Компактная система 3D осматривает поверхности с микронной точностью

Исследователи в The Optical Society разработали легкую оптическую систему, которая может выполнять 3D осмотр поверхностей с микронной точностью. Согласно команде, эта технология может быть использована для улучшения контроля качества для высокотехнологичных продуктов, таких как полупроводниковые чипы, солнечные панели и потребительская электроника.

Исследование было опубликовано в журнале The Optical Society (OSA) Applied Optics. 

Захват 3D измерений

Одной из проблем захвата точных 3D измерений на производственной линии является вибрация, поэтому образцы должны быть периодически взяты для анализа в лаборатории. Во время этого процесса дефектные продукты, которые были разработаны, должны быть утилизированы.

Чтобы обойти это, команда поставила цель разработать систему, которая могла бы работать в такой среде, как промышленный завод. Исследовательская команда была возглавлена Георгом Шиттером из Technische Universität Wien в Австрии, и они объединили компактное 2D быстрое зеркало с высокоточной 1D конфокальной хроматической датчиком.

Эрнст Ченсикс совместно с Даниэлем Вертйанцем возглавлял исследовательскую команду.

“Роботизированные системы инлайн-инспекции и измерения, такие как та, которую мы разработали, могут обеспечить 100% контроль качества в промышленном производстве, заменив текущие методы выборки”, – сказал Ченсикс.

Разработанная система предназначена для установки на отслеживающую платформу, размещенную на роботизированной руке, что позволяет выполнять бесконтактные 3D измерения произвольных форм и поверхностей. Вес системы составляет 300 граммов, а ее размеры – 75 х 63 х 55 миллиметров в кубе, что впечатляет своей компактностью.

“Наша система может измерять 3D поверхностную топографию с беспрецедентным сочетанием гибкости, точности и скорости”, – сказал Вертйанц. “Это создает меньше отходов, поскольку проблемы производства могут быть выявлены в реальном времени, и процессы могут быть быстро адаптированы и оптимизированы.”

Существующие системы часто полагаются на громоздкие приборы для выполнения точных измерений. Чтобы ermögнить это на производственной линии, команда создала систему на основе 1D конфокальной хроматической датчика расстояния, разработанного компанией Micro-Epsilon, которая может измерять смещение, расстояние и толщину с высокой точностью, используя те же принципы, что и конфокальные микроскопы. Однако они намного меньше.

Команда объединила конфокальный датчик с быстродействующим зеркалом, диаметр которого составляет 32 миллиметра. Кроме того, они разработали процесс реконструкции, который может создать 3D изображение топографии поверхности образца, используя данные измерения.

Система может быть установлена на метрологическую платформу, которая служит связью с роботизированной рукой. Это используется для активной обратной связи для компенсации вибраций между образцом и системой измерения.

“Манипулируя оптическим путем датчика с помощью быстродействующего зеркала, точка измерения быстро и точно сканируется по поверхности интереса”, – сказал Вертйанц. “Поскольку необходимо перемещать только небольшое зеркало, сканирование может быть выполнено на высоких скоростях без ущерба для точности.”

Тестирование новой системы

Исследователи протестировали новую систему, используя различные эталонные образцы, структурированные с определенным размером и высотой. Эксперименты показали, что она может измерять с латеральной точностью 2,5 микрона и аксиальной разрешающей способностью 76 нанометров.

“Эта система может в конечном итоге принести различные выгоды высокотехнологичному производству”, – сказал Вертйанц. “Инлайн-измерения могут обеспечить процесс производства без отказов, что особенно полезно для низкообъемного производства. Информация также может быть использована для оптимизации процесса производства и настройки машин, что может увеличить общую производительность.”

Команда теперь попытается реализовать систему на метрологической платформе, а также интегрировать ее с роботизированными руками. Если они смогут добиться этого, они смогут протестировать роботизированное точное 3D измерение на свободных поверхностях в средах, таких как промышленная производственная линия, которая часто наполнена вибрациями.