Adlerauge: Konfokal-chromatische Sensoren für Mikrometerbereich

Sensorik Adlerauge: Konfokal-chromatische Sensoren für Mikrometerbereich

08.09.2017Autor / Redakteur: Dr. Alexander Streicher* / Sariana Kunze

Sensorik Sensoren müssen Messwerte schnell und präzise erfassen, um Qualität zu garantieren. Besonders die optische Messtechnik gewinnt in Fertigungs- und Prüfprozessen an Bedeutung. Konfokal-chromatische Sensoren erfüllen diese Anforderungen sogar im Mikrometerbereich.

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Konfokale Sensoren messen berührungslos und liefern zuverlässige Messwerte weitestgehend unabhängig von Material- und Oberflächenbeschaffenheit des Messobjektes.
(Bild: Micro-Epsilon)

In laufenden Produktionsprozessen ist taktile Messtechnik kaum sinnvoll einsetzbar, da sie an schwer zugänglichen Messpunkten an ihre Grenzen stößt. Hier wird eine Technologie benötigt, die Geschwindigkeit und hohe Präzision vereint. Eine Möglichkeit stellen konfokal-chromatische Sensoren dar. Mit dem Messverfahren sind mehrschichtige Dickenmessungen transparenter Materialien, Abstandsmessungen, Intensitätsauswertungen und Messungen in Vertiefungen und Bohrungen möglich. Die Messungen erfolgen berührungslos, verschleißfrei und nahezu oberflächenunabhängig. Durch den kleinen Messfleck können auch Konturen winziger Objekte erfasst werden. Das konfokal-chromatische Messverfahren eignet sich daher besonders für die Inline-Qualitätskontrolle. Anwendungsgebiete sind z.B. in der Halbleiterindustrie, Glasindustrie, Medizintechnik, Kunststoffproduktion oder im Bereich Consumer Electronics.

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Der extrem kleine und konstante Lichtfleck macht präzise Messungen auf winzigen Objekten möglich, wie beispielsweise in der Halbleiterindustrie.

Neben der Abstandsauswertung kann die Signalintensität zur Messung herangezogen werden, dadurch können feinste Strukturen visualisiert werden. Bei einer konstanten Belichtungszeit lassen sich so erweiterte Aussagen zur Oberflächenbewertung treffen, die durch die reine Abstandsmessung nicht möglich sind.

Bei der Produktion von Behälterglas stellen die Wandstärke und die Rundheit der Flaschen ein wichtiges Qualitätsmerkmal dar. Im laufenden Prozess müssen deshalb diese Größen zu 100 Prozent kontrolliert werden

Für höchste Produktqualität ist bei mehrschichtigem Glas, wie es im Bereich Consumer Electronics vorkommt, die Bestimmung der exakten Schichtdicken und aller Luftspalte zwischen den Schichten gefordert.

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Die Sensortechnologie von Micro-Epsilon erlaubt die exakte Vermessung von Objekten mit unterschiedlichen Oberflächen. Dabei beeinflussen die Oberflächenbeschaffenheit oder Material des Messobjekts die Messgenauigkeit kaum. Hochpräzise Messungen sind auf spiegelnden Oberflächen, wie hochglanzpolierten Metallen oder Flüssigkeiten, auf matten Oberflächen, wie Kunststoff oder schwarzem Gummi, und auf transparenten Materialien, wie Glas oder Kunststoffplatten, möglich. Der extrem kleine Messfleck, der je nach System nur wenige μm umfasst, ermöglicht Messungen auf winzigen Objekten, wie beispielsweise IC-Pins auf Leiterplatten, Bonddrähten oder kleine Konturen mechanischer Teile. Das Messsystem ist für dynamische Messaufgaben geeignet. Der ConfocalDT 2471 HS wurde für Messungen schneller Prozesse konzipiert. Laut Micro-Epsilon ist das konfokale Messsystem mit bis zu 70 kHz sogar das schnellste weltweit. Die Daten werden in der Regel in Echtzeit ausgewertet und lassen somit ein schnelles Eingreifen beispielsweise über EtherCAT in die Produktion zu. Die automatische Belichtungszeitregelung realisiert schnelle Messungen über unterschiedliche Oberflächen hinweg, da das System die Belichtungszeit der Zeile automatisch regelt und in kürzester Zeit an die unterschiedlich reflektierenden Oberflächen anpasst.

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Konfokal-chromatische Sensoren

Das Messprinzip

Das konfokal-chromatische Messprinzip arbeitet mit polychromatischem Licht, das durch eine mehrlinsige Optik in die einzelnen Spektralfarben aufgeteilt und in unterschiedlichen Abständen zum Sensor fokussiert wird. Kurzwelliges, blaues Licht (400 nm) wird stärker gebrochen als langwelliges, rotes Licht (700 nm). Der Messbereichsanfang liegt bei blauem Licht, das Messbereichsende bei rotem Licht. Durch die kontrollierte chromatische Abweichung liegt jede Wellenlänge in einer anderen Fokusebene. Mittels werkseitiger Kalibrierung wird jeder Wellenlänge ein bestimmter Abstandspunkt zum Messobjekt zugeordnet. Die Lichtwelle, die sich exakt auf dem Messobjekt fokussiert, wird schließlich im Sensorsystem zur Messung herangezogen. Die Lichtreflexion wird über eine optische Anordnung auf ein lichtempfindliches Sensorelement abgebildet, auf der die zugehörige Spektralfarbe erkannt und ausgewertet wird. Bei jeder Änderung des Brechungsindexes verschiedener Materialien wird ein Teil des Lichts zurück reflektiert. So lassen sich auch einseitige Dickenmessungen von transparenten Materialien durchführen. Für Multipeak-Messungen werden mehrere Abstandspunkte ausgewertet.

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