توصيف التعديلات السطحية من التداخل الضوء الأبيض: تطبيقات في التتفيل ايون، التذرية الليزر، والتجارب علم احتكاك المفاصل

يُعد قياس التضاريس البصري (Optical Profilometry) طريقة غير تلامسية لقياس ارتفاعات أسطح الأجسام الكبيرة أو الصغيرة بدقة تصل إلى ما دون الميكرون. والهدف العام من التجربة التالية هو استخدام مجهر التداخل بالضوء الأبيض كطريقة سريعة لقياس تضاريس المساحات الصغيرة، مما يتيح قياس كمية المادة المفقودة أثناء عمليات التآكل الميكانيكي أو أثناء عمليات نقش المواد مثل فوهات الرش الأيوني، أو الاستئصال بالليزر. ويتم تحقيق هذا القياس من خلال الحصول أولاً على مقاطع عرضية ثلاثية الأبعاد لأسطح الاختبار باستخدام مجهر التداخل بالضوء الأبيض.

سيشكل الضوء الأبيض غير المترابط أنماط تداخل متميزة. فقط عندما تكون تأخيرات طول المسار متساوية، حينها يكون ذلك متاحاً على نطاق واسع. تُستخدم أدوات القياس البرمجية لتحديد التغيرات التي طرأت على السطح الأصلي والناجمة، على سبيل المثال، عن الإشعاع الليزري المكثف أو الأيونات عالية الطاقة.

يتم ذلك عن طريق طرح السطح المتغير من السطح الأصلي المسطح والأملس. وعند القيام بذلك، قد يكون من الضروري استخدام أدوات برمجية لإزالة الانحناء من السطح لجعله مستوياً مسطحاً، كما هو الحال في ندبة التآكل على سطح منحني. ويتم توضيح كيفية تطبيق هذه الطريقة في منطقتين.

أولاً، يتم تحليل التآكل الميكانيكي، والبري، وندوب التآكل في عينات اختبار التريبولوجيا، وثانياً في علم المواد لتحديد أحجام وأعماق التناثر بحزمة الأيونات أو الاستئصال بالليزر. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الأخرى مثل قياس التضاريس بالمجس (stylus profilometry) أو التقدير القائم على الحجم في كونها سريعة ودقيقة لأن هذه الطريقة توفر صورة تفصيلية ثلاثية الأبعاد. وهي مفيدة جداً لقياس الفوهات غير المنتظمة أو المنتظمة، مثل تلك الناتجة عن الاستئصال بالليزر أو التناثر بحزمة الأيونات.

ثانياً، في مجال علم التريبولوجيا، قد تكون كميات التآكل صغيرة جداً، وقد تكون التقديرات القائمة على الفحص بالمجهر البسيط مضللة. لذا، من الضروري الحصول على الشكل الفعلي للمنطقة المشوهة لضمان تقديم نتائج صحيحة. وينطبق الأمر ذاته، على سبيل المثال، في تجارب التناثر حيث قد يكون العمق المزال في حدود 10 nanometers فقط. ابدأ بتأمين استخدام مقياس التضاريس البصري (optical profilometer) وبرمجيات التضاريس.

يستخدم هذا العرض التوضيحي مجهراً تداخلياً بالضوء الأبيض من طراز micro exam 100 وبرمجيات معالجة صور المسبار الماسح. توضح الخطوات التالية كيفية قياس حجم ندبة تآكل صغيرة على كرة كما يتم القيام به في علم الترايبولوجيا أو علم التشحيم. ولجعل هذا العرض عاماً قدر الإمكان، لم يتم استخدام أي معالجة آلية.

تتمثل الخطوة الأولى في وضع العينة على منصة القياس. ضع الكرة على منصة مقياس التضاريس (profilometer) باستخدام أي قاعدة مناسبة ومستقرة. وباستخدام عدسة شيئية ذات تكبير منخفض، ضع الكرة مباشرة أسفل العدسة بحيث يكون الجزء المراد فحصه متجهًا للأعلى.

