Interferometrie

Dynamische Messgrößen simultan und nanometergenau auf bis zu 80 m Länge

Dynamische Messgrößen simultan und nanometergenau auf bis zu 80 m Länge

Von der Medizintechnik über die Halbleiter- bis hin zur Optikindustrie sowie für Kalibrieraufgaben ist allerhöchste Genauigkeit gefragt. Laserinterferometer erfassen Längenänderungen mit einer Genauigkeit von bis zu 0,1 ppm und verbinden durch die einzigartige Eigenschaft, große Bereiche mit enormen Auflösungen zu messen, die Makro- mit der Nanowelt. In der Wissenschaft wie auch in zahlreichen Industriefeldern sind die hochpräzisen Messsysteme heutzutage nicht mehr wegzudenken. So vielfältig die Einsatzbereiche jedoch sind, so unterschiedlich gestalten sich deren Anforderungen – etwa in Bezug auf die Nutzerfreundlichkeit, die Messunsicherheit oder die Anwendung im industriellen Umfeld. Als Unternehmen, das seit rund 30 Jahren Forschungseinrichtungen und Kalibrierlabore im In- und Ausland ausstattet, achtet die SIOS Meßtechnik GmbH bei der neuen Generation ihrer Multi-Beam-Interferometer zusätzlich darauf, dass sich diese auch bei industriellen Anwendungen zuverlässig bewähren. So sind die Geräte in der Lage, synchron mehrere Freiheitsgrade einer Bewegung zu erfassen, und können dank einer integrierten optischen Ausrichtefunktion sehr einfach und präzise justiert werden. Darüber hinaus optimiert SIOS die Geräte speziell auf die individuellen Einsatzzwecke ihrer Kunden hin.

Anwendungen in der High-Tech-Industrie großer Wert darauf gelegt, dass die Messsysteme einerseits flexibel einsetzbar sind und andererseits industriellen Einsatzbedingungen standhalten“, so Dr. Denis Dontsov, Geschäftsführer der SIOS Meßtechnik GmbH. „Deshalb entwickeln wir unsere Laserinterferometer speziell mit Blick auf ihre Eignung in den unterschiedlichen Industriebereichen weiter, ohne dabei an Präzision einzubüßen.“ Die Interferometer von SIOS zeichnen sich maßgeblich dadurch aus, dass sie dynamische Vorgänge, etwa im Rahmen der Kalibrierung von Koordinatenmessgeräten, dank ihrer hohen Präzision von 0,1 ppm und einer Auflösung zwischen 5 und 20 pm über eine Länge von – je nach Modell – bis zu 80 m sehr schnell und simultan erfassen können. Durch die gleichzeitige und hochsynchrone Messwerterfassung kommt es selbst bei einer hohen Objektgeschwindigkeit von bis zu 3 m/s zu keiner Verfälschung der Ergebnisse. Darüber hinaus integriert der Hersteller optische Justierhilfen in seine Messsysteme, sodass sich die korrekte Ausrichtung der Messanordnung mithilfe einer grafischen Softwareoberfläche unkompliziert und zügig vornehmen lässt. Auf diese Weise können justagebedingte Messfehler minimiert und auch sehr kurze Bewegungen fehlerfrei erfasst werden.

Damit diese hochpräzisen Messungen nicht durch Wärmeeintrag unvorteilhaft beeinflusst werden, wird die Lichtquelle grundsätzlich außerhalb des Sensors in unkritischer Entfernung platziert. Da der Laserstrahl durch einen faseroptischen Lichtwellenleiter zum Sensorkopf gelangt, befinden sich in diesem lediglich optische Bauelemente, die dessen Funktionalität bestimmen, aber keine Wärme verursachen. Insbesondere mit Blick auf die Anwendung im industriellen Umfeld sind alle Sensoren und Kabel darüber hinaus komplett geschlossen und gekapselt. So können den robusten Interferometern der neuen Generation auch potenziell schmutzigere Einsatzumgebungen nichts anhaben.

