Die Macht der Gradienten-Linsen

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1 Titelthema Konfokale Sensoren Der K&E-Report: Revolutionärer Glasstab in 4 mm-titangehäuse. Dahinter der neue, robuste optoncdt 2401-Controller und der große Vorgänger, der 40 mm Sensor optoncdt Das konfokale Sensorsystem nutzt gezielt den Farbfehler des Lichts (chromatische Aberration) einen physikalischen Effekt, der eigentlich sonst nur stört. Die Macht der Gradienten-Linsen Nanometergenau Weg und Abstand gegen fast alle, besonders auch spiegelnde Oberflächen messen. Das klingt nach sensorischer Allzweckwaffe, zumal die neuen konfokalen Sensoren von Micro-Epsilon in radialer Variante sogar in Bohrungen und Vertiefungen dem triangulatorischen Prinzip überlegen sind. Geschäftsführer Johann Salzberger verrät, was die derzeit einmaligen, nur 4 mm starken Sensoren jetzt schon berührungslos, und daher sehr exakt, unter die Lupe nehmen und welches Potenzial in ihnen steckt. Das kann sonst noch keiner, betont Micro-Epsilon-Geschäftsführer Johann Salzberger, und meint damit nicht nur um die Dimensionen von nur 4 mm Gehäuse- Außendurchmesser, sondern vor allem die bislang unerreichten Eigenschaften seiner neuen, ja revolutionären konfokalen Weg- sensoren. Wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist es, dass die Beschaffenheit der Oberfläche keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Messung hat. Selbst reflektierende oder transparente Oberflächen, die bei anderen Messverfahren schnell zu Fehlern führen können, misst das System präzise. Der Messfleck ist je nach Typ des Sensors nur wenige µm groß und bleibt auch bei wechselnden Messabständen konstant. Dadurch lassen sich sehr hohe Auflösungen in alle Richtungen realisieren. In der Messrichtung beträgt die minimal messbare Abstandsänderung 3 nm. Das System eignet sich so- 22 KONSTRUKTION & ENTWICKLUNG 3/2007

2 Johann Salzberger: Unsere konfokalen Sensoren liefern extrem hohe Auflösung, für alle Oberflächen, einen winzigen konstanten Messfleck und vor allem einseitige Dickenmessung gegen transparente Materialien. Durch Ionenaustauschprozesse in Spezialgläsern erzeugt mit besonders für dreidimensionale Topographiemessungen von Oberflächen. Im Gegensatz zu Systemen, die mit Laserlicht arbeiten, sind keinerlei Vorsichtsmaßnahmen notwendig. Da standardmäßig eine LED als Lichtquelle zum Einsatz kommt, muss der Anwender die Laserschutzverordnung nicht berücksichtigen. Zwei Drittel aller von Micro-Epsilon verkauften Sensoren funktionieren mittlerweile berührungslos. Und nach Einschätzung von Johann Salzberger werden die optischen Messprinzipien auch künftig die Szene dominieren. Bis auf die Schmutzempfindlichkeit der Optiken kann diese Sensoren vor allem kein elektromagnetisches Feld und kein Verschleiß von sehr hoher Auflösung, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit abbringen. Lichtfarbe verrät Distanz zum Messobjekt Prinzipiell nutzt Micro-Epsilon für die konfokale Messmethode gezielt die chromatische Aberration (Farbfehler) des Lichtes, also die unterschiedliche Brechung von Licht in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge. Dieser Effekt führt eben auch zur Entstehung eines Regenbogens oder der Aufspaltung von weißem Licht durch ein Prisma. Das nach Einschätzung von Johann Salzberger derzeit weltweit einmalige optische Sensorsystem dieser Größe besteht aus einem Controller und einem Sensor. Da die konfokalen Sensoren eine LED verwenden, deren Licht vom Controller durch einen Lichtwellenleiter zum Sensor transportiert wird, können so Distanzen von bis zu 50 m zwischen Controller und Sensor problemlos überbrückt werden, betont Johann Salzberger. Dies sei besonders in Ex-geschützten Bereichen ein unschätzbarer Vorteil, so der Geschäftsführer für Vertrieb und Marketing. Dabei durchläuft das polychromatische, also