Jede Form von
Licht setzt sich aus vielen verschiedenen Wellenlängen (einem Farbspektrum)
zusammen. Weißes Licht ist eine Überlagerung aller sichtbaren Wellenlängen. Der
für den Menschen sichtbare Bereich beginnt bei 400 nm (Blau) und endet bei 700
nm (Rot). Die verschiedenen Wellenlängen können von Linsen nicht alle in genau
einem Punkt gebündelt werden. Man spricht vom chromatischen Linsenfehler oder
der chromatischen Aberration. Diese kann mit der Tiefenschärfe von Mikroskopen
oder Kameras verglichen werden. Genau dieser Effekt wird in der konfokalen
Messtechnik genutzt. Mit speziellen Linsen wird gezielt die Unschärfe des
Brennpunkts der verschiedenen Farben erweitert. Das heißt je nach Abstand zur
Linse befindet sich genau eine Wellenlänge im Fokus. Nur diese Information wird
zur Messung herangezogen.
Um die gezielte
chromatische Aberration zu erreichen, sind im Sensor mehrere Glas-Linsen nötig,
die das Licht je nach Messbereich aufspalten. Vor dem Austritt des Lichts aus
dem Sensor werden über Sammellinsen die Farbspektren entlang einer Linie
gebündelt, so dass eine exakte Fokuslinie erreicht wird.
Weißes Licht
wird über einen Lichtwellenleiter aus dem Controller zu den Linsen im Sensor
geleitet. Dort tritt die oben beschriebene gezielte chromatische Aberration
ein. Die Wellenlängen werden von der Oberfläche eines Targets reflektiert und
gelangen über die Linse zurück zum Controller auf den semipermeablen Spiegel.
Der Spiegel lenkt die Wellenlängen auf eine Lochblende, welche die am besten
fokussierten Wellenlängen mit der höchsten Intensität durchlässt.
Unscharfe
Spektren treffen an der Lochblende als Scheibchen auf und nicht als
fokussierter Punkt. Die fokussierte Wellenlänge besitzt genügend Intensität, um
auf der CCD-Zeile einen signifikanten Peak zu erzeugen.
Nach der
Lochblende wertet ein Spektrometer die erhaltene Farbinformation aus. Darin
befindet sich ein optisches Gitter, das je nach Wellenlänge eine mehr oder
weniger starke Ablenkung der Wellenlänge auf eine CCD-Zeile erzielt. Jede
Position auf der CCD-Zeile entspricht einem bestimmten Abstand des Targets zum
Sensor.
Für die
Signalgewinnung wird nur die Wellenlänge ? ausgewertet. Eine Höhe der Amplitude
I wird bei der Signalauswertung nicht in Betracht gezogen. Die Stärke der
Intensität spielt keine Rolle.
Das bedeutet,
egal wie viel Licht von einem Objekt reflektiert wird, eine Abstandsinformation
kann fast immer gewonnen werden, da jede fokussierte Reflexion zu einem mehr
oder weniger hohen Peak führt, solange das reflektiere Licht stärker ist als
das Grundrauschen. Mit dem konfokalen Messprinzip kann auf hoch reflektierenden
Materialien genauso zuverlässig gemessen werden, wie auf schwarzem Gummi oder
auf transparenten Stoffen wie Gläsern oder Flüssigkeiten. Es gilt nur darauf zu
achten, dass das reflektierte Licht auch wieder in die Linse gelangt.Neue Technik, neue Möglichkeiten
Mit der Technik
der konfokal-chromatischen Messung sind extrem hohe Auflösungen möglich. Durch
das Aufweiten des Farbspektrums wird eine Auflösung im Nanometerbereich
erreicht. Da für die Abstandsinformation die Farbe benutzt wird, die sich im
Fokus befindet, besitzen konfokale Sensoren einen winzigen Messfleck, der auch
Messungen auf besonders kleine Objekte ermöglicht. Selbst feinste Kratzer auf
Oberflächen werden damit zuverlässig gemessen.
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.
