Startseite » Sensorik »

Konfokal-chromatische Sensoren von Micro-Epsilon

Mit Weißlicht-Technologie zur Ultrapräzision
Konfokal-chromatische Messtechnik von Micro-Epsilon

Anzeige
Wenn hochgenaue Messergebnisse gefragt sind, sind optische Messverfahren unverzichtbar. Konfokal-chromatische Sensoren und die neuartigen Interferometer von Micro-Epsilon in Ortenburg arbeiten auf Basis der Weißlicht-Technologie. Eingesetzt werden beide Messsysteme zur Abstands- und Dickenmessung in Bereichen, in denen höchste Genauigkeit und Signalstabilität gefordert werden.

Licht wird in der Sensorik vielseitig genutzt. Rotes Laserlicht zählt hier zu den bekanntesten Lichtquellen und wird beispielsweise in Tastern, Lichtschranken und Sensoren genutzt. Zahlreiche Applikationen lassen sich dadurch präzise lösen. Der Sensorhersteller Micro-Epsilon setzt bei konfokal-chromatischen Sensoren wie auch bei den Interferometern auf die Weißlicht-Technologie, die das sichtbare weiße Licht sowie den Infrarotbereich umfasst. Bis in den Subnanometerbereich erfolgen stabile Abstands- und Dickenmessungen unter anderem auf Glas, Folien oder in der Halbleiterindustrie. Doch auch wenn beide Sensortypen mit der Weißlicht-Technologie arbeiten, so unterscheiden sich die beiden Messverfahren dennoch deutlich. Gleichzeitig ergänzen sie sich aber auch hervorragend und bilden ein leistungsfähiges Portfolio, das eine breite Anwendungsvielfalt und eine hohe Genauigkeit bietet.

Konfokal-chromatische Sensoren liefern mikrometergenaue Ergebnisse, überwiegend bei der Automatisierungs- und Fertigungsüberwachung in dynamischen, industriellen Inlineanwendungen. Die Interferometer von Micro-Epsilon sind in der Regel in solchen Anwendungen im Einsatz, die Nanometerpräzision in Verbindung mit hoher Signalstabilität einfordern wie in der Halbleiterindustrie oder der Präzisionsglasproduktion. Im Vergleich lassen sich die konfokal-chromatischen Systeme durchaus als die flexiblere Lösung bezeichnen, jedenfalls was die Anzahl der verschiedenen Sensoren und somit die Anwendungsvielfalt betrifft. Sie können entweder die Dicke von transparenten Objekten oder Abstände auf zahlreichen Oberflächen messen. Gekrümmte und insbesondere strukturierte Oberflächen werden mit konfokal-chromatischen Sensoren zuverlässig erfasst, denn diese Sensoren der Reihe confocalDT bieten einen Verkippungswinkel bis zu 48°. Daher sind auch Rundungen und Profile mit dem konfokalen System zuverlässig messbar. Auch beim Grundabstand und den Messbereichen ist das konfokal-chromatische System sehr flexibel. Das Interferometer hingegen eignet sich mit einem Messwinkel von 2° bestens für ebene Oberflächen wie sie bei Wafern vorhanden sind. Der Messbereich wird vom Controller vorgegeben und kann daher nicht so flexibel wie beim konfokal-chromatischen Messsystem geändert werden.

Uneingeschränkter Spitzenreiter in Sachen Genauigkeit ist allerdings das interferoMeter. Es ist das präziseste optische System im Portfolio von Micro-Epsilon. Auflösungen bis zu 30 pm können damit erreicht werden. Die Grenze des konfokalen Systems liegt bei 3 nm. Über analoge und digitale Schnittstellen wie Ethernet und Ethercat ist eine einfache Anbindung der beiden Sensorsysteme möglich. Eine Besonderheit ist die Konfiguration, die über ein benutzerfreundliches Webinterface erfolgt. Ohne Softwareinstallation erfolgt die Inbetriebnahme und Parametrierung auf einer verständlichen Benutzeroberfläche. Beide Systeme liefern mit ihren Vorteilen ein nahtlos ineinander übergehendes Produktportfolio für alle hochgenauen Anwendungen in Industrie, Forschung und Entwicklung, mit präzisen Ergebnissen bis in den Subnanometerbereich.

