfolgten.
Der Stack besteht aus 454 zweidimensionalen
Bildern. Die Messgenauigkeit liegt
unter 1 µm.
Das Tomogramm (links) besteht aus 456
Einzelbildern und zeigt den ganzen „Stack“
der erfassten Messdaten aus dem Innern
einer Folie. Die Bilder im Stack haben einen
Abstand in der Tiefe von 0.65 µm.
Durch die Analyse der Bilder kann die
örtliche Situation mit dem OCT-Verfahren
exakt vermessen werden.
Die Geometrie der Oberfläche auf der
Vorder- und Rückseite des Materials, das
Materialvolumen sowie die Dicke oder die
Homogenität einer Schicht werden in einem
Messvorgang sehr genau vermessen.
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

22
Gleichzeitiges Vermessen der Geometrie und der Dicke eines Produktes
Diese Photonen, welche die
Oberfläche des Produktes
zuerst erreichen, werden
schneller zurückgestrahlt als
die Photonen welche später
auftreffen. Die Flugzeit der
Photonen ist völlig anders.
Durch die hochdynamische
Erfassung der Photonen, die
zum Sensor zurückreflektiert
oder -gestreut werden, kann
die Kontur einer Oberfläche
mikrometergenau gemessen
werden.
Die Bilder links zeigen die
Topografie einer Oberfläche in
Mikrometergenauigkeit.
Das Resultat aus solchen
Messungen ist ein 3-D-Bild,
das entsteht, wenn alle Daten
zusammengesetzt werden.
Nach dem Erfassen der ersten
Photonen von der Oberfläche
erscheinen die folgenden verzögert
und gedämpft.
Aus diesem Datensatz wird die
Dicke der gemessenen Schicht
extrahiert.
Die Bilder links zeigen Schnitte
durch erfasste Daten sowie die
dazugehörenden Profile.
Die Profilvermessung mit dem
OCT-Verfahren erfolgt bis in
den nm-Genauigkeitsbereich,
ohne dadurch die Messung der
Schichtdicke zu beeinflussen.
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

23
Vermessen einer Kapselgeometrie
Bei der Verarbeitung von Kapseln, Behältern oder Gefässen ist eine exakte Geometrie
wichtig damit auch die Folgeprozesse (Bedrucken, Beschichten) die Anforderungen an die
Qualität erfüllen.
Durch die Modifikation der Anlage zur Lichtlaufzeitmessung werden gleichzeitig die Dicke
und die Parallelität von Flächen und Ebenen am Bauteil selber sowie auch die eigentliche
Geometrie des Bauteils mikrometergenau vermessen.
Oben links ist die technische Zeichnung einer Kapsel dargestellt, deren Geometrie
vermessen werden soll. Rechts davon sind die Resultate von 5 Scans in unterschiedlicher
Höhe (z- Achse) dargestellt mit einer Grafik zur Topografie des Kapselbodens. Die Bilder
weisen eine Auflösung in x-y- Richtung von 36 mü auf und in z- Richtung von etwa 2 mü.
Nicht parallele Flächen am Bauteil sowie geometrische Abweichungen werden zuverlässig
in Sekunden festgestellt.
Nicht parallele Ebene
Im Bild erscheinen die geometrische Form und die Parallelität von Ebenen. Das Bild oben
zeigt 5 Datensätze in vertikaler Richtung zur Peal- Off Ebene und die Parallelität der Ebene
in Bezug auf die Rückseite dieser Ebene.
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

24
Erkennen von Material-Anomalien
1
Die Probe im Bild links ist eine Schicht,
die in sich kaum Streuung aufweist.
Der Datensatz besteht aus 456
Einzelbildern. Die vermessene Fläche
ist 25 µm * 800 µm gross. Die Messung
dauert nur wenige Millisekunden.
Auf der Oberfläche (1) kommen die
ersten Photonen an und streuen in der
Folge kaum.
2
Erst nach der ersten Schicht erkennt
man eine deutlich höhere Streuung (2)
der eingestrahlten Photonen. Durch die
Messung der Laufzeit wird nun die
Dicke der Schicht bestimmt.
Mit dem OCT-Verfahren können die
Geometrie der Oberfläche des
Produktes sowie die Dicke einer Schicht
gleichzeitig gemessen werden.
Das oben stehende Bild zeigt einen Datensatz, bestehend aus 456 zweidimensionalen
Bildern mit 12‘600 einzelnen Messpunkten. Die gemessene Fläche ist 25 µm * 700 µm gross
und die Tiefenauflösung liegt im Submikrometer-Bereich. Rechts im Bild ist das
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

