Профилометр

Профилометр измерительный — это инструмент , используемый для измерения профиля поверхности с целью количественной оценки ее шероховатости . Критические размеры (ступенька, кривизна, плоскостность) рассчитываются по топографии поверхности.

Хотя историческое понятие профилометра представляло собой устройство, похожее на фонограф , которое измеряет поверхность при ее перемещении относительно иглы контактного профилометра , это представление меняется с появлением многочисленных методов бесконтактной профилометрии.

Несканирующие технологии измеряют топографию поверхности за одну съемку камеры, сканирование XYZ больше не требуется. Как следствие, динамические изменения топографии измеряются в режиме реального времени. Современные профилометры измеряют не только статическую топографию, но и динамическую топографию — такие системы называются профилометрами с временным разрешением.

Типы

Оптические методы ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} включают методы, основанные на интерферометрии, такие как цифровая голографическая микроскопия , интерферометрия вертикального сканирования / интерферометрия белого света , интерферометрия с фазовым сдвигом и дифференциально-интерференционная контрастная микроскопия (микроскопия Номарского); методы обнаружения фокуса, такие как обнаружение интенсивности, изменение фокуса , дифференциальное обнаружение, метод критического угла, астигматический метод, метод Фуко и конфокальная микроскопия ; методы проекции узоров, такие как проекция полос , профилометрия Фурье , муар и методы отражения узоров .

Контактные и псевдоконтактные методы ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} включают щуп-профилометр (механический профилометр), ^{[ 3 ]} атомно-силовая микроскопия , ^{[ 4 ]} и сканирующая туннельная микроскопия

Контактные профилометры

Алмазный иглу перемещают вертикально, контактируя с образцом, а затем перемещают по образцу вбок на заданное расстояние и заданную контактную силу. Профилометр может измерять небольшие изменения поверхности при вертикальном смещении иглы в зависимости от положения. Типичный профилометр может измерять небольшие вертикальные детали высотой от 10 нанометров до 1 миллиметра. Положение алмазной иглы по высоте генерирует аналоговый сигнал, который преобразуется в цифровой сигнал, сохраняется, анализируется и отображается. Радиус алмазного иглы составляет от 20 нанометров до 50 мкм, а горизонтальное разрешение контролируется скоростью сканирования и частотой дискретизации сигнала данных. Прижимная сила иглы может варьироваться от менее 1 до 50 миллиграмм.

К преимуществам контактных профилометров относятся приемистость, независимость от поверхности, разрешение, это прямой метод, не требующий моделирования. Большинство мировых стандартов качества поверхности разработаны для контактных профилометров. Чтобы следовать предписанной методологии, часто требуется этот тип профилометра. Контакт с поверхностью часто является преимуществом в грязных средах, где бесконтактные методы могут привести к измерению загрязнений на поверхности, а не на самой поверхности. Поскольку игла контактирует с поверхностью, этот метод не чувствителен к отражательной способности поверхности или цвету. Радиус кончика иглы может составлять всего 20 нанометров, что значительно лучше, чем при оптическом профилировании в белом свете. Вертикальное разрешение обычно также составляет субнанометр.

Бесконтактные профилометры

Оптический профилометр — это бесконтактный метод, позволяющий получить большую часть той же информации, что и профилометр с помощью щупа. В настоящее время используется множество различных методов, таких как лазерная триангуляция ( триангуляционный датчик ), конфокальная микроскопия (используется для профилирования очень маленьких объектов), когерентная сканирующая интерферометрия и цифровая голография .

Преимущества оптических профилометров — скорость, надежность и размер пятна. Для небольших шагов и требований к 3D-сканированию, поскольку бесконтактный профилометр не касается поверхности, скорость сканирования определяется светом, отраженным от поверхности, и скоростью электроники сбора данных. При выполнении больших шагов 3D-сканирование на оптическом профилировщике может быть намного медленнее, чем 2D-сканирование на стилусном профилировщике. Оптические профилометры не касаются поверхности и поэтому не могут быть повреждены из-за износа поверхности или неосторожности оператора. Многие бесконтактные профилометры являются полупроводниковыми, что значительно снижает необходимость технического обслуживания. Размер пятна или поперечное разрешение оптических методов варьируется от нескольких микрометров до субмикрометров.