Das Messprinzip der confocalDT-Sensoren

Das konfokal-chromatische Messprinzip arbeitet mit polychromatischem Licht. Eine mehrlinsige Optik teilt dieses weiße Licht in die einzelnen Spektralfarben auf und fokussiert es in unterschiedlichen Abständen zum Sensor. Kurzwelliges, blaues Licht mit 400 nm wird stärker gebrochen als langwelliges, rotes Licht mit 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. Das Sensorsystem wertet die Wellenlänge für die Abstandsbestimmung aus, die sich exakt auf dem Messobjekt fokussiert. 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 Brechungsindex, beim Übergang verschiedener Materialien, wird ein Teil des Lichts zurück reflektiert. So lassen sich auch einseitige Dickenmessungen von transparenten Materialien durchführen. Für Multilayer-Messungen werden mehrere Abstandspunkte ausgewertet.

Messsysteme für industrielle Anwendungen

Konfokal-chromatische Sensoren bieten moderne Technologie vereint mit hoher Geschwindigkeit und maximaler Präzision. Mit dem Micro-Epsilon-Produktportfolio konfokal-chromatischer Sensoren werden schnelle Abstands- und Dickenmessungen beispielsweise in der Glasindustrie, der Medizintechnik, der Kunststoffproduktion oder im Bereich Consumer Electronics zuverlässig, berührungslos und verschleißfrei gelöst. Dank leistungsfähiger Controller und präziser Sensoren können feinste Details und Strukturen auf nahezu allen Oberflächen hochgenau gemessen werden.

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. Dank der sehr schnellen Belichtungszeitregelung kann das confocalDT auch bei Materialwechsel von matt zu glänzend und umgekehrt stabil messen. Der extrem kleine Messfleck, der je nach System nur wenige μm umfasst, ermöglicht Messungen auf winzigen Objekten, wie IC-Pins auf Leiterplatten, Bonddrähten oder kleinen Konturen mechanischer Teile. Bis zu fünf Schichten lassen sich mit der Mehrschichtmessung auswerten. Dadurch können auch mehrschichtige Objekte wie Verbundglas zuverlässig vermessen werden.

Messungen in Koordinatenmessmaschinen

Modernste Technologie ermöglicht beim confocalDT IFS2407-3 einen hohen Messwinkel von bis zu ±30°. Dadurch können gekrümmte und strukturierte Oberflächen zuverlässig und präzise erfasst werden. Des Weiteren bietet der Sensor einen großen Messbereich von 3 mm, eine numerische Apertur (NA) von 0,53 und einen hohen Grundabstand von 28 mm. In Verbindung mit dem großen Messwinkel sind diese Sensoren für Geometrieprüfungen in Koordinatenmessmaschinen prädestiniert. Besonders auf Oberflächen wie Zahnrädern oder Außengewinden werden stabile und hochgenaue Ergebnisse ausgegeben.

Das Messprinzip des interferoMeters

Das Messprinzip eines Interferometers basiert auf der Wellennatur des Lichts. Diese führt dazu, dass sich überlagernde Wellen entweder verstärken oder auslöschen können, je nachdem, ob Wellenberg auf Wellenberg oder Wellenberg auf Wellental treffen. Teilt man einen Lichtstrahl so auf, dass er verschiedene Wege nimmt und sich die beiden Teilstrahlen im Anschluss wieder überlagern, tritt eine Interferenz auf, die von der Differenz der beiden Wege abhängig ist. Ändert sich die Länge eines der beiden Wege um eine halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts, so führt das zu einem kompletten Wechsel von positiver Interferenz (Verstärkung) zu negativer Interferenz (Auslöschung). Damit ist die Messmethode sehr empfindlich, die Genauigkeit reicht bis in den Sub-Nanometer-Bereich. Um mit dieser Methode zum Beispiel Abstände zu messen, wird einer der beiden Teilstrahlen am Messobjekt reflektiert und anschließend mit dem Referenzstrahl überlagert. Ändert sich der Abstand zum Messobjekt, lässt sich diese Abstandsänderung sehr empfindlich an der Interferenz feststellen. Sollen Dicken etwa von Folien oder Gläsern gemessen werden, wird ausgenutzt, dass sowohl Vorder- als auch Rückseite des Messobjekts reflektieren. Dickenänderungen sorgen dann ebenfalls für die Änderung des Interferenzsignals zwischen den beiden Oberflächen. Ein separater Referenzstrahl ist dabei nicht notwendig. Eine Besonderheit der Dickenmessung: Da die beiden interferierenden Teilstrahlen von der Ober- und Unterfläche stammen, ist das Messergebnis unabhängig vom Abstand zum Messobjekt.

