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

Оптическая профилометрия – это бесконтактный метод измерения высоты поверхности больших или малых объектов с субмикронной точностью. Общая цель данного эксперимента состоит в том, чтобы использовать интерферометрический микроскоп белого света в качестве быстрого метода измерения топографии небольших областей, который позволяет измерить количество материала, потерянного в процессах механического износа или в процессах травления материала, таких как ионное распыление кратеров или лазерная абляция. Это измерение достигается путем получения трехмерных профилей испытательных поверхностей с помощью интерференционного микроскопа белого света.

Некогерентный белый свет образует отчетливые интерференционные картины. Только когда задержки длины пути одинаковы, то широко доступно. Программные измерительные приборы используются для определения изменений от исходной поверхности, вызванных, например, интенсивным лазерным облучением или энергичными ионами.

Это делается путем вычитания измененной поверхности из исходной плоской гладкой поверхности. При этом может потребоваться использовать программные инструменты для удаления кривизны с поверхности, чтобы сделать ее плоской плоскостью, например, для следа износа на изогнутой поверхности. Показано, как метод может быть применен в двух областях.

Во-первых, анализируется механический анализ износа, износа, шрамов от износа на трех логических тестовых образцах, а во-вторых, в материаловедении для определения объемов и глубин ионного распыления или лазерной абляции. Основное преимущество этого метода перед другими методами, такими как стилус, профилометрия или приближение на основе размера, заключается в том, что он быстрый и точный, поскольку метод позволяет получить детальное трехмерное изображение. Он очень полезен для измерения неправильных или правильных кратеров, таких как лазерная абляция или разбрызгивание железным лучом.

Во-вторых, в области триологии величина износа может быть довольно маленькой, и приближения, основанные на простых оценках под микроскопом, могут вводить в заблуждение. Для получения правильных результатов необходимо получить фактическую форму деформированной области. То же самое справедливо, например, в экспериментах с разбрызгиванием, где глубина удаляется, возможно, всего на 10 нанометров.

В этой демонстрации используется микроисследователь, микроскоп с интерференцией белого света 100 и программное обеспечение для обработки изображений сканирующего зонда. Следующие шаги демонстрируют, как измерить объем небольшого шрама от износа на мяче, как это делается в триологии или науке о смазке. Чтобы сделать это представление как можно более общим, не используется автоматизированная обработка.

Первым шагом является размещение образца на измерительном столике. Поместите шар на предметный столик профилометра с помощью любой удобной и устойчивой тумбы. Когда интересующий объект направлен вверх, используйте объектив с малым увеличением и расположите мяч прямо под объективом.

Отрегулируйте вертикальное положение образца так, чтобы полосы интерференции появлялись рядом с центром экрана. Для криволинейной поверхности расположите образец так, чтобы бахрома располагалась по центру. Вращайте шар рукой или наклоняйте сцену так, чтобы след от износа был виден и также находился горизонтально, если таковой имеется.

Используйте линзы с промежуточным увеличением для получения изображения, на котором изношенная область интереса в значительной степени заполняет экран. Это улучшает разрешение, регулирует освещение и высоту сканирования для получения наилучшей топографической карты. При сборе данных отсканируйте образец в соответствии с инструкциями прибора.

Заполните все неверные или отсутствующие данные с помощью функции интерполяции, а затем сохраните карту с помощью 3D-изометрического вида. На этом изображении показана область мяча, оплетенная AB. Анализ этой поверхности требует устранения кривизны изображения, чтобы исходная поверхность шара выглядела плоской.

Затем объем углубления можно измерить на 2D-виде, выбрать область интереса, которая исключает след износа. Здесь зеленым оттенком обозначен исключенный регион. Убедитесь, что программа анализа изображений применяет коррекцию поверхности ко всей области, но подгонка выполняется только с использованием отмеченной вами области интереса.

