Caractérisation des modifications de surface par interférométrie en lumière blanche: Applications de pulvérisation ionique, ablation laser, tribologie et expériences

La profilométrie optique est une méthode sans contact permettant de mesurer la hauteur de surface d’objets de grande ou de petite taille avec une précision inférieure au micron. L’objectif global de l’expérience suivante est d’utiliser un microscope interférométrique à lumière blanche comme méthode rapide pour mesurer la topographie de petites zones, ce qui permet de mesurer la quantité de matériau perdue lors des processus d’usure mécanique ou lors des processus de gravure de matériaux tels que les cratères de pulvérisation ionique ou l’ablation laser. Cette mesure est réalisée en obtenant d’abord des profils tridimensionnels des surfaces d’essai à l’aide d’un microscope interférentiel à lumière blanche.

Une lumière blanche incohérente formera des motifs d’interférence distincts. Ce n’est que lorsque les délais de longueur de trajet sont les mêmes que ceux largement disponibles. Des outils de mesure logiciels sont utilisés pour déterminer les changements par rapport à la surface d’origine causés, par exemple, par une irradiation laser intense ou des ions énergétiques.

Cela se fait en soustrayant la surface altérée de la surface plane et lisse d’origine. Ce faisant, il peut être nécessaire d’utiliser des outils logiciels pour supprimer la courbure de la surface afin de la rendre plane, par exemple pour une cicatrice d’usure sur une surface incurvée. Il est montré comment la méthode peut être appliquée dans deux domaines.

Tout d’abord, l’analyse de l’usure mécanique, l’usure et les cicatrices d’usure sur des échantillons de test trilogiques sont analysées, puis en science des matériaux pour déterminer les volumes et les profondeurs de pulvérisation par faisceau d’ions ou d’ablation laser. Le principal avantage de cette technique par rapport à d’autres méthodes telles que le stylet, la profilométrie ou une approximation basée sur la taille est qu’elle est rapide et précise, car la méthode produit une image tridimensionnelle détaillée. Il est très utile pour mesurer des cratères irréguliers ou réguliers, tels que l’ablation au laser ou les éclaboussures de faisceau de fer.

Deuxièmement, dans le domaine de la triologie, les quantités d’usure peuvent être assez faibles et les approximations basées sur de simples estimations au microscope peuvent être trompeuses. Il est nécessaire d’obtenir la forme réelle de la région déformée si l’on veut obtenir des résultats corrects. Il en va de même, par exemple, dans les expériences d’éclaboussures où la profondeur retirée peut être de l’ordre de seulement 10 nanomètres. Commencez par obtenir l’utilisation d’un profilomètre optique et d’un logiciel topographique.

Cette démonstration utilise un micro-examen, un microscope interférentiel à 100 lumière blanche et un logiciel de processeur d’image de sonde à balayage. Les étapes suivantes montrent comment mesurer le volume d’une petite cicatrice d’usure sur une balle, comme cela serait fait en triologie ou en science de la lubrification. Pour rendre cette présentation aussi générique que possible, aucun traitement automatisé n’est utilisé.

La première étape consiste à positionner l’échantillon sur la platine de mesure. Placez la bille sur la platine du profilomètre à l’aide d’un socle pratique et stable. Avec l’élément d’intérêt vers le haut, utilisez un objectif à faible grossissement et positionnez la balle directement sous l’objectif.

Ajustez la position verticale de l’échantillon de sorte que les franges d’interférence apparaissent près du centre de l’écran. Pour une surface courbe, orientez l’échantillon de manière à ce que les franges soient centrées. Faites pivoter la balle à la main ou inclinez la platine de manière à ce que la cicatrice d’usure soit visible et qu’elle soit également horizontale si disponible.

Utilisez des lentilles à grossissement intermédiaire pour obtenir une image dans laquelle la zone d’intérêt usée remplit largement l’écran. Ce faisant, la résolution est améliorée, l’éclairage et la hauteur de balayage afin d’obtenir la meilleure carte topographique. Lors de la collecte de données, numérisez l’échantillon conformément aux instructions de l’instrument.

Remplissez les données incorrectes ou manquantes à l’aide de la fonction d’interpolation, puis enregistrez la carte à l’aide d’une vue isométrique 3D. Cette image montre une zone tressée AB de la balle. L’analyse de cette surface nécessite la suppression de la courbure de l’image afin que la surface d’origine de la balle apparaisse plate.

Le volume de la dépression peut ensuite être mesuré sur la vue 2D, sélectionnez une zone d’intérêt qui exclut la cicatrice d’usure. Ici, la teinte verte désigne la région exclue. Assurez-vous que le programme d’analyse d’image applique la correction de surface à l’ensemble de la zone, mais que l’ajustement est effectué en utilisant uniquement la zone d’intérêt que vous avez marquée.

Sélectionnez l’outil logiciel d’ajustement de courbe qui supprimera la courbure. Par exemple, le cinquième ordre polynomial. Choisissez l’option d’opérer sur la zone incluse afin que la cicatrice n’influence pas la suppression de la courbure.

