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科学家开发出一种轻型光学系统,可对物体表面进行微米级精度的3D检测

据报道,维也纳技术大学(TU Wien)的研究人员开发了一种轻型光学系统,用于对表面进行微米级精度的三维(3D)检测。该测量工具可以大大加强高科技产品的质量控制检查,包括半导体芯片、太阳能电池板和消费电子产品,如平板电视。

为了创造一个能够在工业制造工厂易振动环境中运行的系统,由Georg Schitter领导的团队将一个紧凑的2D快速转向镜与高精度1D共焦色差传感器相结合。

精密测量通常必须在实验室用大型设备进行。为了将这种能力应用到生产车间,该团队开发了一种基于该研究项目合作伙伴Micro-Epsilon自研的1D共焦色差传感器的系统。共焦彩色传感器可以精确地测量位移、距离和厚度,使用与共焦显微镜相同的原理,但体积要小得多。

振动使得在生产线上捕捉精确的3D测量变得困难,因此,需要定期采集样品在实验室进行分析。但是,在等待结果的过程中,任何有缺陷的产品都必须丢弃。

新系统在校准过程中涉及CMOS相机。可以看到被测量的光斑,以及快速转向镜(FSM)和共焦色差传感器(CCS)。

与Daniel Wertjanz共同领导该研究团队的Ernst Csencsics表示:“我们开发的基于机器人的在线检测和测量系统可以在工业生产中实现100%的质量控制,取代目前基于样品的方法。”“这创造了一个更高效的生产过程,因为它节省了能源和资源。”

该系统被设计安装在一个放置在机械臂上的跟踪平台上,用于任意形状和表面的非接触三维测量。它重300克,尺寸为75×63×55毫米,大约相当于一个浓缩咖啡杯的大小。

该大学的博士生Wertjanz表示:“我们的系统可以以前所未有的灵活性、精确度和速度测量三维表面地形。”“这减少了浪费,因为制造问题可以实时识别,流程可以快速调整和优化。”

研究人员将共焦传感器与一个高度集成的快速转向镜相结合,测量直径仅为32毫米。他们还开发了一种重建过程,利用测量数据创建样品表面形貌的3D图像。3D测量系统非常紧凑,可以安装在计量平台上,作为与机械臂的连接,并通过主动反馈控制补偿样品和测量系统之间的振动。

Wertjanz称:“通过使用快速转向镜控制传感器的光路,测量光斑可以快速而精确地扫描感兴趣的表面区域。”“因为只需要移动小镜子,所以扫描可以在不影响精确度的情况下高速进行。”

为了测试该系统,研究人员使用了各种具有定义横向尺寸和高度的结构的校准标准。实验结果表明,该体系的横向分辨率为2.5μm,轴向分辨率为76nm。

“这个系统最终会给高科技制造业带来各种好处,”Wertjanz说。“在线测量可以实现零故障生产过程,这对小批量制造特别有用。这些信息还可以用于优化制造工艺和机床设置,从而提高整体产量。”

研究人员目前正致力于在计量平台上落地应用该系统,并将其与机械臂结合。这将使他们能够测试基于机器人的精密三维测量的可行性,在容易振动的环境中,如工业生产线上的自由曲面。

这项研究发表在《应用光学》(Applied Optics )杂志上。


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