表面细节的快速和精确的高精度测量——林肯先生会怎么说?

2023-06-02 10:54

您是否知道使用干涉测量法进行的 3D 测量可以非常精确且速度极快?这种双重能力对于高精度行业的在线检测至关重要。

为说明此功能,我们使用 Novacam SURFACEINSPECT TM 3D 计量系统扫描一美分硬币的细节。表面测量系统该系统基于低相干干涉测量法,测量精度为微米级,但其典型测量周期仅为几秒,通常可满足具有挑战性的车间应用。

当然,测量周期时间将取决于两个参数:a) 测量区域的大小和 b) 所需的测量密度。出于这个原因,我们比较了同一区域的两种测量场景——一种场景具有高密度,另一种场景具有较低的 3D 点测量密度。

在美国便士的背面输入林肯先生

美国一美分硬币是北美熟悉的物品。一分钱宽约 21 毫米,厚 1.52 毫米。这枚硬币的背面有一个鲜为人知的细节——一个测量起来很有趣的小数字。大多数人从来没有注意到它。

要找到这个数字,请仔细观察硬币背面的林肯纪念碑中心。在两个中央柱子之间,您会看到美国第 16 任总统亚伯拉罕林肯先生的小坐像。我们想要测量和可视化最小的细节——林肯的头部,它大约有 0.25 毫米(250 微米)宽和 0.018 毫米(18 微米)高。

之前测过

虽然像林肯头部这样小的特征可以快速轻松地拍摄,但在 3D 中测量并不容易。最近的一项   小型比较研究通过比较 3 种光学测量技术说明了这一困难:

  • 3D激光线扫描仪,

  • 结构光系统,以及

  • 白光干涉仪。

有趣的是,在研究中比较的 3 种技术中,只有白光干涉测量系统提供的精度和准确度能够提供清晰且无伪影的林肯形象可视化。

然而奇怪的是,干涉测量技术被认为是缓慢的。缓慢的原因是该研究中使用的干涉测量系统所需的拼接。事实上,这个特殊的系统需要六 (6) 个面积测量来覆盖硬币的小表面!

但这种耗时的拼接是不可避免的吗?“慢”是对干涉测量作为测量技术的公平判断吗?

我们会断然拒绝。

美国便士背面的照片,一枚直径为 21 毫米的硬币,上面有 18 微米高的亚伯拉罕林肯坐姿浮雕

美国便士背面的照片,一枚直径为 21 毫米的硬币,上面有 18 微米高的亚伯拉罕林肯坐姿浮雕


加速光学干涉测量

并非所有干涉测量系统在系统设计方面都是平等的。例如,使用   低相干干涉测量法的 NOVACAM 3D 计量系统可实现 <=1 µm 的轴向精度,但它们的测量速度比上述研究中使用的白光干涉测量系统快得多。速度优势归功于系统设计。由于 Novacam 的目标是高精度工业应用,该公司已推动并逐步微调其系统的性能,以提供:

  • 以每秒高达 100,000 个 3D 点的速度逐点采集表面,以及

  • 可选择快速扫描区域探头,例如视场 (FOV) 高达 84×84 毫米(标准型号)的光栅扫描振镜扫描仪。自定义模型中提供更大的 FOV。

在振镜扫描仪 FOV 内,扫描光束以逐行光栅模式极快地穿过表面,快速为 FOV 内的指定区域提供 3D 点云。当要测量的区域适合 FOV 时,不需要拼接。测量时间很大程度上取决于用户指定的数据点密度。

振镜扫描仪由一个振镜头和一个为应用选择的镜头组成。 它以高效的光栅模式获取 3D 表面或材料厚度。

振镜扫描仪以高效的光栅模式获取 3D 表面。间距可达 215 毫米。标准 FOV 选项范围高达 84×84 mm。

为了显示数据点密度与生成的扫描时间之间的关系,我们运行了几个扫描场景。

周期时间场景

让我们回到美国便士的林肯先生。为了测量硬币的背面,我们使用了SURFACEINSPECT 3D 计量系统,其镜头 FOV 为 54 x 54 mm,工作距离(间距)为 125 mm,光斑尺寸为 6 µm (FHM)。

我们扫描了硬币两次:一次是高密度,一次是低密度。此处的表格显示了与两次扫描相关的结果。


扫描一:高密度扫描扫描2:低密度扫描
扫描区域25 x 25 毫米
对峙125 毫米
X&Y方向的点密度
6 微米37.5 微米
# 每条扫描线的数据点4,167666
数据点总数17,363, 889443,556
周期5.8 分钟9秒

如表所示:

  • 扫描 1 是高密度扫描,涉及每 6 微米获取一个 3D 点测量值。它提供了超过 1700 万个数据点并花费了几分钟时间。需要注意的是,我们的工业客户很少需要这么多测量。