weiße Licht der LED im Sensor eine Optik aus mehreren Linsen, die das Licht auf die Oberfläche des zu messenden Objekts fokussieren. Die Linsen sind dabei so angeordnet, dass eine gezielte chromatische Aberration auftritt. Das bedeutet, dass Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge oder Farbe unterschiedlich stark fokussiert wird. Der Fokus für blaues Licht liegt demnach naturgemäß näher am Sensor als der für rotes Licht. Das von der Oberfläche reflektierte Licht durchläuft zurück im Controller wiederum eine Optik, die es auf ein lichtempfindliches Sensorelement (CCD) abbildet. Das Sensorelement erkennt das Spektrum des reflektierten Lichts und bestimmt durch Auswertung der Farbe die Distanz zum Messobjekt. Durch die Kalibrierung im Prüflabor von Micro-Epsilon in Ortenburg, wird dann jeder Lichtwellenlänge und Farbe eine bestimmte Distanz zum Messobjekt zugeordnet. Aufgrund der Lichtwellenlängen wird eine Auflösung von wenigen Nanometern erreicht. Bei den konfokalen Sensoren haben wir einen physikalischen Effekt genutzt, der sonst eigentlich stört. Bei diesem Linsenfehler, der durch die Übergänge des Lichts von Luft und Glas sowie den lichtwellenabhängigen Brechungsindex hervorgerufen wird, fokussiert normalerweise nur eine Farbe scharf. Wir haben das Prinzip umgedreht: Wir sehen welche Farbe im Fokus ist und gewinnen daraus die Abstandsinformation, erklärt Johann Salzberger. Das von Micro-Epsilon entworfene Linsensystem streckt den Fokusbereich des Lichts.. Größter Vorteil daraus ist nach Angaben von Johann Salzberger vor allem die Tatsache, dass nun auch spiegelnde Oberflächen exakt vermessen werden können. Das Geheimnis steckt auch hier natürlich im Detail: In Zusammenarbeit mit einem Unternehmen, das sich auf Linsentechnik spezialisiert hat, haben wir die Glasstäbe entwickelt. Auf nur 4 mm Durchmesser drängen sich in verschiedenen Anordnungen mehrere konkave und konvexe Gradienten-Linsen., skizziert Johann Salzberger. Diese Linsen würden durch Inonenaustauschprozesse in Spezialgläsern erzeugt. Im neuen Controller 20 Sensoren hinterlegbar Die ebenfalls neuen Controller erzeugen das Licht über eine interne LED. Wir haben die Controller nicht nur kleiner, sondern auch mehr industrie-like konzipiert. So seien die jetzt deutlich robusteren Ausführungen nach Erfahrung von Johann Salzberger voll unter harten Produktionbedingungen einsetzbar und obendrein für Hutschienen- und Schaltschankmontage vorbereitet. Die CCD-Ausführung IFC 2401 lässt eine Messrate von 2 khz zu. Beim IFC 2431 ermöglicht eine externe Xenonlampe, die über einen Einschub angebracht wird, eine erhöhte Abtastrate. Die hohe Lichtintensität dieser Lampe im Zusammenspiel mit einer schnellen CMOS-Matrix steigert die Messrate auf 30 khz. Trotz der gesteigerten Leistung sind beide Controllertypen in ihren Abmes- KONSTRUKTION & ENTWICKLUNG 3/

3 Titelthema Konfokale Sensoren sungen wesentlich kompakter als ihre Vorgänger. Zudem können nun Sensoren mit unterschiedlichen Messbereichen verwendet werden, da die Kennlinien von bis zu 20 Sensoren im Controller hinterlegbar sind. Ausgestattet mit zwei analogen Ausgängen, RS232, RS422 und USB 2.0 ist der Controller für den industriellen Einsatz gut gerüstet. Die nun von Micro-Epsilon komplettierte konfokale Produktgruppe umfasst damit Standardsensoren opto- NCDT 2400 und optoncdt 2401, die Miniatursensoren optoncdt 2402 und die kompakten Controller IFC 2401 sowie IFC Mit unserem konfokalen Sensoren sind schon während der Produktion für die Qualitätssicherung normale Abstandsmessungen gegen Oberflächen, Flüssigkeiten, aber auch exakte Dickenmessungen von Glas- und sogar Verbundscheiben mit einem Sensor und von einer Seite kein Problem mehr, betont Johann Salzberger Triangulatorisch sehr schwierig Dies sei mit triangulatorischen Sensoren sehr schwierig, da vor allem bei Glasscheiben kaum eindeutige und meist nur zu schwache Lichtpunkte ermittelbar seien. Zwar bringen die konfokalen Sensoren fast immer das klarere Signal, aber entscheidend ist natürlich auch die Auswertung der Signale auf der CCD, also wie gut die Software das Maximum finden und interpretieren kann, deutet Johann Salzberger die digitalen Tricks seiner Softwareentwickler an. 