Onderzoekers hebben een lichtgewicht optisch systeem ontwikkeld voor 3D-inspectie van oppervlakken met precisie op micronschaal. Het nieuwe meetinstrument kan de kwaliteitscontrole van hightechproducten, waaronder halfgeleiderchips, zonnepanelen en consumentenelektronica zoals flat panel televisies.

Omdat trillingen het moeilijk maken om nauwkeurige 3D-metingen op de productielijn vast te leggen, periodiek worden monsters genomen voor analyse in een laboratorium. Echter, alle defecte producten die zijn gemaakt in afwachting van resultaten, moeten worden weggegooid.

Om een ​​systeem te creëren dat zou kunnen werken in de trillingsgevoelige omgeving van een industriële fabriek, onderzoekers, onder leiding van Georg Schitter van de Technische Universität Wien in Oostenrijk, combineerde een compacte 2D-snelstuurspiegel met een zeer nauwkeurige 1D confocale chromatische sensor.

"Op robots gebaseerde inline inspectie- en meetsystemen zoals we hebben ontwikkeld, kunnen 100% kwaliteitscontrole in industriële productie mogelijk maken, vervanging van de huidige steekproefgebaseerde methoden, " zei Ernst Csencsics, die samen met Daniel Wertjanz het onderzoeksteam leidde. "Hierdoor ontstaat een productieproces dat efficiënter is omdat het energie en hulpbronnen bespaart."

Zoals beschreven in het tijdschrift The Optical Society (OSA) Toegepaste optica , het nieuwe systeem is ontworpen om te worden gemonteerd op een volgplatform dat op een robotarm is geplaatst voor contactloze 3D-metingen van willekeurige vormen en oppervlakken. Hij weegt slechts 300 gram en meet 75 x 63 x 55 millimeter in blokjes, die ongeveer zo groot is als een espressokopje.

"Ons systeem kan 3D-oppervlaktopografieën meten met een ongekende combinatie van flexibiliteit, precisie, en snelheid, " zei Wertjanz, die een Ph.D. over dit onderzoeksonderwerp. "Dit zorgt voor minder afval omdat productieproblemen in realtime kunnen worden geïdentificeerd, en processen kunnen snel worden aangepast en geoptimaliseerd."

Van lab tot fab

Precisiemetingen worden meestal uitgevoerd met omvangrijke instrumenten in het laboratorium. Om deze mogelijkheid naar de productievloer te brengen, de onderzoekers ontwikkelden een systeem op basis van een 1D confocale chromatische afstandssensor ontwikkeld door Micro-Epsilon, een partner in dit onderzoeksproject. Confocale chromatische sensoren kunnen verplaatsingen nauwkeurig meten, afstand en dikte volgens dezelfde principes als confocale microscopen, maar in een veel kleinere verpakking.

Ze combineerden de confocale sensor met een sterk geïntegreerde snelstuurspiegel die ze eerder hadden ontwikkeld, met een diameter van slechts 32 millimeter. Ze ontwikkelden ook een reconstructieproces dat de meetgegevens gebruikt om een ​​3D-beeld te maken van de oppervlaktetopografie van het monster. Het 3D-meetsysteem is compact genoeg om op een metrologisch platform te passen, die dienst doet als verbinding met een robotarm en trillingen tussen monster en meetsysteem compenseert door middel van actieve feedbackcontrole.

"Door het optische pad van de sensor te manipuleren met de snelsturende spiegel, de meetvlek wordt snel en nauwkeurig gescand over het betreffende oppervlak, " zei Wertjanz. "Omdat alleen de kleine spiegel verplaatst hoeft te worden, de scan kan met hoge snelheden worden uitgevoerd zonder concessies te doen aan de precisie."

Om het nieuwe systeem te testen, de onderzoekers gebruikten verschillende kalibratiestandaarden met structuren met gedefinieerde laterale maten en hoogtes. Deze experimenten toonden aan dat het systeem metingen kan doen met een laterale van 2,5 micron en een axiale resolutie van 76 nanometer.

"Dit systeem zou uiteindelijk een aantal voordelen kunnen opleveren voor hightech productie, " zei Wertjanz. "In-line metingen kunnen productieprocessen zonder fouten mogelijk maken, die vooral handig zijn voor fabricage in kleine volumes. De informatie kan ook worden gebruikt om het productieproces en de instellingen van de bewerkingsmachines te optimaliseren, wat de algehele doorvoer kan verhogen."

De onderzoekers zijn nu bezig om het systeem op het metrologieplatform te implementeren en te integreren met een robotarm. Hierdoor kunnen ze de haalbaarheid testen van robotgebaseerde precisie 3D-metingen op vrije-vormoppervlakken in omgevingen die gevoelig zijn voor trillingen, zoals een industriële productielijn.