Kompaktowy system 3D inspekcji powierzchni z precyzją na poziomie mikronów

Naukowcy z The Optical Society opracowali lekki system optyczny, który może przeprowadzać inspekcję 3D powierzchni z precyzją na poziomie mikronów. Zgodnie z oświadczeniem zespołu, ta technologia może być wykorzystana do poprawy kontroli jakości produktów wysokotechnologicznych, takich jak płyty półprzewodnikowe, panele słoneczne i urządzenia elektroniczne konsumenckie.

Badania zostały opublikowane w czasopiśmie The Optical Society (OSA) Applied Optics. 

Pomiar 3D

Jednym z wyzwań pomiaru precyzyjnych wymiarów 3D na linii produkcyjnej są wibracje, więc próbki muszą być okresowo pobierane do analizy w laboratorium. Podczas tego procesu produkty wadliwe, które są rozwijane, muszą być odrzucone. 

Aby obejść ten problem, zespół postanowił opracować system, który mógłby działać w takim środowisku, jak zakład produkcyjny. Zespół badawczy kierowany był przez Georga Schittera z Technische Universität Wien w Austrii, i połączył kompaktowe lustro 2D z szybkim sterowaniem z wysoką precyzją czujnikiem confocal chromatic. 

Ernst Csencsics współkierował zespołem badawczym z Danielem Wertjanzem. 

“Systemy inspekcji i pomiaru oparte na robotach, takie jak nasz system, mogą umożliwić 100% kontrolę jakości w produkcji przemysłowej, zastępując obecne metody oparte na próbkach”, powiedział Csensics. 

Nowo opracowany system jest zaprojektowany do montażu na platformie śledzącej umieszczonej na ramieniu robota, co umożliwia bezstykowe pomiary 3D dowolnych kształtów i powierzchni. Ważąc 300 gramów i mając wymiary 75 x 63 x 55 milimetrów sześcienne, system jest imponująco mały.

“Nasz system może mierzyć topografie powierzchni 3D z niezwykłym połączeniem elastyczności, precyzji i szybkości”, powiedział Wertjanz. “To powoduje mniej odpadów, ponieważ problemy produkcyjne mogą być identyfikowane w czasie rzeczywistym, a procesy mogą być szybko adaptowane i optymalizowane.”

Istniejące systemy często polegają na bulwerskich instrumentach do pomiaru precyzyjnego. Aby umożliwić to na podłodze produkcyjnej, zespół stworzył system oparty na 1D czujniku confocal chromatic Micro-Epsilon, który może mierzyć przesunięcie, odległość i grubość z niezwykłą precyzją, używając tych samych zasad co mikroskopy confocal. Są one jednak znacznie mniejsze.

Zespół połączył czujnik confocal z szybkim lustrem sterującym, które ma średnicę 32 milimetry. Oprócz tego, opracowali proces rekonstrukcji, który może tworzyć 3D obraz topografii powierzchni próbki, używając danych pomiarowych.

System może być zamontowany na platformie metrologicznej, która służy jako połączenie z ramieniem robota. To jest to, co używa aktywnej kontroli sprzężenia zwrotnego, aby skompensować wibracje między próbką a systemem pomiarowym.

“Poprzez manipulowanie optyczną ścieżką czujnika za pomocą szybkiego lustra sterującego, punkt pomiarowy jest szybko i precyzyjnie skanowany na powierzchni interesującego obszaru”, powiedział Wertjanz. “Ponieważ tylko małe lustro musi być poruszone, skanowanie może być wykonywane z wysoką szybkością bez kompromisów co do precyzji.”

Testowanie nowego systemu

Naukowcy przetestowali nowy system, używając różnych standardów kalibracyjnych o określonych rozmiarach lateralnych i wysokościach. Eksperymenty pokazały, że może on mierzyć z rozdzielczością lateralną 2,5 mikrona i rozdzielczością osiową 76 nanometrów.

“Ten system może przynieść wiele korzyści produkcji wysokotechnologicznej”, powiedział Wertjanz. “Pomiary w linii mogą umożliwić produkcję bez awarii, co jest szczególnie przydatne w niskimolumennej produkcji. Informacje mogą być również wykorzystane do optymalizacji procesu produkcyjnego i ustawień maszyn, co może zwiększyć ogólny przepływ.”

Zespół będzie teraz próbował wdrożyć system na platformie metrologicznej, a także połączyć go z ramieniami robota. Jeśli uda im się to osiągnąć, będą mogli przetestować robotyczne pomiary 3D z precyzją na poziomie mikronów na powierzchniach swobodnych w środowiskach takich jak linia produkcyjna, które często są wypełnione wibracjami.