Die optische Sensoren sind hier die größte Familie der hier vorgestellten Sensoren. Ihre Geschichte begann schon früh durch die Auswertung der Sonnenstrahlen.
Die Vorteile der Optik liegen auf der Hand. Sie sind erstens berührungslos und haben eine hohe Meßgenauigkeit. Jedoch gibt es noch gravierende Nachteile, wie die Empfindlichkeit, die Geschwindigkeit und die hohen Kosten dieser Technik. Es gibt viele verschiedene optische Systeme. Sie sind aber fast alle gleich strukturiert. Das heißt, sie haben alle eine Strahlungsquelle, wie zum Beispiel einen Laser und sie haben alle verschiedene Beleuchtungs- oder Abbildungsoptiken wie die Triangulationssensor, Lichtschnittsensoren oder Gitterprojektion und Moiré - Verfahren. Als Detektor wird heutzutage oft die Kamerameßtechnik verwendet, die die ausgesendeten und projizierten Strahlen aufzeichnet und auswertet. Ein weiteres optisches Meßsystem ist zum Beispiel die Interferometrie.
Weitere Informationen zu den Sensoren erfährt man
unter folgenden Adressen:
http://www.pepperl-fuchs.com/fa/sensors/photoelectric/main.html
Der Laser gehört zu der Familie der Lumineszenzstrahlern. Das heißt, das sie die angelegte Energie direkt in Strahlung umwandeln. Dort gibt es die verschiedenen Typen von Lasern. Es Gibt z.B. den Helium-Neon-Laser, der zu den Gaslasern gezählt wird und durch eine elektrische Entladung seine Moleküle so anregt, das es zu einer relativ guten Strahlungsqualität kommt. Es gibt zwar noch verschiedene andere Gaslaser, aber in der letzten Zeit haben die Halbleiter- und Diodenlaser einen immer höheren Zuwachs bekommen. Sie sind durch den Einsatz in der CD Technik so entwickelt worden, das sie mittlerweile kostengünstig und zuverlässig hergestellt werden können. Das unten abgebildete Bild zeigt einen schematischen Aufbau eines Diodenlasers. Die Wellenlänge der Laser hat sich bis zur heutigen Zeit schon auf 635 nm reduziert und wird in Zukunft wahrscheinlich noch kleiner, damit man noch höhere Speicherdichte erreichen kann.
In der Praxis setzt man diese Laser oft in solchen Gebieten ein:
Der abgebildete Lichtpunkt-Triangulationssensor ist so angeordnet, das eine Lichtquelle einen Lichtfleck auf dem Objekt abbildet von dem der Abstand zum Sensor gemessen werden soll. Es ist wichtig, das die Objektoberfläche das Licht nicht nur spiegelt, sondern auch streut, damit ein Teil des Lichtes auf den Detektor fällt. Die Position des Lichtfleckbildes auf dem Detektor ist ein Maß für den Abstand der Objektoberfläche zum Sensor. Der Abstand läßt sich dann aus den geometrischen Beziehungen des Triangulationsdreieckes errechnen. Die Position des Lichtflecks auf dem Detektor wird mit Hilfe von Photodioden oder CCD-Elementen realisiert. Da werden durch die Belichtung innerhalb einer Integrationszeit Ladungen freigesetzt, die dann sequentiell an den Rand transportiert werden und für jeden einzelnen Bildpunkt in ein Spannungssignal umgewandelt werden. So kann eine recht genaue Auswertung erfolgen, da ein Bildpunkt nur ca 0,02 * 0,02 mm groß ist.
Für die Funktionsfähigkeit eines Triangulationssensors und damit für seinen Einsatzbereich, spielen die optischen Eigenschaften des beleuchteten Objekts eine wesentliche Rolle. Helle, diffus streuende Materialien bieten ideale Meßbedingungen, während spiegelnde Objekte nur mit der Einschränkung der Kippung vermessen werden können. Ein typisches Einsatzbeispiel ist die Dickenmessung. Ein Sensor mißt die Entfernung zum Anschlag und der zweite die Strecke zum Objekt. Die Differenz ergibt die Dicke des Objekts. In der Praxis kann man sich diese Technik wie folgt vorstellen:
Weitere Informationen zu den Sensoren erfährt
man unter folgenden Adressen:
http://www.finger-kg.de/content/micrometer/Datasheets/Twin-Theorie.html
http://www.relays.de/produkte/s_sensoren.html
Der Lichtschnittsensor ist eine abgewandelte Art der Triangulationstechnik.
Man benutzt anstatt einer punktförmigen Beleuchtung eine Liniebeleuchtung,
so spiegelt der Verlauf dieser Linie direkt die Kontur des Objektes wieder.
Die Auswertung des Linieverlaufes liefert einen zweidimensionalen Schnitt
durch das Objekt. Der Linieverlauf ist nicht mehr mit einem eindimensionalen
Sensor zu erfassen. Zum Einsatz kommen hier praktisch ausschließlich
zweidimensionale CCD-Sensoren in Videokameras. Das Prinzip ist in der unten
abgebildeten Zeichnung erläutert.
Bei der Lichtquelle ist darauf zu achten, das sie eine scharfe schmale Lichtlinie auf das Objekt projiziert. Das läßt sich am besten mit Laserdioden oder dem HeNe-Laser realisieren, da sie eine sehr gute Fokusierbarkeit haben. Als Detektoren werden die herkömmlichen CCD-Flächenkameras verwendet. Durch die Wahl der Auflösung der Kamera wird auch die Genauigkeit des Meßsystems festgelegt. Die meisten Anwendungen findet das Lichtschnittverfahren bei band- und röhrenförmigen Materialien. Dabei wird das Objekt unter dem Lichtvorhang hindurchbewegt und von den Kameras aufgenommen.
