Konfokale Sensoren

Konfokale Sensoren

Definition

Konfokale Sensoren dienen zur optischen Abstandsmessung sowie zur zwei- und dreidimensionalen Oberflächenmessung von Werkstücken mit sehr hoher Präzision und Auflösungen bis in den Nanometerbreich. Zur Messung wird ein Lichtstrahl punktförmig auf die Messobjektoberfläche projiziert, der von derselben Optik reflektiert auf eine Photodiode bzw. ein Spektrometer abgebildet wird. Die Abstandsmessung basiert auf dem Prinzip, dass die Helligkeit auf dem Sensor ein Maximum erreicht, wenn sich das Messobjekt in einem definierten Abstand exakt im Fokuspunkt der Optik befindet. Außerhalb des Fokuspunktes wird das Licht durch eine Blende abgewiesen, wodurch die Helligkeit auf dem Sensor stark absinkt. 
Die Fokussierung erfolgt bei konfokalen Punktsensoren durch ein schwingendes Objektiv oder bei Autofokussensoren durch eine Nachstellbewegung des Objektivs in Richtung der Messachse. Konfokale Weißlichtsensoren messen dagegen die maximale Intensität von reflektiertem Licht verschiedener Spektralfarben, das entlang der Messachse abhängig von der Wellenlänge jeweils einen anderen Fokuspunkt aufweist. Über die Verschiebung des Farbspektrums zwischen den bekannten Fokuspunkten wird der Abstand zum Messobjekt berechnet.

 

Funktionsprinzip

Zur Abstandsmessung wird bei konfokalen Punktsensoren über ein schwingendes Objektiv ein Lichtpunkt auf die Messobjektoberfläche projiziert. Das reflektierte Licht wird von derselben Optik gesammelt und über eine Blende auf einen punktförmigen Sensor geleitet. Im Fokuspunkt erreicht die Leuchtdichte ein Maximum, während sie außerhalb des Fokuspunktes durch die Streuung stark abfällt. Durch ein auf und ab schwingendes Objektives wird während jeder Halbschwingung der gesamte Helligkeits-Intensitätsverlauf über den gesamten Messbereich erfasst und ausgewertet. 
Bei Autofokussensoren wird der Fokuspunkt ebenfalls über die maximale Leuchtdichte bestimmt, jedoch erfolgt die Scharfstellung über eine Nachstellbewegung des Objektivs innerhalb der Sensoreinheit, die ein Wegaufnehmer erfasst. Zur Scharfstellung wird das reflektierte Licht mit einem Strahlteiler ausgekoppelt und auf einen Detektor projiziert, der die Nachstellbewegung des Objektivs regelt. 
Konfokale Weißlichtsensoren arbeiten ohne bewegte Bauelemente nach dem konfokal-chromatischen Messprinzip, bei dem durch eine Optik polychromatisches Licht derart zerlegt wird, das entlang der Messachse der Fokuspunkt jeder Wellenlänge des Lichts in einem anderen Abstand zur Optik liegt. Jeder Wellenlänge des Spektrums ist dabei ein bestimmter Abstand zum Sensor zugeordnet, deren Fokuspunkt durch die werkseitige Kalibrierung bekannt ist. Die dominante Wellenlänge löst im Fokuspunkt auf dem Spektralsensor ein maximales Signal aus, die anderen Wellenlängen ein entsprechend abgeschwächtes Signal. Durch das vom Sensor erkannte Maximum im Farbspektrum ermittelt die Auswerteeinheit den Abstand. So sind auch die Messung von spiegelnden oder durchsichtigen Oberflächen und Schichten sowie die einseitige Dickenmessung von Glas möglich.

 

Einsatzbereich

Konfokale Sensoren dienen zur schnellen und berührungslosen Abstandsmessung und Oberflächenmessung mit sehr hoher Präzision. Anwendungsbereiche sind die Qualitätskontrolle durch Stichproben, zur 100-%-Kontrolle oder zur statistischen Prozessregelung. Das berührungslose Messprinzip gestattet die Messung von beliebigen Oberflächen unabhängig von Farbe, Werkstoff und Lichtverhältnissen. Konfokale Weißlichtsensoren können auch diffuse, spiegelnde oder transparente Oberflächen messen, selbst die einseitige Dickenmessung von transparenten Materialien ist möglich
Anwendungen finden sich in der Automobilzuliefer- und Automobilindustrie, Halbleiter- und Elektronikindustrie, der Glasindustrie und in anderen Branchen sowie im Labor- und Forschungsbereich.

Herstellerverzeichnis: Konfokale Sensoren

 Keyence Corporation, Osaka, Japan
 MICRO-EPSILON MESSTECHNIK GmbH & Co. KG, Ortenburg, Deutschland
 OPM Messtechnik GmbH, Ettlingen, Deutschland
 Precitec Optronic GmbH, Rodgau-Dudenhofen, Deutschland