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 Messungen sind die konfokalen Miniatursensoren optoncdt2402, die mit nur 4 mm Gehäuse-Durchmesser in viele Vertiefungen und Spalte vordringen können. Für Oberfläche, Dicke, Abstand von Kondensator bis Folie Eine weitere interessante Möglichkeit ist die Dickenmessung von transparenten Folien, Platten oder Schichten. Auch hier wird im Gegensatz zu anderen Verfahren nur ein Sensor benötigt. Für die Messung werden die Reflexionen der Fokuspunkte auf der vorderen und hinteren Oberfläche ausgewertet. Allerdings dürfen nach Angaben von Johann Salzberger auch hier keine optisch dichten Schichten enthalten sein. Wichtig sei für die punktförmige Messung die Sauberkeit der Oberfläche, allgemein anzustreben das Ausschalten der optischen Killerkriterien Staub und überproportionale Feuchtigkeit in der Luft. Nochmal deutlich schneller werden unsere konfokalen Sensoren, die wir ureigens zur Abstands- und Dickenmessung entwickelt haben, aufgabenabhängig durch Verwendung einer externen Lichtquelle im Controller. Große Vorteile verspricht Johann Salzberger beispielsweise auch bei der Produktion von Kondensatoren. Dort müssen Rohlinge exakt in eine Wanne mit Lösungsmittel eingetaucht werden. Um Haltbarkeit und Kurzschlusssicherheit der Kondensatoren sicherzustellen, ist es nötig, die Rohlinge exakt entsprechend der Vorgaben einzutauchen. Dafür muss der Füllstand des Lösungsmittels in der Wanne genau stimmen. Die geforderte Genauigkeit der Füllhöhe, die durch Messungen kontrolliert werden muss, beträgt 50 µm. Die spiegelnde Flüssigkeitsoberfläche und die Lösungsmitteldämpfe stellen zusätzliche hohe Anforderungen an das Messsystem. Die Messung des Füllstands durch Lasertriangulation würde einen komplizierten Messaufbau erfordern, der zusätzlich aufwendig justiert werden müsste. Denn wenn der Kondensatorrohling in das Lösungsmittel eintaucht, können dabei Wellenbewegungen an der Oberfläche der Flüssigkeit entstehen. Diese würden den Laserstrahl undefiniert ablenken und so das Messsignal unterbrechen, so dass keine zuverlässige Auswertung möglich ist. Zum Einsatz kommt daher ein konfokaler Sensor mit einem Messbereich von 24 mm, der in einem Schutzgehäuse mit O-Ring untergebracht ist. Die Lösungsmitteldämpfe, welche die Messung behindern könnten, werden so konstruktiv von der Optik ferngehalten. Zusätzlich wird das Schutzgehäuse beheizt, wodurch verhindert wird, dass die Lösungsmitteldämpfe an der Optik kondensieren. Der Dickenmessung von Hülsen: Zwei synchronisierte Sensoren erfassen in einer zweiseitigen Anordnung die Bodendicke von Hülsen. Flüssigkeitspegel im Fokus: Konfokale Sensoren messen nicht nur gegen spiegelnde Oberflächen, sondern auch gegen Oberflächen von Flüssigkeiten. Oberflächen-Scan: Die nm-genaue Auflösung ist besonders für Oberflächen-Scans geeignet, wie für die Anwesenheitskontrolle auf Leiterplatten. 24 KONSTRUKTION & ENTWICKLUNG 3/2007

