执行与可追踪标准相关的3D光学分析表面测量

本文解释了3D光学轮廓仪使用的非接触检测方法的好处，并概述了一些专业PTB (physikalesh - technische Bundesanstalt)可追踪粗糙度标准和其他低成本指甲粗糙度测量的最佳实践和测量结果。

相关结果基于应理解的测量因子，并且在成像和分析粗糙度范围的表面纹理中，以较小的距离为微米的粗糙度。

利用相干扫描干涉术的三维光学轮廓仪，也称为白光干涉术(WLI)，在大面积上提供快速、准确的表面测量，以确定感兴趣的表面的各种特性。它们正越来越多地应用于研究、工程和各种市场的生产过程控制，包括材料科学、航空航天、汽车、数据存储、太阳能、半导体和MEMS。亚博网站下载亚博老虎机网登录

了解该技术如何与传统的2D技术和标准相关，以及如何确定和利用测量数据的增加对于充分利用当今顶级3D光学分析器的能力至关重要。

3D光学轮廓相对于其他测量技术的优势

在20世纪30年代早期，2D手写笔轮廓仪最初用于表面粗糙度的表征，并被作为行业标准，直到几十年后3D计量仪器的发展。三维光学轮廓仪测量系统具有许多优点，这促使国际计量界开发新的测量标准，充分利用这一优势技术。

现代复杂的表面分析仪具有业界领先的速度和准确性，同时保持相同的“纳米”Z精度在所有放大倍数。这种系统能够测量非常宽的表面参数，包括间距，粗糙度，曲率，步进高度，波纹和横向位移，所有这些系统都在单个测量和几乎任何表面上都是如此。

基于图1所示的白光干涉测量技术，这种测量技术能够在一次测量中快速确定大横向区域(高达8毫米)的三维表面形状。大于这个值的表面积可以通过应用拼接算法来测量，从而能够捕获多个横向图像并合并到一幅图像中进行分析。

尽管其他一些技术提供了更快的速度、良好的分辨率或更大的测量范围，但它们也都有自己的局限性。例如，触控笔描摹提供了长达数百毫米的扫描，但每次扫描只是沿着探针宽线的一条轨迹，这限制了可以分析的区域，而不采用多个轨迹，这使得更大区域的采集时间变慢。

图1所示。基本白光干涉测量与Bruker的自校准HENE激光器的原理图。

同样，共聚焦显微镜在非常高的放大倍数下提供合理的Z分辨率，但由于用于捕获Z高度数据的扫描技术，数据采集时间要慢得多。最后，光学聚焦技术用于更粗糙的表面加工，但通常不能实现基于干涉的三维光学轮廓仪的Z分辨率，特别是对精细加工结构的表面纹理。

当涉及到测量表面形貌和量化纹理时，这些其他技术也有其他缺点。接触式触控笔测量的一个主要缺点是，触控笔尖端必须垂直于测量表面的主要表面图案或表面层。如果不是这样，针尖可能会跟随表面结构并传递虚假的表面纹理结果，类似于电唱机针跟随唱片中的沟槽。

手写笔测量的另一个缺点是Z高度测量范围的限制。触控笔系统需要使用滑板来扩展测量范围，允许它测量更大的台阶，但随后限制了它精确测量波纹或台阶特征的能力，因为滑板必须跟踪感兴趣的表面。这就产生了一种表面表示的机械过滤。

最后，为了减少磨损和延长针尖寿命，大多数手写亚博网站下载笔的笔尖都使用了金刚石等非常坚硬的材料，使用它们进行扫描可能会对感兴趣的表面造成损伤，并提供虚假读数，如图2所示。

图2。触针损坏到参考标准。

共聚焦显微镜通过计算围绕焦点位置的强度分布的质心或检测峰值强度来找到每个像素位置的高度。对于高倍率物镜，强度包络线非常窄，但在低倍率物镜下，由于物镜的数值孔径(NA)较低，增加了景深，强度包络线变得更宽。

这种大的景深损害了共焦系统重复检测质心和峰值强度的能力，并因此而恶化了Z精度和分辨率。高倍率物镜(20倍以上)通常必须用于获得Z精度，但这限制了横向视野。

在此之前，共聚焦显微镜的主要优点是能够测量陡峭的角度。然而，3D光学轮廓仪的更高放大物镜的发展，以及高分辨率相机的提高横向分辨率，使得非共焦系统能够测量非镜面表面接近90°的陡角。

