INDUSTRIELLE AUTOMATION 4/2023

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK WEISSLICHTINTERFEROMETER FÜR INDUSTRIE UND AUTOMATION ABSTAND UND DICKE GLEICHZEITIG MESSEN Die Dicke von sehr dünnen Schichten zu vermessen ist in vielen industriellen Anwendungen eine große Herausforderung. Für optisch transparente Schichten, wie dünne Gläser oder Folien, ist die Interferometrie eine gut geeignete Methode, die berührungslos mit Genauigkeiten bis in den Nanometerbereich arbeiten kann. Wir stellen Ihnen neue Systeme vor, die mehrere Schichten erfassen können und dabei gleichzeitig noch den Abstand messen. Die Messmethode der Interferometrie basiert auf der Wellennatur des Lichts. Werden zwei Wellen überlagert, so kann konstruktive Interferenz entstehen, wenn Wellenberg auf Wellenberg beziehungsweise Wellental auf Wellental trifft, oder destruktive Interferenz, wenn Wellenberg auf Wellental trifft. Dieses Phänomen ist auch die Ursache dafür, dass beispielsweise ein Ölfilm auf einer Pfütze in Regenbogenfarben schillert. Hier überlagert sich das Licht, das an der Öloberfläche reflektiert wird, mit dem Licht, das an der Grenzschicht zwischen Öl und Wasser reflektiert wird. In Abhängigkeit von der Dicke der Ölschicht tritt bei verschiedenen Wellenlängen – also Farben – des Lichts konstruktive oder destruktive Interferenz auf. INTERFEROMETRIE ALS INDUSTRIELLE PRÄZISIONSMESSTECHNIK Um die Interferometrie als messtechnische Verfahren einzusetzen, wird ein Lichtstrahl aufgeteilt, sodass die beiden Teilstrahlen unterschiedliche Wege zurücklegen. Anschließend werden die Teilstrahlen überlagert und die entstehende Interferenz wird beobachtet. Wenn sich nun die Länge einer der beiden Teilstrahlen ändert, ist dies im Interferenzmuster sichtbar. Ändert sich diese Länge um eine halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts, so führt das zu einem kompletten Wechsel von konstruktiver Interferenz zu destruktiver Interferenz. Damit ist die Messmethode sehr empfindlich, die Genauigkeit liegt im Nanometer- oder sogar im Sub-Nanometer-Bereich. Für eine Abstandsmessung wird der erste Teilstrahl am Messobjekt reflektiert und mit einem Referenzstrahl interferiert. Soll das Verfahren zur Dickenmessung eingesetzt werden, kann der Referenzstrahl entfallen. Die beiden Strahlen, die miteinander interferieren, sind die beiden Teilstrahlen, die von der Vorderund der Rückseite der Schicht reflektiert wird – ähnlich dem Beispiel mit dem Ölfilm auf der Pfütze. Da die beiden interferierenden Teilstrahlen von der Ober- und Unterfläche stammen, ist das Messergebnis unabhängig vom Abstand zum Messobjekt. 10 INDUSTRIELLE AUTOMATION 2023/04 www.industrielle-automation.net

SUPERLUMINESZENZ-DIODE EMITTIERT WEISSES LICHT Die Interferenz, so wie sie oben beschrieben wurde, funktioniert mit monochromatischem Licht – beispielsweise aus einem Laser. Bei Änderung der gemessenen Länge wechselt das Interferenzmuster abwechselnd von Hell zu Dunkel. Das Beispiel der in Regenbogenfarben schillernden Pfütze verdeutlicht, dass Interferometrie auch mit weißem Licht funktioniert. Wichtig ist aber in allen Fällen, dass eine kohärente Lichtquelle verwendet wird. Für die Weißlicht-Interferometrie eignen sich etwa Superlumineszenz-Dioden (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. Der Lichtstrahl der SLD wird mit einem halbdurchlässigen Spiegel geteilt, die Teilstrahlen durchlaufen die beiden Wege und interferieren danach. Für die Messung wird das interferierende Licht zunächst in seine spektralen Bestandteile aufgespalten und WEISSLICHT-INTERFEROMETER MESSEN PRÄZISE BIS IN DEN SUB-NANOMETER-BEREICH anschließend auf eine Sensorzeile abgebildet, die das gesamte Spektrum aufnimmt. Zur Auswertung dieses Signals wird dann eine Fouriertransformation durchgeführt. Die einzelnen Peaks im Frequenzspektrum stehen dann für eine konstruktive Interferenz, woraus sich die Differenz der beiden Wege ergibt. Die Methode ermöglicht es, eine Wegmessung mit sehr hoher Genauigkeit durchzuführen. HOHE SIGNALSTABILITÄT DANK AKTIVER TEMPERATURKOMPENSATION Die Weißlicht-Interferometer von Micro-Epsilon Messtechnik arbeiten nach dem oben beschriebenen Verfahren. Die eingesetzten SLD haben ein Spektrum mit einem Schwerpunkt im nahen Infrarotbereich bei etwa 840 nm. Weißlicht-Interferometer sind die präzisesten optischen Messsysteme, die Micro-Epsilon aktuell anbietet. Sie 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. Eine im Controller enthaltene aktive Temperaturregelung sorgt für eine hohe Stabilität der Messung. Die Geräte sind in zwei verschiedenen Versionen erhältlich, mit denen entweder Abstände zu einer reflektierenden Oberfläche gemessen werden können oder eine Schichtdicke. Bei der ersten Version wird der Strahl im Sensor aufgeteilt und durchläuft intern einen Referenzweg. Dieser Teilstrahl wird dann mit dem am Messobjekt reflektierten Strahl überlagert. Bei der zweiten Version der Geräte, die Schichtdicken messen können, entfällt die interne Referenz, da die an Vorder- und Rückseite der Schicht reflektierten Strahlen überlagert werden. Ein Vorteil der Dickenmessung liegt darin, dass die Messung unabhängig vom Abstand zwischen Sensor und Messobjekt ist. SCHICHTDICKEN AB 30 MIKROMETER MESSEN Diese schon seit einigen Jahren in zahlreichen Anwendungen bewährten Messgeräte hat Micro-Epsilon in neuen Versionen vorgestellt, die entscheidende Verbesserungen aufweisen. Diese können jetzt auch die Dicke und Abstände mehrerer Schichten gleichzeitig Wir unterstützen Sie optimal in Ihrer Anwendung mit unseren Produkten, Lösungen und Dienstleistungen. EINSATZ + OUTPUT Sie betreiben Ihren Prozess sicher, zuverlässig, effizient und umweltfreundlich. Kunden in aller Welt vertrauen uns, wenn es um ihre Anlagen geht. Uns verbindet ein gemeinsames Ziel: Wir wollen industrielle Prozesse besser machen. Jeden Tag, überall. People for Process Automation Erfahren Sie mehr unter: www.de.endress.com