Charakterystyka modyfikacji powierzchni za pomocą interferometrii światła białego: zastosowania w rozpylaniu jonowym, ablacji laserowej i eksperymentach tribologicznych

Profilometria optyczna to bezkontaktowa metoda pomiaru wysokości powierzchni dużych lub małych obiektów z dokładnością submikronową. Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest wykorzystanie mikroskopu interferometrycznego światła białego jako szybkiej metody pomiaru topografii małych obszarów, która umożliwia pomiar ilości materiału utraconego podczas procesów zużycia mechanicznego lub podczas procesów trawienia materiału, takich jak kratery rozpylania jonów lub ablacja laserowa. Pomiar ten uzyskuje się poprzez uprzednie uzyskanie trójwymiarowych profili powierzchni testowych za pomocą mikroskopu interferencyjnego światła białego.

Niespójne białe światło będzie tworzyć wyraźne wzory interferencyjne. Tylko wtedy, gdy opóźnienia długości ścieżki są takie same, wtedy są powszechnie dostępne. Oprogramowanie pomiarowe służy do określania zmian w stosunku do pierwotnej powierzchni, spowodowanych na przykład intensywnym promieniowaniem laserowym lub energetycznymi jonami.

Odbywa się to poprzez odjęcie zmienionej powierzchni od oryginalnej płaskiej gładkiej powierzchni. W takim przypadku może być konieczne użycie narzędzi programowych w celu usunięcia krzywizny z powierzchni, aby przekształcić ją w płaską płaszczyznę, na przykład w przypadku blizny po zużyciu na zakrzywionej powierzchni. Pokazano, w jaki sposób metoda może być zastosowana w dwóch obszarach.

Po pierwsze, analizowana jest analiza zużycia mechanicznego, zużycia, blizn po zużyciu na trójlogicznych próbkach testowych, a po drugie, w materiałoznawstwie w celu określenia objętości i głębokości rozpylania wiązką jonów lub ablacji laserowej. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z innymi metodami, takimi jak rysik, profilometria lub przybliżenie na podstawie rozmiaru, jest to, że jest szybka i dokładna, ponieważ metoda ta tworzy szczegółowy trójwymiarowy obraz. Jest bardzo przydatny do pomiaru nieregularnych lub regularnych kraterów, takich jak ablacja laserowa lub rozpryskiwanie wiązką żelaza.

Po drugie, w dziedzinie tryologii stopień zużycia może być dość mały, a przybliżenia oparte na prostych szacunkach mikroskopowych mogą być mylące. Konieczne jest uzyskanie rzeczywistego kształtu zdeformowanego obszaru, jeśli mają być podane prawidłowe wyniki. To samo odnosi się na przykład do eksperymentów z rozpryskami, w których głębokość została usunięta może tylko o 10 nanometrów.

Demonstracja ta wykorzystuje mikrobadanie, mikroskop interferencyjny 100 sztuk światła białego i oprogramowanie procesora obrazu sondy skanującej. Poniższe kroki pokazują, jak zmierzyć objętość małej blizny po zużyciu na piłce, tak jak miałoby to miejsce w tryologii lub nauce o smarowaniu. Aby ta prezentacja była jak najbardziej ogólna, nie jest używane żadne automatyczne przetwarzanie.

Pierwszym krokiem jest umieszczenie próbki na stoliku pomiarowym. Umieść piłkę na stoliku profilometrycznym, korzystając z dowolnego wygodnego i stabilnego cokołu. Z obiektem zainteresowania skierowanym do góry, użyj obiektywu o małym powiększeniu i umieść piłkę bezpośrednio pod soczewką.

Dostosuj pionowe położenie próbki tak, aby prążki interferencyjne pojawiały się w pobliżu środka ekranu. Aby uzyskać zakrzywioną powierzchnię, ustaw próbkę tak, aby frędzle były wyśrodkowane. Obróć piłkę ręcznie lub przechyl stolik tak, aby blizna po zużyciu była widoczna i była również pozioma, jeśli jest dostępna.

Użyj soczewek o średnim powiększeniu, aby uzyskać obraz, w którym zużyty obszar zainteresowania w dużej mierze wypełnia ekran. W ten sposób poprawi się rozdzielczość, dostosuje oświetlenie i wysokość skanowania, aby uzyskać najlepszą mapę topograficzną. Podczas zbierania danych zeskanuj próbkę zgodnie z instrukcją urządzenia.

Uzupełnij wszelkie błędne lub brakujące dane za pomocą funkcji interpolacji, a następnie zapisz mapę w widoku izometrycznym 3D. Ten obraz przedstawia pleciony obszar piłki AB. Analiza tej powierzchni wymaga usunięcia krzywizny obrazu, tak aby pierwotna powierzchnia piłki wydawała się płaska.

Objętość zagłębienia można następnie zmierzyć w widoku 2D, wybrać obszar zainteresowania, który wyklucza bliznę po zużyciu. Tutaj zielony odcień oznacza wykluczony region. Upewnij się, że program do analizy obrazu stosuje korekcję powierzchni do całego obszaru, ale dopasowanie jest wykonywane tylko przy użyciu zaznaczonego obszaru zainteresowania.