Interferometer für Nanometergenauigkeit

Die Sensoren der Reihe interferoMeter von Micro-Epsilon erreichen mit einer Auflösung von 30 pm eine hohe Präzision in der optischen Messtechnik. Je nach Anwendung stehen drei verschiedene Ausführungen zur Verfügung: das IMS5400-DS für hochpräzise und industrielle Abstandsmessungen, das IMS5600-DS mit vakuumtauglicher Ausführung für Abstandsmessungen in Sub-Nanometer-Genauigkeit sowie das IMS5400-TH für hochpräzise Dickenmessungen.

Das IMS5400-TH wird zur Dickenmessung von dünnen transparenten Materialien eingesetzt. Die Messung erfolgt mit nur einem Sensor unabhängig vom Abstand zum Messobjekt, wodurch Flattern oder Positionierunregelmäßigkeiten ignoriert werden können. Dank der nah-infraroten Lichtquelle können auch Dickenmessungen von anti-reflexbeschichtetem Glas durchgeführt werden.

Das IMS5400-DS wird zur industriellen Abstandsmessung eingesetzt. Das Messsystem liefert absolute Messwerte und kann beispielsweise Stufen und Kanten zuverlässig und ohne Signalverlust erfassen. Das IMS5600-DS ist für Abstandsmessungen im Reinraum und im Vakuum (bis UHV) konzipiert. Ein Sonderabgleich des Controllers ermöglicht eine Sub-Nanometer-Auflösung, die beispielsweise bei der Wafer-Ausrichtung oder bei der Stagepositionierung erforderlich ist.

Die interferoMeter bestehen aus einem Controller, einem Sensor und einem Lichtleiterkabel. Die Sensoren sind für industrielle Messaufgaben entwickelt worden. Daher sind sie mit robusten Metallgehäusen und flexiblen Kabeln ausgestattet. Dank der kompakten Bauformen können die Sensoren auch in beengten Bauräumen integriert werden.

Stabile Dickenmessung von Flachglas

Bewegliches Flachglas ab nur 35 μm bis 1,4 mm Dicke wird vom interferoMeter auf ±100 nm genau erfasst. Dabei kann sich das Glas in einem Arbeitsbereich von 7 mm bewegen. Um die gleiche Genauigkeit mit konfokalen Sensoren zu erzielen, müsste ein extrem kleiner Messbereich von nur 100 μm gewählt werden. Während konfokal-chromatische Sensoren bei Glas, das in der Produktionslinie durch den Messbereich läuft, jeweils eine andere Wellenlänge fokussieren, nutzt das Interferometer die Glasrückseite als Referenz. Dies ermöglicht auch bei Schwingungen und Abstandsänderungen des Messobjekts hochgenaue und stabile Ergebnisse.

Weitere Details:

http://hier.pro/Mf165

Kontakt:
Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG
Königbacher Str. 15
94496 Ortenburg
Tel: +498542 1680
www.micro-epsilon.de
info@micro-epsilon.de

Die Weißlicht-Technologie ermöglicht hohe Genauigkeit und Signalstabilität
Bild: Micro-Epsilon


Hier finden Sie mehr über:
Anzeige
Festo: Digitalisierung

Smartenance

Die Digitalstrategie von Festo im Überblick

Video

So war das mit den Messen vor dem Auftauchen des Coronavirus: Blicken Sie mit uns zurück auf die SPS in Nürnberg...

Aktuelle Ausgabe
Titelbild elektro AUTOMATION 11
Ausgabe
11.2020
LESEN
ABO
Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Automation Award

Automation Award
Die Abstimmung für die nominierten Produkte läuft. Hier können Sie sich die Produkte ansehen und abstimmen!

Videos

Hier finden Sie alle aktuellen Videos

Whitepaper

Hier finden Sie aktuelle Whitepaper

Anzeige
Anzeige

Industrie.de Infoservice
Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de