Компактная система для 3D-инспекции поверхностей с микронной точностью

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

Исследование было опубликовано в журнале Общества оптики (OSA) Applied Optics. 

Получение 3D-измерений

Одной из проблем получения точных 3D-измерений на производственной линии являются вибрации, поэтому образцы должны быть периодически взяты для анализа в лаборатории. Во время этого процесса дефектные продукты, которые разрабатываются, должны быть утилизированы.

Чтобы обойти эту проблему, команда разработала систему, которая может работать в такой среде, как промышленный завод. Исследовательская команда была возглавлена Георгом Шиттером из Технического университета Вена в Австрии, и они объединили компактное 2D-быстрое зеркало с высокоточным 1D-конфокальным хроматическим датчиком.

Эрнст Цсенцикс совместно с Даниэлем Вертянцем возглавлял исследовательскую команду.

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

Разработанная система предназначена для установки на платформу отслеживания, которая устанавливается на роботизированную руку, и это позволяет выполнять бесконтактные 3D-измерения произвольных форм и поверхностей. Вес системы составляет 300 граммов, а ее размеры – 75 х 63 х 55 миллиметров.

“Наша система может измерять 3D-поверхности с беспрецедентным сочетанием гибкости, точности и скорости”, – сказал Вертянц. “Это уменьшает количество отходов, поскольку проблемы в производстве 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 обеспечить это на производственной линии, команда разработала систему на основе 1D-конфокального хроматического датчика расстояния, разработанного компанией Micro-Epsilon, который может измерять смещение, расстояние и толщину с высокой точностью, используя те же принципы, что и конфокальные микроскопы, но они намного меньше.

Команда объединила конфокальный датчик с быстродействующим зеркалом, которое имеет диаметр 32 миллиметра. Кроме того, они разработали процесс реконструкции, который может создать 3D-изображение поверхности образца, используя данные измерений.

Система может быть установлена на метрологическую платформу, которая служит соединением с роботизированной рукой. Это используется для активного управления обратной связью 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 Вертянц. “Поскольку необходимо перемещать только небольшое зеркало, сканирование можно выполнять на высокой скорости без ущерба для точности”.

Тестирование новой системы

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

“Эта система может принести различные выгоды высокотехнологичному производству”, – сказал Вертянц. “Встроенные измерения могут обеспечить производство без дефектов, что особенно полезно для низкообъемного производства. Информация также может быть использована для оптимизации производственного процесса и настроек 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 роботизированные точные 3D-измерения на свободных поверхностях в средах, таких как промышленная производственная линия, которые часто полны вибраций.