Más que medidores láser

Fuente de la imagen: Novacam

Los medidores de triangulación basados ​​en láser han existido y se han utilizado ampliamente durante más de 50 años y muchos usuarios los consideran artículos básicos. Los laminadores utilizan medidores láser para verificar la planitud de las láminas de metal laminadas, las fundiciones los usan para medir la altura del metal fundido y los fabricantes de automóviles los usan para verificar el ajuste y el acabado de los automóviles. Los precios han bajado a lo largo de los años y las capacidades han mejorado. Se pueden realizar mediciones de hasta una milésima de pulgada en varios centímetros de rango por unos pocos cientos de dólares, mientras que los sensores de largo alcance y altamente resistentes cuestan un poco más. Estos sensores ofrecen alta confiabilidad y robustez, pero con algunos problemas persistentes, como el ruido de "motas láser" que se observa en superficies rugosas y texturas variables, que aún plantean algunos desafíos.

En los últimos 10 a 20 años, se han introducido en el mercado nuevos sensores ópticos que ofrecen nuevas capacidades, como capacidades submicrónicas para la medición de piezas pequeñas de precisión, así como capacidades de medición de superficies en línea, que antes solo eran posibles con instrumentos de precisión que no eran realmente compatibles. con el entorno de fabricación en proceso. Estas herramientas más nuevas incluyen:

Hay múltiples proveedores de estas herramientas y, por supuesto, siempre se desarrollan nuevas variaciones. En este artículo, examinaremos cómo funcionan estos nuevos sensores ópticos y cómo podrían usarse para abordar necesidades críticas de calificación de piezas y control de procesos en aplicaciones de fabricación de precisión.

La profundidad de enfoque (DFF) utiliza un efecto que se ve a menudo en fotografía. Una cámara puede obtener una imagen nítida a cierta distancia, pero las características más cercanas o más alejadas pueden estar desenfocadas. Al tomar una mayor cantidad de imágenes con diferentes configuraciones de enfoque y buscar las características por claridad para cada configuración de enfoque, el usuario puede crear un mapa del rango para cada punto de la imagen que está enfocado nítidamente a cierta distancia focal. [1] Algunos sistemas de microscopio utilizan este enfoque para definir regiones dentro de cada imagen que están mejor enfocadas y luego combinan esas regiones para crear una única imagen enfocada. Una aplicación de esta herramienta ha sido la inspección de placas de circuitos integrados para verificar la ubicación de piezas y soldaduras.

Una forma diferente de ver la claridad del enfoque usando solo lo que está enfocado es usar un modelo de imagen óptica y la cantidad de desenfoque en cada punto alejado de cualquier plano de enfoque para estimar qué tan lejos está una característica de imagen particular de un mejor imagen de enfoque. La profundidad desde el desenfoque tiene el potencial de crear un mapa continuo de todos los puntos de alcance de un sujeto, con muchos menos planos de imagen que los métodos de profundidad desde el enfoque.

La suposición de que hay algo en lo que centrarse dondequiera que se mida aún debe cumplirse para ambos enfoques. Pero en lugar de interpolar entre los puntos del rango de imagen de mejor enfoque usando la profundidad desde el enfoque, se puede usar la cantidad y la naturaleza del desenfoque de los bordes y las características para determinar analíticamente el rango en cada característica.

Ambos métodos se han utilizado para mapear piezas pequeñas como electrónicas, mapeo de herramientas de corte y roscas de tornillos, así como, hasta cierto punto, medir el acabado superficial de piezas metálicas mecanizadas. El límite en la medición del acabado superficial con métodos basados ​​en el enfoque se alcanza cuando la textura está por debajo de la resolución óptica de la lente, que para un campo pequeño de unas pocas décimas de pulgada (unos pocos milímetros) podría ser 20 millonésimas de pulgada (0,5 micras). Por debajo de cierto nivel práctico, el método óptico no puede ver nada en lo que enfocarse. Pero para las superficies que se pueden medir, se puede realizar una medición en unos pocos segundos en partes y áreas de unas pocas pulgadas y niveles de menos de una décima de mil (1-2 micrones).