Выберите программный инструмент для подгонки кривой, который устранит кривизну. Например, полином пятого порядка. Выберите вариант операции на включенной области, чтобы шрам не влиял на удаление искривления.

Может потребоваться выполнить подгонку несколько раз, чтобы обеспечить ровную поверхность с хорошей точностью. Установите средний уровень равным нулю. Более темная круглая область – это впадина.

Объем следа износа измеряется в программном обеспечении для обработки изображений с помощью измерительного прибора. Здесь можно использовать любую форму. Синий эллиптический измерительный инструмент используется для обводки шрама износа.

Программное измерительное средство должно иметь функцию, которая суммирует количество материала над плоскостью уровня и количество материала, потерянного ниже уровня. В данном конкретном примере врезка показывает, что объем материала составляет 136 кубических микрон. Объем пустот составляет 2 733 кубических микрона, что дает чистый износ 2 597 кубических микрон.

Оценить любую систематическую ошибку можно, отодвинув область измерения от следа износа и заметив, что измеренный объем износа, который должен быть равен нулю, на самом деле очень мал. Измерение объема шрама от износа на плоской поверхности более прямолинейно, чем для мяча. Чтобы начать анализ, получите изображение углубления траншеи или рубца.

Как правило, рекомендуется удалять любой наклон образца, так как интерференционные полосы разойдутся. Когда наклон будет устранен, отсканируйте образец. Должна быть изображена канавка.

Это изображение представляет собой изометрический вид. Поверхность должна быть горизонтальной. Если это не так.

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

Далее с помощью измерительного инструмента определяют объем траншеи. Численные результаты этого примера: избегайте объема 47 018 кубических микрон, объем материала 68 кубических микрон над поверхностью, что дает чистые потери в 46 950 кубических микрон. Это количество материала, которое теряется из-за длины шрама износа.

На практике часто бывает так, что поверхность только шероховатая. Во втором примере, показанном здесь, объемы пустоты и материала почти равны друг другу, и на самом деле было удалено мало материала. Объемный анализ кратера с ионным распылением или лазерной абляцией прост для начала анализа, получения изображения кратера рядом с центром и получения данных сканирования.

Некоторые интерферометры белого света могут иметь более одного режима работы для неглубоких объектов. Следует использовать режим фазовой интерферометрии сканирования. Именно такой режим используется в этом очень поверхностном примере.

В этом примере видно, что область вокруг кратера не идеально плоская из-за предыдущих этапов обработки, а также ось Z смещена, чтобы исключить влияние неравномерной окружающей области. Инструмент обрезки может быть использован для ограничения области до уровня, показанного белым прямоугольником. Изображение должно быть смещено таким образом, чтобы ненарушенная область по периметру в точке z была равна нулю.

При желании это можно сделать с помощью рамки или инструмента смещения по оси Z. Правильное выравнивание кратера можно проверить с помощью 3D-вида. Теперь кратер можно измерить с помощью стандартного измерительного инструмента.

Опять же, в области, выделенной синим цветом, будет измерен объем материала и объем пустоты. Чистый объем кратера составляет 86, 146 кубических микрон. Для анализа времени до глубины могут использоваться различные инструменты линейного профиля для измерения глубины, асимметрии, наклона стены и так далее.

Оптическая профилометрия использовалась в этих примерах для измерения тестовых образцов для инженерии и материаловедения. Метод может быть использован и в других областях, в том числе в биомедицине для изучения хрящевых поверхностей. Впервые идея этого метода пришла к нам, когда мы узнали, что другие методы просто не подходят для наших задач.

Например, атомно-силовая микроскопия слишком ограничена в своих диапазонах сканирования. Механические стили. Периферийные изображения являются одномерными, и сканирующая электромикроскопия во многих случаях дает по существу только плоские изображения.

Эта визуальная демонстрация метода полезна, потому что она дает людям, незнакомым с техникой, представление о том, как она работает. Будем надеяться, что это приведет к тому, что другие применят интерферометрию белого света в своей области исследований.