Licht trifft Genauigkeit: Präzision im Nanometerbereich

Konfokal-chromatische Sensoren messen berührungslos und materialunabhängig hochpräzise Abstände, Positionen und Schichtdicken, indem sie die chromatische Aberration von Licht nutzen.

Konfokal-chromatische Sensoren erfassen selbst kleinste, empfindliche Strukturen und unterschiedlichste Materialien. Das prädestiniert sie für den Einsatz in Branchen wie der Halbleiter- und Glasproduktion oder der Elektronikfertigung. Konfokale Sensoren können Auflösungen bis in den Nanometerbereich darstellen, arbeiten verschleißfrei und messen den Abstand sowie die Dicke von Mikrolinsen, Glas oder Folien. Hierbei nutzen sie das Prinzip der chromatischen Aberration in Kombination mit der konfokalen Abbildung, um präzise Messdaten zu erfassen. Ein Vorteil von konfokal-chromatischen Sensoren im Gegensatz zu anderen Messprinzipien ist die Möglichkeit, auf unterschiedlichsten Oberflächen – von schwach reflektierend bis spiegelnd – präzise und genau zu messen.

Micro-Epsilon verfügt über ein breites Portfolio an konfokal-chromatischen Sensoren: Mit der Baureihe confocalDT profitieren Anwender von einer großen Auswahl an Sensoren für verschiedenste Messbereiche und dazu passenden Controllern. Diese erfüllen höchste Anforderungen an Genauigkeit, Präzision und Zuverlässigkeit. Eine Besonderheit der Controller ist außerdem das schnelle und automatische Regeln der Belichtungszeit. Dies prädestiniert sie für den Einsatz in unterschiedlichsten Branchen und Anwendungen.

Schnelle Signalverarbeitung löst Probleme des Messprinzips

Beim Messprinzip der chromatischen Aberration wird Weißlicht durch eine Optik mit mehreren Linsen auf die Objektoberfläche gesendet, wobei die Linsen das Licht in seine monochromatischen Wellenlängen zerlegen. Jeder Wellenlänge ist dabei durch werkseitige Kalibrierung ein bestimmter Abstandspunkt zugeordnet. Um den richtigen Abstand zu bestimmen, zieht man diejenige Lichtwellenlänge heran, die sich exakt auf dem Messobjekt fokussiert. Im Anschluss wird das reflektierte Licht auf ein lichtempfindliches Sensorelement abgebildet, welches die entsprechende Farbe erkennt und auswertet. Mit diesem Messprinzip lassen sich sogar Mehrschichtmessungen durchführen, bei denen mehrere Abstandspunkte ausgewertet werden.

Jedoch birgt das Messprinzip auch Herausforderungen, die es zu lösen gilt. So kann es beispielsweise bei stark absorbierenden Materialien wie Gummi zu schwachen und sehr geringen Reflexionen kommen, die das Messsignal verfälschen können. Zudem können starke Vibrationen oder Instabilitäten während der Messung die Präzision und damit das Messergebnis beeinträchtigen. Micro-Epsilon löst dies durch eine äußerst 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 ein schnelles Ausregeln von Schwingungen nicht negativ auf das Messsignal auswirken.

Nanometergenaue Auflösung mit dem confocalDT2411

Damit die Sensoren die aufgenommenen Signale schnell und präzise weiterverarbeiten können, bietet Micro-Epsilon ein umfassendes Portfolio an Controllereinheiten an. Neu ist der weltweit kleinste konfokal-chromatische Controller confocalDT2411 mit einer einstellbaren Messrate bis 8 kHz und Nanometerauflösung. Dank seiner kompakten Bauform lässt sich der Controller problemlos in bestehende Anlagen und Systeme integrieren und einfach an einer Hutschiene montieren. So passt er selbst in kleinste Schaltschränke.

