Kompakt system 3D inspekterer overflater med mikron-skala presisjon

Forskere ved The Optical Society har utviklet et lett optisk system som kan utføre 3D-inspeksjon av overflater med mikron-skala presisjon. Ifølge teamet kan denne teknologien brukes til å forbedre kvalitetskontrollinspeksjon for høyteknologiske produkter som halvlederchiper, solceller og forbrukerlektronikk.

Forskningen ble publisert i The Optical Society (OSA) tidsskrift Applied Optics. 

Oppnå 3D-målinger

En av utfordringene med å oppnå presise 3D-målinger på produksjonslinjen skyldes vibrasjoner, så prøver må tas ut til analyse i laboratoriet. Under denne prosessen må defekte produkter som utvikles kastes.

For å komme rundt dette, satte teamet ut å utvikle et system som kunne fungere i en slik miljø, som en industriell fabrikk. Forskningsgruppen ble ledet av Georg Schitter fra Technische Universität Wien i Østerrike, og de kombinerte et kompakt 2D hurtig styremirror med en høy presisjons 1D konfokal kromatisk sensor. 

Ernst Csencsics ledet forskningsgruppen sammen med Daniel Wertjanz. 

“Robotbasert inline-inspeksjon og målingsystemer som det vi har utviklet, kan aktivere 100 % kvalitetskontroll i industriell produksjon, og erstatte nåværende prøvebaserte metoder”, sa Csensics. 

Det nylig utviklede systemet er designet for å monteres på en sporingsplattform som plasseres på en robotarm, og dette muliggjør berøringfrie 3D-målinger av vilkårlige former og overflater. Med en vekt på 300 gram og mål på 75 x 63 x 55 millimeter kubed, er systemet imponerende lite.

“Vårt system kan måle 3D-overflate-topografi med en uforutsett kombinasjon av fleksibilitet, presisjon og hastighet,” sa Wertjanz. “Dette skaper mindre avfall fordi produksjonsproblemer kan identifiseres i sanntid, og prosesser kan raskt tilpasses og optimaliseres.”

Eksisterende systemer er ofte avhengige av bulke instrumenter for å utføre presise målinger. For å muliggjøre dette på produksjons gulvet, skapte teamet systemet basert på en 1D konfokal kromatisk avstandssensor utviklet av Micro-Epsilon, og disse kan måle forskyvning, avstand og tykkelse ekstremt nøyaktig mens de bruker samme prinsipper som konfokale mikroskoper. Men de er mye mindre.

Teamet kombinerte konfokal-sensoren med en hurtig styremirror, med den siste målte bare 32 millimeter i diameter. Foruten dette, utviklet de også en rekonstruksjonsprosess som kan lage en 3D-bilde av prøvens overflate-topografi ved å bruke målingsdataene.

Systemet kan passe på en metrologi-plattform, med den siste som fungerer som en kobling til en robotarm. Dette er hva som bruker aktiv tilbakemeldingskontroll for å kompensere for vibrasjoner mellom prøve og målingsystem.

“Ved å manipulere den optiske banen til sensoren med den hurtige styremirroren, skannes målepunktet raskt og nøyaktig over overflateområdet av interesse,” sa Wertjanz. “Fordi bare den lille mirroren må flyttes, kan skanningen utføres med høye hastigheter uten å kompromittere nøyaktigheten.”

Testing av det nye systemet

Forskerne testet det nye systemet ved å bruke forskjellige kalibreringsstandarder som er strukturert med definerte laterale størrelser og høyder. Eksperimentene viste at det kan måle med en lateral på 2,5 mikroner og aksial oppløsning på 76 nanometer.

“Dette systemet kunne til slutt bringe en rekke fordeler til høyteknologisk produksjon,” sa Wertjanz. “In-line målinger kunne aktivere null-feil produksjonsprosesser, som er spesielt nyttige for lav-volum fabrikasjon. Informasjonen kunne også brukes til å optimalisere produksjonsprosessen og maskinverktøy innstillinger, som kan øke den totale gjennomstrømmingen.”

Teamet vil nå prøve å implementere systemet på metrologi-plattformen, samt inkorporere det med robot-armer. Hvis de kan oppnå dette, vil de kunne teste robotbasert presis 3D-måling på frie former og overflater i miljøer som den industrielle produksjonslinjen, som ofte er full av vibrasjoner.