Tzv. konfokální optické snímače představují špičku v přesnosti měření. Současná provedení jsou schopna měřit vzdálenosti s přesností v řádu nanometrů! Navíc díky konfokálnímu principu funkce u nich moc nezáleží na materiálu, ze kterého je cílový snímaný předmět vyroben. Nevadí jim ani čistě plně transparentní materiály, jakými jsou například sklo. Využívají se proto často také v aplikacích detekce průhledných předmětů, kde sice není zapotřebí až tak velká přesnost měření, ale prostě jiné optické metody selhávají. Právě takové senzory najdete v nabídce společnosti Micro-Epsilon.

Základní výhody konfokálního měření a snímačů:

• Nepatrný konstantní měřící bod
• Vysoce přesné měření, na zrcadle i skle
• Rozlišení přesné v řádů nanometrů
• Jednostranné měření tloušťky
• Axiální a radiální provedení

Trocha historie konfokálního principu

Konfokální princip byl vyvíjen již na přelomu 50. a 60. letech 20. století vědeckými skupinami v USA, Rusku a také v tehdejším Československu za účelem zlepšení rozlišení a kontrastu fluorescenčních mikroskopů pro silné tkáňové vzorky. Díky náročnosti zpracování dat se však použití konfokálních mikroskopů rozšířilo teprve v 80. letech 20. století v podobě laserového rastrovacího konfokálního mikroskopu. Následně v 90. letech se začala tato technologie využívat i pro konstrukci přesných optických senzorů.

Princip konfokálního měření

Tato technologie pracuje na principu zaostřování polychromatického bílého světla na cílový povrch prostřednictvím multičočkového optického systému. Čočky jsou uspořádány v tzv. konfokální uspořádání, kde je bílé světlo řízenou chromatickou aberací prostřednictvím chromatické odchylky (chromatic deviation) rozděleno na monochromatické složky (na jednotlivé vlnové délky nezávislé na posunu).

V optice dvou čoček nebo zakřivených zrcadel, která jsou vzájemně konfokálně uspořádaná, jde o stav, kdy odpovídají jejich ohniskové vzdálenosti. Světlo z tzv. fokálního bodu čočky objektivu dává ostrý obraz, zatímco světlo z jiného bodu než je fokální, je také čočkami zobrazeno, ale jeho obraz není ostrý. Neostrý signál pak lze odfiltrovat pomocí bodové clonky.

V případě konfokálního snímače je ke každé vlnové délce (barvě) světla během kalibrace přiřazena určité odchylka a pouze vlnová délka (barevná složka rozloženého bílého světla), které je přesně zaostřena na cílovou plochu nebo materiál, je použita pro měření. To je dosaženo konfokálním optickým systémem s tzv. konfokální clonou, přes který odražené a rozptýlené záření od cílové plochy prochází na optický přijímač a zamezuje průchod záření na přijímač z jiné než právě měřené roviny. Nakonec paprsek dopadne na elektro-optický přijímač, který jej detekuje a zpracuje změny spektra.

Princip funkce konfokálních snímačů.

Výhody konfokálního principu a snímačů

Hlavní výhodou konfokálního uspořádání je omezení odrazu zdroje záření pouze na 0. difrakční řád při jeho známé poloze, potlačení záření z jiných směrů a tím výrazného zvýšení rozlišovací schopnosti ve směru optické osy a mírného zlepšení rozlišení v příčném směru. Tím je docíleno vysoké rozlišovací schopnosti až v řádu jednotek a desítek nanometrů v příčné i podélné rovině.

Tento měřící princip aplikovaný do moderních snímačů a detektorů tak umožňuje velmi přesné měření umístění a vzdálenosti povrchů a předmětů. Lze měřit i difuzní a spektrální povrchy z transparentních materiálů jako je např. sklo. Protože vysílač a přijímač jsou uspořádány v jedné ose též se zde vyvarováváme stínění. Výhoda konfokálních snímačů je přesnost měření či rozlišení již od několika nanometrů, jsou téměř nezávislé na typu měřeného materiálu. Výhodou je též velmi tenký paprsek a tedy i možnost měření velmi malých ploch. Nevýhodou konfokálního principů a snímačů je pak limitovaný snímací dosah (vzdálenost mezi snímačem a předmětem) a pak také požadavek na velkou čistotu okolního prostředí.

Micro-Epsilon optoNCDT240x

V nabídce společnosti Micro-Epsilon jsou konfokální snímače vzdálenosti pro vysoce přesné aplikace s označením optoNCDT 240x. Ty jsou k dispozici ve standardním provedení a celosvětově jedinečné miniaturní formě. Měří na mnoha různých druzích povrchů s rozdílnými odraznými vlastnostmi, a používají se k jednostrannému měření tloušťky.

Přesněji řečeno, celé zařízení snímače optoNCDT2401/02/03 se skládá ze dvou částí:

• snímací hlavice (sensor) - IFS240x,
• vyhodnocovací / řídící jednotka (controller) - IFC2401.

