Sensorik Adlerauge: Konfokal-chromatische Sensoren für Mikrometerbereich

Autor / 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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Konfokale Sensoren messen berührungslos und liefern zuverlässige Messwerte weitestgehend unabhängig von Material- und Oberflächenbeschaffenheit des Messobjektes.
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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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.

Präzise messen auch bei Verkippung

Mit diesem Messsystem lässt sich sowohl auf diffusen als auch auf direkt-reflektierenden Oberflächen messen, ohne die Einbausituation zu verändern. Selbst bei einer Verkippung der Messobjekte ist weiterhin eine hochpräzise Messung möglich. Die passiven Sensoren sind sehr flexibel im Einsatz, übertragen keine Wärme auf das Messobjekt und sind in einer speziellen Vakuumausführung verfügbar. Durch den axialen Strahlengang treten kaum Abschattungseffekte auf, wodurch auch Messungen in Hülsen und Vertiefungen realisiert werden können. Für die Messung von Durchmessern sowie der Maßhaltigkeit von Bohrungen stehen spezielle Sensoren mit einem 90 Grad Strahlengang zur Verfügung. Zur Inspektion von kleinen Bohrungen hat Micro-Epsilon BoreControl konzipiert. Die gesamte Konfiguration der verfügbaren Controller und Sensoren von Micro-Epsilon wird ohne zusätzliche Software über ein einfach zu bedienendes Webinterface durchgeführt. Das Webinterface wird über eine Ethernet-Verbindung aufgerufen, worüber alle Einstellungen vorgenommen werden. Für die Dickenmessung und Mehrschichtmessung ist eine umfangreiche Materialdatenbank hinterlegt, die sich beliebig erweitern lässt. Als Schnittstellen stehen EtherCAT, Ethernet, RS422 und Analog Out zur Verfügung.

Präzisionsteile bis in den Mikrometerbereich bestimmen

Die konfokal-chromatischen Messsysteme werden zur Weg- und Abstandsbestimmung und auch zur Intensitätsauswertung eingesetzt. Die Oberflächenbeschaffenheit kleinster Präzisionsteile kann durch diese Methode bis in den Mikrometerbereich bestimmt werden. Kratzer oder ähnliches werden zuverlässig detektiert. Durch die Abstandsbestimmung lassen sich Oberflächentopographien von Objekten erstellen. Die Anwendung beider Methoden ist eine Besonderheit von Micro-Epsilon.

* Dr. Alexander Streicher, Produktmanager Sensorik, Micro-Epsilon Messtechnik

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