قم بضبط الموضع الرأسي للعينة بحيث تظهر أهداب التداخل بالقرب من مركز الشاشة. بالنسبة للأسطح المنحنية، قم بتوجيه العينة بحيث تكون الأهداب متمركزة. قم بتدوير الكرة يدويًا أو إمالة المنصة حتى تظهر ندبة التآكل في مجال الرؤية وتكون أفقية إذا كانت متاحة.

استخدم عدسات تكبير متوسطة للحصول على صورة تملأ فيها المنطقة المتآكلة محل الاهتمام الشاشة إلى حد كبير. يؤدي ذلك إلى تحسين الدقة، وقم بضبط الإضاءة وارتفاع المسح من أجل الحصول على أفضل خريطة تضاريسية. عند جمع البيانات، قم بمسح العينة وفقاً لتعليمات الجهاز.

قم بتعبئة أي بيانات تالفة أو مفقودة باستخدام دالة الاستكمال (interpolate)، ثم احفظ الخريطة باستخدام عرض أيزومتري ثلاثي الأبعاد. تُظهر هذه الصورة منطقة مضفرة من النوع AB للكرة. يتطلب تحليل هذا السطح إزالة انحناء الصورة بحيث يظهر السطح الأصلي للكرة مسطحاً.

يمكن بعد ذلك قياس حجم المنخفض في العرض ثنائي الأبعاد 2D، حيث يتم تحديد منطقة الاهتمام التي تستثني ندبة التآكل. هنا، يشير اللون الأخضر إلى المنطقة المستثناة. تأكد من أن برنامج تحليل الصور يطبق تصحيح السطح على المنطقة بأكملها، ولكن يتم إجراء الملاءمة باستخدام منطقة الاهتمام التي حددتها فقط.

حدد أداة ملاءمة المنحنى (curve fitting) في البرنامج والتي ستقوم بإزالة الانحناء. على سبيل المثال، حدودية من الدرجة الخامسة (polynomial fifth order). اختر خيار التشغيل على المنطقة المحددة حتى لا يؤثر الندب على عملية إزالة الانحناء.

قد يكون من الضروري إجراء عملية الملاءمة عدة مرات للتأكد من استواء المنطقة بدقة جيدة. اضبط المستوى المتوسط على صفر. تمثل المنطقة الدائرية الأغمق لوناً المنخفض.

يتم قياس حجم ندبة التآكل في برنامج معالجة الصور باستخدام أداة القياس. ويمكن استخدام أي شكل هنا، حيث تُستخدم أداة قياس بيضاوية زرقاء لتحديد ندبة التآكل.

يجب أن تتوفر في أداة القياس البرمجية ميزة تقوم بحساب إجمالي كمية المادة الموجودة فوق المستوى الأفقي وكمية المادة المفقودة تحت هذا المستوى. وفي هذا المثال تحديداً، يوضح الشكل المدرج أن حجم المادة يبلغ 136 cubic microns. أما حجم الفراغ فهو 2, 733 cubic microns، مما يعطي صافي تآكل قدره 2, 597 cubic microns.

يمكن تقدير أي خطأ منهجي عن طريق نقل منطقة القياس بعيداً عن ندبة التآكل وملاحظة أن حجم التآكل المقاس، والذي يجب أن يكون صفراً، هو في الواقع صغير جداً. ويعد قياس حجم ندبة التآكل على سطح مستوٍ أكثر بساطة منه بالنسبة للكرة. لبدء التحليل، احصل على صورة لأخدود الخندق أو الندبة.

من الممارسات الجيدة عموماً إزالة أي ميل في العينة، وعندها ستتباعد أهداب التداخل. بمجرد إزالة الميل، قم بمسح العينة؛ حيث ينبغي أن تظهر صورة لأخدود.

هذه الصورة عبارة عن عرض متساوي القياس. يجب أن يكون السطح أفقياً. إذا لم يكن كذلك.

