Hochgenaue Interferometermessung mit Vertical Scanning Interferometry
Testawell strukturiert interferometrische Messaufgaben von der Machbarkeitsprüfung bis zum auswertbaren
3D-Höhenfeld. Vertical Scanning Interferometry (VSI) beziehungsweise Coherence Scanning Interferometry
(CSI) macht Rauheit, Stufen, Formabweichungen und lokale Oberflächenmerkmale berührungslos sichtbar.
Was ist ein Interferometer für die 3D-Oberflächenmessung?
Ein optisches Interferometer teilt Licht in einen Mess- und einen Referenzweg. Werden beide Anteile
wieder zusammengeführt, entsteht ein Interferenzsignal, dessen Lage und Verlauf Informationen über
den optischen Weg zur Oberfläche enthalten. Ein interferometrisches Mikroskop kombiniert dieses
Prinzip mit einer Kamera und einer präzisen Bewegung entlang der Z-Achse. So entsteht nicht nur ein
einzelnes Profil, sondern ein flächenhaftes Höhenfeld z(x,y).
Für industrielle Oberflächen ist besonders die Vertical Scanning Interferometry
relevant. Die Methode ist auch als Coherence Scanning Interferometry (CSI),
Scanning White Light Interferometry oder Weißlichtinterferometrie bekannt. Im
Unterschied zu einer rein bildgebenden Aufnahme liefert sie quantitative Höheninformationen –
vorausgesetzt, Messbereich, Objektiv, Oberfläche, Filter und Auswertung sind auf die Aufgabe abgestimmt.
Wie funktioniert Vertical Scanning Interferometry?
Eine breitbandige Lichtquelle beleuchtet Messoberfläche und Referenzfläche. Während Objektiv oder
Probe vertikal gescannt werden, nimmt die Kamera eine Folge von Interferenzbildern auf. Nur dort, wo
die optischen Weglängen innerhalb des kurzen Kohärenzbereichs hinreichend übereinstimmen, entsteht ein
lokal ausgeprägtes Interferenzsignal. Aus dessen Position im Z-Scan wird für jedes auswertbare Pixel
die Oberflächenhöhe bestimmt.
Beleuchten und aufteilen: Mess- und Referenzstrahl durchlaufen definierte optische Wege.
Vertikal scannen: Die Oberfläche wird schrittweise durch den Kohärenzbereich bewegt.
Signal lokalisieren: Die Auswertung erkennt Lage beziehungsweise Hüllkurve des Interferenzsignals pro Pixel.
Topografie berechnen: Die Höhenwerte werden zu einem flächenhaften 3D-Datensatz zusammengesetzt.
Auswerten: Formanteile, Filter, Auswertefläche und Kennwerte werden entsprechend der Messaufgabe festgelegt.
Prinzipieller Strahlengang: Das Messsignal entsteht aus der Überlagerung von Referenz- und Messweg.
Welche Messgrößen lassen sich aus der 3D-Topografie ableiten?
Die passende Ergebnisgröße folgt nicht automatisch aus dem Messgerät. Sie muss aus Zeichnung,
Funktion und Prüfziel abgeleitet werden. Testawell legt daher vor der Messung fest, welche Fläche,
Bezugsform, Filterung und Kenngröße die technische Frage tatsächlich beantwortet.
Messaufgabe
Typisches Ergebnis
Wichtige Festlegung
Oberflächentopografie
3D-Höhenfeld, Profile, Schnitte, Falschfarbendarstellung und lokale Merkmale.
Messfeld, laterale Abtastung, Objektiv und Umgang mit nicht gemessenen Punkten.
Flächenhafte Rauheit
S-Parameter und funktionsbezogene Auswertungen nach vereinbarter ISO-25178-Methodik.
S- und L-Filter, Auswertefläche, Formabzug und relevante Parameter.
Profilrauheit
Aus der Topografie extrahierte Profile und vereinbarte Profilparameter.
Profilrichtung, Auswertelänge, Filter und Vergleichbarkeit zur geforderten Profilnorm.
Stufen und Vertiefungen
Stufenhöhe, Tiefe, Querschnitt, Fläche oder Volumen eines lokalen Merkmals.
Referenzflächen, Kantenbehandlung, Neigung und Messunsicherheit.
