Optischer Sensor-ASIC für die Positionsbestimmung

Für die hochgenaue optische Positionsanalyse, wie sie etwa bei der Laserschweißnaht-Inspektion in der Automobilindustrie unerlässlich ist, hat der in Jena ansässige Entwicklungs- und Fertigungsdienstleister MAZeT eine neue Sensorlösung entwickelt.

Das optische Analysesystem namens »Siscan« besteht aus zwei Baugruppen: einem Sensor- und einem Interfaceboard. Das Sensorboard umfasst den Sensor-ASIC nebst Steuerung, das Interfaceboard stellt via USB die Kopplung zu einem Hostrechner her und steuert die Laserlichtquelle des Messsystems.

Herzstücke des in Chip-on-Board-Technologie (CoB) aufgebauten Sensorboards sind ein von einer FPGA-Logik gesteuerter Sensor-ASIC sowie vier schnelle A/D-Wandler, deren Ergebnisse sich in Registern zwischenspeichern lassen. Das Board zeichnet sich durch eine hohe Packungsdichte und durch eine speziell entwickelte Optosensorzeile (Sensor-ASIC) aus. Mit seinen 128 Messkanälen erfasst der Sensor-ASIC parallel alle Maxima der 128 Signale der Laser-Teilstrahlen. Zusätzlich zu den 128 Pixeln - realisiert als PIN-Fotodioden-Zeile - enthält der IC einen Referenzkanal. Die Chiplänge (Längsausdehnung) ist durch die feste Anordnung der Laserstrahlen vorgegeben. Somit ergibt sich eine Gesamtchipfläche von ca. 100 mm².

Um die über die Fotodioden erfassten Laserlichtsignale auszuwerten und aufzubereiten, sind im Sensor-ASIC für jedes Pixel ein rauscharmer Verstärker, ein logarithmischer Verstärker und ein Nachverstärker integriert. Darüber hinaus bietet der Sensor-ASIC einen Fotostrombereich von 0,5 nA bis 2 µA, eine Verarbeitungsgeschwindigkeit von 300 kHz für die Messkanäle, Einschwingzeiten für das Auslesen der Messwerte von ca. 400 ns sowie einen hohen Gleichlauf der Messkanäle.

Beim Einsatz in der Mess- und Prüftechnik misst der »Siscan«-Sensor z.B. die Oberflächenrauhigkeit in einem hochpräzisen konfokalen Messsystem. Hierzu tastet ein Laserstahl schrittweise die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks ab. Der Laserstrahl wird in 128 Teilstrahlen aufgefächert und trifft über eine Länge von etwa 16 mm auf die Oberfläche (x-Richtung). Mit einer Stimmgabel wird der Fokus jedes einzelnen Strahls senkrecht zur Oberfläche (z-Richtung) geringfügig bewegt und das reflektierte Licht vom Sensor erfasst. Ein maximales Lichtsignal erhält man, wenn Fokus und Oberfläche exakt übereinstimmen. Aus der Signalintensität ergibt sich das zu vermessende Höhenprofil für eine Strecke auf der Werkstückoberfläche. Durch schrittweises Weiterführen von Laser und Sensor lässt sich die gesamte Oberfläche scannen.

»Siscan« - neues Produkt mit langjähriger Geschichte

Erstmals trat der Name des optischen Analysesystems »Siscan« im Jahr 2003 in Erscheinung – damals als Engineering-Modell der in München ansässigen Siemens Dematic Electronics Assembly Systems. Mitte 2006 verkaufte der Siemens-Konzern die Dematic GmbH & Co. KG an das europäische Private-Equity-Haus Triton sowie an das Management von Dematic und trat mit dem Projekt »Siscan« an MAZeT heran. Eigenen Angaben zufolge hat MAZeT die neue Sensor-Generation komplett neu entwickelt.