紧凑系统以微米级精度对表面进行 3D 检测

光学学会的研究人员开发了一种轻量级的光学系统，可以对表面进行 3D 检测，具有微米级精度。根据团队的说法，这项技术可以用于提高高科技产品的质量控制检查，如半导体芯片、太阳能板和消费电子产品。

该研究发表在光学学会（OSA）期刊 应用光学。

捕获 3D 测量

生产线上捕获精确的 3D 测量数据之一的挑战是由于振动引起的，因此必须定期取样进行实验室分析。在此过程中，必须丢弃开发的有缺陷产品。

为了解决这个问题，团队致力于开发一种可以在这样的环境中运行的系统，例如工业制造工厂。研究团队由奥地利维也纳科技大学的 Georg Schitter 领导，他们将一个紧凑的 2D 快速转向镜与一个高精度的 1D 共焦色度传感器相结合。

Ernst Csencsics 与 Daniel Wertjanz 共同领导了该研究团队。

“基于机器人的在线检查和测量系统，例如我们开发的系统，可以实现工业生产中的 100% 质量控制，取代当前的样本方法，” Csensics 说。

新开发的系统旨在安装在一个跟踪平台上，该平台放置在一个机器人臂上，这使得可以对任意形状和表面的 3D 测量进行无接触测量。该系统重约 300 克，尺寸为 75 x 63 x 55 毫米立方，体积非常小。

“我们的系统可以以前所未有的灵活性、精度和速度来测量 3D 表面拓扑，” Wertjanz 说。 “这可以减少浪费，因为制造问题可以实时识别，并且可以快速适应和优化工艺。”

现有的系统通常依赖于笨重的仪器来进行精确的测量。为了使其能够在生产线上使用，团队基于 Micro-Epsilon 开发的 1D 共焦色度距离传感器创建了该系统，这些传感器可以非常准确地测量位移、距离和厚度，同时使用与共焦显微镜相同的原理。但是，它们要小得多。

该团队将共焦传感器与快速转向镜相结合，后者直径仅为 32 毫米。此外，他们还开发了一个重构过程，可以使用测量数据创建样本表面拓扑的 3D 图像。

该系统可以安装在测量平台上，后者作为连接到机器人臂的接口。这使用主动反馈控制来补偿样本和测量系统之间的振动。

“通过使用快速转向镜来操纵传感器的光学路径，测量点可以快速、精确地扫描感兴趣的表面区域，” Wertjanz 说。 “因为只需要移动小镜子，所以扫描可以在不损失精度的情况下以高速进行。”

测试新系统

研究人员使用各种校准标准来测试新系统，这些标准具有定义的横向尺寸和高度。实验表明，它可以以 2.5 微米的横向分辨率和 76 纳米的轴向分辨率进行测量。

“该系统最终可以为高科技制造业带来各种好处，” Wertjanz 说。 “在线测量可以实现零缺陷生产工艺，这对于低量生产尤其有用。这些信息还可以用于优化制造工艺和机器设置，从而提高整体生产率。”

该团队现在将尝试在测量平台上实施该系统，并将其与机器人臂集成。如果他们能够实现这一点，他们将能够在工业生产线等环境中测试基于机器人的精确 3D 测量，这些环境通常充满振动。