Профилометры с временным разрешением

Самовосстанавливающийся полимер от Tosoh Corporation (Япония), измеренный с помощью цифрового голографического микроскопа.

Ультразвуковые преобразователи MEMS, измеренные на частоте 8 МГц в стробоскопическом режиме.

Несканирующие технологии, такие как цифровая голографическая микроскопия, позволяют измерять трехмерную топографию в режиме реального времени. 3D-топография измеряется с помощью одной камеры, поэтому скорость сбора данных ограничивается только скоростью сбора данных с камеры; некоторые системы измеряют топографию с частотой кадров 1000 кадров в секунду. Системы с временным разрешением позволяют измерять изменения топографии, например, восстанавливать интеллектуальные материалы или измерять движущиеся образцы. Профилометры с временным разрешением можно комбинировать со стробоскопическим устройством для измерения МЭМС- вибраций в диапазоне МГц. Стробоскопический блок подает сигнал возбуждения на МЭМС и сигнал запуска на источник света и камеру.

Преимущество профилометров с временным разрешением состоит в том, что они устойчивы к вибрациям. В отличие от методов сканирования, время сбора данных профилометра с временным разрешением находится в диапазоне миллисекунд. Нет необходимости в вертикальной калибровке: вертикальное измерение не зависит от механизма сканирования, вертикальное измерение в цифровой голографической микроскопии имеет внутреннюю вертикальную калибровку, основанную на длине волны лазерного источника. Образцы не статичны, и существует реакция топографии образца на внешний раздражитель. При измерении в полете топография движущегося образца получается за короткое время экспозиции. Измерение вибраций МЭМС может быть выполнено, если система объединена со стробоскопическим устройством.

Оптоволоконные профилометры

Оптические профилометры на основе оптического волокна сканируют поверхности с помощью оптических датчиков, которые посылают световые интерференционные сигналы обратно в детектор профилометра через оптическое волокно. Оптоволоконные датчики могут быть физически расположены на расстоянии сотен метров от корпуса детектора без ухудшения сигнала. Дополнительными преимуществами использования волоконно-оптических профилометров являются гибкость, возможность получения длинных профилей, надежность и простота внедрения в промышленные процессы. Благодаря небольшому диаметру некоторых зондов можно сканировать поверхности даже внутри труднодоступных мест, например, узких щелей или трубок малого диаметра. ^{[ 5 ]}

Поскольку эти датчики обычно фиксируют одну точку за раз и при высоких скоростях отбора проб, возможно получение длинных (непрерывных) профилей поверхности. Сканирование может происходить в агрессивных средах, в том числе при очень высоких или криогенных температурах, или в радиоактивных камерах, при этом детектор расположен на расстоянии, в безопасной для человека среде. ^{[ 6 ]} Волоконные датчики легко устанавливаются в процессе работы, например, над движущимися полотнами или монтируются на различные системы позиционирования.

Приложения

Профилометр борозд используется для измерения геометрии поперечного сечения борозд и гофров и играет важную роль при оценке борозд. ^{[ 7 ]}