Los métodos confocales existen desde hace mucho tiempo para su uso en biología para medir la estructura celular. Los antiguos microscopios confocales eran estrictamente instrumentos de laboratorio que funcionan de manera muy similar al método de profundidad desde el enfoque, pero con un toque adicional en forma de un filtro óptico que simplemente bloquea cualquier luz procedente de cualquier punto que no esté enfocado. Por lo general, se trata de mediciones basadas en puntos en lugar de mediciones de área como se indicó anteriormente, pero también están disponibles como mediciones de líneas. El giro añadido en los últimos años ha sido el uso de un efecto de enfoque cromático o de “color” donde diferentes colores de luz se enfocan a diferentes distancias. [2] De esta manera, un dispositivo de clasificación de colores (como un espectrómetro) puede determinar rápidamente el rango de cada punto sin la necesidad de escanear mecánicamente el sensor en profundidad como funcionaba el diseño confocal anterior. Esto permite mediciones más rápidas (miles de puntos por segundo) dentro de un rango de trabajo que puede ser de una fracción de pulgada a pulgadas de profundidad (unos pocos milímetros a centímetros).

La suposición inherente a los sensores confocales cromáticos es que cada color tiene una profundidad de enfoque reducida y se devuelve suficiente luz para detectarlo. En óptica, una profundidad de enfoque reducida significa captar un ángulo de luz amplio y amplio, ya sea estando cerca de la pieza o teniendo una lente grande más alejada. Esta necesidad de un cono de luz amplio también significa que un ángulo de superficie (pendiente) mayor con respecto al eje del sensor degradará el rendimiento de la medición, ya que la luz ya no llena el cono de recolección más grande.

Los sensores confocales cromáticos han sido eficaces en escaneos rápidos y continuos (varios kilohercios) a través de formas de superficies con resoluciones de milésimas a decenas de milésimas de pulgada (decenas de micras a submicras). Esto ha permitido un escaneo más rápido de lo que es posible con un punto de contrato o una sonda de arrastre, pero con resoluciones comparables.

La otra herramienta de medición que discutiremos se basa en el uso de interferometría de luz blanca. La interferometría existe desde hace más de 150 años como un medio para medir elementos ópticos fabricados en cifras de superficie de una millonésima de pulgada (nanómetro). Estas formas de precisión nos permiten fabricar instrumentos de laboratorio como microscopios pero también grandes telescopios como el telescopio espacial James Webb lanzado recientemente. Hace unos 25 años, un grupo de investigadores del MIT utilizó el efecto de que la luz blanca (no láser o de un color) creará un patrón de interferencia en un rango muy superficial en la escala de micras a submicras.[3] Con el tiempo, herramientas similares a las descritas anteriormente que utilizan escaneo mecánico y efectos espectrales han llevado a los interferómetros de luz blanca de mesa que a menudo se ven en los talleres de fabricación de precisión hoy en día como un estándar para medir el acabado de la superficie o características finas como defectos de la superficie. En estos instrumentos se suele utilizar un mecanismo de escaneo similar, pero ahora se utiliza la presencia de un patrón de interferencia de "luz parpadeante" para identificar ubicaciones específicas a una profundidad determinada en lugar de enfocar con claridad. Más recientemente, estas herramientas se han ampliado a sensores de medición puntuales que pueden proporcionar mediciones de nivel muy rápidas por debajo de una décima de mil (submicrométrica) a velocidades de kilohercios. [4]

El sensor de interferómetro de luz blanca puede tener pulgadas (centímetros) de alcance sin necesidad de un gran ángulo de captación de luz. Los sistemas que utilizan espejos y escáneres giratorios han resultado eficaces para medir orificios y cavidades pequeños y profundos mirando a través de puertos de acceso de tamaño limitado. La luz aún necesita reflejarse hacia el sensor y no se puede “mezclar” como el tubo de luz que se ve en una parte plástica o translúcida. Pero por lo demás, la sonda de luz blanca puede proporcionar una medición sólida en dimensiones muy finas.

Estas nuevas variaciones de sondas ópticas de área, línea y punto en comparación con el antiguo medidor de triangulación láser proporcionan mediciones de mayor resolución sin la necesidad de acceso en ángulo de triangulación a la superficie y sin el clásico "ruido de moteado láser" que ha limitado el uso de medidores ópticos en el pasado. La capacidad de acceder a pequeños orificios y puertos, ver cavidades internas y mapear el cambio de altura de un escalón sin sombras debido al ángulo de triangulación necesario, ofrece la posibilidad de abordar aplicaciones que no se podrían realizar fácilmente con los medidores láser clásicos.

Kevin Hardingde Soluciones de Metrología Óptica LLC