Form und Welligkeit
Ebenheit, Krümmung, lokale Formabweichung oder getrennte Welligkeitsanteile.
Bezugsgeometrie, Formabzug und räumliche Filterung.
Von der Oberfläche zum belastbaren Messergebnis
01
Messfrage definieren
Bauteilfunktion, Merkmal, Toleranz, Normbezug und gewünschte Aussage werden vor der Aufnahme geklärt.
02
Machbarkeit prüfen
Geometrie, optische Zugänglichkeit, Reflexion, Rauheit, Flanken und mögliche Schichtsysteme werden bewertet.
03
Messstrategie festlegen
Objektiv, Scanbereich, Messfeld, Wiederholungen, Referenzen, Stitching und Filterung werden abgestimmt.
04
Daten auswerten
3D-Topografie, Profile, Kennwerte, Darstellungen und dokumentierte Randbedingungen werden zusammengeführt.
VSI, PSI, konfokale Messung oder Tastschnitt?
„Optisch“ ist noch keine vollständige Verfahrensangabe. Die geeignete Methode hängt von der
Oberflächenstruktur, dem Höhenbereich, den Flanken, den optischen Eigenschaften und dem geforderten
Normnachweis ab. Die folgende Einordnung dient als Startpunkt für die Auswahl – nicht als pauschale
Freigabe eines Verfahrens.
Verfahren
Stärken
Zu prüfen
VSI / CSI
Berührungsloses, flächenhaftes Höhenfeld; geeignet für viele technische Oberflächen, Stufen und Rauheitsstrukturen.
Steile Flanken, Reflexionssprünge, transparente Schichten, Schwingungen und nicht gemessene Punkte.
Phasenschiebende Interferometrie (PSI)
Sehr hohe vertikale Empfindlichkeit auf glatten, kontinuierlichen und stabilen Oberflächen.
Phasenmehrdeutigkeit bei größeren Sprüngen, begrenzter Eindeutigkeitsbereich und hohe Anforderungen an Stabilität.
Konfokal / Fokusvariation
Je nach Aufbau Vorteile bei größeren Höhenbereichen, strukturierten Oberflächen oder steileren Geometrien.
Laterale und vertikale Auflösung, Oberflächenkontrast, Objektiv und methodenspezifische Artefakte.
Taktile Profilometrie
Etablierter Profilpfad, direkter Bezug zu vielen Zeichnungsangaben und geringere Abhängigkeit von optischen Eigenschaften.
Kontaktkraft, Tastspitzengeometrie, mögliche Oberflächenbeeinflussung und fehlende flächenhafte Information.
Welche Grenzen und Unsicherheiten müssen berücksichtigt werden?
Die Höhenauflösung eines Datenblatts ist nicht automatisch die Messunsicherheit am realen Bauteil.
Das Ergebnis wird unter anderem von Objektiv, numerischer Apertur, Scanbewegung, Kalibrierzustand,
Umgebungsstabilität, Oberflächenneigung, Materialreflexion, Filterung und Auswertealgorithmus beeinflusst.
Bei Kanten oder hohen Gradienten können systematische Abweichungen und Ausreißer entstehen.
Für vergleichbare Ergebnisse werden deshalb Messbedingungen, Datenbereinigung, Formabzug,
Filterung und der Umgang mit nicht gemessenen Punkten dokumentiert. Bei kritischen Aufgaben sind
Wiederholmessungen, geeignete Referenznormale oder ein Vergleich mit einem zweiten Messprinzip
sinnvoll. Eine konkrete Unsicherheitsangabe ist erst für den definierten Messprozess möglich.
Welche Angaben benötigt Testawell für die Interferometermessung?
Bauteil, Probe, Werkstoff und Oberflächenzustand
Position, Größe und Zugänglichkeit der relevanten Messstelle
erwartete Rauheit, Stufenhöhe oder maximale Höhendifferenz
gesuchte Parameter, Toleranzen, Zeichnungsangaben und anzuwendende Norm
Anzahl der Messstellen, Varianten und Wiederholungen
gewünschte Ausgabe: Rohdaten, 3D-Ansicht, Profile, Kennwerte oder Prüfbericht
Auf dieser Basis lässt sich klären, ob VSI/CSI geeignet ist, welche Vorprüfung erforderlich ist und wie ein technisch sinnvoller Mess- und Auswerteplan aufgebaut werden kann.