现代三维光学轮廓仪完全基于非接触测量技术，在表面结构定位和消除表面损伤方面没有任何限制。此外，3D光学轮廓仪一般不受z高度限制，能够测量高达10毫米的高度。

3D光学分析器的边缘包络在所有放大率下仍然非常窄，从0.75倍到230倍，因此，剖析器在任何放大倍率下都会在视野中保持相同的高Z分辨率。

手写笔分析器过滤传统测量标准

大多数传统的测量标准已经围绕着触控笔结果设置。理解这项技术的工作原则以及在任何努力中需要与之相关的标准的起源，以与其他技术结果相关联。

手写笔接触测量系统由于尖端半径和触控笔尖端的尖端和测量期间与表面接触而具有自然机械过滤。锥角通常为45°，以满足推荐的测量标准，例如国际标准化组织（ISO）。

尖端半径范围为1 ~ 10µm。根据样品的粗糙度和针尖模型，针尖可能达不到表面轮廓的底部，还可以将峰谷圆整，这两者都会对表面光洁度结果产生影响。此外，测量比尖端本身更小的表面特征是不可能的，如图3A和3B所示。

图3。这25μm尖端容易测量较大的沟槽（a），但不能准确地测量沟槽纵横比增加的宽度（b）和高度（c）。

图3B。触针测量对针尖半径的影响。

在设置机械触笔测量时，必须确定已知的扫描长度。这个扫描长度是手写笔所追踪路径的长度，被称为测量长度或遍历长度。采样长度通常定义为用于数据分析的最低空间频率滤波器的空间波长。

根据大多数行业推荐的做法或标准，测量长度必须至少比感兴趣的特征的取样长度或波长高7倍。从图4中可以看出，测量长度的两端通常都要舍弃一个样本长度。

图4。具有分割的总简档，进入样本，评估和遍历长度。

捕捉到的扫描被称为总轮廓，通常是通过电子手段通过所有数据拟合一条线。应用电子滤波器和截止滤波器是分析手写笔数据的下一步。

通常，第一分析是将低通空间频率滤波器应用于原始总曲线以去除非常高的空间频率数据，因为它通常可以归因于触控笔变形，振动或表面上的碎屑。下一步是通过使用各种其他滤波器将数据分离成波纹，粗糙度和形式。

通常，应用高通空间滤波器来去除整体形状或波纹，以获得粗糙度参数。波形轮廓可以通过带通滤波器得到。尽管还有许多其他类型的过滤器，但这是进行触控笔表面光洁度测量和分析时的标准方法，如图5所示。

图5。采用电子滤波器来获得粗糙度或形状。

图6A和6B示出了具有类似表面结束结果的最常见类型的制造过程。标准概述的推荐实践，例如ISO和ANSI / ASME，建议对那些触控笔测量的示例长度，过滤器和截止值。

当试图将非接触式测量与触控笔测量系统相关联时，用户必须确切地知道如何在收集数据时用电子方式和机械地配置触控笔系统，以提供最佳的再现性和相关性。

图6 a。制造中的表面光洁度公差。

图6 b。在三维光学轮廓仪上测量的垂直铣削表面。

例如，Vision64^®布鲁克的3D光学轮廓仪软件可以配置为通过应用相同的过滤器和截止器来复制2D手写笔测量，如图7所示。由于在过去十年中光学轮廓的发展，3D光学轮廓仪现在能够准确地执行传统的手写轮廓仪进行的2D参数测量，在测量速度和样品完整性方面有了显著的改进。

图7。Vision64软件中的手写笔分析设置。

利用光学分析延长表面参数表征

由于2D手写笔表面测量具有悠久的历史，提供了粗糙度(Ra)等基本参数，这些统计参数通常最终被应用于许多市场的表面处理质量的测量和控制。现在，复杂的3D表面表征技术的发展使这些2D参数的精确测量成为可能，同时，还提供了额外的数据，以推进表面表征的方式。

这些新的3D参数可以突出显示大数据趋势，例如划种或波动，以及诸如脊和划痕的主要特征，即2D迹线无法表征。由于这些3D功能，现在越来越多地使用新的表面参数。

这些参数被称为“S参数”，一般分为混合参数、空间参数、振幅参数和功能参数(图8)。3D参数不仅能识别形状和表面光洁度，还能识别该表面的功能。

图8。3D参数的典型应用。

与指甲表面光洁度计相关

对于许多工业市场，正在批准和采用3D光学分析的推荐测量实践。大多数行业都需要与已知可追溯标准相关的能力，以实现可追溯性和认证。

许多公司申请的相当低成本的方法正在购买表面粗糙度标准贴片，这可以具有可追溯的校准证书。这些贴片的RA表面在50nm至13μm（2至100微内）之间的Ra表面和不同的加工表面（图9）之间。

