Kompaktes System für 3D-Inspektion von Oberflächen mit Mikrometer-Präzision

Forscher der Optical Society haben ein leichtes optisches System entwickelt, das 3D-Inspektionen von Oberflächen mit Mikrometer-Präzision durchführen kann. Laut dem Team könnte diese Technologie verwendet werden, um die Qualitätskontrolle für High-Tech-Produkte wie Halbleiterchips, Solarpanele und Consumer-Elektronik zu verbessern.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift der Optical Society (OSA) Applied Optics

3D-Messungen erfassen

Eine der Herausforderungen bei der Erfassung von Präzisions-3D-Messungen in der Produktion ist durch Vibrationen verursacht, sodass Proben regelmäßig für die Analyse in einem Labor entnommen werden müssen. Während dieses Prozesses müssen fehlerhafte Produkte, die entwickelt werden, entsorgt werden.

Um dies zu umgehen, hat das Team ein System entwickelt, das in einer solchen Umgebung wie einem industriellen Fertigungsbetrieb funktionieren kann. Das Forschungsteam wurde von Georg Schitter von der Technischen Universität Wien in Österreich geleitet, und sie kombinierten einen kompakten 2D-Schnelllenkspiegel mit einem hochpräzisen 1D-Konfokal-Chromat-Sensor.

Ernst Csencsics leitete das Forschungsteam zusammen mit Daniel Wertjanz.

“Robot-basierte Inline-Inspektion und Messsysteme wie das, das wir entwickelt haben, können 100%ige Qualitätskontrolle in der industriellen Produktion ermöglichen und die aktuellen stichprobenbasierten Methoden ersetzen”, sagte Csensics.

Das neu entwickelte System ist so konzipiert, dass es auf einer Nachführplattform montiert werden kann, die auf einem Roboterarm platziert wird, und dies ermöglicht berührungslose 3D-Messungen von beliebigen Formen und Oberflächen. Mit einem Gewicht von 300 Gramm und Abmessungen von 75 x 63 x 55 Millimetern ist das System beeindruckend klein.

“Unser System kann 3D-Oberflächen-Topografien mit einer beispiellosen Kombination aus Flexibilität, Präzision und Geschwindigkeit messen”, sagte Wertjanz. “Dies reduziert den Abfall, da Produktionsprobleme in Echtzeit identifiziert und Prozesse schnell angepasst und optimiert werden können.”

Bestehende Systeme verlassen sich oft auf sperrige Instrumente, um Präzisionsmessungen durchzuführen. Um dies auf dem Produktionsfloor zu ermöglichen, hat das Team das System auf der Grundlage eines 1D-Konfokal-Chromat-Abstandssensors von Micro-Epsilon entwickelt, der Abstand, Dicke und Distanz extrem genau messen kann, indem er die gleichen Prinzipien wie Konfokalmikroskope verwendet, jedoch viel kleiner ist.

Das Team kombinierte den Konfokal-Sensor mit einem Schnelllenkspiegel, der nur 32 Millimeter im Durchmesser misst. Darüber hinaus entwickelten sie einen Rekonstruktionsprozess, der ein 3D-Bild der Oberflächen-Topografie des Probenkörpers erstellen kann, indem die Messdaten verwendet werden.

Das System kann auf einer Metrologie-Plattform montiert werden, die als Verbindung zu einem Roboterarm dient. Dieser verwendet eine aktive Rückkopplungssteuerung, um Vibrationen zwischen Probe und Messsystem auszugleichen.

“Indem wir den optischen Pfad des Sensors mit dem Schnelllenkspiegel manipulieren, kann der Messpunkt schnell und präzise über die Oberfläche des Interesses gescannt werden”, sagte Wertjanz. “Da nur der kleine Spiegel bewegt werden muss, kann der Scan mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden, ohne die Präzision zu beeinträchtigen.”

Das neue System testen

Die Forscher testeten das neue System, indem sie verschiedene Kalibrierungsstandards mit definierten lateralen Größen und Höhen verwendeten. Die Experimente zeigten, dass es mit einer lateralen Auflösung von 2,5 Mikrometern und einer axialen Auflösung von 76 Nanometern messen kann.

“Dieses System könnte letztendlich eine Vielzahl von Vorteilen für die High-Tech-Fertigung bringen”, sagte Wertjanz. “Inline-Messungen könnten Null-Fehler-Produktionsprozesse ermöglichen, die besonders nützlich für die Fertigung in kleinen Stückzahlen sind. Die Informationen könnten auch verwendet werden, um den Fertigungsprozess und die Maschineneinstellungen zu optimieren, was die Gesamtleistung erhöhen kann.”

Das Team wird nun versuchen, das System auf der Metrologie-Plattform zu implementieren und es mit Roboterarmen zu integrieren. Wenn sie dies erreichen, können sie roboterbasierte Präzisions-3D-Messungen auf freiformigen Oberflächen in Umgebungen wie der industriellen Fertigungslinie testen, die oft voller Vibrationen sind.