25
Tomogramm zum Datensatz. Man erkennt in den einzelnen Schichten deutliche Unterschiede
im Streuungs- und Reflektionsverhalten.
Profil- und Topografievermessung im Submikrometerbereich
Mit einem kurzen Lichtpuls werden Vertiefungen in Bauteilen sichtbar, auch wenn diese
kleiner als 10 Mikrometer sind.
Das Tomogramm (Bild links) ist aus mehr als 100 einzelnen Tiefenbildern
zusammengesetzt. Der Grauwert (rechts in der Grafik) entsteht durch die zeitlich veränderte
Reflektion der ausgesendeten Photonen von der Oberfläche des Objektes. Unterschiede
in der Tiefe des Reliefs werden mikrometergenau vermessen. Selbstverständlich
können Sie jederzeit auch selber Profilvermessungen durchführen.
Berührungslose Messung der Oberflächentopografie:
Optische Profilometer sind für verschiedene Anwendungen in Wissenschaft und Forschung,
für die Labor-Automatisierung oder zur Prozessentwicklung, für die Qualitätssicherung oder
zur Produktionsüberwachung konzipiert.
Das Bild links zeigt eine Nut von etwa 400 mü Breite und 200 mü Tiefe. Das Bild rechts zeigt
die Oberflächentopografie eines 20- Rappen Stücks.
Die speziell für die 3D-Messtechnik entwickelten CMOS-Bildsensoren erfassen bis zu 1
Million 2D-Bilder pro Sekunde mit einer vertikalen Auflösung von bis zu 20 Nanometern.
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

26
Auch bei bewegtem Messobjekt:
Die Messung der Schichtdicke (Einzelschicht oder Mehrschichtig) erfolgt in
Mikrometergenauigkeit auch bei bewegten Objekten.
Messung auf einer 17 mü Folie (Bild links) die vibriert und am Messkopf vorbei fährt. Das
Lichtlaufzeitverfahren ist von der Produktionsgeschwindigkeit und von der Vibration nur
wenig abhängig. Das Bild rechts zeigt eine 35 mü Folie die bewegt vor dem Messkopf
durchläuft. Vibrationen oder bewegte Prozesse wirken sich bei der Lichtlaufzeitmessung
nicht aus.
Messresultate: Gassperrschicht
Die Vibration der Folie beeinflusst
das Messresultat nicht.
Die Messung der Dicke einer Gassperrschicht mit dem ASP-OCT-Verfahren erfolgt
berührungslos und erfordert nur wenig Platz an der Maschine. Das Verfahren ist robust und
arbeitet mikrometergenau.
Bei dieser Konstruktion ist die
Gassperrschicht im Innern der Folie
eingebettet.
Im ASP-OCT-Bild links sind die Schichten in
der Folie deutlich erkennbar.
Die Dicke jeder einzelnen Folie wird mit
einem einzigen Lichtpuls gemessen.
Bei dieser Konstruktion ist die Gassperrschicht
sehr dünn und von aussen aufgebracht.
Im Bild links sind die Schichten jeder
einzelnen Folie erkennbar. Weil die Gassperrschicht
sehr dünn ist, liegen die Lichtfronten
sehr nahe beieinander. Die lassen
sich von blossem Auge nicht mehr differenzieren
und werden analytisch ausgewertet.
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

