"Neue Anwendungen für konfokal-chromatische - All

SENSORIK
Der Bohrlochsensor taucht in eine Bohrung und inspiziert
dabei die Innenwand. Dies funktioniert bereits ab 4,5 mm
Lochdurchmesser.
Neue Anwendungen für konfokal-chromatische Sensoren
Licht im Fokus der Messung
Wegmessung mit konfokal-chromatischen Sensoren ist seit 10 Jahren bekannt und erobert seither immer
mehr Anwendungsgebiete. Mit den ersten Produkten dieser Technologie waren die Sensoren nur in einer
Größenordnung von ca. 50 mm Durchmesser erhältlich. In der Zwischenzeit entwickeln sich die eingesetzten Linsen immer weiter, so dass es bereits Sensoren ab 4 mm Durchmesser gibt. Ständig entstehen neue
Anwendungen wie der Bohrlochsensor zur geometrischen Vermessung von Bohrungen ab 4,5 mm.
Jede Form von Licht setzt sich aus vielen verschiedenen Wellenlängen (einem
Farbspektrum) zusammen. Weißes Licht
ist eine Überlagerung aller sichtbaren
Wellenlängen. Der für den Menschen
sichtbare Bereich beginnt bei 400 nm
(Blau) und endet bei 700 nm (Rot). Die
verschiedenen Wellenlängen können von
Linsen nicht alle in genau einem Punkt
gebündelt werden. Man spricht vom
chromatischen Linsenfehler oder der
chromatischen Aberration. Diese lässt
sich mit der Tiefenschärfe von Mikroskopen oder Kameras vergleichen. Genau
28
diesen Effekt nutzt man in der konfokalen
Messtechnik. Mit speziellen Linsen wird
gezielt die Unschärfe des Brennpunkts
der verschiedenen Farben erweitert. Das
heißt, je nach Abstand zur Linse befindet
sich genau eine Wellenlänge im Fokus.
Nur diese Information wird zur Messung
herangezogen (näheres siehe Kasten).
Zu den Vorteilen des konfokalen Messprinzips gehört, dass auf hoch reflektierenden Materialien genauso zuverlässig
gemessen werden kann, wie auf schwarzem Gummi oder auf transparenten Stoffen wie Gläsern oder Flüssigkeiten. Es gilt
nur darauf zu achten, dass das reflektierte Licht auch wieder in die Linse gelangt.
Mit der Technik der konfokal-chromatischen Messung sind außerdem sehr hohe
Auflösungen möglich. Durch das Aufweiten des Farbspektrums wird eine Auflösung im Nanometerbereich erreicht. Da
für die Abstandsinformation die Farbe
benutzt wird, die sich im Fokus befindet,
AUTOR
Dr. Alexander Fink ist Produktmanager
optoNCDT 2401 bei Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG in Ortenburg.
IEE 08-2009
SENSORIK
Prinzip der Spaltmaßbestimmung. Von einer Seite erfasst der Sensor
den Spalt durch die Glasoberfläche hindurch.
besitzen konfokale Sensoren einen winzigen Messfleck, der auch Messungen auf
besonders kleinen Objekten ermöglicht.
Selbst feinste Kratzer auf Oberflächen
lassen sich damit zuverlässig messen.
Miniatursensor im Bohrloch
Der Strahlengang des Sensors ist kompakt und konzentrisch. Dadurch kann
man mit dem System zum Beispiel auch
in Bohrungen messen, was mit anderen
optischen Methoden, wie dem Triangulationsverfahren, auf Grund der Abschattung nur schwer oder häufig auch gar
nicht möglich ist. Besonders geeignet für solche
Miniatursensor mit 4 mm Außendurchmesser (zweiter von rechts) im
Vergleich zu Standardsensoren und dem optoNCDT 2403 (rechts).
Messungen sind mit einem Durchmesser
von 4 mm die konfokalen Miniatursensoren optoNCDT2402.
Durch eine Weiterentwicklung der
MiniaturDie Brennpunkte
sensoren
der Lichtwellenlänlassen sich
gen werden entnun auch
lang der optischen
Achse aufgeweitet
Innenund auf das Messwand-Inobjekt fokussiert.
spektionen
in kleinen
Bohrungen durchführen. Der spezielle
Sensor mit radialer Messrichtung
taucht dabei in Bohrungen ab 4,5 mm
Durchmesser. Die eigens entwickelte Rotationseinheit dreht den Sensor mit bis
zu 3 000 U/min. Eine Lineareinheit führt
den Sensor in die Bohrung und ermöglicht das Messen einzelner Kreise oder
das spiralförmige Erfassen der gesamten
Bohrung.
Eine weitere interessante Möglichkeit ist
die Dickenmessung von transparenten
Folien, Platten oder Schichten. Im Gegensatz zu anderen Verfahren benötigt die
konfokale Messtechnik für eine derartige
Aufgabe nur einen Sensor. Für die Messung werden die Reflexionen der Fokuspunkte auf der vorderen und hinteren
Oberfläche ausgewertet. Da die Messung
SENSORIK
lediglich mit Weißlicht erfolgt, gelten dafür keine Laserschutzvorschriften. Die
Sensoren können auch in explosionsgeschützten Bereichen und in EMV-anfälligen Anlagen verwendet werden. Der
Sensorkopf selbst ist völlig passiv, in ihm
befindet sich keinerlei Elektronik. Der
Controller kann dazu in sicherer Entfernung platziert werden.
