Kompakt system för 3D-inspektion av ytor med mikronskala precision

Forskare vid The Optical Society har utvecklat ett lätt optiskt system som kan utföra 3D-inspektion av ytor med mikronskala precision. Enligt teamet kan denna teknik användas för att förbättra kvalitetskontrollen för högteknologiska produkter som halvledarchip, solceller och konsumentelektronik.

Forskningen publicerades i The Optical Society (OSA) tidskrift Applied Optics. 

Insamling av 3D-mätningar

En av utmaningarna med att samla in precisa 3D-mätningar på produktionslinjen orsakas av vibrationer, så prover måste tas regelbundet för analys i ett laboratorium. Under denna process måste defekta produkter som utvecklas kasseras. 

För att komma runt detta satte teamet utveckla ett system som kunde fungera i en sådan miljö, som en industriell tillverkningsanläggning. Forskningsteamet leddes av Georg Schitter från Technische Universität Wien i Österrike, och de kombinerade ett kompakt 2D-snabbstyrningspegel med en högprecisions 1D-konfokal kromatisk sensor. 

Ernst Csencsics samledde forskningsteamet med Daniel Wertjanz. 

“Robotbaserad inline-inspektion och mätningssystem som det vi utvecklat kan möjliggöra 100% kvalitetskontroll i industriell produktion, och ersätta nuvarande urvalsbaserade metoder”, sa Csensics. 

Det nyligen utvecklade systemet är utformat för att monteras på en spårningsplattform som placeras på en robotarm, och detta möjliggör beröringsfria 3D-mätningar av godtyckliga former och ytor. Systemet väger 300 gram och mäter 75 x 63 x 55 millimeter i kubik, och är imponerande litet.

“Vårt system kan mäta 3D-yttopografier med en aldrig tidigare skådad kombination av flexibilitet, precision och hastighet”, sa Wertjanz. “Detta skapar mindre avfall eftersom tillverkningsproblem kan identifieras i realtid, och processer kan snabbt anpassas och optimeras.”

Existerande system förlitar sig ofta på klumpiga instrument för att utföra precisa mätningar. För att möjliggöra detta på produktionsgolvet skapade teamet systemet baserat på en 1D-konfokal kromatisk avståndssensor utvecklad av Micro-Epsilon, och dessa kan mäta förskjutning, avstånd och tjocklek extremt exakt medan de använder samma principer som konfokala mikroskop. Men de är mycket mindre.

Teamet kombinerade konfokalsensorn med en snabbstyrningspegel, som mäter bara 32 millimeter i diameter. Utöver detta utvecklade de också en rekonstruktionsprocess som kan skapa en 3D-bild av provets yttopografi med hjälp av mätdata.

Systemet kan monteras på en metrologiplattform, som fungerar som en anslutning till en robotarm. Detta använder aktiv feedbackkontroll för att kompensera för vibrationer mellan prov och mätningssystem.

“Genom att manipulera den optiska banan för sensorn med den snabbstyrande pegeln skannas mätpunkten snabbt och exakt över ytan av intresse”, sa Wertjanz. “Eftersom endast den lilla pegeln behöver flyttas, kan skanningen utföras med höga hastigheter utan att kompromissa med precisionen.”

Testning av det nya systemet

Forskarna testade det nya systemet genom att använda olika kalibreringsstandarder som är strukturerade med definierade laterala storlekar och höjder. Experimenten visade att det kan mäta med en lateral upplösning på 2,5 mikron och axial upplösning på 76 nanometer.

“Detta system kan så småningom bringa en mängd fördelar till högteknologisk tillverkning”, sa Wertjanz. “Inline-mätningar kan möjliggöra noll-felproduktionsprocesser, som är särskilt användbara för lågvolymtillverkning. Informationen kan också användas för att optimera tillverkningsprocessen och maskininställningar, vilket kan öka den totala genomströmningen.”

Teamet kommer nu att försöka implementera systemet på metrologiplattformen, samt integrera det med robotarmar. Om de kan uppnå detta, kommer de att kunna testa robotbaserad precision 3D-mätning på fria ytor i miljöer som den industriella produktionslinjen, som ofta är full av vibrationer.