Wybierz programowe narzędzie do dopasowywania krzywych, które usunie krzywiznę. Na przykład wielomian piątego rzędu. Wybierz opcję operacji na dołączonym obszarze, aby blizna nie wpływała na usunięcie krzywizny.

Może być konieczne kilkakrotne uruchomienie pasowania, aby upewnić się, że obszar jest płaski z dobrą dokładnością. Ustaw średni poziom na zero. Ciemniejszy okrągły obszar to zagłębienie.

Objętość blizny po zużyciu jest mierzona w oprogramowaniu do przetwarzania obrazu za pomocą narzędzia pomiarowego. Można tu zastosować dowolny kształt. Niebieskie eliptyczne narzędzie pomiarowe służy do zakreślania blizny po zużyciu.

Programowe narzędzie pomiarowe powinno mieć funkcję, która sumuje ilość materiału powyżej płaszczyzny poziomu i ilość materiału utraconego poniżej poziomu. W tym konkretnym przykładzie wstawka pokazuje, że objętość materiału wynosi 136 mikronów sześciennych. Objętość pustej przestrzeni wynosi 2 733 mikrony sześcienne, co daje zużycie netto 2 597 mikronów sześciennych.

Oszacowanie każdego błędu systematycznego można dokonać, odsuwając obszar pomiarowy od blizny po zużyciu i zauważając, że zmierzona objętość zużycia, która powinna wynosić zero, jest w rzeczywistości bardzo mała. Pomiar objętości blizny po zużyciu na płaskiej powierzchni jest prostszy niż w przypadku piłki. Aby rozpocząć analizę, należy uzyskać obraz rowka lub blizny po wykopie.

Ogólnie dobrą praktyką jest usunięcie nachylenia próbki, a prążki interferencyjne rozsuną się. Po usunięciu pochylenia zeskanuj próbkę. Rowek powinien być zobrazowany.

Ten obraz jest widokiem izometrycznym. Powierzchnia powinna być pozioma. Jeśli tak nie jest.

Zamaskuj obszar blizny i zastosuj korekcję nachylenia płaszczyzny do reszty powierzchni. Ustaw również średnią wysokość niezamaskowanej powierzchni na zero. W tym przykładzie początkowa orientacja była prawie idealna.

Następnie użyj narzędzia pomiarowego, aby określić objętość rowu. Wyniki liczbowe tego przykładu to objętość materiału wynosząca 47 018 mikronów sześciennych, objętość materiału wynosząca 68 mikronów sześciennych nad powierzchnią, co daje stratę netto 46 950 mikronów sześciennych. Jest to ilość materiału, która jest tracona w długości blizny po zużyciu.

W praktyce często zdarza się, że powierzchnia jest tylko chropowata. W drugim przykładzie pokazanym tutaj, pustka i objętość materiału są prawie równe sobie i niewiele materiału zostało faktycznie usunięte. Analiza objętości krateru rozpylającego jony lub krateru poddanego ablacji laserowej jest prosta, aby rozpocząć analizę, uzyskać obraz krateru w pobliżu środka i uzyskać dane skanowania.

Niektóre interferometry światła białego mogą mieć więcej niż jeden tryb pracy dla płytkich obiektów. Należy stosować tryb skanowania interferometrii z przesunięciem fazowym. To jest tryb, który jest używany w tym bardzo płytkim przykładzie.

W tym przykładzie widać, że obszar otaczający krater nie jest idealnie płaski ze względu na wcześniejsze etapy przetwarzania, a także oś Z jest przesunięta, aby wyeliminować wpływ nierównomiernego otoczenia. Można użyć narzędzia do przycinania, aby ograniczyć obszar do obszaru pokazanego przez białe pole. Obraz powinien być przesunięty tak, aby niezakłócony obszar na obwodzie znajdował się w punkcie z równym zero.

W razie potrzeby można to zrobić za pomocą narzędzia do korekcji ramki lub Z. Prawidłowe ustawienie krateru można zweryfikować za pomocą widoku 3D. Krater można teraz zmierzyć za pomocą standardowego narzędzia pomiarowego.

Ponownie, podświetlony na niebiesko obszar będzie miał zmierzoną objętość materiału i objętość pustki. Objętość netto krateru wynosi 86 146 mikronów sześciennych. Do analizy czasu do głębokości można użyć różnych narzędzi profilu linii do pomiaru głębokości, asymetrii, nachylenia ściany i tak dalej.

W tych przykładach wykorzystano profilometrię optyczną do pomiaru próbek testowych dla inżynierii i materiałoznawstwa. Metoda może być stosowana w innych dziedzinach, również biomedycznych do badania powierzchni chrząstek. Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł tej metody, gdy dowiedzieliśmy się, że inne techniki po prostu nie pasują do naszych zadań.

Na przykład mikroskopia sił atomowych jest po prostu zbyt ograniczona w swoich zakresach skanowania. Style mechaniczne. Obrazowanie peryferyjne jest tylko jednowymiarowe, a elektromikroskopia skaningowa w wielu przypadkach daje w zasadzie tylko płaskie obrazy.

Ta wizualna demonstracja metody jest przydatna, ponieważ daje osobom niezaznajomionym z techniką wyobrażenie o tym, jak ona działa. Miejmy nadzieję, że skłoni to innych do zastosowania interferometrii światła białego w ich własnej dziedzinie badań.