Gitterprojektion und Moire-Verfahren
Die Weiterentwicklung der Punkt- und Linienbeleuchtung
führt auf die Projektion von Linienscharen und damit zu einer Gitterprojektion
auf das Meßobjekt. Zur Bildung einer Gitterprojektion benötigt
man eine strukturierte Beleuchtung. Die Informationen die diese Systeme
liefern, sind somit wiederum um eine Dimension erweitert. Man erhält
also den dreidimensionalen Konturverlauf der Oberfläche. Dies kann
durch den kodierten Lichtansatz oder durch das Moiré- Verfahren
realisiert werden. Bei dem kodierten Lichtansatz werden Streifenstrukturen
auf das Meßobjekt projiziert. Diese Streifen werden von progammierbaren
LCD´s oder alternativ dazu über ein Gitterdia mit einem Projektor
projiziert. Jedes Streifenstruktur wird von einer CCD-Kamera aufgenommen
und binarisiert. Bei dem kodierten Lichtansatz können bis zu 12 Streifenmuster
aufgenommen werden. Zusätzlich müssen 2 Referenzmessungen durchgeführt
werden, damit die Grauwertschwelle festgelegt wird. Ein Beispiel für
einen "Kodierten Lichtansatz" zeigt das unten abgebildete Bild.
Das "Moiré-Verfahren" ist die Projektion eines Gitter auf eine dreidimensional geformte Oberfläche. Durch die lokale Deformation des Gitters, führt sie mit dem projizierten Gitter zu dem Moiré- Effekt (Moire-Effekt: Ist eine Erscheinung die sichtbar wird, wenn zwei periodische Strukturen ähnlicher Strukturbreite überlagert werden z.B. 2 Gartenzäune). Die CCD- Kamera übernimmt hier eine Doppelfunktion, die des Referenzgitters und die des Aufnahmemediums. Dadurch lassen sich viel höhere Genauigkeiten als bei dem kodierten Lichtansatz erzeugen, da die Kamerasensoren mehr als 40 Linienpaare / mm noch auflösen können zu 9 bei dem kodierten Lichtansatz. Das unten abgebildete Bild zeigt einen üblichen Meßaufbau mit einem LCD Display als Lichtquelle und einer CCD-Kamera mit Referenzgitter zur Erzeugung der Moiré Streifen.
Praktische Ergebnisse:
Die Kamerameßtechnik dient in der heutigen Meßtechnik ausschließlich zum detektieren der Meßstrahlen. Als Sensoren verwendet man heute in den Detektoren hauptsächlich Halbleitermaterialien, wie Photoleiter, Pindioden, PSD (Positionsempfindliche Detektoren), APD (Avalanche-Photodioden) sowie CCD (Charge Coupled Devices). Durch die bekannte Geometrie der CCD Kamera und einem Bezugsgitter in der unmittelbaren Bildebene, lassen sich heute photogrammetrische Aufnahmen direkt auswerten. Man muß zusätzlich Referenzpunkte mit fotografieren um mit den mathematischen Gesetzen die Raumkoordinaten zu ermitteln. Die Ergebnisse sind zwar etwas ungenauer als die der herkömmlichen Fotografie ( mit Auswertung), aber wesentlich schneller da die Aufnahme und die Auswertung praktisch parallel ablaufen. Für die meisten praktischen Anwendungen ist die Auflösung der CCD-Technik ausreichend und ideal zur Weiterverarbeitung in komplexen Meßsystemen oder Industriefertigungsanlagen geeignet.
Als Interferenz bezeichnet man die Überlagerung zweier oder mehrerer Wellen im Raum, deren Feldstärken sich vorzeichenrichtig überlagern. Die interferometrische Überlagerung kann somit sowohl zur Erhöhung als auch zur Erniedrigung der lokalen Feldstärke führen. Untere besonderen Bedingungen können sich zwei überlagerte Wellen komplett auslöschen. Der Interferenzeffekt eignet sich deshalb zur genauen Messung geometrischen Größen deswegen gut, weil bei der Überlagerung von Lichtwellen ein Inferenzmaximum nur durch eine Wegdifferenz von Lamda/2 vom nächsten Minimumentfernt liegt. Die Genauigkeit ist auf Grund der geringen Lichtwellenlänge zwischen 0,5 - 1 mycrometer sehr hoch.
Das unten abgebildete Zweistrahlinterferenz funktioniert
so, das ein Strahl durch den Laser ausgesendet wird. Der Strahlteiler lenkt
einmal den Strahl zu dem oberen Spiegel (Referenzspiegel) ab und einmal
läßt er den Strahl durch, der auf den rechten Spiegel ( Meßobjekt
bzw. Reflektor) trifft. Nach der Reflexion der beiden Strahlen, werden
beide durch den Strahlteiler zu dem Schirm ( Detektor) abgelenkt. Verändert
sich die Wegdiffernz der beiden Strahlen, z.B. das Meßobjekt bewegt
sich, so ergibt sich ein periodisches Hell-Dunkelsignal. Durch zählen
der Intensitätsmaxima (oder Minima) läßt sich über
eine mathematische Beziehung der zurückgelegte Werte des Meßobjektes
ermitteln.