Die Sensoren der Serie optoNCDT 2403
bedienen sich beider Technologien. Der
Sensor besteht aus einer Gradientenindex-Linse mit vorgesetzter Relais-Optik. Damit werden größere Grundabstände und Verkippungen als mit den Miniatursensoren erreicht. Der Sensor ist dabei
mit 8 mm Außendurchmesser nur unwesentlich größer.
Spaltmessung bei der
Produktion von Solarmodulen
Die Produktion von Photovoltaik (PV)Modulen ist bisher ein sehr aufwändiger
und kostenintensiver Prozess. Das Unter-
nehmen Apollon Solar aus Frankreich hat
ein neues Verfahren für die Fertigung von
PV-Modulen entwickelt. Produziert werden die Anlagen bei dem französischen
Anlagenbauer Vincent Industrie. Bei dem
unter dem Namen NICE (New Industrial
Cell Encapsulation) patentierten Verfahren werden die Solarmodule nicht mehr
mit einer transparenten Kunststoffschicht verschmolzen. Die Versiegelungsdichtigkeit des Modulverbundes und die
Langzeitstabilität sind gegenüber herkömmlichen PV-Modulen deutlich verbessert.
Bei der Produktion der NICE-Module bildet ein Metallblech die Rückseite. Darauf
werden die Solarzellen angeordnet und
miteinander elektrisch verbunden. Spacer auf den Zellen verhindern den Kontakt der Solarzellen und der Glasplatte als
Abdeckung. Eine spezielle Anlage presst
die Glasplatte auf das PV-Modul und evakuiert diese dabei. Nach dem Pressen
wird das PV-Modul durch den Unterdruck
TECHNIK IM DETAIL
Funktionsweise konfokal-chromatischer Sensoren
Bei konfokal-chromatischen Sensoren
wird das Prinzip der chromatischen
Aberration genutzt. Um die gezielte
Aberration zu erreichen, sind im Sensor
mehrere Glas-Linsen nötig, die das Licht
je nach Messbereich aufspalten. Vor
dem Austritt des Lichts aus dem Sensor
bündeln Sammellinsen die Farbspektren entlang einer Linie, so dass eine
exakte Fokuslinie entsteht.
Weißes Licht wird über einen Lichtwellenleiter aus dem Controller zu den Linsen im Sensor geleitet. Dort tritt die
chromatische Aberration ein. Die Wellenlängen werden von der Oberfläche
eines zu messenden Objektes reflektiert
und gelangen über die Linse zurück zum
Controller auf den semipermeablen
Spiegel. Der Spiegel lenkt die Wellenlängen auf eine Lochblende, welche die am
besten fokussierten Wellenlängen mit
der höchsten Intensität durchlässt. Unscharfe Spektren treffen an der Lochblende als Scheibchen auf und nicht als
30
fokussierter Punkt. Die fokussierte Wellenlänge besitzt genügend Intensität,
um auf der CCD-Zeile einen signifikanten Peak zu erzeugen.
Nach der Lochblende wertet ein Spektrometer die erhaltene Farbinformation
aus. Ein optisches Gitter darin erzielt je
nach Wellenlänge eine mehr oder weniger starke Ablenkung der Wellenlänge
auf eine CCD-Zeile. Jede Position auf der
CCD-Zeile entspricht einem bestimmten Abstand des Objektes zum Sensor.
Für die Signalgewinnung wird nur die
Wellenlänge λ ausgewertet. Eine Höhe
der Amplitude I wird bei der Signalauswertung nicht in Betracht gezogen. Die
Stärke der Intensität spielt keine Rolle.
Das bedeutet, egal wie viel Licht von einem Objekt reflektiert wird, eine Abstandsinformation kann fast immer gewonnen werden, da jede fokussierte Reflexion zu einem mehr oder weniger hohen Peak führt, solange das reflektiere
Licht stärker ist als das Grundrauschen.
Eine Presse zur Herstellung von PhotovoltaikModulen nach dem NICE-Verfahren. Konfokale Sensoren messen darin das Spaltmaß.
im Modul und dem außen anliegenden
Atmosphären-Druck dauerhaft zusammengehalten. Das Glas ist ein spezielles
Antireflex-Glas, das einfallendes Licht
durchlässt, es aber an einer Reflexion hindert.
Wichtig beim Pressvorgang ist ein konstanter Abstand der Vorder- und Rückseite, den Sensoren der Serie optoNCDT IFS
2402 überprüfen. Integriert in die Presse
messen sie an mehreren Positionen von
einer Seite den Spalt zwischen Vorderund Rückseite, der zwischen 0,7 und
2 mm Breite liegt. Mit Sensoren dieser
Serie ist es durch eine besonders hohe
Licht-Intensität möglich trotz AntireflexBeschichtung ausreichend große Reflexionen zu erhalten. Mit einer speziellen
Multipeak-Software misst das konfokale
Verfahren durch Glas hindurch dazwischen liegende Schichtdicken, wie beispielsweise den Luftspalt zwischen zwei
Gläsern.
infoDIRECT
766iee0809
www.iee-online.de
Link zu den Sensoren
IEE 08-2009