Proyecto EMPIR TracOptic: Medición dimensional y de rugosidad 3D industrial trazable mediante microscopía óptica 3D y sensores ópticos de distancia

Introducción 

La metrología óptica ha experimentado un crecimiento significativo en las últimas décadas debido a sus ventajas en la medición rápida y no destructiva de superficies y dimensiones. En particular, la microscopía óptica 3D y los sensores de distancia ópticos se han consolidado como herramientas esenciales en la industria para evaluar la calidad de componentes y procesos ​(Ahrent, 2009)​. Estas tecnologías son fundamentales para sectores como la ingeniería de precisión, la automoción y la industria médica, donde la precisión en la medición de superficies y geometrías influye directamente en la funcionalidad y rendimiento de los productos. Sin embargo, pese a sus beneficios, las mediciones ópticas presentan desafíos relacionados con la trazabilidad y precisión, debido a la complejidad de la interacción entre el sistema óptico y las características de la superficie medida. 

El estado del arte en metrología óptica revela que, aunque existen normas internacionales como la ISO 25178 que introducen marcos de calibración para la metrología de superficies, la fidelidad topográfica y la resolución espacial de los instrumentos siguen siendo áreas de estudio con limitaciones ​(ISO 25178-700:2019, 2019; Schaude et al., 2022)​. Estas normas proporcionan una base para la calibración de características metrológicas básicas, pero aún queda un vacío en la comprensión y cuantificación de la “fidelidad topográfica” y su incorporación en los balances de incertidumbre. La fidelidad topográfica, entendida como la exactitud con la que un instrumento puede reproducir la topografía real de una superficie, es un concepto relativamente nuevo y aún en desarrollo en el campo de la metrología óptica ​(Lehmann et al., 2021; Sun et al., 2019)​. 

Las intercomparaciones entre institutos nacionales de metrología, como la realizada en la EURAMET #1242 sobre mediciones de rugosidad por microscopía óptica, han puesto de manifiesto discrepancias significativas en los resultados obtenidos con diferentes instrumentos y principios de medición. Estas discrepancias pueden llegar a ser del 85% para valores de altura media cuadrática (Sq) de (50-60) nm y del 60% para valores de 100 nm. Además, estas variaciones están influenciadas por la configuración del instrumento, la estrategia de análisis de los datos y las características geométricas de la superficie, como la amplitud, la frecuencia espacial, las pendientes y la curvatura. Estos factores destacan la necesidad de desarrollar métodos que permitan a los usuarios seleccionar y utilizar la instrumentación óptica adecuada de manera trazable y precisa. 

Otro avance importante en la metrología óptica ha sido el desarrollo de modelos numéricos y simulaciones, que permiten predecir cómo los instrumentos ópticos interactúan con las superficies y, de esta manera, evaluar la precisión y los errores sistemáticos. Los métodos numéricos como el análisis de elementos finitos (FEM), la técnica de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD) y el rigorous coupled-wave analysis (RCWA) se utilizan para modelar la dispersión y difracción de la luz en superficies complejas. Sin embargo, la aplicación de estos modelos en la metrología de superficies no es común debido a su complejidad y a la falta de validación experimental extensa. 

En este contexto, el proyecto europeo 20IND07 TracOptic surge para abordar las deficiencias existentes en la metrología óptica de superficies y dimensiones, mediante el desarrollo de métodos de evaluación, modelos numéricos y guías de buenas prácticas. El objetivo es mejorar la trazabilidad y precisión de las mediciones, proporcionando a la industria y a la comunidad metrológica herramientas y procedimientos que les permitan seleccionar y utilizar adecuadamente la instrumentación óptica disponible. Los resultados esperados incluyen una mejor comprensión de la interacción entre los instrumentos y las superficies, la validación de modelos numéricos y la elaboración de guías que simplifiquen la estimación de la incertidumbre y la selección de instrumentación. 

Desarrollo 

Contexto y necesidad del proyecto 

El uso de sistemas ópticos en la metrología de superficies y dimensiones es cada vez más común, en parte debido a su integración en procesos de producción para proporcionar control rápido y no destructivo de la calidad de los productos. Según se destacó en los documentos del proyecto, el mercado europeo de la metrología dimensional generó ingresos de $1.11 mil millones en 2017, con un crecimiento proyectado del 6% anual hasta 2022. Sin embargo, las mediciones ópticas aún enfrentan importantes retos de trazabilidad, particularmente debido a la dependencia de los resultados en las características de la superficie medida y en los principios de medición de los instrumentos utilizados. 

