Fasci di Luce Digitali: La Rivoluzione nell’Ispezione su Microscala

Ciao a tutti! Avete mai pensato a quanto sia difficile scovare difetti minuscoli, quasi invisibili, su oggetti prodotti in serie? Parliamo di imperfezioni su scala micrometrica – graffi sottilissimi, piccole porosità, variazioni di rugosità quasi impercettibili. Nel mondo della produzione, specialmente con tecnologie avanzate come la lavorazione laser, questi micro-difetti possono fare una grande differenza sulla qualità finale.

Il Problema: Occhi Elettronici Non Abbastanza Acuti

Certo, oggi abbiamo tecnologie fantastiche. Le ispezioni ottiche senza contatto, con telecamere ad alta velocità, sono diventate la norma. Molte di queste telecamere sono ormai “smart”, connesse all’IoT, e inviano immagini direttamente ai computer dove l’intelligenza artificiale (AI) cerca di individuare i problemi. Sembra perfetto, no? Beh, non proprio.

Il fatto è che, nonostante questi progressi, i difetti su microscala che comportano piccole variazioni di altezza o di forma spesso risultano poco chiari nelle immagini catturate dalle telecamere tradizionali. Di conseguenza, anche i sistemi AI più sofisticati possono fallire nel rilevarli. E così, incredibilmente, ci si affida ancora molto all’occhio esperto e persino al tatto di lavoratori specializzati. Una soluzione che, per quanto efficace, ha i suoi limiti in termini di velocità e oggettività. C’è chiaramente bisogno di qualcosa di più.

La Luce Come Indizio: Il Concetto di BRDF

Come fa un esperto a “vedere” questi difetti? Spesso, inconsciamente, osserva come la luce interagisce con la superficie. In termini scientifici, questa interazione è descritta dalla Funzione di Distribuzione della Riflettanza Bidirezionale (BRDF). In pratica, la BRDF ci dice come la luce viene riflessa da una superficie in tutte le direzioni, a seconda dell’angolo da cui proviene. È una sorta di “impronta digitale” luminosa della superficie, molto sensibile anche a minime variazioni.

Misurare la BRDF punto per punto sarebbe un modo potentissimo per scovare micro-difetti. Il problema? Le misurazioni tradizionali sono lente e laboriose, richiedono di spostare un sensore ottico in molte posizioni diverse. Non proprio l’ideale per una linea di produzione!

Per ovviare a questo, sono stati sviluppati sistemi di imaging “one-shot BRDF”. Utilizzano speciali filtri multicolore per catturare, in un solo scatto, informazioni sulla direzione della luce riflessa (identificata da colori specifici). Questo permette di vedere istantaneamente i micro-difetti come variazioni di colore sull’immagine. Fantastico! Ma c’è un “ma”: a seconda del tipo di superficie e dei difetti da cercare, bisogna spesso cambiare e ottimizzare il filtro multicolore fisico, rendendo il sistema meno flessibile.

La Svolta: Nascono i DigiBeams!

Ed è qui che entro in gioco io… o meglio, la tecnologia che voglio presentarvi: i DigiBeams (Digitally directed Beams), ovvero fasci di luce diretti digitalmente! L’idea è semplice quanto geniale: e se potessimo controllare istantaneamente la direzione della luce che illumina *ogni singolo punto* del campo visivo, senza usare filtri fisici?

Immaginate un sistema che non si limita a illuminare l’oggetto, ma lo “dipinge” con fasci di luce la cui direzione è codificata digitalmente, magari usando i colori. Questo è esattamente ciò che fanno i DigiBeams.

Come Funzionano i DigiBeams?

Il cuore del sistema è un proiettore speciale, equipaggiato con un DMD (Digital Micromirror Device) – un chip coperto da milioni di microspecchi orientabili individualmente. Questo proiettore non proietta un’immagine normale, ma crea un filtro multicolore *virtuale*. “Virtuale” perché non esiste fisicamente, ma è generato dinamicamente dai microspecchi del DMD.