4 Controller, an dem der Sensor über einen 10 m langen Lichtwellenleiter angebracht ist, befindet sich außerhalb des Ex- Schutzbereiches. Mit dieser Messanordnung konnte die Genauigkeitsanforderung sogar noch weit unterboten werden. Insgesamt beträgt die Messgenauigkeit 10 µm. Die Messung der exakten Füllstände lässt sich laut Johann Salzgeber auch gut in der Pharma-Industrie zur Probenanalyse einsetzen. Prädestiniert sind die berührungslosen Sensoren auch für Einsätze in der Halbleiterindustrie. Bei diesen Oberflächen-Scans zur Prüfung von Höhenunterschieden, Pins und deren Steckplätzen treten unserer Erfahrung nach deutlich weniger Probleme auf vor allem bei extremen Oberflächenunterschieden, so Johann Salzberger. Auflösung: 0,004 % des Messbereichs Für das konfokale System stellt Micro-Epsilon eine Vielzahl von Sensortypen bereit. Der mögliche Messbereich variiert von 120 µm bis zu 25 mm. Die Miniatursensoren mit nur 4 mm Durchmesser sind sowohl mit axialer als auch mit radialer Messrichtung erhältlich und somit auch für Tauchgänge in Bohrlöcher und Versenkungen zur Inspektion kleinster Innenwände prädestiniert. Die Auflösung der Sensoren beträgt 0,004 % des Messbereichs. Die Montage der Sensoren ist vergleichsweise unproblematisch, da speziell bei diffus reflektierenden Oberflächen eine große Verkippung von 80 oder 50 bei der Miniaturausführung toleriert wird. Bei spiegelnden Oberflächen darf die Verkippung je nach verwendetem Sensor zwischen 1,5 und 43 betragen. Das Messsystem kann bei Temperaturen von 10 bis 50 C betrieben werden. Die Temperaturstabilität beträgt dabei 0,01 % des Messbereichs pro 1 C. Das Sensorsystem erreicht mit externer Xenonlampe eine Messrate von maximal 30 khz. Dadurch ist der Einsatz des konfokalen Systems auch für dyna- Die radialen Miniatursensoren inspizieren auch in Bohrlöchern und Versenkungen die Innenwände. Extreme Auflösung: Die konfokalen Sensoren ermöglichen optische Messungen im Submikrometerbereich. So lassen sich kleinste Veränderungen der Struktur oder Verschiebungen äußerst genau auflösen.

5 Titelthema Konfokale Sensoren Kalibrierung: Hier werden die neuen konfokalen Wegsensoren auf ihre berührungslose und sehr präzise Messaufgabe vorbereitet. Kleiner, robuster, genauer Wirbelstromsensor; präziser, temperatur- und metallunkritischer kapazitiver Sensor; größter Messbereich mit der Lasertriangulation; und kleinster Linearitätsfehler für den hochpräzisen konfokalen Sensor. Trend: berührungslose Sensoren In Ortenburg steht der genaueste Wirbelstromsensoren-Prüfstand den Micro-Epsilon jetzt zusätzlich mit optischem Messsystem verfeinert hat. Wo Messobjekte oder hochempfindliche Oberflächen nicht beschädigt werden dürfen und ein Sensor verschleißfrei arbeiten muss, dort sind nach Erfahrung von Micro-Epsilon die berührungslosen Wegsensoren nicht mehr wegzudenken. Die Ortenburger bieten in ihrem umfangreichen Portfolio vier Typen wichtige und in der Anwendung weit verbreitete Abstandssensoren an. Die kapazitiven, konfokalen, Wirbelstrom- und optischen Sensoren definieren die Micro-Epsilon- Präzision mindestens mit einer Linearität kleiner 0,2 %, Auflösung unter 0,01 %, Messrate über 5 khz und einer Temperaturstabilität von unter 0,05 %. Das Wirbelstrom-Messprinzip mit kleinen Sensorbauformen, hoher Messgenauigkeit, Unempfindlichkeit gegen Schmutz, Feuchte, Öl, dielektrische Werkstoffe im Messspalt und hohe Drücke spielt bei allen elektrisch leitenden Metallen seine Vorteile aus. Einschränkungen: Ausgangssignal und Linearität sind abhängig von elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Mess-objekts, individuelle Kalibrierung und Linearisierung ist nötig, Sensorkabellänge bei Standard auf 15 m begrenzt und der Sensordurchmesser und damit effektiver Messfleckdurchmesser nimmt mit dem Messbereich zu. Die Vorteile der kapazitiven Sensoren sind gleich bleibende Empfindlichkeit und Linearität für alle Metalle, vergleichsweise höchste Temperaturstabilität, auch für Isolatorwerkstoffe als Messobjekt nutzbar und eine hohe Flexibilität in der geometrischen Gestaltung der Sensorbauform lassen diese Sensoren in Bremsscheiben-Prüfständen den Verschleiß ermitteln oder dienen zur nanometergenauen Justage von Linsen in Objektiven für die Waferbelichtung. Einschränkung: geringe Kabellänge, reagiert empfindlich auf Änderungen des Dielektrikums im Messspalt und ist daher nur in sauberer und