Messaufgabe, Anwendung und geeignete Prüfmethode strukturiert zusammenführen.
Normen und metrologische Grundlage
Für flächenhafte Oberflächentextur definiert ISO 25178-2:2021 Begriffe und Parameter. Die metrologischen Eigenschaften flächenhaft messender Systeme werden in ISO 25178-600:2019 behandelt; für Konstruktion und Eigenschaften von CSI-Systemen ist ISO 25178-604:2025 relevant. Allgemeine Verfahren für Kalibrierung, Justierung und Verifizierung flächenhafter Topografiemessgeräte beschreibt ISO 25178-700:2022.
Werden Profilparameter benötigt, ist die jeweils geltende Normausgabe gesondert zu prüfen; ISO 21920-2:2021 definiert Begriffe und Parameter für profilbasierte Oberflächentextur. Die auf ein Projekt anzuwendende Norm, Kundenspezifikation und Entscheidungsregel werden vor der Auswertung festgelegt.
Ergänzend beschreibt der Good-Practice-Leitfaden des britischen National Physical Laboratory die Messung glatter Oberflächentopografien mit CSI und ordnet die Methode ausdrücklich als Vertical Scanning White Light Interferometry ein. Die Quelle dient als methodische Orientierung; verbindlich bleiben die projektspezifische Spezifikation und der vereinbarte Messprozess.
Häufige Fragen zu Interferometern und VSI
Was ist Vertical Scanning Interferometry?
Vertical Scanning Interferometry, kurz VSI, ist eine berührungslose optische Methode zur flächenhaften 3D-Oberflächenmessung. Während eines Scans in Z-Richtung wird für jedes Kamerapixel die Lage des Interferenzsignals ausgewertet. Die Methode wird auch als Coherence Scanning Interferometry oder Weißlichtinterferometrie bezeichnet.
Was misst ein Interferometer an einer Oberfläche?
Aus dem flächenhaften Höhenfeld lassen sich je nach Messaufgabe Topografie, Rauheit, Welligkeit, Stufenhöhe, Ebenheit, Volumen und weitere geometrische Merkmale auswerten. Der konkrete Kennwert, Filter und Auswertebereich müssen vor der Messung festgelegt werden.
Ist VSI dasselbe wie Weißlichtinterferometrie?
Im industriellen Sprachgebrauch werden Vertical Scanning Interferometry, Scanning White Light Interferometry und Coherence Scanning Interferometry häufig für eng verwandte Messprinzipien verwendet. CSI ist die präzisere metrologische Bezeichnung für die Lokalisierung des Interferenzsignals während eines optischen Weglängenscans.
Wann ist eine optische Messung besser als eine taktile Rauheitsmessung?
VSI ist besonders interessant, wenn eine empfindliche Oberfläche berührungslos und flächenhaft erfasst werden soll oder lokale Strukturen, Stufen und Volumina sichtbar werden müssen. Eine taktile Messung kann sinnvoller sein, wenn die Zeichnung ausdrücklich einen Profilkennwert oder ein vorgeschriebenes Tastschnittverfahren fordert. Beide Verfahren sind nicht ohne abgestimmte Filter und Messbedingungen direkt austauschbar.
Welche Oberflächen können die interferometrische Messung erschweren?
Sehr steile Flanken, starke Mehrfachreflexionen, transparente Schichten, Verschmutzungen, geringe optische Zugänglichkeit oder große Unterschiede der Reflexion können zu fehlenden oder mehrdeutigen Messpunkten führen. Deshalb prüft Testawell Oberfläche, Geometrie und Messziel vor der finalen Messstrategie.
Welche Daten werden für eine Anfrage benötigt?
Hilfreich sind Bauteil oder Probe, Material und Oberflächenzustand, ungefähre Messfläche, erwartete Höhenunterschiede, gesuchte Kennwerte, Zeichnungs- oder Normvorgaben, Anzahl der Messstellen und die gewünschte Dokumentation. Fotos oder CAD-Ausschnitte erleichtern die Machbarkeitsbewertung.
