Einseitige optische Glasdickenmessung

Das neue optische Messsystem optoNCDT 2401 (Abbildung 1) der Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG aus Ortenburg beruht auf einem optischen Messprinzip, das die so genannte chromatische Aberration des Lichtes gezielt ausnutzt. Darunter versteht man die unterschiedliche Brechung von Licht in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge. Der Effekt führt zum Beispiel zur Entstehung eines Regenbogens oder der Aufspaltung von weißem Licht durch ein Prisma.

Konfokales Messprinzip

Das neuartige optische Sensorsystem besteht aus einem Controller und einem Sensor. Es verwendet eine LED, deren Licht vom Controller durch einen Lichtwellenleiter zum Sensor transportiert wird. Dieser Lichtwellenleiter kann bis zu 50 m lang sein, wodurch es möglich ist, den Controller weit entfernt vom Sensor unterzubringen. Dies ist besonders in Ex-geschützten Bereichen ein unschätzbarer Vorteil. Das polychromatische (weiße) Licht der LED durchläuft 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 näher am Sensor als der für rotes Licht (Abbildung 2). Das von der Oberfläche reflektierte Licht durchläuft zurück im Controller wiederum eine Optik, die es auf ein lichtempfindliches Sensorelement abbildet. Das Sensorelement erkennt das Spektrum des reflektierten Lichts und bestimmt durch Auswertung der Farbe die Distanz zum Messobjekt. Durch eine, bereits beim Hersteller vorgenommene Kalibrierung, wird jeder Lichtwellenlänge bzw. Farbe eine bestimmte Distanz zum Messobjekt zugeordnet.

Verfahren bietet viele Vorteile

Ein 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 somit 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.

Neuartige Controller für anspruchsvolles Messsystem

Zu den neuen Sensoren werden auch zwei neue Controller vorgestellt. Beide arbeiten standardmäßig mit einer LED als Lichtquelle. Damit erreichen beide Controller eine Messrate von 2 kHz. Der Controller IFC 2431 verfügt zusätzlich zur LED über einen Einschub für eine externe Xenonlichtquelle. Durch die hohe Intensität des Xenonlichts und zusammen mit einer schnellen CMOS-Matrix steigt die Messrate auf 30 kHz. Ausgestattet mit zwei analogen Schnittstellen, USB, RS232 und RS422 wird die Integration in bestehende Systeme um einiges erleichtert.

Auch schwierige Messaufgaben lösbar

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 einen Durchmesser von nur 4 mm haben (Abbildung 4). Eine weitere interessante Möglichkeit ist die Dickenmessung von transparenten Folien, Platten oder Schichten. Im Gegensatz zu anderen Verfahren benötigt das System für eine derartige Messung nur einen Sensor. Für die Messung werden die Reflexionen der Fokuspunkte auf der vorderen und hinteren Oberfläche ausgewertet.

Verschiedene Sensortypen erhältlich

Für das System ist eine Vielzahl von Sensortypen erhältlich. Der mögliche Messbereich variiert von 120 µm bis zu 25 mm. Die Miniatursensoren, die nur einen Durchmesser von 4 mm haben, sind sowohl in axialer als auch in radialer Ausführung erhältlich. 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° bzw. 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 Systems auch für dynamische Messaufgaben möglich.

Sicherheitsprüfung bei Verbundsicherheitsgläsern

In der Produktion von Scheiben für Kfz werden seit vielen Jahren Sicherheitsgläser eingesetzt. Speziell für die Windschutzscheibe darf nur Verbund-Sicherheitsglas verwendet werden. Dieses Glas besteht aus zwei oder mehr Scheiben, zwischen denen eine klebende Kunststofffolie verhindert, dass bei einem Unfall Glassplitter umherfliegen. Dieser Kunststoff besteht entweder aus Polyvinylbutyral oder Gießharz, stark klebende Materialien, welche die Scheiben fest miteinander verbinden. Der Kunststoff wird in der Produktion als Folie zwischen die Scheiben gespannt. In einem Autoklaven verschmilzt die Folie unter hoher Temperatur und Druck mit den zwei Scheiben. Dabei kann es vorkommen, dass die Dicke der Kunststoffschicht nicht über die ganze Scheibe konstant ist. Bei Bruch der Scheibe würde diese Stelle die gesetzlichen Anforderungen nicht erfüllen. Es könnten Splitter umherfliegen und Personen verletzt werden. Deshalb muss die Dicke der Kunststoffschicht stichprobenartig kontrolliert werden.

Lasertriangulations-Sensoren können bei Gläsern nur bedingt eingesetzt werden. Der Laserstrahl würde die Scheibe ungehindert durchdringen und kann damit keine Schichtdicke im Innern von transparenten Materialien bestimmen.

Deshalb werden für diese spezielle Applikation konfokale Sensoren mit 10 mm Messbereich verwendet. Der Sensor erreicht dabei eine Auflösung von 0,4 µm. Um den Grundabstand des Sensors konstant zu halten wurde eine kleine Konstruktion um den Sensor entwickelt, so dass dieser nur noch auf die Scheibe aufgesetzt werden muss, bevor die Messung starten kann.Die Messergebnisse werden dabei über einen Lichtwellenleiter zu den 10 m entfernten Controller übertragen. Dieser Abstand ermöglicht ein sicheres und freies Arbeiten.

Der Sensor erfasst die Distanz der einzelnen Schichtübergänge in der Scheibe, wie bspw. von Glas auf Kunststoff. Es werden vier Punkte je Messung festgestellt, wobei die Differenz der beiden inneren Punkte die Dicke der Kunststofffolie bedeutet.

Nur wenn die Folie eine konstante Dicke aufweist, ist die Produktion in Ordnung und die Scheiben können ausgeliefert werden.

Fazit: Vielfältig einsetzbares System

Das Messsystem ist für eine Vielzahl von Anwendungen in unterschiedlichsten Branchen geeignet. Mit seiner sehr hohen Auflösung eignet es sich für die Messung von Dicken, Füllständen und Oberflächentopologien. Neben den oben genannten Beispielen wird das System bereits für Anwendungen in der Elektronikproduktion, in der Dimensionsprüfung, in der Prozessindustrie und im Labor eingesetzt.

Künftig sieht das Unternehmen viele Anwendungen im Pharma Bereich für dieses Produkt.

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