27
Messung an einer umgeformten Nahrungsmittelschale
Die Messung an einer umgeformten Schale zeigt, dass die Schale deutliche Unterschiede
in der Gesamtdicke aufweist und dass die EVOH-Schicht unterschiedlich dick ist.
A
B
Das Bild besteht aus 16 Einzelbildern und zeigt die Verteilung der Foliendicke in der
Eckzone eines umgeformten Teils und die Lage der EVOH-Schicht. Bei verschiedenen
Messungen wurde die Dicke der Gassperrschicht zwischen 10 µm bis 60 µm gemessen.
Durch die berührungslose Messung können solche Schichten homogen hergestellt werden,
was zu sehr grossen Kosteneinsparungen führt.
Bei einer Solldicke von 20 µm und einer Produktionsgeschwindigkeit von 30 m/min im
Einschichtbetrieb dürfen jährliche Einsparungen von mehr als € 300‘000,00 erwartet
werden.
Messresultate: Haftvermittler in Verpackungsfolien
Die Messung der Dicke einer Haftvermittlerschicht ist insofern anspruchsvoll, weil die Folien
nicht gleichmässig dick sind und weil der Haftvermittler über dem Druck noch dick genug
sein muss, um die Deckfolie zusammenzuhalten. Die Schichten in einem Folienverbund
werden mit dem ASP-OCT-Verfahren berührungslos und mikrometer-genau vermessen.
Das Verfahren erfordert nur wenig Platz an der Maschine und ist robust genug für den
industriellen Einsatz.
Eine Möglichkeit, die Druckkosten zu senken, liegt darin, dass die Dickenunterschiede in
der Folien selber (beachte Bilder Seite 10 und 11) möglichst klein sind und dass zwischen
der Oberseite des Druckbuchstabens und der Unterseite der Deckfolie nur die minimal
notwendige Dicke des Haftvermittlers aufgebracht wird. 1 Mikrometer Haftvermittler kostet
jährlich mehr als 100‘000,00 Euro.
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

28
Die zwei OCT-Bilder zeigen gedruckte Punkte, die auf der Innenseite der Trägerfolie liegen
(Bild links) und die Situation, wenn die OCT- Messungen von der Deckfolienseite her
vorgenommen werden.
Messung von der Seite der Trägerfolie
Messung von der Deckfolienseite her
Die Ergebnisse unterscheiden sich, weil sich die Schichtfolge ändert. In beiden
Anwendungsfällen sind aber die Dicken jeder einzelnen Schicht erfassbar. Mit einem
einzigen Lichtpuls werden
die Dicke der Deckfolie
die mit dem Druckstoff aufgebrachte Dicke
die Dicke der Haftvermittlerschicht
die Dicke der Trägerfolie
mikrometergenau vermessen. Ein Druckbetrieb kann durch die Messung und Regelung der
Dicke der Haftvermittlerschicht jährliche einige € 100‘000,00 einsparen.
Druckerzeugnisse
Veränderungen der Einflussfaktoren wirken sich oft auf das Druckerzeugnis und auf die
Kosten aus. Mit dem OCT-Verfahren steht erstmals eine Methode bereit um Druckprozesse
zu optimieren.
Mit dem OCT- Verfahren lassen sich schnell und völlig berührungslos die Mischungen der
Druckfarben optimieren oder die minimal erforderliche Dicke einer Schicht gewährleisten,
unabhängig von
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