An den Controller lassen sich nahezu alle verfügbaren konfokalen Sensoren in den Messbereichen 100 µm bis 30 mm anschließen. Das ermöglicht das Messen auf nahezu allen Oberflächen sowie einseitige Dickenmessungen auf transparenten Objekten. Ein robustes IP40-Aluminiumgehäuse sorgt selbst unter rauen Umgebungsbedingungen für optimalen Schutz. Hinzu kommen Zertifizierungen gemäß Schock (DIN EN 60068-2-27) und Vibration (DIN EN 60068-2-6). Zugute kommt dem Controller auch seine hohe Fremdlichtbeständigkeit bis 30.000 Lux. Aufgenommene Messwerte lassen sich digital über Ethernet, Feldbus und RS422 oder als Analogsignale (Strom oder Spannung) ausgeben. Anwender können die gesamte Konfiguration des Controllers und der Sensoren über ein einfach zu bedienendes Webinterface durchführen, eine zusätzliche Software ist dabei nicht erforderlich. Für das Messen von Dicken hat der Hersteller hierfür eine eigens editierbare Materialdatenbank hinterlegt.

Äußerst schnelle Messrate mit dem confocalDT2416

Ebenfalls höchste Präzision mit Nanometerauflösung verspricht der neue, kompakte Controller confocalDT2416, der sich ideal für sehr schnelle Abstands- und Dickenmessungen bis 25 kHz eignet. Mit dem Controller lassen sich sogar bis zu fünf transparente Schichten

innerhalb einer Messung erfassen. Dies bezeichnet man auch als Mehrschichtdickenmessung, bei Micro-Epsilon als „Multipeak“-Option ausgewiesen. So lassen sich mit dem Controller problemlos Materialien wie Glas, Metall, Gummi, Spiegel, Leiterbahnen oder Linsen vermessen, bei einem zulässigen Fremdlicht bis 30.000 Lux.

Aufgrund seiner hohen Lichtstärke liefert der Controller dabei eine äußerst hohe Signalqualität und -stabilität. Im kompakten IP40-Aluminiumgehäuse ist der Controller optimal geschützt und lässt sich damit in Maschinen oder Produktionslinien mit rauen Umgebungsbedingungen integrieren. Um den Controller in bestehende Anlagen zu integrieren und aufgenommene Messwerte zu übertragen, bieten sich diverse Schnittstellen wie Ethernet oder RS422 an. Die Messwerte lassen sich ebenfalls als Analogsignal (Strom oder Spannung) ausgeben. Zum optimalen Steuern von Prozessen sind Encoder-Eingänge sowie ein Synchronisations- und Schaltausgang vorhanden. Vier Farb-LEDs zur Status-Anzeige dienen der besseren Übersicht und Einstellbarkeit.

Controller einfach in bestehende Anlagen integrieren

Besonders die umfangreichen Anschlussmöglichkeiten bedienen heutige Anforderungen moderner Industrieanlagen an die Konnektivität. So lassen sich beide Controller bequem per Patch-Kabel über Ethernet und Schnittstellen wie Ethernet/IP, EtherCAT oder PROFINET mit einem PC oder einer SPS verbinden. Eine Verbindung ist des Weiteren über zusätzlich erhältliche USB- und Schnittstellenmodule möglich. Mit einem umfangreichen Zubehör zur Montage, auch unter Vakuumbedingungen, können Anwender die Sensoren und Controller in unterschiedlichste Einbausituationen integrieren.

Dickenmessung von Glas

Für das Messen von Glasdicken in Fertigungsprozessen eignen sich konfokal-chromatische Sensoren optimal. Im Gegensatz zu anderen Messverfahren sind konfokale Sensoren unempfindlicher gegenüber Schwingungen und Verkippungen. Aus diesem Grund lassen sich confocalDT2411/16 Sensoren beispielsweise für die Dickenmessung von Glasscheiben beim Herstellen von Displays in der Smartphone-Produktion einsetzen. Hierbei ermitteln sie die Dicke berührungslos und von einer Seite. Auch die gleichmäßige Dicke von Containerglas lässt sich mit diesen Sensoren ideal überprüfen.