En la industria europea, caracterizada por la fabricación de piezas cada vez más complejas y con tolerancias más reducidas, surge la necesidad de técnicas de medición que ofrezcan no solo alta precisión, sino también rapidez y adaptabilidad a entornos de producción modernos. La integración de sistemas ópticos en líneas de producción ha demostrado ser una solución prometedora. Sin embargo, a pesar de estos avances, la falta de metodologías estándar para la selección de instrumentos adecuados y para la estimación de incertidumbres limita la adopción generalizada de estas tecnologías en aplicaciones críticas. 

En este contexto, el Centro Español de Metrología (CEM) y TEKNIKER han participado con el claro objetivo de contribuir al consorcio mediante la generación de nuevo conocimiento en el ámbito de la metrología óptica de superficies y dimensiones. Su compromiso ha estado enfocado en garantizar que los avances alcanzados en el proyecto se traduzcan en beneficios concretos para la comunidad científica e industrial española, fortaleciendo las capacidades nacionales en esta área estratégica y fomentando la transferencia de tecnología y buenas prácticas al tejido productivo del país. Esta participación subraya la importancia de la colaboración internacional para abordar desafíos técnicos complejos y al mismo tiempo mejorar la posición de España en lo referente a la metrología de precisión. 

Objetivos del proyecto 

El objetivo principal del proyecto TracOptic es habilitar mediciones trazables de rugosidad y dimensiones 3D mediante microscopía óptica y sensores de distancia ópticos. Para lograrlo, el proyecto busca: 

• Determinar parámetros de textura de superficie y propiedades dimensionales de diferentes tipos de muestras, incluyendo patrones conocidos de rugosidad, superficies técnicas típicas y muestras producidas por tecnologías avanzadas como el Focused Ion Beam (FIB) y la litografía.
• Caracterizar las capacidades de medición de la microscopía 3D, la nanoscopía interferométrica y los sensores de distancia ópticos en cuanto a resolución espacial, ruido, distribución de pendiente local y fidelidad topográfica.
• Desarrollar modelos numéricos para predecir la respuesta de los sensores frente a superficies complejas y utilizar estos modelos para el análisis sistemático de errores.
• Validar procedimientos para la selección de instrumentación adecuada, con un enfoque en la estimación simplificada de la incertidumbre. 

El proyecto 20IND07 TracOptic responde a la necesidad de desarrollar herramientas y guías que permitan a los usuarios industriales seleccionar e implementar soluciones ópticas de medición con confianza, asegurando trazabilidad y fiabilidad en las mediciones. Este enfoque es especialmente relevante en sectores como la automoción, la ingeniería de precisión y la biomedicina, donde el control riguroso de las superficies y dimensiones impacta directamente en la funcionalidad y seguridad de los productos. Además, el proyecto busca fortalecer la capacidad de los laboratorios nacionales e internacionales para ofrecer servicios de calibración óptica, consolidando así una infraestructura metrológica robusta para Europa. 

Caracterización de patrones y actividades de intercomparación 

Uno de los avances significativos de TracOptic es la clasificación sistemática de diferentes tipos de muestras, superando los artefactos convencionales de prueba de sistemas de medición de coordenadas. Esto incluye el uso de patrones desarrollados en el proyecto EURAMET #1242 y muestras producidas por FIB y métodos de litografía. Además, se han caracterizado parámetros adicionales como la función de distribución bidireccional de reflectancia (BRDF) y la distribución de la pendiente. 

Se realizó la caracterización de patrones de referencia y la realización de actividades de intercomparación entre los participantes del consorcio. Esta actividad fue clave para evaluar y comparar las capacidades de medición de todos los sistemas disponibles y garantizar la consistencia y trazabilidad de los resultados obtenidos. 

Para la intercomparación, se seleccionaron y desarrollaron muestras de distintos tipos, que incluían esferas, estructuras tipo chirp, patrones de rugosidad en superficies de silicio y muestras producidas mediante tecnologías avanzadas como las mencionadas anteriormente. Los participantes realizaron mediciones con diferentes tecnologías de microscopía óptica 3D y sensores de distancia, como la microscopía confocal (CM), la interferometría de barrido de coherencia (CSI), la variación de foco (FV) y los sensores de distancia ópticos (ODS). Estas mediciones se llevaron a cabo siguiendo protocolos técnicos establecidos y estandarizados para asegurar la comparabilidad de los resultados ​(Iles & Nelson, 2019)​. 

Las muestras circularon entre los diferentes socios del proyecto, quienes llevaron a cabo las mediciones de acuerdo con los protocolos y posteriormente analizaron los datos obtenidos. Los resultados de estas actividades de intercomparación permitieron identificar fortalezas y limitaciones en la capacidad de cada sistema, así como establecer recomendaciones para la selección de instrumentación según el tipo de superficie y los requisitos metrológicos. 