29
der Härte der Walzen oder der Durchmesser
der Farbe oder dem Farbtyp
der Farbmenge (mit Bindemittel und / oder Lösungsmittelanteil)
der Drehzahl der Mischwalzen
der Ortslage der Messung (am Spalteinlauf oder am Spaltauslauf)
der Temperatur und der Temperaturentwicklung
den eingebrachten Feuchtmitteln
der Andruckkraft der Walzen
Der Hersteller von Druckmaschinem kann für seine Kunden einen bedeutenden Vorteil
erschliessen, wenn die Farbmischwerke messtechnisch optimiert werden, weil dies durch
Menschenhand kaum mehr gewährleistet werden kann.
Weitere Anwendungen
Messen von Oberflächentopologie, Oberflächentopographie, Rauigkeit, Profil
Glatte Oberflächen von Nanometer Rauigkeiten bis sehr raue Oberflächen
Halbleiterstrukturen, MEMS, MOEMS, Solartechnologie
Messen dünner, transparenter Schichten von einigen Nanometern bis Millimeter
Interferometrie; Konfokal-Messtechnik, optische Profilometrie, Linsenradien,
asphärische Linsen, ….
Qualitätskontrolle in Produktionsumgebung
Vermessen einer dreischichtigen Folie aus gleichem Kunststoff
Die Daten sind aus dem Stack von 500 Bildern. Die Folie besteht aus 5 µm PMMA – 40 µm
PMMA und 5 µm PVDF. Das OCT Bild zeigt die auf den Aussenseiten der mehrlagigen Folie
aufgebrachte dünne Schicht. Die erste Schicht mit der Dicke von 5 µm liegt zwischen der
Lichtfront 1 und 2, die mittlere, dicke Schicht mit 40 µm, liegt zwischen Lichtfront 2 und 3 und
die letzte Schicht (5 µm) liegt zwischen der Lichtfront 3 und 4 (Bild unten). Die Dicke
einzelnen Folien im Folienverbund wird aus der Zeit, welche das Licht beim Durchgang
braucht, ermittelt. Die Dickenmessung ist selektiv, d.h. mit einem einzigen Lichtpuls werden
alle 3 Schichten in der Folie vermessen.
Lichtfront 1
Lichtfront 2
Lichtfront 3
Lichtfront 4
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

30
Der Einsatz des OCT Verfahrens zur Inspektion von Ampullen auf Verschmutzungen aller
Art in unterschiedlicher Grösse wurde an diversen Proben studiert mit dem Ziel, in den
Ampullen Partikel aus Kunststoff, Glas oder Metall sowie Fasern oder Haare sicher in der
laufenden Produktion zu erkennen. Bei Testmessungen wurden verschiedene Partikel
(Glas, Kunststoff, Staubkorn) mit einer Grösse bei etwa 150 Mikrometer verwendet. Die
Form der Verunreinigung (kantig, rund) und deren Lage (aufstehend, liegend) in der Ampulle
wirken sich auf das Signal aus. Die oben dargestellten Bilder zeigen Verschmutzungen am
Boden im Innern einer Ampulle und die Darstellung unten zeigt ein Resultat aus OCT-
Messungen an Ampullen.
Mit dem OCT- Verfahren werden Verschmutzungen in Schichten, Partikel in einem Gefäss
(Bild links) sicher erkannt oder es wird die Dicke jeder einzelnen Lage in einer Folie exakt
vermessen (Bild rechts).
Faserbelegte Gewebe
An den Fasern wird das Licht so gestreut, dass keine klar definierte Laufzeit gemessen
werden kann. Für die Messung an filzartigen Proben ist die OCT- Messung mit dem ASP
Array nicht geeignet. Es stellt sich die Frage, ob Topografievermessungen mit dem OCT-
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

31
Verfahren zu einem Resultat führen. Die obere Ebene und die untere Ebene eines Produktes
können exakt vermessen werden. (Siehe dazu Kapselvermessung mit den OCT Verfahren)
Faserbeschichtung
Für Artikel des täglichen Bedarfs wie Airbags, Filter, Stützstrümpfe, Seile, Transportbänder,
Metalldrähte oder auch Textilien werden einzelne Fasern zu einem Gewebe verarbeitet.
Damit aber das Gewebe schlussendlich den vielschichtigen und sehr unterschiedlichen
Anforderungen entsprechen kann, werden die Fasern beschichtet.
Typische Faserbeschichtungen sind:
Beschichtung von CFK-, Glas- oder Kunstfasern zur Einbettung in faserverstärkte
Kunststoffe.
Beschichtung der Fasern zur Verbesserung der Gleiteigenschaften.
Schutz der Fasern vor einem weiteren Verarbeitungsprozess.
Funktionsbeschichtung der Fasern (z.B. wasserabweisend, Verbesserung der
Elastizität oder der Bruchfestigkeit).
Farbgebung
und vieles mehr
Das OCT- Bild (links) zeigt einen Gewebeausschnitt
von etwa 3 mm * 3 mm.
Ein Bildpunkt ist 10 µm gross.
Die minimale Bildpunktgrösse (Lateral) die wir mit
dem OCT- System realisieren, liegt bei 800 nm.
Weil beim OCT Verfahren die Auflösung in der
Ebene (Laterale Auflösung) von der Auflösung in
der Tiefe (z- Achse) entkoppelt ist, können auch
sehr dünne Schichten noch exakt vermessen
werden.
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