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Джин М. Беннетт, Ларс Мэттссон, «Введение в шероховатость поверхности и рассеяние», Оптическое общество Америки, Вашингтон, округ Колумбия
^ Jump up to: ^а ^б В. Дж. Валецки, Ф. Сонди и М. М. Хилали, «Быстрая поточная метрология топографии поверхности, позволяющая рассчитывать напряжения при производстве солнечных элементов с производительностью более 2000 пластин в час», 2008 г. Измерение. наук. Технол. 19 025302 (6пп) дои : 10.1088/0957-0233/19/2/025302
^ Стаут, К.Дж.; Блант, Лиам (2000). Трехмерная топография поверхности (2-е изд.). Пентон Пресс. п. 22. ISBN 978-1-85718-026-8 .
^ Бинниг, Герд; Куэйт, Кэлвин Ф; Гербер, Ч. (1986). «Атомно-силовой микроскоп» . Письма о физических отзывах . 56 (9): 930–933. doi : 10.1103/PhysRevLett.56.930 . ПМИД 10033323 .
^ Дюфур, Марк; Ламуш, Г.; Готье, Б.; Падиоле, К.; Мончалин, JP (2006). «Контроль труднодоступных промышленных деталей с использованием щупов малого диаметра» (PDF) . Отдел новостей SPIE . ШПИОН . дои : 10.1117/2.1200610.0467 . S2CID 120476700 . Проверено 15 декабря 2010 г.
^ Дюфур, ML; Ламуш, Г.; Деталле, В.; Готье, Б.; Саммут, П. (апрель 2005 г.). «Низкокогерентная интерферометрия — передовой метод оптической метрологии в промышленности» . Insight: Неразрушающий контроль и мониторинг состояния . 47 (4): 216–219. CiteSeerX 10.1.1.159.5249 . дои : 10.1784/insi.47.4.216.63149 . ISSN 1354-2575 .
^ Кахун, Джоэл Э. (январь 1995 г.). «Определение сечения борозды» . Журнал ирригационной и дренажной техники . 121 (1): 114–119. doi : 10.1061/(ASCE)0733-9437(1995)121:1(114) . ISSN 0733-9437 .

Внешние ссылки

[jean-1] Jump up to: ^а ^б Джин М. Беннетт, Ларс Мэттссон, «Введение в шероховатость поверхности и рассеяние», Оптическое общество Америки, Вашингтон, округ Колумбия

[walecki-2] Jump up to: ^а ^б В. Дж. Валецки, Ф. Сонди и М. М. Хилали, «Быстрая поточная метрология топографии поверхности, позволяющая рассчитывать напряжения при производстве солнечных элементов с производительностью более 2000 пластин в час», 2008 г. Измерение. наук. Технол. 19 025302 (6пп) дои : 10.1088/0957-0233/19/2/025302

[3] Стаут, К.Дж.; Блант, Лиам (2000). Трехмерная топография поверхности (2-е изд.). Пентон Пресс. п. 22. ISBN 978-1-85718-026-8 .

[4] Бинниг, Герд; Куэйт, Кэлвин Ф; Гербер, Ч. (1986). «Атомно-силовой микроскоп» . Письма о физических отзывах . 56 (9): 930–933. doi : 10.1103/PhysRevLett.56.930 . ПМИД 10033323 .

[5] Дюфур, Марк; Ламуш, Г.; Готье, Б.; Падиоле, К.; Мончалин, JP (2006). «Контроль труднодоступных промышленных деталей с использованием щупов малого диаметра» (PDF) . Отдел новостей SPIE . ШПИОН . дои : 10.1117/2.1200610.0467 . S2CID 120476700 . Проверено 15 декабря 2010 г.

[6] Дюфур, ML; Ламуш, Г.; Деталле, В.; Готье, Б.; Саммут, П. (апрель 2005 г.). «Низкокогерентная интерферометрия — передовой метод оптической метрологии в промышленности» . Insight: Неразрушающий контроль и мониторинг состояния . 47 (4): 216–219. CiteSeerX 10.1.1.159.5249 . дои : 10.1784/insi.47.4.216.63149 . ISSN 1354-2575 .

[7] Кахун, Джоэл Э. (январь 1995 г.). «Определение сечения борозды» . Журнал ирригационной и дренажной техники . 121 (1): 114–119. doi : 10.1061/(ASCE)0733-9437(1995)121:1(114) . ISSN 0733-9437 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]