Además, la caracterización incluyó el análisis de la distribución de la pendiente, la densidad espectral de potencia (PSD) y la influencia de la función de distribución de reflectancia bidireccional (BRDF) en las mediciones. Estos análisis contribuyeron a desarrollar un entendimiento más profundo de los factores que afectan la precisión de las mediciones y a mejorar las metodologías para obtener resultados trazables y precisos​ 

Desarrollo de modelos numéricos 

Se desarrollaron modelos numéricos para predecir la respuesta de los sensores ópticos, utilizando tanto métodos aproximados como rigurosos basados en la solución de las ecuaciones de Maxwell. Estos modelos permitieron investigar cómo la interacción de la luz con las superficies afecta la medición y evaluar la validez de las predicciones. El desarrollo de plataformas teóricas universales también permitió simular la respuesta de los instrumentos ante geometrías complejas y evaluar la incertidumbre de las mediciones ​(P. de Groot et al., 2021)​. 

Procedimientos de selección de instrumentación y asignación de incertidumbre 

El proyecto también desarrolló guías de buenas prácticas para ayudar a los usuarios a seleccionar la instrumentación adecuada según las características de la superficie a medir y los requisitos metrológicos. Estas guías incluyen métodos de evaluación de datos y estimación simplificada de la incertidumbre. Se investigaron diferentes métodos de combinación de imágenes (stitching) y se evaluaron algoritmos para mejorar la precisión de las mediciones compuestas. 

La actividad de TEKNIKER se enfocó en la caracterización de muestras y el desarrollo de metodologías de medición óptica para garantizar la trazabilidad. Sus actividades incluyeron el análisis detallado de superficies técnicas mediante Interferometría CSI lo que permitió establecer límites de rendimiento de esta técnica y aportar datos clave sobre sus fuentes de incertidumbre. Además, contribuyó a la validación de patrones y procedimientos asegurando la reproducibilidad y consistencia de los resultados obtenidos en actividades de intercomparación entre los socios del consorcio. 

TEKNIKER participó en la elaboración de las guías mencionadas, facilitando resultados valiosos para facilitar la selección de instrumentación adecuada y la estimación de incertidumbres para la caracterización de rugosidad superficial. Finalmente, TEKNIKER priorizó la transferencia del conocimiento generado, participando en foros de discusión, como EUSPEN y Metromeet para dar difusión a los avances tecnológicos desarrollados en el proyecto y que estos se traduzcan en mejoras tangibles en los procesos de calidad y producción nacionales. 

Resultados y discusión 

El proyecto TracOptic ha permitido identificar y caracterizar diversos tipos de muestras para validar las capacidades de los instrumentos ópticos, por ejemplo, el uso de esferas para caracterizar la pendiente local máxima que el instrumento es capaz de medir. Los resultados demostraron que es posible mejorar la trazabilidad y reducir la incertidumbre mediante la aplicación de los procedimientos y modelos desarrollados. 

Se compararon los resultados de las mediciones de PSD y se validaron algoritmos para su cálculo, asegurando consistencia entre los distintos instrumentos y software utilizados. Además, los modelos numéricos desarrollados permitieron simular las respuestas de instrumentos como CSI y CM, lo cual facilitó la identificación de errores sistemáticos y la evaluación de la precisión de los sistemas de medición. 

En cuanto a los objetivos relacionados con la evaluación de incertidumbre para parámetros de rugosidad, se verificó que la incertidumbre de medida fuera inferior al 10% del valor medido. Este objetivo se evaluó específicamente para el parámetro de rugosidad Sq, obteniendo resultados que cumplieron con este criterio en diversas configuraciones de medición. Los ensayos realizados demostraron que las incertidumbres alcanzadas estaban dentro del rango aceptable para valores de Sq comprendidos entre 50 nm y 100 nm, obteniendo para una superficie con una Sq de 82.5 nm una incertidumbre de medida de 7.8 nm y para una superficie con una Sq de 799 nm, una incertidumbre de 28 nm.  

Para las caracterizaciones dimensionales, se evaluó la incertidumbre en mediciones bidireccionales de distancia y en la determinación de radios de esferas. Se obtuvieron, para distancias de 200 mm, incertidumbres entre 0.4 µm y 1 µm para medidas realizadas con FV y ODS respectivamente y, para radios de esferas de 1 mm, incertidumbres entre 0.07 µm y 1.13 µm para medidas realizadas con FV y CSI respectivamente. 

