Kompakt System 3D Inspeksjon Av 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. 

Oppfanging Av 3D Målinger

En av utfordringene med å oppfange presise 3D-målinger på produksjonslinjen er forårsaket av vibrasjoner, så prøver må tas periodevis for analyse i et laboratorium. Under denne prosessen må defekte produkter som utvikles kastes.

For å komme rundt dette, satte teamet ut å utvikle et system som kunne operere i en slik miljø, som en industriell produksjonsanlegg. Forsknings-teamet 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 co-ledet forskningsteamet med Daniel Wertjanz. 

“Robot-basert inline-inspeksjon og målingssystemer som det vi har utviklet kan aktivere 100% kvalitetskontroll i industriell produksjon, og erstatte nåværende prøve-baserte 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. Veier 300 gram og måler 75 x 63 x 55 millimeter kubikkmeter, er systemet imponerende lite.

“Vårt system kan måle 3D-overflate-topografi med en utenkelig 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 ofte avhenger av bulke instrumenter for å utføre presise målinger. For å aktivere 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 måler bare 32 millimeter i diameter. Foruten dette, utviklet de også en rekonstruksjonsprosess som kan skape en 3D-bilde av prøvens overflate-topografi ved å bruke målingsdataene.

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

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

Testing Av Det Nye Systemet

Forskerne testet det nye systemet ved å bruke ulike 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 total gjennomstrømming.”

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 robot-basert presis 3D-måling på frie former og overflater i miljøer som den industrielle produksjonslinjen, som ofte er full av vibrasjoner.