コンパクトなシステムがマイクロン級の精度で表面を3Dインスペクションする

The Optical Societyの研究者は、表面をマイクロン級の精度で3Dインスペクション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高性能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、The Optical Society (OSA)のジャーナルApplied Optics.に公開されました。

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、振動によるもので、サンプルを定期的に分析するために研究所に持ち込む必要があります。このプロセスでは、不良品は廃棄される必要があります。

これを回避するために、チームは、工業用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、コンパクトな2D高速ステアリングミラーと高精度の1Dコンフォーカル色度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、たとえば私たちが開発したものは、100%の品質管理を工業生産で可能にし、現在のサンプルベースの方法を置き換えることができます。”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、任意の形状と表面のコンタクトレス3D測定を可能にします。重量は300グラム、寸法は75 x 63 x 55ミリメートルと、非常に小型です。

“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、製造上の問題をリアルタイムで特定し、プロセスを迅速に適応および最適化できます。”

既存のシステムは、精密測定を行うために大型の機器に頼ることがよくあります。生産フロアでこれを可能にするために、チームはMicro-Epsilonが開発した1Dコンフォーカル色度距離センサーをベースにシステムを作成しました。これは、コンフォーカル顕微鏡と同じ原理を使用して、変位、距離、厚さ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直径32ミリメートルの高速ステアリングミラーを組み合わせ、さらに、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再構築プロセスを開発しました。

システムは、メトロロジー・プラットフォームに取り付けられ、後者はロボット・アームへの接続として機能します。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にアクティブ・フィードバック・コントロールを使用します。

“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、測定スポットは迅速かつ正確に表面の関心領域をスキャンできます。”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、スキャンは高速度で実行できますが、精度は損なわれません。”

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、システムは2.5マイクロンの横方向の解像度と76ナノメートルの軸方向の解像度で測定できることがわかりました。

“このシステムは、最終的には高性能製造に様々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、故障ゼロの生産プロセスを可能にし、特に低量生産に役立ちます。情報は、製造プロセスと機械ツールの設定を最適化して全体的な生産性を向上させるために使用できます。”

チームは、今後、システムをメトロロジー・プラットフォームに実装し、ロボット・アームと統合することを試みる予定です。もし彼らがこれを達成できれば、振動の多い工業生産ラインのような環境で、自由形状の表面で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。