Système compact 3D inspecte les surfaces avec une précision à l’échelle du micron

Les chercheurs de The Optical Society ont développé un système optique léger capable de réaliser une inspection 3D des surfaces avec une précision à l’échelle du micron. Selon l’équipe, cette technologie pourrait être utilisée pour améliorer les contrôles de qualité pour les produits high-tech tels que les puces de silicium, les panneaux solaires et les produits électroniques grand public.

La recherche a été publiée dans le journal de The Optical Society (OSA) Applied Optics. 

Capturer des mesures 3D

L’un des défis pour capturer des mesures 3D de précision sur la chaîne de production est dû aux vibrations, de sorte que des échantillons doivent être périodiquement prélevés pour analyse en laboratoire. Au cours de ce processus, les produits défectueux qui sont développés doivent être éliminés. 

Pour contourner cela, l’équipe a cherché à développer un système capable de fonctionner dans un tel environnement, comme une usine de fabrication industrielle. L’équipe de recherche a été dirigée par Georg Schitter de la Technische Universität Wien en Autriche, et ils ont combiné un miroir de direction rapide 2D compact avec un capteur chromatique confocal 1D de haute précision. 

Ernst Csencsics a co-dirigé l’équipe de recherche avec Daniel Wertjanz. 

“Les systèmes d’inspection et de mesure en ligne basés sur des robots, tels que celui que nous avons développé, peuvent permettre un contrôle de qualité à 100 % dans la production industrielle, en remplaçant les méthodes actuelles basées sur des échantillons”, a déclaré Csensics. 

Le système nouvellement développé est conçu pour être monté sur une plate-forme de suivi placée sur un bras robotique, et cela permet des mesures 3D sans contact de formes et de surfaces arbitraires. Pesant 300 grammes et mesurant 75 X 63 X 55 millimètres cubes, le système est impressionnamment petit.

“Notre système peut mesurer les topographies de surface 3D avec une combinaison sans précédent de flexibilité, de précision et de vitesse”, a déclaré Wertjanz. “Cela crée moins de déchets car les problèmes de fabrication peuvent être identifiés en temps réel, et les processus peuvent être rapidement adaptés et optimisés.”

Les systèmes existants s’appuient souvent sur des instruments encombrants pour effectuer des mesures de précision. Pour permettre cela sur le plan de production, l’équipe a créé le système sur la base d’un capteur de distance chromatique confocal 1D développé par Micro-Epsilon, et ceux-ci peuvent mesurer le déplacement, la distance et l’épaisseur avec une grande précision tout en utilisant les mêmes principes que les microscopes confocaux. Cependant, ils sont beaucoup plus petits.

L’équipe a combiné le capteur confocal avec un miroir de direction rapide, le dernier mesurant seulement 32 millimètres de diamètre. En outre, ils ont également développé un processus de reconstruction qui peut créer une image 3D de la topographie de surface de l’échantillon en utilisant les données de mesure.

Le système peut s’adapter à une plate-forme de métrologie, la dernière servant de connexion à un bras robotique. C’est ce qui utilise un contrôle de rétroaction actif pour compenser les vibrations entre l’échantillon et le système de mesure.

“En manipulant le chemin optique du capteur avec le miroir de direction rapide, le point de mesure est balayé rapidement et avec précision sur la surface de l’aire d’intérêt”, a déclaré Wertjanz. “Parce que seul le petit miroir doit être déplacé, le balayage peut être effectué à des vitesses élevées sans compromettre la précision.”

Test du nouveau système

Les chercheurs ont testé le nouveau système en utilisant diverses normes d’étalonnage structurées avec des tailles latérales et des hauteurs définies. Les expériences ont montré qu’il peut mesurer avec une résolution latérale de 2,5 microns et une résolution axiale de 76 nanomètres.

“Ce système pourrait éventuellement apporter une variété d’avantages à la fabrication high-tech”, a déclaré Wertjanz. “Les mesures en ligne pourraient permettre des processus de production sans défaut, ce qui est particulièrement utile pour la fabrication à faible volume. Les informations pourraient également être utilisées pour optimiser le processus de fabrication et les paramètres des machines-outils, ce qui peut augmenter le débit global.”

L’équipe va maintenant essayer de mettre en œuvre le système sur la plate-forme de métrologie, ainsi que de l’intégrer avec des bras robotiques. Si elles peuvent y parvenir, elles seront en mesure de tester les mesures 3D de précision basées sur des robots sur des surfaces de forme libre dans des environnements tels que la ligne de production industrielle, qui sont souvent remplis de vibrations.