Il peut être nécessaire d’exécuter l’ajustement plusieurs fois pour s’assurer que la zone est plate avec une bonne précision. Réglez le niveau moyen sur zéro. La région circulaire la plus sombre est la dépression.

Le volume de la cicatrice d’usure est mesuré dans le logiciel de traitement d’image à l’aide de l’outil de mesure. N’importe quelle forme peut être utilisée ici. Un outil de mesure elliptique bleu est utilisé pour entourer la cicatrice d’usure.

L’outil de mesure logiciel doit avoir une fonction qui totalise la quantité de matériau au-dessus du plan de niveau et la quantité de matériau perdue au-dessous du niveau. Dans cet exemple particulier, l’encart montre que le volume du matériau est de 136 microns cubes. Le volume du vide est de 2 733 microns cubes, ce qui donne une usure nette de 2 597 microns cubes.

Une estimation de toute erreur systématique peut être faite en éloignant la région de mesure de la cicatrice d’usure et en notant que le volume d’usure mesuré, qui devrait être nul, est en effet très faible. La mesure du volume d’une cicatrice d’usure sur une surface plane est plus simple que pour une balle. Pour commencer l’analyse, obtenez une image du sillon ou de la cicatrice de la tranchée.

Il est généralement recommandé d’enlever toute inclinaison de l’échantillon, et les franges d’interférence s’écarteront. Lorsque l’inclinaison est retirée, balayez l’échantillon. Un sillon doit être imagé.

Cette image est une vue isométrique. La surface doit être horizontale. Si ce n’est pas le cas.

Masquez la zone cicatricielle et appliquez une correction d’inclinaison plane sur le reste de la surface. Définissez également la hauteur moyenne de la surface non masquée sur zéro. Dans cet exemple, l’orientation initiale était presque parfaite.

Ensuite, utilisez l’outil de mesure pour déterminer le volume de la tranchée. Les résultats numériques de cet exemple sont d’éviter un volume de 47 018 microns cubes, un volume de matériau de 68 microns cubes au-dessus de la surface, ce qui donne une perte nette de 46 950 microns cubes. Il s’agit de la quantité de matériau perdue dans la longueur de la cicatrice d’usure.

Dans la pratique, il arrive souvent que la surface ne soit que rugueuse. Dans un deuxième exemple montré ici, les volumes de vide et de matériau sont presque égaux l’un à l’autre et peu de matière a été effectivement enlevée. L’analyse volumique d’un cratère à pulvérisation ionique ou d’un cratère ablé au laser est simple pour commencer l’analyse, obtenir une image avec le cratère près du centre et acquérir les données de balayage.

Certains interféromètres à lumière blanche peuvent avoir plus d’un mode de fonctionnement pour les caractéristiques peu profondes. Le mode de balayage par interférométrie à décalage de phase doit être utilisé. C’est le mode qui est utilisé dans cet exemple très superficiel.

Dans cet exemple, on voit que la zone entourant le cratère n’est pas parfaitement plate en raison des étapes de traitement précédentes, et que l’axe Z est également décalé pour éliminer l’influence de la zone environnante inégale. Un outil de recadrage peut être utilisé pour restreindre la zone à celle indiquée par la boîte blanche. L’image doit être décalée de sorte que la zone non perturbée autour du périmètre soit à z égale à zéro.

Cela peut être fait à l’aide d’un cadre ou d’un outil de décalage Z si vous le souhaitez. Le bon alignement du cratère peut être vérifié à l’aide d’une vue 3D. Le cratère peut maintenant être mesuré à l’aide de l’outil de mesure standard.

Là encore, le volume de matériau et le volume de vide de la région mise en évidence en bleu seront mesurés. Le volume net du cratère est de 86 146 microns cubes. Pour l’analyse du temps jusqu’à la profondeur, divers outils de profil de ligne peuvent être utilisés pour mesurer la profondeur, l’asymétrie, l’inclinaison de la paroi, etc.

La profilométrie optique a été utilisée dans ces exemples pour mesurer des échantillons de test pour l’ingénierie et la science des matériaux. La méthode peut être utilisée dans d’autres domaines, également biomédical pour l’étude des surfaces cartilagineuses. Nous avons eu l’idée de cette méthode pour la première fois lorsque nous avons découvert que d’autres techniques n’étaient tout simplement pas adaptées à nos tâches.

Par exemple, la microscopie à force atomique est tout simplement trop limitée dans ses plages de balayage. Styles mécaniques. L’imagerie périphérique n’est qu’unidimensionnelle, et dans de nombreux cas, l’électromicroscopie à balayage ne donne essentiellement que des images plates.

Cette démonstration visuelle de la méthode est utile car elle donne aux personnes qui ne sont pas familières avec la technique une idée de son fonctionnement. Espérons que cela conduira d’autres personnes à appliquer l’interférométrie en lumière blanche à leur propre domaine d’étude.