Mit Messtechnik eines deutschen Herstellers lassen sich Dicke, Oberfläche und Profil von Präzisionslinsen bereits im Fertigungsprozess prüfen. Zum Einsatz kommen dabei konfokal-chromatische Sensoren, die sich zur hochauflösenden Abstands- und Dickenmessung eignen. Die Oberflächenprüfung und Defekterkennung übernehmen Oberflächeninspektionssysteme, die sich besonders für die Kontrolle spiegelnder Oberflächen eignen.

Bei der Produktion von optischen Präzisionsgläsern müssen höchste Qualitätsanforderungen eingehalten werden, um die spätere Funktionalität in Hochpräzisionsbereichen wie der Optoelektronik, der Medizintechnik und der Luft- und Raumfahrt sicherzustellen. Wichtige Parameter sind Abstandstoleranzen, Dicke und Beschichtungen, Geometrien und Oberflächengüte, die idealerweise bereits während der Fertigung geprüft werden. Zur Messung dieser Größen haben sich die konfokal-chromatischen Sensoren und Deflektometrie-basierten Systeme von Micro-Epsilon bewährt. Die Messtechnik überzeugt durch eine hohe Auflösung bei gleichzeitig hoher Reproduzierbarkeit und eignet sich für den Inline-Einsatz. 

Herausforderung: spiegelnde Oberflächen

Eine große Herausforderung für optische Sensoren sind die glänzenden und spiegelnden Oberflächen der Gläser, da sie das ausgesendete Licht der Sensoren stark reflektieren. Dies kann zu einer Überbelichtung des Empfängers und somit zu Fehlern bei der Messung führen. Messsysteme wie die konfokal-chromatischen Sensoren von Micro-Epsilon sind exakt auf diese Messaufgaben abgestimmt und liefern bei glänzenden und spiegelnden Oberflächen durch die schnelle automatische Belichtungszeitregelung eine Genauigkeit bis in den Submikrometer­bereich.

Das Messprinzip ermöglicht es, Wege und Abstände auf transparenten, diffusen und spiegelnden Oberflächen exakt zu messen. Denn das Messverfahren nutzt lediglich die Wellenlänge. Durch die kontrollierte chromatische Abweichung liegt jede Wellenlänge in einer anderen Fokusebene. Mittels werkseitiger Kalibrierung wird jeder Wellenlänge des in einzelne Spektralfarben aufgeteilten polychromatischen Lichts ein bestimmter Abstandspunkt zum Messobjekt zugeordnet. Das Sensorsystem zieht sich schließlich die Wellenlänge zur Messung heran, die sich exakt auf dem Messobjekt beziehungsweise auf den Grenzflächen zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen Brennungsindizes fokussiert.

Messung der Linsengeometrie mit konfokalen Sensoren 

Konfokal-chromatische Sensoren kommen in der Optikindustrie unter anderem für schnelle Linsendicken- und Profilmessungen mit bis zu 30 kHz zum Einsatz. Bei der Linsenherstellung wird bereits während des Formgebungsprozesses überwacht, ob die Linsengeometrie den Vorgaben entspricht. Mit der Confocal-DT-Reihe bietet Micro-Epsilon Sensorsysteme für Weg-, Abstands-, Positions- sowie Dickenmessungen. Diese Sensoren lassen sich aufgrund ihrer hohen Auflösung, Geschwindigkeit und kleinen Bauweise mit integrierter Lichtquelle gut in automatisierte Fertigungsprozesse einbinden. Gemessen werden können sphärische, asphärische und beschichtete Linsen mit verschiedenen Krümmungsradien und Glasdicken von 15 µm bis 30 mm.

Da Linsen häufig einen großen Krümmungsradius besitzen und direktreflektierend sind, müssen die Sensoren für diese Bedingungen optimiert sein. Die Confocal-DT-Sensoren bieten einen Messwinkel von bis zu 48 °. Dadurch erfassen sie gekrümmte Oberflächen zuverlässig und erzeugen stabile Messsignale. Über die Abstandswerte lassen sich zudem Aussagen über die Oberflächenbeschaffenheit treffen. Der Messfleck von < 3 µm eignet sich ideal für die Abtastung von Oberflächen und deren feinster Strukturänderungen mit nanometergenauer Auflösung. Die Controller und Sensoren sind für den Einsatz im industriellen Umfeld optimiert und somit auch für die Inline-Messung geeignet. 