32
Messung der Dicke einzelner Folien im Folienverbund
Das folgende Messresultat wurde mit einem einzigen Lichtpuls erzeugt. Die Dicke jeder
einzelnen Folie und die Gesamtdicke werden mit einem einzigen Lichtpuls gemessen. Man
erkennt, dass Strahlungsbarrieren den Durchblick begrenzen.
Schicht
1
Schicht 2
Schicht 3
Schicht 4
Schicht 5
Interferometrische Temperaturmessung
Schicht 8
Schicht 7
Schicht 6
Die Interferometrie kann auch zur berührungslosen Messung einer Temperatur eingesetzt
werden. Wird die thermische Ausdehnung eines Materials als Funktion der Temperatur
gemessen, kann daraus die Temperatur abgeleitet werden, sofern sich während der
Messung der Brechungsindex im betrachteten Temperaturbereich nicht ändert. Mit dieser
Methode wurde ein Glassubstrat vermessen. Bei einer Temperaturdifferenz von 10 °C ergibt
die Messung der Ausdehnung 0,3 μm, d.h. 300 nm. So grosse geometrische Änderungen
werden mit der Interferometrie reproduzierbar und zuverlässig vermessen.
Die hohe Empfindlichkeit ergibt sich aus dem interferometrischen Prinzip. Änderungen in
der Intensität von 0 auf 100% ergeben sich bereits durch eine Dickenänderung im Bereich
von 0,1 μm. Eine Auflösung von 0,01 μm (10 nm) kann mit dem Interferometrieverfahren
reproduzierbar gemessen werden. Schwingungen wirken sich nicht auf das Messsignal aus.
Anlagen und Geräte
Wir bauen Anlagen als komplette Prüfzelle (Bild rechts) mit allen erforderlichen
Betriebsprogrammen oder als Tischstation (Bild Mitte) mit der dazugehörenden Steuerung
oder für den Einbau in eine Produktionsmaschine (Bild links).
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch

33
Unsere Kernkompetenzen sind in der Schichtdickenmessung, in der Siegelnahtinspektion
und in der hochgenauen Vermessung mehrdimensionaler Bauteile.
Zusammenfassung
Im Bericht ist das Interferenzverfahren zur Bestimmung der Dicke einer Schicht, zur
Messung des Brechungsindexes, des Absorptionsgrad, der Schichttemperatur oder der
Ausdehnung vorgestellt. Aus den Signalen der zum Sensor zurück gelangenden Intensität
können die gesuchten Parameter einer Schicht bestimmt werden. Messungen sind dabei
"on line", auch während einer Schichtänderung möglich als auch "off line" an fertigen
Schichten. Das Interferenzverfahren wird mit sehr gutem Erfolg zur Prozesskontrolle
eingesetzt. Verschiedene Informationen können von der Webseite heruntergeladen werden.
Vorteile der OCT- Messverfahren
Berührungslos
Zerstörungsfrei
Hohe Störsicherheit (passiv wie aktiv)
hohe geometrische Auflösung
schnelle Datenerfassung
geringer Platzbedarf
Das OCT- Verfahren wird eingesetzt um:
die Schichtdicke zu messen
den Brechungsindex festzustellen
die Rauheit, den Reflektions- oder den Absorptionsgrad zu bestimmen
die Schichttemperatur zu messen
eine Schichtablösung festzustellen
die geometrische Ausdehnung mikrometergenau zu ermitteln
Interferometrische Verfahren werden als Messzelle für Batchprüfungen ausgeführt (links),
als Anlage in der laufenden Produktion (mitte) oder als Anlage für das Labor (rechts).
OCT_Schichtdickenmessung_Komplettbeschrieb_korr_nd_korr_IH.docx
flo-ir Aawasserstrasse 10 Tel.: +41 (0)41 871 39 88 info@flo-ir.ch
berührungslos messen CH – 6370 Oberdorf Fax: +41 (0)41 871 39 87 www.flo-ir.ch