Компактна система 3D інспектування поверхонь з мікронною точністю

Дослідники в товаристві The Optical Society розробили легку оптичну систему, яка може здійснювати 3D інспектування поверхонь з мікронною точністю. За словами команди, ця технологія може бути використана для покращення контролю якості високотехнологічних продуктів, таких як мікрочипи, сонячні панелі та споживча електроніка.

Дослідження було опубліковано в журналі The Optical Society (OSA) Applied Optics. 

Захоплення 3D вимірів

Однією з проблем захоплення точних 3D вимірів на виробничій лінії є вібрації, тому зразки повинні періодично забиратися для аналізу в лабораторії. Під час цього процесу дефектні продукти, які розробляються, повинні бути викинуті. 

Щоб обійти цю проблему, команда поставила за мету розробити систему, яка могла б працювати в такому середовищі, як промисловий виробничий завод. Команда дослідників була очолена Георгом Шіттером з Technische Universität Wien в Австрії, і вони поєднали компактне 2D швидке керування дзеркалом з високоточним 1D конфокальним хроматичним датчиком. 

Ернст Ченсикс спільно очолював команду дослідників з Даніелем Вертянцем. 

“Роботизовані системи інспектування та вимірювання, такі як ту, яку ми розробили, можуть забезпечити 100% контроль якості в промисловому виробництві, замінивши поточні методи вибіркової перевірки”, сказав Ченсикс. 

Розроблена система призначена для встановлення на трекінговій платформі, яка встановлюється на роботизованій руці, і це дозволяє здійснювати безконтактні 3D виміри довільних форм і поверхонь. Вага системи становить 300 грамів, а розміри – 75 х 63 х 55 міліметрів, що робить її надзвичайно компактною.

“Наша система може вимірювати 3D поверхневі топографії з неперевершеною комбінацією гнучкості, точності та швидкості”, сказав Вертянц. “Це створює менше відходів, оскільки проблеми виробництва можна ідентифікувати в реальному часі, а процеси можна швидко адаптувати та оптимізувати.”

Існуючі системи часто покладаються на громіздкі прилади для здійснення точних вимірів. Щоб забезпечити це на виробничій лінії, команда створила систему на основі 1D конфокального хроматичного датчика відстані, розробленого компанією Micro-Epsilon, який може вимірювати зміщення, відстань та товщину з надзвичайною точністю, використовуючи ті ж принципи, що й конфокальні мікроскопи. Однак вони значно менші.

Команда поєднала конфокальний датчик з швидким керуванням дзеркалом, яке має діаметр лише 32 міліметри. Крім того, вони розробили процес реконструкції, який може створити 3D зображення топографії поверхні зразка, використовуючи дані вимірювання.

Система може бути встановлена на метрологічній платформі, яка служить з’єднанням з роботизованою рукою. Це використовує активний контроль зворотного зв’язку для компенсації вібрацій між зразком та системою вимірювання.

“Маніпулюючи оптичним шляхом датчика за допомогою швидкого керування дзеркалом, місце вимірювання швидко та точно сканується по поверхні області інтересу”, сказав Вертянц. “Оскільки потрібно рухати лише невелике дзеркало, сканування можна здійснювати на високих швидкостях без компромісу точності.”

Тестування нової системи

Дослідники протестували нову систему, використовуючи різні калібрувальні стандарти, структуровані з визначеними поперечними розмірами та висотами. Експерименти показали, що вона може вимірювати з поперечною роздільністю 2,5 мікронів та аксіальною роздільністю 76 нанометрів.

“Ця система може принести різні переваги високотехнологічному виробництву”, сказав Вертянц. “В лінії вимірювання можуть забезпечити виробничі процеси без відмов, які особливо корисні для низьковolume виробництва. Інформація також може бути використана для оптимізації процесу виробництва та налаштування машинних інструментів, що може збільшити загальну продуктивність.”

Команда тепер спробує реалізувати систему на метрологічній платформі, а також інтегрувати її з роботизованими руками. Якщо їм це вдасться, вони зможуть протестувати роботизовані точні 3D виміри на вільних поверхнях у середовищах, таких як промислові виробничі лінії, які часто наповнені вібраціями.