Tzv. konfokální optické snímače představují špičku v přesnosti optického bezkontaktního měření vzdáleností. Současná provedení jsou schopna měřit vzdálenosti s přesností až na jednotky mikrometrů, přičemž rozlišení měření se pohybuje v řádu od desítek 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 v řádů až desítek 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.

Provedení snímačů

Konfokální snímače se v praxi ve většině případů skládají se snímací hlavice (sensoru) a vyhodnocovací jednotky. Snímací hlavice obsahuje onu výše popisovanou soustavu čoček a prakticky rozhoduje o parametrech a možnostech měření.  Proto je nutné s ohledem na aplikaci zvolit její správnou variantu podle požadavků na její velikosti, měřícího rozsahu, rozlišení a linearity měření.

Vyhodnocovací jednotka obvykle 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.

Příklad blokové schéma konfokálního snímače (Micro Epsilon optoNCDT240x).

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.

Příklady použití konfokálních snímačů

Konfokální snímače 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.

Příklady použití konfokálních snímačů Micro Epsiolon pro měření tloušťky transparentních materiálů či kontrola kvality odlitků (hledání prasklin).

Závěrem...

Konfokální snímače představují špičku v oblasti optického měření vzdáleností a rozměrů. To je samozřejmě obecně 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.

Odkazy

• Stránky výrobnce konfokálních snímačů - společnosti Micro-Epsilon - www.micro-epsilon.cz
•  
• Další články a testy o snímačích, PLC, komponentech nejen pro průmyslové aplikace najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz