Konfokale Sensoren

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Konfokal-chromatische Sensoren werden bei sehr präzisen Messaufgaben verwendet. Mit den ersten Produkten dieser Technologie waren die Sensoren nur in einer Größenordnung von ca. 50 mm Durchmesser erhältlich. Inzwischen haben sich neue Lichtquellen etabliert und Sensoren sind bereits ab 4 mm Durchmesser erhältlich. Die Wegmessung über die Farbe des Lichts birgt vielfältige Vorteile und ermöglicht neue Anwendungsfelder.

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Chromatische Aberration
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. Ohne Sammellinsen würde das Licht aus dem Sensor streuen und eine messtechnische Auswertung wäre nicht möglich.

Weißes Licht gelangt durch einen halbdurchlässigen (semipermeablen) Spiegel auf die Linse. Dort tritt die oben beschriebene gezielte chromatische Aberration ein. Die Wellenlängen werden von der Oberfläche eines Targets reflektiert und gelangen über die Linse zurück 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.

Man erhält 30.000 aufgelöste Punkte über die Tiefenschärfe (Messbereich). Für die Signalgewinnung wird nur die Wellenlänge λ 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. Einschränkend lassen sich gedrehte Oberflächen anführen. Die Riefen in der Oberfläche reflektieren das auftreffende Licht weg von der Linse.

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Derzeit verfügbar sind Standard-Sensoren mit diskreten Glaslinsen, Miniatur-Sensoren mit 4 mm Außendurchmesser und GRIN-Linsen und Hybrid-Sensoren mit 8 mm Durchmesser mit GRIN Technologie und vorgesetzter Glas-Linse.
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