コンパクトなシステムがマイクロンスケールの精度で表面を3D検査する

オプティカルソサエティの研究者は、マイクロンスケールの精度で表面を3D検査できる軽量の光学システムを開発しました。チームによると、この技術は、半導体チップ、太陽電池、消費者向け電子機器などのハイテク製品の品質管理検査を強化するために使用できます。

この研究は、オプティカルソサエティ（OSA）のジャーナルApplied Optics.に掲載されました。

3D測定の取得

生産ラインで高精度の3D測定を取得する際の課題の1つは、振動によって引き起こされるため、定期的にサンプルを分析するためにラボに送る必要があります。このプロセスでは、不良品が開発されるため、廃棄する必要があります。

これを回避するために、チームは工業製造プラントのような環境で動作できるシステムを開発しようとしました。研究チームは、オーストリアのTechnische Universität WienのGeorg Schitterが率いており、コンパクトな2D高速ステアリングミラーと高精度の1Dコンフォーカルクロマチックセンサーを組み合わせました。

Ernst Csencsicsは、Daniel Wertjanzと共に研究チームを共同で率いました。

「ロボットベースのインライン検査および測定システムは、現在のサンプルベースの方法を置き換える100%の品質管理を可能にすることができます」とCsensicsは述べました。

新しく開発されたシステムは、ロボットアームに取り付けられたトラッキングプラットフォームに取り付けられるように設計されており、これにより、任意の形状と表面の3D測定が可能になります。重量は300グラム、寸法は75 x 63 x 55ミリメートルと、驚くほど小型です。

「私たちのシステムは、柔軟性、精度、速度の前例のない組み合わせで3D表面トポグラフィーを測定できます」とWertjanzは述べました。「これにより、廃棄物が減り、製造上の問題がリアルタイムで特定され、プロセスが迅速に適応および最適化されるためです。」

既存のシステムは、精密測定を行うために大型の機器に依存することがよくあります。チームは、Micro-Epsilonによって開発された1Dコンフォーカルクロマチック距離センサーを使用してシステムを開発しました。これらのセンサーは、コンフォーカル顕微鏡と同じ原理を使用して、変位、距離、厚みを非常に正確に測定できますが、サイズははるかに小さくなっています。

チームは、コンフォーカルセンサーと高速ステアリングミラーを組み合わせ、後者は直径32ミリメートルでした。また、測定データを使用してサンプルの表面トポグラフィーの3Dイメージを作成するための再構築プロセスも開発しました。

システムは、ロボットアームに接続されるメトロロジー平台に取り付けられます。これは、サンプルと測定システムの間の振動を補償するためのアクティブフィードバック制御を使用します。

「高速ステアリングミラーを使用してセンサーの光学パスを操作することで、測定スポットを迅速に正確にスキャンできます」とWertjanzは述べました。「小さなミラーだけを移動する必要があるため、精度を損なうことなく高速でスキャンできます。」

新しいシステムのテスト

研究者は、定義された横方向のサイズと高さで構造化されたさまざまな校正基準を使用して新しいシステムをテストしました。実験の結果は、2.5マイクロンの横方向分解能と76ナノメートルの軸方向分解能で測定できることを示しました。

「このシステムは、最終的にはハイテク製造にさまざまな利点をもたらす可能性があります」とWertjanzは述べました。「インライン測定により、ゼロ障害の生産プロセスが可能になり、特に低量生産に役立ちます。情報は、製造プロセスとマシントゥールの設定を最適化するために使用でき、全体的なスループットを向上させることができます。」

チームは、システムをメトロロジー平台に実装し、ロボットアームと統合しようとします。如果これを達成できる場合、振動の多い工業生産ラインのような環境で、自由形状の表面のロボットベースの精密3D測定をテストできるようになります。