  • 扫描 2 是一种低密度扫描,涉及每 37.5 微米获取一次测量值。它在 9 秒内提供了近 1/2 百万个数据点。此扫描代表我们的工业客户所需的更典型的点密度。甚至比这低得多的密度通常也足以进行 3D 几何分析。

可以肯定的是,使用 NOVACAM 3D 计量系统,用户可以试验并选择满足他们需要的采集点密度。一般来说,

  • 几何测量需要低密度 3D 点云,而

  • 识别和测量最小的缺陷需要最高密度的 3D 点云。

3D数据的分析和可视化

表面测量系统在区域扫描之后,SURFACEINSPECT 系统用户可以通过 3 种不同的方式查看 3D 数据。

1)作为3D点云

3D 点云为使用 3D GD&T 软件进行交互式或自动 3D 几何分析提供了基础。如果点密度足够高,3D点云也可以用来识别和测量缺陷。

使用箭头放大硬币的 3D 点云。

美国便士的 3D 点云被视为颜色偏差图

Novacam 提供用于 3D GD&T 分析的 PolyWorks Inspector 软件,作为其 3D 计量系统的一个选项。

2)作为光照强度图

高密度扫描的光强图相当于视觉系统得到的照片。虽然它不包含数据,但光强度图是一个有用的视觉参考,特别是对于识别缺陷。

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作为 3 种输出数据之一,硬币背面的强度图给出了类似照片的图像。

作为 3 种输出数据之一,硬币背面的强度图给出了类似照片的图像。

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亚伯拉罕林肯的特写镜头

亚伯拉罕林肯的特写镜头

3)作为高度图

高度图表示表面每个测量点的微米精度高度值。这种 3D 数据格式对于表面特征或缺陷的交互式或自动分析可能很有趣。例如,如图所示,一分钱表面高度图上的线性轮廓(用黄线表示)提供了林肯头部和两侧柱子高度的精确测量值。

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高度图包含微米精度的高度数据。 在这里,提取了林肯头部的线性轮廓以供分析。

高度图包含 3D 微米精度的高度数据。在这里,提取了林肯头部的线性轮廓以供分析。

一分钱够吗?更多怎么样?

根据应用需要选择振镜扫描仪 FOV。例如,在足够的 FOV 下,SURFACEINSPECT 系统可以在一次通过中扫描几便士,如下所示。

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具有 54x54 FOV 的 NOVACAM SURFACEINSPECT 系统可轻松一次性扫描 4 便士。

具有 54×54 FOV 的 NOVACAM SURFACEINSPECT 系统可轻松一次扫描 4 便士。

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来自 4 便士扫描的强度图像 - 在一次连续扫描中获取,无需拼接

扫描 4 便士的强度图像 – 在一次连续扫描中获取,无需拼接

哪里需要高精度和高速度?

高精度行业的许多制造商要求测量精度和速度的结合。在许多此类行业中,NOVACAM 3D 计量系统(例如包括 SURFACEINSPECT 和 EDGEINSPECT)测量 半透明材料的几何形状、缺陷甚至厚度。

以下是几个典型的工业应用:

  • 半导体 – 晶圆、CMP 垫

  • 航空航天 - 飞机铆钉埋头孔、机翼、喷气发动机涡轮叶片、冷却孔

  • 汽车 – 喷油器座、阀体

  • 玻璃行业——多层厚度测量、智能手机玻璃

  • 眼科 - 普通或人工晶状体

  • 塑料——挤压纤维或管材

  • 生物医学——组织厚度、表面光洁度或植入物厚度(例如,导管)

  • 核——核燃料棒

  • 冶金——焊缝检验。

使用 NOVACAM EDGEINSPECT 系统进行自动化 3D 晶圆计量和缺陷测量

使用 NOVACAM EDGEINSPECT 系统进行自动化 3D 晶圆计量和缺陷测量

不仅仅是速度和精度

除了速度和精度之外,Novacam SUFACEINSPECT 和 EDGEINSPECT 振镜扫描系统还提供独特的功能,例如:

  • 能够使用同一台仪器获取尺寸、缺陷和厚度

  • 支持工业部署的间隔距离(高达 215 毫米)和视场(与显微镜不同)

  • 能够测量盲孔底部(例如喷射器座测量)或难以到达的区域(例如,使用镜子)

  • 使用新的类似潜望镜的振镜扫描仪,即使在孔和圆柱体等难以到达的空间也能进行区域或条带扫描

  • 能够通过将振镜扫描仪与运动平台相结合来执行连续(长条)扫描

  • 涉及极端温度、极端压力或放射性的恶劣环境中进行测量。


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