قم بتغطية منطقة الندبة وتطبيق تصحيح ميل المستوى على بقية السطح. قم أيضاً بتعيين متوسط ارتفاع السطح غير المغطى عند الصفر. في هذا المثال، كان التوجيه الأولي مثالياً تقريباً.

بعد ذلك، استخدم أداة القياس لتحديد حجم الخندق. كانت النتائج الرقمية في هذا المثال هي حجم فراغ يبلغ 47, 018 cubic microns، وحجم مادة يبلغ 68 cubic microns فوق السطح، مما يعطي صافي فقدان قدره 46, 950 cubic microns. وهذا يمثل كمية المادة المفقودة على طول ندبة التآكل.

في الممارسة العملية، غالباً ما يكون السطح خشناً فحسب. وفي مثال ثانٍ موضح هنا، نجد أن أحجام الفراغات والمواد متساوية تقريباً، ولم يتم إزالة سوى كمية ضئيلة من المادة. ويعد تحليل الحجم لفوهة ناتجة عن الرش الأيوني أو الاستئصال بالليزر أمراً مباشراً؛ لبدء التحليل، يتم الحصول على صورة تكون فيها الفوهة بالقرب من المركز، ثم يتم الحصول على بيانات المسح.

قد تحتوي بعض مقاييس التداخل بالضوء الأبيض على أكثر من نمط تشغيل للميزات الضحلة. لذا، يجب استخدام نمط المسح الخاص بقياس التداخل بإزاحة الطور؛ وهو النمط المستخدم في هذا المثال شديد الضحالة.

في هذا المثال، يُلاحظ أن المنطقة المحيطة بالفوهة ليست مسطحة تماماً بسبب خطوات المعالجة السابقة، كما تم إزاحة المحور Z لإزالة تأثير المنطقة المحيطة غير المستوية. يمكن استخدام أداة القص لتقييد المنطقة بحيث تقتصر على تلك الموضحة بالمربع الأبيض. يجب إزاحة الصورة بحيث تكون المنطقة غير المتأثرة حول المحيط عند z تساوي صفر.

يمكن القيام بذلك باستخدام أداة إزاحة الإطار أو إزاحة المحور Z إذا رغب المستخدم في ذلك. ويمكن التحقق من المحاذاة الصحيحة للفوهة باستخدام عرض ثلاثي الأبعاد. ويمكن الآن قياس الفوهة باستخدام أداة القياس القياسية.

مرة أخرى، سيتم قياس حجم المادة وحجم الفراغ في المنطقة المظللة باللون الأزرق. يبلغ الحجم الصافي للفوهة 86, 146 ميكرون مكعب. ولإجراء تحليل الزمن مقابل العمق، يمكن استخدام أدوات تحليل المقطع الخطي المختلفة لقياس العمق، وعدم التماثل، وميل الجدار، وما إلى ذلك.

استُخدم قياس التضاريس البصري في هذه الأمثلة لقياس عينات اختبار في مجالي الهندسة وعلم المواد. ويمكن استخدام هذه الطريقة في مجالات أخرى، وحتى في المجالات الطبية الحيوية لدراسة أسطح الغضاريف. لقد خطرت لنا فكرة هذه الطريقة عندما وجدنا أن التقنيات الأخرى لم تكن مناسبة لمهامنا.

على سبيل المثال، يعتبر مجهر القوة الذرية محدوداً للغاية في نطاقات المسح الخاصة به. الأنماط الميكانيكية. كما أن التصوير المحيطي أحادي البعد فقط، وفي كثير من الحالات، يعطي المجهر الإلكتروني الماسح صوراً مسطحة بشكل أساسي.

يُعد هذا العرض المرئي للطريقة مفيداً لأنه يمنح الأشخاص غير المطلعين على هذه التقنية تصوراً عن كيفية عملها. ومن المأمول أن يدفع ذلك الآخرين إلى تطبيق قياس التداخل بالضوء الأبيض في مجالات دراستهم الخاصة.