Das passende Multi-Beam-Interferometer für jeden Einsatzzweck

Die Ein- und Mehrstrahl-Interferometer von SIOS adressieren die unterschiedlichsten Anwendungsszenarien – von Kalibrieraufgaben und simultanen Weg-Winkelmessungen über hochstabile Differenzmessungen und Schwingungsanalysen bis hin zu mehrachsigen Systemkombinationen, bei denen dreidimensionale Vorgänge erfasst werden. Das Grundkonzept aller Ausführungen verkörpert dabei das kompakte Einstrahl-Kalibrierinterferometer der SP-NG-Produktfamilie, dessen Sensorkopf samt Justiergelenk lediglich 133 x 91 x 54 mm – beziehungsweise 227 x 91 x 67 mm für Messungen großer Längen – umfasst. Denn dabei handelt es sich um ein Präzisionslängenmesssystem, bei dem der einzelne Messstrahl vom Reflektor auf demselben Wege, also in sich selbst, zurückgeworfen wird. Dank dieses bewährten Prinzips ergibt sich ein definierter Antastpunkt am Messobjekt, sodass Ausrichtungsfehler sowie der typische Abbe-Fehler kompensiert werden können. Die optischen Eigenschaften der Reflektoren ermöglichen es, derartige Ausrichtfehler zu erkennen und zu korrigieren. Da sie bis zu ±12,5 ° verkippen dürfen, ohne den Messstrahl zu verlieren, ist stets eine schnelle und einfache Justage der Messaufbauten möglich. Bei großen Messbereichen oder umfangreichen Kalibrieraufgaben kann außerdem statt der verkabelten Standardtemperatursensoren auf drahtlose Funksensoren oder auf die modulare SIOS Klimamessstation zurückgegriffen werden, um alle Umweltgrößen unkompliziert und effektiv zu erfassen.

„Ausgehend von diesem Grundkonzept vereinen beispielsweise die Dreistrahl-Modelle der SP-TR-Reihe drei Laserinterferometer in einem“, erläutert Dr. Denis Dontsov. „Auf diese Weise werden hochpräzise simultane Weg- und Winkelmessungen zum Kinderspiel.“ Denn diese hinsichtlich der Abmessungen des Sensorkopfs lediglich wenige 

Zentimeter größeren Geräte nutzen für die drei Messkanäle nur einen He-Ne-Laser mit einer Langzeit-Laserfrequenzstabilität von 2·10-8, sodass auf einer Länge von bis zu 5 m synchron drei Werte mit Nanometergenauigkeit erfasst werden können. Ist zusätzlich zur linearen Position eine simultane Bestimmung des Nick- und Gierwinkels sowie der horizontalen und vertikalen Geradheit einer Bewegung erforderlich, so kann auf ein Kalibrier-Interferometer der neuesten Generation zurückgegriffen werden: die SP-C5-Serie. Bei diesem Vierstrahl-Interferometer ist der Geradheitsspiegel direkt am Sensorkopf angebracht, sodass auch hier mit Sensor und Reflektor nur zwei Komponenten zueinander ausgerichtet werden müssen. Damit ist das Gerät perfekt auf die speziellen Ansprüche von Maschinen- und Geräteherstellern abgestimmt, die ihre Kalibrierungen andernfalls mithilfe von mehreren linearen Positionierachsen vornehmen müssten. Die Genauigkeit des Gesamtsystems würde dabei durch das Zusammentreffen der rotatorischen und translatorischen Abweichungen beeinträchtigt. „Um den Ansprüchen der verschiedenen industriellen Einsatzzwecke zu genügen, sind unsere Interferometer neben der Standard-Ausführung jeweils als Vakuum-Version und in Sonderausführung für OEM-Anwendungen erhältlich“, fügt Dr. Denis Dontsov hinzu.

Kompatibilität der Systeme erlaubt mehrdimensionale Messungen

Mehrere – gleiche oder unterschiedliche – Single- und Multi-Beam-Interferometer aus dem Hause SIOS können zudem bei Bedarf miteinander kombiniert werden, wobei es möglich ist, sie mit nur einer Versorgungs- und Auswerteeinheit zu betreiben. Auf diese Weise können Messwerte synchron auf mehreren Achsen gleichzeitig erfasst werden. Der Thüringer Interferometrie-Spezialist bietet einerseits eine umfangreiche Produktpalette für eine große Bandbreite an Standardanwendungen an, andererseits stellen diese aber nur rund 60 Prozent des Sortiments dar. „Knapp die Hälfte unseres Produktspektrums besteht aus Geräten, die für spezifische Anwendungen unserer Kunden angepasst oder sogar neu entwickelt wurden“, erläutert Dr. Denis Dontsov abschließend. „So stellen wir sicher, dass jeder Kunde letztendlich genau das bekommt, was er benötigt.“

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