Tipo de medida	Parámetro medido	Configuración de medida	Valor medido	Incertidumbre de medida
Dimensional	Distancia	FV 10X	200 mm	0,40 µm
Dimensional	Distancia	ODS	200 mm	0,99 µm
Dimensional	Radio de Curvatura	CM 20X	1 mm	2,88 µm
Dimensional	Radio de Curvatura	CSI 20X	1 mm	1,1 µm
Rugosidad	Sq	CM 50X	82,05 nm	7,8 nm
Rugosidad	Sq	CM 50X	379 nm	10 nm
Rugosidad	Sq	FV 50X	799 nm	28 nm

Estos resultados demostraron la capacidad de los instrumentos para cumplir con las exigencias propuestas, incluso en escenarios con geometrías complejas y materiales diversos, confirmando la viabilidad de las técnicas ópticas para mediciones dimensionales trazables y cumpliendo con las necesidades de calidad y fiabilidad en aplicaciones industriales y metrológicas avanzadas ​​(Hüser et al., 2024)​. 

Los avances del proyecto, así como resultados y toda la información relevante relacionada con el mismo se pueden encontrar en la página web oficial del proyecto: https://www.ptb.de/empir2021/tracoptic/home/. 

Conclusiones 

TracOptic ha logrado avances significativos en la metrología óptica al desarrollar métodos y modelos que mejoran la trazabilidad y la precisión de las mediciones de rugosidad y dimensiones ​(P. J. de Groot et al., 2024)​. Las guías de buenas prácticas elaboradas proporcionan un recurso esencial para usuarios industriales y metrológicos, ayudando en la selección y configuración de la instrumentación óptica adecuada. 

En las guías se muestran procedimientos y ejemplos de evaluación de incertidumbre para parámetros dimensionales y de rugosidad donde se valida la capacidad de los instrumentos ópticos utilizados para proporcionar mediciones trazables y consistentes, cumpliendo con los estándares establecidos y reforzando su aplicabilidad en contextos industriales y científicos. 

Estos resultados apoyan el avance de la industria hacia la adopción de tecnologías de medición óptica, lo que fomenta el desarrollo de procesos más rápidos y eficientes en la manufactura europea. 

Agradecimientos 

El proyecto 20IND07 TracOptic ha recibido financiación del programa EMPIR, cofinanciado por los Estados Participantes y por el programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea. 

Referencias 

​​Ahrent, E. (2009). Optical Metrology Made Easy. Imaging & Microscopy, 11(2), 20–21. https://doi.org/10.1002/imic.200990031 

​de Groot, P., Colonna de Lega, X., Su, R., Coupland, J., & Leach, R. (2021). Modeling of coherence scanning interferometry using classical Fourier optics. Optical Engineering, 60(10). https://doi.org/10.1117/1.OE.60.10.104106 

​de Groot, P. J., Daouda, Z., Deck, L. L., & Colonna de Lega, X. (2024). Linear systems characterization of the topographical spatial resolution of optical instruments. Applied Optics, 63(15), 4201. https://doi.org/10.1364/AO.521868 

​Hüser, D., Meeß, R., Dai, G., Felgner, A., Hahm, K., Verhülsdonk, S., Feist, C., & Gao, S. (2024). Precision of diamond turning sinusoidal structures as measurement standards used to assess topography fidelity. Surface Topography: Metrology and Properties, 12(1), 015014. https://doi.org/10.1088/2051-672X/ad2c33 

​Iles, S. M., & Nelson, J. J. (2019). Sub-angstrom surface roughness metrology with the white light interferometer. In B. L. Unger & J. DeGroote Nelson (Eds.), Optifab 2019 (p. 46). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2536683 

​ISO 25178-700:2019. (2019). Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal — Part 700: Calibration, adjustment and verification of areal topography measuring instruments (pp. 1–31). 

​Lehmann, P., Hagemeier, S., & Pahl, T. (2021). Three-Dimensional Transfer Functions of Interference Microscopes. Metrology, 1(2), 122–141. https://doi.org/10.3390/metrology1020009 

​Schaude, J., Gröschl, A. C., & Hausotte, T. (2022). Effect of a Misidentified Centre of a Type ASG Material Measure on the Determined Topographic Spatial Resolution of an Optical Point Sensor. Metrology, 2(1), 19–32. https://doi.org/10.3390/metrology2010002 

​Sun, D., Shang, H., & Jiang, H. (2019). Effective metrology and standard of the surface roughness of micro/nanoscale waveguides with confocal laser scanning microscopy. Optics Letters, 44(4), 747. https://doi.org/10.1364/OL.44.000747