Характеристика модификации поверхности белым светом интерферометрии, применения в ионного распыления, лазерной абляции, и трибологии Эксперименты

Оптическая профилометрия представляет собой бесконтактный метод измерения высоты поверхности крупных или мелких объектов с субмикронной точностью. Общая цель следующего эксперимента — использование интерферометра белого света в качестве экспресс-метода измерения топографии небольших участков, что позволяет определить количество материала, утраченного в ходе процессов механического износа или процессов травления материала, таких как создание кратеров ионного распыления или лазерная абляция. Данное измерение осуществляется путем предварительного получения трехмерных профилей исследуемых поверхностей с помощью интерферометра белого света.

Некогерентный белый свет будет формировать отчетливые интерференционные картины. Они становятся широко доступными только тогда, когда задержки длины пути совпадают. Инструменты программного измерения используются для определения изменений исходной поверхности, вызванных, например, интенсивным лазерным облучением или энергетическими ионами.

Это выполняется путем вычитания измененной поверхности из исходной плоской гладкой поверхности. При этом может потребоваться использование программных средств для устранения кривизны поверхности с целью приведения ее к плоской плоскости, например, в случае пятна износа на изогнутой поверхности. Показано, как данный метод может быть применен в двух областях.

Во-первых, данный метод применяется для анализа механического износа, в частности, для исследования следов износа на трибологических тестовых образцах, а во-вторых — в материаловедении для определения объемов и глубин распыления ионным пучком или лазерной абляции. Основным преимуществом этой техники перед другими методами, такими как профилометрия с использованием щупа или аппроксимация на основе размера, является ее скорость и точность, поскольку метод позволяет получить детальное трехмерное изображение. Он очень эффективен при измерении неправильных или правильных кратеров, образующихся, например, в результате лазерной абляции или распыления ионным пучком.

Во-вторых, в области трибологии величина износа может быть крайне мала, и приближенные расчеты, основанные на простых микроскопических оценках, могут привести к ошибочным выводам. Для получения достоверных результатов необходимо определить фактическую форму деформированной области. То же самое относится, например, к экспериментам по разбрызгиванию, где глубина удаляемого слоя может составлять всего около 10 nanometers. Начните с обеспечения доступа к оптическому профилометру и соответствующему программному обеспечению для топографического анализа.

В данной демонстрации используются микро-экзамен, интерференционный микроскоп с белым светом 100 и программное обеспечение для обработки изображений сканирующего зонда. Следующие шаги демонстрируют способ измерения объема небольшого следа износа на шарике, как это делается в трибологии или науке о смазке. Чтобы сделать данную презентацию максимально универсальной, автоматизированная обработка не применяется.

Первым шагом является размещение образца на измерительном столе. Поместите шар на предметный столик профилометра, используя любой удобный и устойчивый пьедестал. Расположив интересующую область поверхности вверх, с помощью объектива с малым увеличением отцентруйте шар непосредственно под линзой.

Отрегулируйте вертикальное положение образца так, чтобы интерференционные полосы появились рядом с центром экрана. В случае изогнутой поверхности ориентируйте образец так, чтобы полосы были центрированы. Поверните шар вручную или наклоните предметный столик, чтобы след износа стал виден и, по возможности, располагался горизонтально.

Используйте линзы с промежуточным увеличением, чтобы получить изображение, на котором интересующая область износа занимает большую часть экрана. Это позволит повысить разрешение; отрегулируйте освещение и высоту сканирования для получения оптимальной топографической карты. При сборе данных сканируйте образец в соответствии с инструкциями к прибору.

Заполните любые некорректные или отсутствующие данные с помощью функции интерполяции, после чего сохраните карту, используя трехмерный изометрический вид. На данном изображении показана область с плетением типа AB на поверхности мяча. Анализ этой поверхности требует устранения кривизны изображения, чтобы исходная поверхность мяча выглядела плоской.

Затем объем углубления можно измерить в 2D-виде, выбрав область интереса, исключающую след износа. Здесь зеленым цветом обозначена исключенная область. Убедитесь, что программа анализа изображений применяет коррекцию поверхности ко всей области, но аппроксимация выполняется только для отмеченной вами области интереса.