Eine
Weiterentwicklung der Miniatursensoren erlaubte es nun auch eine
Innenwand-Inspektion in kleinen Bohrungen durchzuführen. Der spezielle Sensor
mit radialer Messrichtung taucht dabei in Bohrungen ab 4,5 mm. Die eigens
entwickelte Rotationseinheit dreht den Sensor mit bis zu 3.000 U/min. Eine
Lineareinheit führt den Sensor in die Bohrung und ermöglicht das Messen
einzelner Kreise oder das spiralförmige Erfassen der gesamten Bohrung.
Eine weitere
interessante Möglichkeit ist die Dickenmessung von transparenten Folien,
Platten oder Schichten. Im Gegensatz zu anderen Verfahren benötigt dieses
Messverfahren für eine derartige Messung nur einen Sensor. Für die Messung
werden die Reflexionen der Fokuspunkte auf der vorderen und hinteren Oberfläche
ausgewertet. Da die Messung lediglich mit Weißlicht erfolgt, gelten dafür keine
Laserschutzvorschriften. Die Sensoren können auch in explosionsgeschützten
Bereichen und in EMV-anfälligen Anlagen verwendet werden. Der Sensorkopf selbst
ist völlig passiv, in ihm befindet sich keinerlei Elektronik. Der Controller
kann dazu in sicherer Entfernung platziert werden. Neuheit in auf dem Markt sind
die Sensoren der Serie optoNCDT 2403, die sich beider Technologien bedienen.
Der Sensor besteht aus einer Gradientenindex-Linse mit vorgesetzter
Relais-Optik. Damit werden größere Grundabstände und Verkippungen als mit den
Miniatursensoren erreicht. Der Sensor ist dabei mit 8 mm Außendurchmesser nur
unwesentlich größer.
Spaltmessung bei der Produktion von Solarmodulen
Die
Produktion von Photovoltaik-Modulen (PV) ist bisher ein sehr aufwändiger und
kostenintensiver Prozess. Das Unternehmen Apollon Solar aus Frankreich hat ein
neues Verfahren für die Fertigung von PV-Modulen entwickelt. Produziert werden
die Anlagen bei dem französischen Anlagenbauer Vincent Industrie.
Bei
dem unter dem Namen NICE (New industrial Cell Encapsulation) patentierten
Verfahren werden die Solarmodule nicht mehr mit einer transparenten
Kunststoffschicht verschmolzen. Mit dem NICE-Verfahren wird die
Versiegelungsdichtigkeit des Modulverbundes und die Langzeitstabilität
gegenüber herkömmlichen PV-Modulen deutlich verbessert.
Bei
der Produktion der NICE-Module bildet ein Metallblech die Rückseite. Darauf
werden die Solarzellen angeordnet und miteinander elektrisch verbunden.
Anschließend werden Spacer aufgebracht, die einen Kontakt der Solarzellen und
der Glasplatte als Abdeckung verhindern.
Eine spezielle Anlage presst die Glasplatte auf das PV-Modul und
evakuiert diese dabei. Nach dem Pressen wird das PV-Modul durch den Unterdruck
im Modul und dem außen anliegenden Atmosphären-Druck dauerhaft
zusammengehalten. Das Glas ist ein spezielles Antireflex-Glas, das einfallendes
Licht durchlässt, es aber an einer Reflexion hindert.
Wichtig
beim Pressvorgang ist ein konstanter Abstand der Vorder- und Rückseite. Dafür
werden Sensoren der Serie optoNCDT IFS 2402 eingesetzt. Integriert in die
Presse messen sie an mehreren Positionen von einer Seite den Spalt zwischen
Vorder- und Rückseite der zwischen 0,7 mm und 2 mm liegt. Mit Sensoren der
Serie optoNCDT IFS 2402 ist es durch eine besonders hohe Licht-Intensität
möglich trotz Antireflex-Beschichtung ausreichend große Reflexionen zu
erhalten. Dank einer speziellen Multipeak-Software misst das konfokale
Verfahren durch Glas hindurch dazwischen liegende Schichtdicken, wie bspw. den
Luftspalt zwischen zwei Gläsern.