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

Profilometria optyczna jest bezkontaktową metodą pomiaru wysokości powierzchni dużych lub małych obiektów z dokładnością poniżej mikrona. Ogólnym celem następującego eksperymentu jest wykorzystanie interferometrycznego mikroskopu światła białego jako szybkiej metody pomiaru topografii niewielkich obszarów, co umożliwia pomiar ilości materiału utraconego podczas procesów zużycia mechanicznego lub procesów trawienia materiału, takich jak kratery rozpylania jonowego lub ablacja laserowa. Pomiar ten przeprowadza się poprzez uprzednie uzyskanie trójwymiarowych profili badanych powierzchni przy użyciu interferometrycznego mikroskopu światła białego.

Niespójne białe światło będzie tworzyć wyraźne wzory interferencyjne. Tylko wtedy, gdy opóźnienia długości drogi są takie same, są one powszechnie dostępne. Programowe narzędzia pomiarowe są wykorzystywane do określania zmian pierwotnej powierzchni spowodowanych, na przykład, intensywnym naświetlaniem laserowym lub energetycznymi jonami.

Zostaje to wykonane poprzez odjęcie zmienionej powierzchni od pierwotnej, płaskiej i gładkiej powierzchni. Podczas tej procedury może być konieczne użycie narzędzi programistycznych w celu usunięcia krzywizny powierzchni, aby sprowadzić ją do płaskiej płaszczyzny, co ma zastosowanie na przykład w przypadku śladu zużycia na zakrzywionej powierzchni. Przedstawiono sposób zastosowania tej metody w dwóch obszarach.

Po pierwsze, metoda ta znajduje zastosowanie w analizie zużycia mechanicznego, gdzie badane są ślady zużycia na próbkach testowych z trybologii, a po drugie w inżynierii materiałowej do określania objętości i głębokości rozpylania wiązką jonową lub ablacji laserowej. Główną zaletą tej techniki nad innymi metodami, takimi jak profilometria stykowa czy przybliżenia oparte na rozmiarze, jest jej szybkość i dokładność, ponieważ metoda ta pozwala na uzyskanie szczegółowego obrazu trójwymiarowego. Jest ona bardzo użyteczna przy pomiarach kraterów nieregularnych i regularnych, powstających np. w wyniku ablacji laserowej lub rozpylania wiązką jonową.

Po drugie, w dziedzinie tribologii stopień zużycia może być bardzo niewielki, a przybliżenia oparte na prostych pomiarach mikroskopowych mogą być mylące. Aby raportować prawidłowe wyniki, konieczne jest uzyskanie rzeczywistego kształtu odkształconego obszaru. To samo dotyczy na przykład eksperymentów z rozpryskiwaniem, w których usunięta głębokość może wynosić zaledwie 10 nanometrów. Należy rozpocząć od zapewnienia dostępu do profilometru optycznego i oprogramowania do analizy topografii.

W niniejszej demonstracji wykorzystano mikroskop interferencyjny w świetle białym oraz oprogramowanie do przetwarzania obrazów z sondy skanującej. Poniższe kroki obrazują sposób pomiaru objętości niewielkiego śladu zużycia na kuli, zgodnie z procedurami stosowanymi w trybologii lub nauce o smarach. Aby uczynić tę prezentację możliwie najbardziej uniwersalną, nie zastosowano przetwarzania automatycznego.

Pierwszym krokiem jest umieszczenie próbki na stole pomiarowym. Umieść kulkę na stole profilometru, korzystając z dowolnego wygodnego i stabilnego podstawnika. Kierując interesującą cechę ku górze, użyj obiektywu o niskim powiększeniu i ustaw kulkę bezpośrednio pod soczewką.

Dostosuj pionową pozycję próbki tak, aby prążki interferencyjne pojawiły się w pobliżu środka ekranu. W przypadku powierzchni zakrzywionej zorientuj próbkę tak, aby prążki były wyśrodkowane. Obróć kulkę ręcznie lub przechyl stolik tak, aby blizna zużycia pojawiła się w polu widzenia i, jeśli to możliwe, była ustawiona poziomo.

Należy użyć obiektywów o średnim powiększeniu, aby uzyskać obraz, w którym analizowany obszar zużycia wypełnia znaczną część ekranu. Pozwoli to poprawić rozdzielczość; należy dostosować oświetlenie oraz wysokość skanowania w celu uzyskania optymalnej mapy topograficznej. Podczas gromadzenia danych należy skanować preparat zgodnie z instrukcją obsługi urządzenia.

Uzupełnij wszelkie błędne lub brakujące dane za pomocą funkcji interpolacji, a następnie zapisz mapę, korzystając z widoku izometrycznego 3D. Na obrazie przedstawiono obszar splotu AB piłki. Analiza tej powierzchni wymaga usunięcia zakrzywienia obrazu, aby oryginalna powierzchnia piłki wydawała się płaska.

Następnie objętość wgłębienia można zmierzyć w widoku 2D, wybierając obszar zainteresowania z wyłączeniem śladu zużycia. Tutaj zielony kolor oznacza obszar wykluczony. Należy upewnić się, że program do analizy obrazu stosuje korekcję powierzchni do całego obszaru, ale dopasowanie jest wykonywane wyłącznie dla zaznaczonego obszaru zainteresowania.

Wybierz w oprogramowaniu narzędzie do dopasowania krzywej, które usunie zakrzywienie, na przykład wielomian piątego stopnia. Wybierz opcję operowania na zaznaczonym obszarze, aby blizna nie wpływała na proces usuwania zakrzywienia.

Może być konieczne kilkukrotne uruchomienie dopasowania, aby zapewnić płaskość powierzchni z odpowiednią dokładnością. Ustaw poziom średni na zero. Ciemniejszy obszar kolisty stanowi zagłębienie.

Objętość blizny ściernej jest mierzona w oprogramowaniu do przetwarzania obrazów za pomocą narzędzia pomiarowego. Można zastosować dowolny kształt. W celu obrysowania blizny ściernej wykorzystano niebieskie eliptyczne narzędzie pomiarowe.

Oprogramowanie pomiarowe powinno posiadać funkcję sumowania ilości materiału powyżej płaszczyzny wyrównania oraz ilości materiału utraconego poniżej tego poziomu. W tym konkretnym przykładzie wstawka pokazuje, że objętość materiału wynosi 136 µm³. Objętość ubytku wynosi 2 733 µm³, co daje wypadkowe zużycie na poziomie 2 597 µm³.

Szacowanie błędów systematycznych można przeprowadzić, przesuwając obszar pomiarowy poza obszar śladu zużycia i stwierdzając, że zmierzona objętość zużycia, która powinna wynosić zero, jest rzeczywiście bardzo mała. Pomiar objętości śladu zużycia na płaskiej powierzchni jest prostszy niż w przypadku kuli. Aby rozpocząć analizę, należy uzyskać obraz rowka lub śladu zużycia.

Zazwyczaj dobrą praktyką jest usunięcie przechyłu preparatu, co spowoduje rozsuniecie się prążków interferencyjnych. Po usunięciu przechyłu należy przeprowadzić skanowanie próbki. Powinien zostać obrazowany rowek.

Ten obraz przedstawia widok izometryczny. Powierzchnia powinna być pozioma. Jeśli nie jest.

Zamaskuj obszar blizny i zastosuj korekcję nachylenia płaszczyzny do pozostałej części powierzchni. Ustaw również średnią wysokość niezamaskowanej powierzchni na zero. W tym przykładzie począkowa orientacja była niemal idealna.

Następnie należy użyć narzędzia pomiarowego, aby określić objętość rowka. Wyniki liczbowe w tym przykładzie to objętość unikowa wynosząca 47 018 mikrometrów sześciennych, objętość materiału powyżej powierzchni wynosząca 68 mikrometrów sześciennych, co daje netto stratę 46 950 mikrometrów sześciennych. Jest to ilość materiału utraconego na długości blizny ściernej.

W praktyce często zdarza się, że powierzchnia zostaje jedynie zmatowiona. W drugim przedstawionym tutaj przykładzie objętości pustki i materiału są niemal sobie równe, a faktycznie usunięto niewielką ilość materiału. Analiza objętości krateru powstałego w wyniku rozpylania jonowego lub ablacji laserowej jest prosta: aby rozpocząć analizę, należy uzyskać obraz z kraterem w pobliżu centrum, a następnie zebrać dane skanowania.

Niektóre interferometry światła białego mogą posiadać więcej niż jeden tryb pracy w przypadku obiektów o niewielkiej głębokości cech. Należy zastosować tryb skanowania z przesunięciem fazowym. Jest to tryb wykorzystany w tym przykładzie z bardzo niewielką głębokością.

W tym przykładzie widać, że obszar wokół krateru nie jest idealnie płaski ze względu na wcześniejsze etapy przetwarzania; dodatkowo oś Z została przesunięta, aby wyeliminować wpływ nierówności otaczającego obszaru. Można użyć narzędzia do przycinania, aby ograniczyć obszar do obszaru zaznaczonego białym prostokątem. Obraz należy przesunąć tak, aby niezakłócony obszar wokół obwodu znajdował się na poziomie z równym zero.

Można to wykonać, korzystając z narzędzia do offsetu ramki lub offsetu Z, jeśli jest to pożądane. Prawidłowe wyrównanie krateru można zweryfikować w widoku 3D. Krater można teraz zmierzyć za pomocą standardowego narzędzia pomiarowego.

Ponownie, dla obszaru wyróżnionego na niebiesko zostanie zmierzona objętość materiału oraz objętość pustek. Objętość netto krateru wynosi 86 146 µm³. Do analizy zależności czasu od głębokości można wykorzystać różne narzędzia profilowania liniowego w celu pomiaru głębokości, asymetrii, nachylenia ścian i tak dalej.

W przedstawionych przykładach profilometria optyczna została wykorzystana do pomiaru próbek testowych w inżynierii i nauce o materiałach. Metoda ta może być stosowana również w innych dziedzinach, w tym w biomedycynie, do badania powierzchni chrząstki. Pomysł zastosowania tej metody pojawił się, gdy stwierdzono, że inne techniki nie były odpowiednie do realizacji naszych zadań.

Na przykład mikroskopia sił atomowych ma zbyt ograniczony zakres skanowania. Stylistyka mechaniczna. Obrazowanie peryferyjne jest jednowymiarowe, a skanująca mikroskopia elektronowa w wielu przypadkach dostarcza w zasadzie jedynie obrazów płaskich.

Ta wizualna prezentacja metody jest użyteczna, ponieważ pozwala osobom nieznającym tej techniki zrozumieć zasadę jej działania. Mamy nadzieję, że zachęci ona innych do zastosowania interferometrii światła białego w ich własnych dziedzinach badań.