trockener Umgebung einsetzbar. Das Lasertriangulationsprinzip sammelt Pluspunkte mit seinem vergleichsweise größtmöglichen Grundabstand zwischen Messobjekt und Sensor, kleinem Messfleckdurchmesser, großen Messbereichsspannen und seiner fast gänzlichen Materialunabhängigkeit. Eingeschränkung erfährt die Lasertriangulation durch den bedingten Einfluss der Oberflächeneigenschaften auf die Messgenauigkeit, die nötige saubere Umwelt im Strahlengang, die relativ großen Sensorabmessungen und die Tatsache, dass spiegelnde Oberflächen nur mit spezieller Sensorausrichtung messbar sind. Beispiel Roboter-Kalibriersystem. Micro-Epsilon entwickelt generell Mechanik, Elektronik, Software und Sensorik selbst und fertigt Losgröße 1 bis weit über Stück. mische Messaufgaben problemlos möglich. Wie die konfokalen Sensoren, so eigenen sich nach Erfahrung von Johann Salzberger sämtliche berührungslosen Pentants eben durch ihre Verschleißfreiheit besonders für die Automation von Produktions- und Prüfprozessen. Qualitätsprüfung so früh wie möglich im Produktionsprozess ist das Stichwort. Vor allem die berührungslosen Sensoren überwachen heute bereits vielfach im Fertigungsprozess ohne Krafteinwirkung Produkt- oder Maschineneigenschaften und können so die Maschinensteuerungen schon tendenziell mit Daten zur Prozessoptimierung und damit für 26 KONSTRUKTION & ENTWICKLUNG 3/2007

6 Micro-Epsilon in Kürze Leistungsfähiger Mess- und Prüfanlagenbau: Diese kapazitiven Sensoren ermitteln in der Produktion die Güte von gerade produzierten und auf der Rutsche luftgelagerten Kurbelwellen-Halbschalen mit einer Wiederholgenauigkeit von 0,2 bis 0,3 µm. Der Kick: die Sensoren sind auf jeden Halbschalentyp einstellbar. längere Maschinenverfügbarkeit versorgen und nicht erst an den vollendeten Losgrößen, warnt Johann Salzberger. Gegenüber taktilen Systemen könnten die Berührungslosen wesentlich höhere Taktraten zulassen. Der produktive Flaschenhals sei heute eher auf der mechanischen Seite zu finden. Die Sensorik kann da deutlich mehr leisten. Unsere mittlerweile sehr komplexen Systeme tragen ganz wesentlich dazu bei, dass nicht nur die Prozesse qualitativ sicherer geworden sind, sondern auch der gesamte Maschinen- und Anlagenbau am Standort wesentlich rentablere Produkte hervorbringt als im Ausland, so Johann Salzberger. Messen Sie schon konfokal? Mail bitte an: Seit 1968 trägt Micro-Epsilon maßgeblich zur Lösung von Mess- und Prüfaufgaben von Weg, Abstand und Position bei. Das im niederbayrischen Ortenburg ansässige Familienunternehmen bietet heute nach Angaben von Geschäftsführer Johann Salzberger europaweit die breiteste Palette an: Wir beherrschen in der Gruppe sämtliche aktuellen Technologien. Von der Lasersensorik in Dresden bei unserer Tochter Micro-Epsilon Optronic, der Mikroelektronik bei Micro-Hybrid in Hermsdorf oder die Infrarottechnologie durch die 2005 neu gegründete Optris in Berlin. Über Ingenieurjahre an kumulierter Erfahrung haben die Ortenburger laut Johann Salzberger zu einem angesehenen Partner der Industrie weltweit gemacht. Rund 170 Mitarbeiter sind in der Zentrale mit der Entwicklung, Fertigung und dem Einsatz von Wegsensoren beschäftigt, davon ein überdurchschnittlicher Teil in F&E. Sechs Auslandsniederlassungen in der Schweiz, Frankreich, England, Amerika, Tschechien und China komplettieren die weltweite Präsenz. Auf der Produktseite sind es sieben Sensortypen für Weg, Abstand, Länge und Position von eben konfokalen bis induktiven, mit Seilzug- sowie Laser-Laufzeit-Wegsensoren. Zwei weitere Laser-Sensorsysteme für dimensionelle Größen mit Laser-Profilsensoren und optischen Mikrometern. Dazu IR-Temperatursensoren und das mittlerweile große Feld der anwendungsspezifischen Lösungen mit Spezialsensoren und OEM-Sensoren, Bildverarbeitungssystemen sowie Mess- und Prüfanlagenbau. KONSTRUKTION & ENTWICKLUNG 3/