Выберите в программном обеспечении инструмент аппроксимации кривой, который позволит устранить кривизну. Например, полином пятой степени. Выберите опцию обработки только выделенной области, чтобы рубец не влиял на процесс устранения кривизны.

Может потребоваться запустить процедуру выравнивания несколько раз, чтобы обеспечить достаточную точность плоскостности поверхности. Установите средний уровень на ноль. Темная круговая область представляет собой углубление.

Объем пятна износа измеряют в программе для обработки изображений с помощью инструмента измерения. Для этого можно использовать область любой формы. Чтобы обвести пятно износа, используется синий эллиптический инструмент измерения.

Программный инструмент измерения должен иметь функцию суммирования количества материала выше плоскости уровня и количества материала, утраченного ниже этого уровня. В данном конкретном примере на врезке показано, что объем материала составляет 136 cubic microns. Объем пустоты составляет 2, 733 cubic microns, что дает чистый износ в 2, 597 cubic microns.

Оценку любой систематической ошибки можно провести, переместив область измерения за пределы износа и убедившись, что измеренный объем износа, который должен быть равен нулю, действительно очень мал. Измерение объема следа износа на плоской поверхности выполняется проще, чем для шарика. Для начала анализа получите изображение канавки или следа износа.

Как правило, рекомендуется устранить любой наклон образца, при этом интерференционные полосы должны разойтись. После устранения наклона проведите сканирование образца. В поле зрения должна появиться бороздка.

На данном изображении представлен изометрический вид. Поверхность должна быть горизонтальной. Если это не так.

Замаскируйте область рубца и примените коррекцию наклона плоскости к остальной части поверхности. Также установите среднюю высоту незамаскированной поверхности равной нулю. В данном примере первоначальная ориентация была почти идеальной.

Затем используйте измерительный инструмент для определения объема траншеи. Численные результаты в данном примере составляют: объем пустоты 47 018 кубических микрон, объем материала над поверхностью 68 кубических микрон, что дает чистую потерю 46 950 кубических микрон. Это количество материала, утраченного на протяжении износа шрама.

На практике часто случается, что поверхность подвергается только шероховатости. Во втором представленном здесь примере объемы пустоты и материала почти равны друг другу, и фактически удалено очень мало материала. Объемный анализ кратера, образованного ионным распылением или лазерной абляцией, выполняется просто: для начала анализа получают изображение с кратером почти в центре, а затем собирают данные сканирования.

Некоторые интерферометры белого света могут иметь несколько режимов работы для анализа неглубоких структур. Следует использовать режим сканирования с фазовым сдвигом. Именно этот режим применяется в данном примере с очень малой глубиной структур.

В данном примере видно, что область вокруг кратера не является идеально плоской из-за предыдущих этапов обработки; кроме того, ось Z смещена, чтобы исключить влияние неровностей окружающей области. Для ограничения области анализа до области, обозначенной белым прямоугольником, можно использовать инструмент обрезки. Изображение следует сместить таким образом, чтобы незатронутая область по периметру соответствовала значению z, равному нулю.

При желании это можно выполнить с помощью инструмента смещения рамки или Z-смещения. Правильность выравнивания кратера можно проверить в 3D-виде. Теперь можно измерить кратер, используя стандартный измерительный инструмент.

Снова будет измерен объем материала и объем пустот в выделенной синим цвете области. Чистый объем кратера составляет 86, 146 кубических микрон. Для анализа зависимости глубины от времени можно использовать различные инструменты линейного профилирования для измерения глубины, асимметрии, наклона стенок и так далее.

В данных примерах оптическая профилометрия применялась для измерения тестовых образцов в области инженерного дела и материаловедения. Этот метод может использоваться и в других областях, в том числе в биомедицине для изучения поверхностей хрящевой ткани. Идея применения этого метода возникла у нас, когда выяснилось, что другие методы были просто непригодны для наших задач.

Например, атомно-силовая микроскопия слишком ограничена по диапазону сканирования. Механические стили. Периферийные изображения являются лишь одномерными, а сканирующая электронная микроскопия во многих случаях дает по сути только плоские изображения.

Данная визуальная демонстрация метода полезна тем, что дает людям, не знакомым с этой техникой, представление о принципе ее работы. Мы надеемся, что это побудит других применить интерферометрию белого света в своей области исследований.