Celý konfokální snímač optoNCDT240x se skládá ze vzájemně propojené snímací hlavice (senzoru) a řídící / vyhodnocovací jednotky (controller), kterou lze následně napojit na nadřazený systém typu PLC či průmyslové PC.

Vyhodnocovací jednotka optoNCDT 2401(IFC2401) je "univerzálním" zařízením a může v sobě obsahovat až 20 různých kalibračních tabulek pro různé připojené snímací hlavice. Pro ně řídící jednotka generuje světelný paprsek a následně obsahuje optický přijímač, který převádí příchozí světelný paprsek na elektrický signál pro další zpracování a vyhodnocení jeho spektra, jehož výsledkem je přesně změřená vzdálenost. Se snímací hlavicí je pak propojena prostřednictvím optického kabelu.

Snímací hlavice (sensor) pak obsahuje onu výše v článku popisovanou soustavu čoček a prakticky rozhoduje o parametrech a možnostech měření. Proto je nutné s ohledem na aplikaci zvolit její správnou variantu. Konkrétně podle požadavků její velikosti, měřícího rozsahu, rozlišení a linearity měření jsou v nabídce společnosti Micro-Epsilon následující čtyři provedení:

Standardní snímací hlavy sérií IFS 2400 a IFS 2401 jsou ideální pro běžné měřící úkoly i pro jednostranná měření tloušťky, kde se rozsah měření pohybuje ve vzdálenostech 120 µm až 24 mm při linearitě od 0,12 mikrometrů a rozlišení od 5 nm. Rozeznávají tak i nejjemnější vlasové trhlinky. Vyznačují se kompaktním provedením a jsou vhodné pro prostředí s nebezpečím výbuchu.

Miniaturní snímací hlavy série IFS 2402 se pak používají pro velmi úzké prohlubně nebo otvory. Vyznačují se axiálním i radiálním provedením s vnějším průměrem jen 4 mm a titanovým pouzdrem vytvářející velmi robustní konstrukci. Poskytují rozsah měření 400 µm až 10 mm při linearitě od 0,3 mikrometrů a rozlišení od 16 nm.

Nový konfokálně-chromaticky měřící snímač IFS 2403 kombinuje přednosti dvou úspěšných konfokálních konstrukčních koncepcí. Tento snímač je s vnějším průměrem 8 mm podobně štíhlý jako miniaturní snímače série IFS 2402, může však zachycovat zřetelně více odraženého světla než menší model s průměrem pouhé 4 mm.

Použití konfokálních snímačů Micro-Epsilon

Konfokální snímače optoNCDT 240x lze použít v mnoha různých aplikacích:

• měření tloušťky průhledných materiálů
• měření mezer mezi laminovanými skly
• přesná kontrola výšky hladiny (například v ampulích s lékem)
• kontrola a skenování profilu plochy (např. kontrola provedení plošných spojů)
• kontrola kvality povrchu / hledání prasklin odlitků (například válců spalovacího motoru)
• kontrola dutin
• přesné měření tloušťky velmi tenkých materiálů
• kontrola / měření tloušťky stěn sklenic
• atd.

Konrétně například jsou konfokální snímače optoNCDT 24xx použity v měřícím zařízení KF-30 od společnosti Certiga za účelem vytvoření topografie povrchu různých objektů. Soustředění je na přesnou bezkontaktní metodu měření. Zařízení je například aplikováno v dentálním výzkumu pro měření povrchu zubních implantátů pro analýzu oděrků. V tomto zařízení je možné předem definovat až 8 částí pro pozdější kontrolu. Kromě zubních implantátů je systém používán na papír, gumu, rouno, sklo, nebo kov.

Dále jako typickou aplikaci lze zmínit speciální měřící systém pro kontrolu kvality (konstantní tloušťky) skla. Skleněná tabule je umístěna robotem na měřící stůl. Měřící ruka s několika konfokálními snímači přechází na plochou skla. Jestliže jsou nalezeny nějakou rozdíly v tloušťce skla je tabule označena a vyřazena. Pokud je sklo v pořádku a vykazuje požadované parametry je předáno dále do výrobního procesu.

Závěrem...

Konfokální snímače představují špičku v oblasti optického měření vzdáleností a rozměrů. To je samozřejmě vykoupeno vyšší cenou zařízení proti běžnějším difúzním, reflexním či jednokanálovým optosnímačům. V aplikacích, kde je nutné dosahovat velmi vysoké přesnosti měření, jsou však konfokální snímače neocenitelným pomocníkem.

DOWNLOAD & Odkazy

• Stránky výrobce, společnosti Micro-Epsilon - www.micro-epsilon.cz
• Přímo stránky o konfokálních snímačích optoNCDT 240x - www.micro-epsilon.cz/displacement-position-sensors/confocal-sensor/index.html
• Další články a testy o snímačích, PLC, komponentech nejen pro průmyslové aplikace najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz