Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7234
Mikrooptische Sensoren nach dem chromatisch konfokalen
Messprinzip
Peter Lücke, Arndt
Last, Jürgen Mohr
Zusammenfassung
Eine zuverlässige und
prozessnahe Vermessung von Präzisionsbauteilen mit Fertigungstoleranzen im
Submikrometerbereich gewinnt in der Messtechnik zunehmend an Bedeutung.
Insbesondere Messaufgaben an schwer zugänglichen Stellen, z.B. Form- und
Rauhigkeitsmessungen in tiefen Bohrungen mit kleinen Durchmessern stellen
extreme Anforderungen an die Messtechnik und können mit heutigen taktilen und
optischen Messsystemen nur eingeschränkt gelöst werden.
Ziel dieser Arbeit war es, miniaturisierte
geradeaus und seitlich messende Abstandssensoren zu entwickeln, die zur
prozessnahen Überwachung von Fertigungstoleranzen von kleinen mechanischen und
optischen Präzisionsbauteilen geeignet sind. Hierzu wurde das chromatisch
konfokale Messverfahren ausgewählt, das auf einer chromatischen Kodierung der
Abstandsinformation basiert. Dieses optische Prinzip ermöglicht im Vergleich zu
taktilen Verfahren eine deutlich schnellere und kräftefreie Abtastung von
Objekten und zeichnet sich gegenüber anderen optischen Messverfahren insbesondere
durch Longitudinalauflösungen im Nanometerbereich, große numerische Aperturen
und kleine Messfleckdurchmesser aus.
Chromatisch konfokale Sensoren bestehen aus
drei wesentlichen Komponenten: einer Lichtquelle, einem Sensorkopf und einer
spektralen Detektoreinheit. Im Rahmen dieser Arbeit wurden nach einer
Evaluation fasergekoppelte Superlumineszenzdioden als Lichtquelle ausgewählt.
Um die Sensorsysteme anschließend in Koordinatenmessmaschinen integrieren zu
können wurde ein an die Anforderungen des Sensorsystems angepasstes
LIGA-Mikrospektrometer neu entwickelt, mit dem hohe Messgenauigkeiten und
Messraten von bis zu 1 kHz möglich sind.
Die zentrale Aufgabe dieser Arbeit bestand
in der Entwicklung der beiden Sensorköpfe. Eine Miniaturisierung der Sensorköpfe
gelang durch die Kombination von refraktiven und diffraktiven mikrooptischen
Elementen. Unter anderem mit Hilfe der LIGA-Technik wurden verschiedene
freistrahloptische und integriert-optische Designkonzepte und
Fertigungsverfahren anhand von Demonstratoren experimentell untersucht.
Am geeignetsten erwies sich ein
integriert-optischer Aufbau auf Basis von Gradientenindex-Linsen. Realisiert
wurden ein seitlich messender Sensorkopf mit einem Durchmesser von 1,2 mm sowie
ein geradeaus messender Sensorkopf mit einem Außendurchmesser von 2,8 mm. Im
Rahmen der Charakterisierung des Gesamtsystems gelang der Nachweis von
Höhenauflösungen des seitlich messenden Sensors von unter 20 nm und des
geradeaus messenden Sensorkopfs im Bereich von 10 nm.
Die Arbeit entstand im Rahmen des vom
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekts
Nr. OD2001 038 „Hybride mikrooptische Sensoren (HymoSens)“ zusammen
mit dem Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart sowie den
Firmen Mahr GmbH in Göttingen und Boehringer Ingelheim microParts GmbH aus
Dortmund.
Chromatic Confocal Microoptical Distance Sensors
Abstract
Reliable and near process measurements of high precision
components with sub micrometer tolerances are becoming increasingly important
in modern production metrology. Especially measuring tasks of parts difficult
to access, for example form and surface measurements of deep drilled holes with
small diameters place high demands on today’s tactile and optical
measurement systems and can not be solved completely.
This work focuses on the development of miniaturized straight and
perpendicular measuring distance sensors, suitable for near process monitoring
tight tolerances of small optical and mechanical high precision parts. The
chromatic confocal principle was selected, which is based on a chromatic coding
of the distance information. Compared to tactile measurement techniques this
optical principle allows faster and contactless object scanning. In regard to
other optical measurement techniques this optical principle features
longitudinal resolution in the nanometer scale, large numerical apertures and
small measurement spot diameters.
Chromatic confocal sensors consist of three main elements: a light source,
a sensor head and a spectral detection unit. After evaluation, fibre coupled
superluminescent diodes were selected as light sources. For the following
integration of the sensor systems in coordinate measurement systems a specially
adapted LIGA micro spectrometer was developed. This spectrometer enables high
measurement accuracies and measurement rates up to 1 kHz.
The central task of this work was the development of perpendicular and
straight measuring sensor heads. Miniaturization of the sensor heads succeeded
in combining refractive and diffractive micro optical elements. Additionally,
LIGA-technology was used to experimentally verify a range of free-space and
integrated optical design concepts.
An integrated optical design based on gradient index lenses proved to be
the most suitable for miniaturized chromatic confocal sensors. A perpendicular
measuring sensor head with a diameter of 1.2 mm and a straight measuring sensor
with an outside diameter of 2.8 mm were fabricated. Within the characterization
of the entire sensor system height resolutions of about 20 nm of the
perpendicular measuring and 10 nm of the straight measuring sensor head have
been demonstrated.
This work was supported by the German
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), project number OD2001-038
„Hybride microoptical sensors (HymoSens) “. The Institute of Applied Optics
(ITO) of the University of Stuttgart and the companies Mahr GmbH, Göttingen and
Boehringer Ingelheim microParts GmbH, Dortmund participated in this joint
research project.
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