Estudi i desenvolupament de sensors òptics ultra-ràpids per a metrologia tridimensional de superfícies

Abstract

(English) Three-dimensional measurement of roughness and shape of a surface provides information about an object properties through surface parameters. These parameters are defined by international standards and can describe the feature behaviour of its surface. The main benefit of using optical measurement techniques is that the sample under inspection does not suffer any damage when measured. With contact-based methods, otherwise, the damages can occur.

With the evolution towards industry 4.0, there is a need to measure faster with smaller sensors, in order to have a manufacture-quality control close loop. This leads to the objective of this thesis, which is to develop two ultrafast sensors for 3d surface metrology. The first sensor consists in an evolution of an existing commercial system using conventional techniques. It has to be reduced in dimensions and cost-wise, while increasing its acquisition speed. The second sensor must use a single-shot technique, so that with one single image, the sample's surface's heights can be retrieved.

Therefore, the current optical techniques for 3d surface metrology are reviewed. There are classified in three-main categories: classical techniques, single-shot techniques and scanning systems without moving parts.

The development of the thesis is divided into two parts, corresponding to each sensor. In the first part, the opto-mechanical design of the sensor is developed, together with its corresponding analysis. One of the most relevant changes is the replacement of the microdisplay with a glass checkerboard pattern. The microdisplay is a critical component for measuring with confocal, so the algorithms have had to be adapted to obtain equivalent results. In addition, sinusoidal movement profiles have been studied to reduce the sensor's downtime and minimize motor wear.

In the second part the objective is to demonstrate the feasibility of using CKM (Complementary Kernel Matching) for surface measurement. This technique is based on the image processing after a calibration that analyzes the Point Spread Function (PSF) through the optical axis. In order to demonstrate it, a prototype based on two cameras has been developed, a new calibration method has been designed, which divides the image into smaller regions using a matrix of pinholes. A new algorithm has also been developed to detect the height of the sample from the axial response obtained. Finally, a real sample has been measured with satisfactory results.

(Català) La mesura tridimensional de forma i rugositat de textura d’una superfície permet proporcionar informació sobre les propietats d’un objecte a partir d'un conjunt de paràmetres de superfície. Aquests paràmetres estan definits per normatives internacionals i poden descriure directament el comportament de la funcionalitat de la seva superfície. El principal benefici d’utilitzar tècniques de mesura òptiques és que la mostra sota inspecció no pateix danys ni desperfectes a l’hora de ser mesurada, tal i com sí pot succeir en els mètodes de contacte. En el procés actual d’evolució cap a la indústria 4.0, es necessita mesurar més ràpid amb sensors més petits, per tal de tenir un circuit tancat de fabricació-control de qualitat. És per això que l'objectiu d'aquesta tesi és desenvolupar dos sensors ultra-ràpids per a la mesura tridimensional de superfícies. El primer consisteix en evolucionar un equip comercial amb tècniques convencionals en els qual s'ha de reduir les dimensions i els costos dels components, a la vegada que s'augmenta la velocitat d'adquisició. El segon sensor ha de funcionar amb una tècnica single-shot, de manera que amb l'adquisició d'una sola imatge, el sensor ja recuperi les alçades de la superfície de la mostra. En conseqüència, en la tesi es revisen les actuals tècniques de mesura òptiques per a metrologia tridimensional de superfícies. Aquestes es divideixen en tres blocs: tècniques clàssiques, tècniques d'una sola imatge i sistemes d'escombrat sense components mecànics. El desenvolupament de la tesi es divideix en dues parts, que corresponen a cada sensor. En la primera part es desenvolupa el disseny opto-mecànic del sensor, amb el seu anàlisis corresponent. Un dels canvis més rellevants és la substitució del microdisplay per un patró checkerboard de vidre. El microdisplay és un component crític per a poder mesurar amb confocal, de manera que s'han hagut de modificar els algoritmes per a poder obtenir resultats equivalents. Addicionalment s'han estudiat perfils de moviment sinusoïdals per a milllorar el temps productiu del sensor i minimitzar el desgast del motor. En la segona part es vol demostrar la viabilitat conceptual d'emprar CKM (Complementary Kernel Matching) per a la mesura de superfícies. Aquesta tècnica es basa en el processat d'imatge després d'una calibració que analitza la resposta impulsional (PSF) a través de l'eix òptic. Per a demostrar-la, s'ha desenvolupat un prototip basat en dues càmeres, s'ha dissenyat un nou mètode de calibració basat en la divisió de la imatge en finestres gràcies a utilitzar una matriu de pinholes. També s'ha desenvolupat un nou algoritme per a detectar l'alçada de la mostra a partir de la resposta axial obtinguda. Finalment, s'ha mesurat una mostra real amb resultats satisfactoris.