Kompakt System 3D Inspekterer Overflader Med Mikron-Skala Præcision

Forskere ved The Optical Society har udviklet et letvægts optisk system, der kan udføre 3D-inspektion af overflader med mikron-skala præcision. Ifølge teamet kunne denne teknologi bruges til at forbedre kvalitetskontrolinspektion for højteknologiske produkter som halvlederchips, solceller og forbruger-elektronik.

Forskningen blev offentliggjort i The Optical Society (OSA) tidsskrift Applied Optics. 

Indfanging af 3D Målinger

En af udfordringerne ved at indfange præcise 3D-målinger på produktionslinjen skyldes vibrationer, så prøver må tages periodevis for analyse i et laboratorium. Under denne proces må defekte produkter, der er udviklet, kasseres. 

For at komme rundt om dette, satte teamet sig for at udvikle et system, der kunne fungere i en sådan miljø, som en industriproduktionsanlæg. Forskningsgruppen blev ledt af Georg Schitter fra Technische Universität Wien i Østrig, og de kombinerede et kompakt 2D hurtig styremirror med en højpræcis 1D konfokal chromatisk sensor. 

Ernst Csencsics co-ledede forskningsgruppen med Daniel Wertjanz. 

“Robotbaserede inline-inspektion og målingssystemer som det, vi har udviklet, kan aktivere 100% kvalitetskontrol i industriproduktion, og erstatte nuværende prøvebaserede metoder,” sagde Csensics. 

Det nyligt udviklede system er designet til at være monteret på en sporingssplatform, der er placeret på en robotarm, og dette muliggør berøringsfri 3D-målinger af vilkårlige former og overflader. Vægning på 300 gram og måler 75 x 63 x 55 millimeter i kubik, er systemet imponerende lille.

“Vores system kan måle 3D-overflade-topografier med en hidtil uset kombination af fleksibilitet, præcision og hastighed,” sagde Wertjanz. “Dette skaber mindre affald, fordi produktionsproblemer kan identificeres i realtid, og processer kan hurtigt tilpasses og optimeres.”

Eksisterende systemer afhænger ofte af kraftige instrumenter til at udføre præcise målinger. For at muliggøre dette på produktionsgulvet, skabte teamet systemet baseret på en 1D konfokal chromatisk afstandssensor udviklet af Micro-Epsilon, og disse kan måle forskydning, afstand og tykkelse ekstremt nøjagtigt, mens de bruger de samme principper som konfokale mikroskoper. Men de er meget mindre.

Teamet kombinerede konfokal-sensoren med en hurtig styremirror, hvor sidstnævnte måler kun 32 millimeter i diameter. Ud over dette udviklede de også en rekonstruktionsproces, der kan skabe en 3D-billede af prøvens overflade-topografi ved at bruge målingsdataene.

Systemet kan være monteret på en metrologiplatform, hvor sidstnævnte fungerer som en forbindelse til en robotarm. Dette er, hvad der bruger aktiv feedback-kontrol til at kompensere for vibrationer mellem prøve og målingssystem.

“Ved at manipulere den optiske vej af sensoren med den hurtige styremirror, kan målingspunktet scannes hurtigt og præcist over overfladeområdet af interesse,” sagde Wertjanz. “Fordi kun den lille mirror behøver at flyttes, kan scannen udføres med høj hastighed uden at kompromittere præcisionen.”

Test af det nye System

Forskerne testede det nye system ved at bruge forskellige kalibreringsstandarder, der er struktureret med definerede laterale størrelser og højder. Eksperimenterne viste, at det kan måle med en lateral af 2,5 mikroner og axial opløsning på 76 nanometer.

“Dette system kunne til sidst bringe en række fordele til højteknologisk produktion,” sagde Wertjanz. “Inline-målinger kunne aktivere zero-fejl produktionsprocesser, som er særligt nyttige for lav-volumen-fabrikation. Informations kan også bruges til at optimere produktionsprocessen og maskintilstillinger, hvilket kan øge den samlede gennemstrømning.”

Teamet vil nu forsøge at implementere systemet på metrologiplatformen samt inkorporere det med robotarme. Hvis de kan opnå dette, vil de være i stand til at teste robotbaseret præcis 3D-måling på frie former på overflader i miljøer som industriproduktionslinjer, der ofte er fulde af vibrationer.