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INDUSTRIELLE AUTOMATION 5/2020

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INDUSTRIELLE AUTOMATION 5/2020

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Dr.-Ing. Alexander Streicher ist Produktmanager Sensorik bei der MICRO-EPSILON MESSTECHNIK GmbH & Co. KG in Ortenburg 01 Neue Perspektiven eröffnen Weißlicht-Interferometer ermöglichen berührungslose Abstandsund Dickenmessungen mit Nanometer-Präzision Die Anforderungen an die Abstands- und Dickenmessung sind in vielen Anwendungen hoch. Folien, Flachglas, Computer-Festplatten, Displays oder Halbleiterwafer müssen mit enormer Genauigkeit gefertigt werden. Eine entsprechend präzise Messtechnik ist die optische Interferometrie. Ein Unternehmen stellt gleich drei neue Messsysteme vor, die auf diesem Prinzip basieren. Lesen Sie mehr. terferenz (Auslöschung). Damit ist die Messmethode empfindlich, die Genauigkeit liegt im Nanometer- oder sogar im 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 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 ebenfalls für die Änderung des Interferenzsignals – 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. Superlumineszenz-Diode (SLD) als geeignete Lichtquelle Eine der Grundvoraussetzungen für Interferometer ist kohärentes Licht. Kohärenz bedeutet anschaulich gesprochen, dass ein Wellenfeld im „Gleichtakt“ schwingt. Nur dann ist eine Überlagerung der Lichtwellen möglich, die zur Interferenz führt. Sehr kohärentes Licht lässt sich beispielsweise mit einem Laser erzeugen. Dessen Licht ist i.d.R. monochromatisch, und die Lichtwellen sind phasengleich. Eine andere ideal für 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 trifft. 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 Indie Interferometrie geeignete Lichtquelle ist die Superlumineszenz-Diode (SLD). Diese kombiniert die Vorteile von Laserdioden und herkömmlichen LED. SLD haben eine hohe Ausgangsleistung und gleichzeitig ein breites Spektrum – sie emittieren also quasi ein weißes Licht. Die neuen Interferometer von Micro-Epsilon Messtechnik verwenden eine solche SLD als Lichtquelle. Das verwendete Spektrum hat seinen Schwerpunkt im nahen Infrarotbereich bei etwa 840 nm. Insgesamt sind drei verschiedene Serien des High- Performance-Messgeräts erhältlich. Mit dem Interferometer vom Typ IMS5400-DS lassen sich hochpräzise Abstandmessungen in industriellen Anwendungen durchführen. Das Interferometer vom Typ IMS5600-DS schließlich ist für Abstandsmessungen geeignet, die in Vakuum-Anwendungen durchgeführt werden, wobei Auflösungen im Bereich weniger Pikometer möglich sind. Die hohen Genauigkeiten, die diese Interferometer erzielen, hängen direkt mit der Verwendung der SLD als Lichtquelle zusammen. Nach der Teilung des primären Lichtstrahls und der Überlagerung der beiden Teilstrahlen wird im Sensor das Interferenzsignal gemessen. Bei Weißlichtinterferometern wird dazu das Licht in seine spektralen Bestandteile aufgespalten und auf eine Sensorzeile abgebildet. Dort wird das Signal über das komplette Spektrum hinweg aufgenommen. Bei der Auswertung dieses Signals werden die Frequenz des modellierten Spektrums sowie die Phasenverschiebung analysiert. 18 INDUSTRIELLE AUTOMATION 05/2020 www.industrielle-automation.net

02 03 HYGIENIC DESIGN. DER PMS AUS EDEL- STAHL. Explizit für industrielle Einsatzgebiete geeignet Die neuen Weißlichtinterferometer sind die präzisesten optischen Messsysteme, die Micro-Epsilon aktuell anbietet. Die Geräte bieten eine hohe Genauigkeit und eine Auflösung bis in den Sub-Nanometer-Bereich. Das System besteht aus einem kompakten Sensor und einem Controller, der in einem robusten industrietauglichen Gehäuse untergebracht ist. Daher sind die Weißlicht- Interferometer von Micro-Epsilon explizit für industrielle Einsatzgebiete geeignet. Eine im Controller enthaltene aktive Temperaturregelung sorgt für eine hohe Stabilität der Messung. Der Grundabstand des Sensors, der bis zu 20 mm vom Messobjekt entfernt positioniert werden kann, ist im Verhältnis zum Messbereich von 2,1 mm bei 01 Das System IMS5400-DS liefert absolute Messwerte und ermöglicht industrielle Abstandsmessungen mit höchster Präzision 02 Das Interferometer vom Typ IMS5600-DS ermöglicht hochgenaue Abstandsmessungen im Reinraum und im Vakuum 03 Das Interferometer vom Typ IMS5400-TH wird zur Dickenmessung von dünnen transparenten Materialien eingesetzt solute Messwerte liefert, können auch Stufen und Kanten zuverlässig und ohne Signalverlust erfasst werden. Die kompakten Sensoren, die einen Durchmesser von lediglich 10 mm haben, können einfach auch bei beengten Verhältnissen integriert werden. Ein Pilotlaser im Sensor erleichtert dabei die richtige Positionierung zum Messobjekt. Es lassen sich auch Dickenmessungen von anti-reflexbeschichtetem Glas durchführen PMS der Abstandsmessung groß. Bei der Dickenmessung lassen sich Gläser oder Folien von 35 µm bis zu 2,1 mm vermessen. Hier liegt der Messbereichsanfang sogar bei 41 mm. Das Spektrum der SLD liegt überwiegend im nahen Infraroten, aus welchem Grund die Messung auch bei antireflex-beschichteten Gläsern problemlos funktioniert. Da die Dickenmessung wie oben beschrieben unabhängig vom Abstand ist, beeinflussen Unregelmäßigkeiten bei der Positionierung das Messergebnis nicht. Die Anwendungen der neuen Interferometer finden sich überall dort, wo eine hohe Präzision bei der Abstands- oder Dickenmessung erforderlich ist. Die Dickenmessung wird etwa bei der Produktion von Folien und Flachglas eingesetzt. Abstände spielen etwa bei der Fertigung und Montage von hochpräzisen Teilen und Systemen eine Rolle. Ein typisches Beispiel ist die Montage von Festplatten. Da das Interferometer ab- Durch die industrieoptimierte Ausführung ist eine Inline-Verwendung des Messsystems möglich. Über verschiedene digitale Schnittstellen lassen sich die Interferometer einfach in übergeordnete Steuerungsarchitekturen einbinden. Zur Einstellung kann der Zugriff auf den Controller ganz einfach über einen Standardbrowser auf den integrierten Webserver erfolgen. In der Halbleiterindustrie und der Displayfertigung sind in manchen Bereichen Sub-Nanometer-Auflösungen erforderlich. Hier kommt das IMS5600-DS zum Einsatz, das speziell für Anwendungen im Vakuum oder im Reinraum konzipiert ist. Ein Sonderabgleich des Controllers sorgt bei diesem Messsystem für die notwendige Auflösung. Bilder: Micro-Epsilon www.micro-epsilon.de Der neue Ultraschallsensor pms aus Edelstahl ist mit seinem intelligenten Hygienic Design prädestiniert für anspruchsvolle Aufgaben in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie. + 4 Tastweiten: von 20 – 1.300 mm + 3 Ausgangsstufen: Push-Pull-Schaltausgang mit IO-Link oder Analogausgang + 2 Gehäusevarianten: D12-Adapterschaft und D12-Bajonettverschluss microsonic.de/pms

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