Präzision im Nanometerbereich

Bei der chromatischen Abberation wird Weißlicht durch eine Optik mit mehreren Linsen auf die Objektoberfläche gesendet, die Linsen zerlegen das Licht in seine monochromatischen Wellenlängen. Jeder Wellenlänge ist dabei durch werkseitige Kalibrierung ein bestimmter Abstandspunkt zugeordnet. Um den richtigen Abstand zu bestimmen, wird diejenige Lichtwellenlänge herangezogen, die sich exakt auf dem Messobjekt fokussiert. Anschließend wird das reflektierte Licht auf ein lichtempfindliches Sensorelement abgebildet, das die entsprechende Farbe erkennt und auswertet. Damit sind auch Mehrschichtmessungen möglich, bei denen mehrere Abstandspunkte ausgewertet werden.

Schnelle Signalverarbeitung

Beim Messprinzip der chromatischen Abberation wird Weißlicht durch eine Optik mit mehreren Linsen auf die Objektoberfläche gesendet. © Micro-Epsilon

Allerdings birgt das Messprinzip auch Herausforderungen: Beispielsweise kann es bei stark absorbierenden Materialien wie Gummi zu schwachen Reflexionen kommen, die das Messsignal verfälschen können. Auch starke Vibrationen oder Instabilitäten während der Messung können das Messergebnis beeinträchtigen. Die Firma Micro-Epsilon löst dieses Problem bei ihren konfokal-chromatischen Sensoren der Baureihe ‚confocalDT‘ durch eine schnelle Signalverarbeitung der Controllereinheit mithilfe integrierter Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Der Controller sorgt einerseits für ein automatisches Anpassen der Belichtungszeit an das Messobjekt, um stabile Messsignale sicherzustellen; eine hohe Lichtintensität der Lichtquelle sorgt andererseits dafür, dass sich Vibrationen durch das schnelle Ausregeln von Schwingungen nicht negativ auf das Messsignal auswirken.

Nanometergenaue Auflösung

Damit die Sensoren die aufgenommenen Signale schnell weiterverarbeiten können, bietet Micro-Epsilon verschiedene Controllereinheiten an. 2025 ist der konfokal-chromatische Controller ‚confocalDT2411‘ mit einer einstellbaren Messrate von 100 Hz bis 8 kHz und einer nanometergenauen Auflösung hinzugekommen. Dank kompakter Bauform lässt er sich an einer Hutschiene montieren. An den Controller lassen sich nahezu alle verfügbaren konfokalen Sensoren in den Messbereichen 100 µm bis 30 mm anschließen, was das Messen auf nahezu allen Oberflächen sowie einseitige Dickenmessungen auf transparenten Objekten ermöglicht. Ein IP40-Aluminiumgehäuse und Zertifizierungen gemäß Schock (DIN EN 60068-2-27) und Vibration (DIN EN 60068-2-6) gehören zu den weiteren Eigenschaften. Der Controller ist bis 30.000 Lux fremdlichtbeständig. Aufgenommene Messwerte lassen sich digital über Ethernet, Feldbus und RS422 oder als Analogsignale (Strom oder Spannung) ausgeben. Anwender können die gesamte Konfiguration des Controllers sowie der Sensoren über ein Webinterface durchführen. Für das Messen von Dicken ist eine eigens editierbare Materialdatenbank hinterlegt.

Misst bis zu fünf transparente Schichten

Die Konfokal-chromatischen Controller confocalDT2411 und confocalDT2416. © Micro-Epsilon

Der Controller ‚confocalDT2416‘ eigenet sich insbesondere für sehr schnelle Abstands- und Dickenmessungen von 100 Hz bis 25 kHz. Mit diesem Controller lassen sich bis zu fünf transparente Schichten innerhalb einer Messung erfassen. Dank dieser Mehrschichtdickenmessung (‚Multipeak‘-Option) lassen sich mit dem Controller Materialien wie Glas, Metall, Gummi, Spiegel, Leiterbahnen oder Linsen vermessen, bei einem zulässigen Fremdlicht bis 30.000 Lux. Aufgrund der hohen Lichtstärke liefert der Controller dabei hohe Signalqualität und -stabilität. Dank IP40-Aluminiumgehäuse kann er in Maschinen oder Produktionslinien mit rauen Umgebungsbedingungen integriert werden. Für die Integration in bestehende Anlagen und die Übertragung der Messwerte stehen Schnittstellen wie Ethernet oder RS422 zur Verfügung. Die Messwerte lassen sich ebenfalls als Analogsignal (Strom oder Spannung) ausgeben. Zum Steuern von Prozessen sind Encoder-Eingänge sowie ein Synchronisations- und Schaltausgang vorhanden. Vier Farb-LEDs zur Status-Anzeige dienen der Übersicht und Einstellbarkeit.

Grundsätzlich lassen sich beide Controller per Patch-Kabel über Ethernet und Schnittstellen wie Ethernet/IP, Ethercat oder Profinet mit einem PC oder einer SPS verbinden. Auch eine Verbindung über zusätzlich erhältliche USB- und Schnittstellenmodule ist möglich.

Anwendungsbeispiele

Dr.-Ing. Alexander Streicher ist Produktmanager konfokal-chromatische Sensoren bei Micro-Epsilon in Ortenburg. © Micro-Epsilon

Konfokal-chromatische Sensoren eignen sich beispielsweise zum Messen von Glasdicken in Fertigungsprozessen. Verglichen mit anderen Messverfahren sind konfokale Sensoren unempfindlicher gegenüber Schwingungen und Verkippungen. Daher lassen sich ‚confocalDT2411/16‘-Sensoren zum Beispiel für die Dickenmessung von Glasscheiben beim Herstellen von Displays in der Smartphoneproduktion einsetzen. Hierbei ermitteln sie die Dicke berührungslos und von einer Seite. Auch die gleichmäßige Dicke von Containerglas lässt sich mit diesen Sensoren überprüfen.

Die Sensoren erweitern Koordinatenmessmaschinen um die Möglichkeit, empfindliche, transparente oder sehr kleine Bauteile, gekrümmte Flächen, Winkel oder Konturen präzise zu vermessen. Aufgrund der schnellen und berührungslosen Messung entsteht kein Abrieb auf dem Target, zudem schwingen die Bauteile nicht. Daher eignen sich die konfokal-chromatischen Sensoren zum Messen von Schichtdicken, zur Oberflächenanalyse oder zum Prüfen komplexer Mikrostrukturen, wo taktile Taster an ihre Grenzen stoßen.