Mehrschichtmessungen von Kameralinsen

Auch Mehrschichtmessungen sind mit den konfokalen Sensoren von Micro-Epsilon möglich. Sie messen bis zu sechs Peaks und damit fünf Schichten gleichzeitig, was beispielsweise bei der Justierung des Linsenabstands in Kameras zum Einsatz kommt. Linsendurchmesser mehrerer antireflexbeschichteter Linsen von bis zu 3 mm Durchmesser und einer Gesamthöhe von 5 mm werden hier erfasst. Um die Belichtung an die jeweilige Oberfläche anzupassen, wird die CCD Zeile dynamisch geregelt. Diese Regelung kompensiert Reflektivitätsänderungen des Messobjekts wesentlich schneller als die herkömmliche Lichtquellenregelung. Dadurch liefern die Confocal-DT-Controller eine hohe Messgenauigkeit auch bei wechselnder Oberflächenreflektivität.

Prüfung von Kontaktlinsen

Intraokularlinsen oder Kontaktlinsen dürfen keine Unregelmäßigkeiten aufweisen und müssen absolut sauber und frei von Kratzern, Dellen oder Verformungen sein, um in der Medizintechnik zuverlässig eingesetzt werden zu können. Daher ist es notwendig, dass die Sensoren, die die Qualitätsprüfung durchführen, auch für das menschliche Auge unsichtbare Defekte zu 100 Prozent erkennen sowie geometrischen Parameter mikro­metergenau messen können. Diese Messungen werden sowohl von konfokalen Sensoren als auch von Oberflächeninspektionssystemen Reflect­control ausgeführt, die beispielsweise auch technische Spiegel prüfen. 

Oberflächeninspektion technischer Spiegel

Technische Spiegel finden sich in industriellen und technischen Anwendungen wie Interferometern, Laser-Anwendungen, Beleuchtungsoptiken, Wärmeschutz, Medizintechnik, Mikroskopie oder Spiegelteleskopen. Mit technischen Spiegeln, die auch in vielen Bereichen als optische Spiegel bezeichnet werden, können Strahlführungen gezielt gelenkt werden. Aus diesem Grunde werden sie dort eingesetzt, wo das präzise Umlenken von Lichtstrahlen eine Rolle spielt. Ihre Oberflächenbeschaffenheit muss für diese Anwendungen einwandfrei sein und daher hochgenau geprüft werden. Insbesondere spielen hier Verformungen in der z-Dimension eine entscheidende Rolle: Bereits geringe Abweichungen von der Soll-Geometrie führen dazu, dass der Strahlengang des Lichts nicht mehr exakt auf die jeweilige Anwendung abgestimmt ist und der Spiegel somit seine Funktion verliert. Um die Funktionalität technischer Spiegel schon vor dem Systemtest sicherzustellen, bedarf es einer präzisen Messtechnik, die es ermöglicht, auf hochreflektierenden Oberflächen reproduzierbare Messergebnisse mit einer z-Auflösung von < 1 µm zu generieren. 

Verschleißfreie 3D-Messungen auf spiegelnden Oberflächen

Für berührungslose und verschleißfreie 3D-Messungen auf spiegelnden und glänzenden Oberflächen wurde daher der Reflectcontrol-Sensor konzipiert. Dieser liefert präzise Oberflächeninspektionen für hohe Qualitätsansprüche. In weniger als 5 s kann der Sensor innerhalb eines großen Messbereichs Defekte erkennen und eine 3D-Punktewolke generieren. Die eingebauten Kameras erfassen die Reflexion des auf die Oberfläche projizierten Streifenlichts und generieren hieraus Fehlerbilder sowie eine 3D-Punktewolke. Hierdurch können auch Ebenheitsabweichungen im Nanometerbereich erfasst werden. Der Sensor kann entweder stationär oder in Robotikanwendungen zum Einsatz kommen. Ein Feedback zur Oberflächenbeschaffenheit wird direkt ausgegeben, wodurch die hohen Qualitätsanforderungen erfüllt werden. Über GigE Vision können die gewonnenen Oberflächenbilder an zahlreiche Bildverarbeitungs-Software-Pakete zur Weiterverarbeitung und Defektanalyse übergeben werden.

Autoren
Dr. Alexander Streicher, Produktmanager Sensorik
Dr. Thomas Reitberger, Produktmanager 3D-Sensorik