La luce che forma questo filtro virtuale passa attraverso una lente e poi viene diffusa da un diffusore ottico. Il risultato è un fascio di DigiBeams che illumina l’oggetto da ispezionare. La cosa fondamentale è che, grazie al filtro virtuale, il colore della luce che colpisce un punto specifico dell’oggetto dipende dall’angolo di incidenza.

Un sistema di imaging, tipicamente con una lente telecentrica (che cattura solo i raggi paralleli al suo asse), osserva l’oggetto illuminato dai DigiBeams. Poiché conosciamo la relazione tra colore e angolo di incidenza, e sappiamo che la luce viene riflessa verso la telecamera (assumendo una riflessione speculare, come su molte superfici lisce), possiamo calcolare l’orientamento della superficie (il vettore normale) in ogni punto semplicemente analizzando il colore catturato dal sensore!

In pratica, questo sistema “one-shot DigiBeams” ci permette di ottenere una mappa dettagliata dell’inclinazione della superficie su microscala, istantaneamente e su tutto il campo visivo. E la parte migliore? Possiamo cambiare al volo il filtro virtuale proiettato dal DMD, adattando l’illuminazione al tipo specifico di difetto o di superficie che stiamo esaminando, senza cambiare nessun componente fisico!

Alla Prova dei Fatti: I DigiBeams in Azione

Abbiamo costruito un prototipo e lo abbiamo messo alla prova su diversi campioni “difficili”:

• Una micro-gobba su metallo: Una piccola cresta su una piastra di alluminio, alta solo 35 micrometri. Con le telecamere normali si vedeva poco o nulla. Con i DigiBeams, cambiando la “dimensione” del filtro virtuale (cioè gli angoli di incidenza associati ai colori), la gobba appariva chiarissima, con i suoi contorni ben definiti dalle variazioni di colore.
• Rugosità della carta: Identificare diversi tipi di carta dalla loro micro-rugosità è arduo. Abbiamo testato su carta lucida. Con filtri virtuali che usavano angoli di incidenza più ampi, la texture era invisibile. Ma stringendo gli angoli (filtro virtuale più “piccolo”), la micro-texture della carta è emersa nettamente.
• Graffio superficiale su plastica: Un graffio poco profondo su una piastra di plastica bianca, un classico difetto difficile da rilevare. Anche qui, i DigiBeams hanno fatto centro. Riducendo il diametro della zona centrale del filtro virtuale, siamo riusciti a visualizzare il graffio con una chiarezza sorprendente.
• Superficie di un liquido: L’inclinazione della superficie di un liquido su una piastra è importante per studiare bagnabilità e angolo di contatto. Abbiamo messo etanolo su vetro. I DigiBeams hanno visualizzato magnificamente la curvatura della superficie del liquido vicino ai bordi, e cambiando il filtro virtuale abbiamo potuto regolare la “risoluzione” con cui vedevamo queste inclinazioni.

Questi esperimenti dimostrano che i DigiBeams non solo funzionano, ma offrono una flessibilità e una chiarezza senza precedenti per l’ispezione di micro-strutture. La capacità di regolare digitalmente l’illuminazione permette di ottimizzare la visualizzazione per diversi tipi di difetti e materiali.

Un Futuro Più Chiaro per il Controllo Qualità

Insomma, i DigiBeams rappresentano un passo avanti significativo. Offrono un modo per “vedere” dettagli su microscala che prima erano nascosti o richiedevano ispezioni lente e soggettive. La possibilità di controllare digitalmente la direzione della luce, codificandola con i colori, permette di ottenere informazioni sull’inclinazione della superficie in modo rapido e preciso.

Penso che questa tecnologia abbia un potenziale enorme nei processi produttivi, migliorando il controllo qualità, riducendo gli scarti e garantendo prodotti finali impeccabili. È come dare ai sistemi di ispezione automatica degli “occhi” molto più potenti e versatili. Il futuro dell’ispezione su microscala si preannuncia decisamente più… colorato!

Fonte: Springer