图9。多片手指甲粗糙度比较器标准。

理论上，这似乎是一种低成本的跟踪和相关性的好方法，但它可能会导致问题，因为这些类型的仪表意味着一个“指甲”的比较标准，操作员粗略地比较实际加工表面。

操作员或工程师实际上将使用其指甲或简单地通过视觉外观将加工表面与粗糙度贴片进行比较。当使用推荐的国际批准的测量实践对其中一个贴片进行了独立的触控笔计校准时，观察到新可追踪认证值与贴片附带的原始认证之间的显着变化，如图10所示。

没有明确的文件显示原始的认证值是如何获得的，但似乎标准化的测量实践没有被用来认证该计量器具。

图10。原始认证与独立认证的例子。

一旦知道粗糙度补丁的实际值，也必须知道在校准期间应用的测量设置参数，以便它们可以应用于复制任何系统上的值，在这种情况下是3D光学分析器。

何时使用单个视野与较大的缝合图像测量

可以测量低于254nm（10微米）的较低粗糙度表面，在3D光学分析器上具有单个图像，因为通常不是制造周期性加工结构或担心。此外，较低的RA表面倾向于相互关联，即使在不使用触笔系统使用的过滤器的情况下也能够良好地接触触笔测量。

必须考虑的一件事是，通过升高客观放大率，横向分辨率像素尺寸变小，允许看到更多的表面的微观结构。如前所述，可能通过接触系统测量该微结构。因此，系统可以降低与光学系统的相关性。

为了测量具有更高的RA值的表面处理，该ra值可能具有周期性加工结构，如图11所示，测量区域需要足够大以捕获这种周期性结构。如前所述，这与联系手写笔分析器的采样长度相同，以满足标准化实践。

这可以很容易地执行使用一个较低的放大物镜来捕获整个周期结构。这里的权衡是，物镜的放大倍数越低，物镜的NA就越低，反过来，物镜捕捉光线的角度和测量斜率的角度也会降低(类似于大半径接触探头尖端的限制)。

一旦表面的RA足够高，表面的结构变得非常陡峭，并且较低的放大镜可以具有类似于触控笔尖端半径或表面边缘的平滑的数据丢失。这可以通过“拼接”多个图像一起使用更高的放大率来解决，以覆盖整个周期性结构区域，类似于触控笔系统采样长度。

图11。10x缝合转向表面的图像。

适当的过滤与接触测量相关

即使在执行指甲粗糙度补丁上的独立认证之后，也可能不足以将3D光学分析器粗糙度直接与该认证进行比较。然而，一旦捕获了适当的扫描长度数据并且在3D光学分析器软件中应用相应的触控器过滤器，滤波3D数据可以与经过认证的触控笔测量相比很好地相关。

如图12A所示，描述了使用stylus filter前后的RA数据，如图12B所示，描述了使用filter并与独立认证相关的RA数据。相关结果显示了一个轻微的偏差，这归因于不知道确切的独立认证是在哪里进行的。

图12。光学笔测量应用于原始光学测量。

图12 b。光学唱针测量与独立认证。

将测量与国家可追溯标准相关联

关于质量保证，表面光洁度测量的可追溯性在制造中发挥着许多产品和零件的相关性和功能的关键作用。使用可追溯到国家公认的机构的标准来关联地板的表面光学参数的能力，例如Physikalisch-Technische Bundesanstalt（PTB）和国家标准和技术研究所（NIST）。

对于这种分析，在PTB的购买和认证了高精度标准（图13）。为特定表面粗糙度产生标准，其中波纹和纹理是高度可重复的并且在测量表面上控制。

PTB提供了关于如何使用触控笔系统认证标准的详细信息的校准文件。当试图使用各种测量技术(包括基于干涉技术的3D光学剖面)再现和关联这些标准时，这些认证数据非常有用。

对于研究中确定的所有标准，布鲁克的轮廓精英^®三维光学分析器采用10倍物镜垂直扫描干涉测量(VSI)模式。根据PTB认证获取数据，确保使用正确的测量扫描长度(缝合图像)和用于测量的手写笔过滤在适当的位置捕获数据。

在扫描每个标准上的九个测量位置后，结果平均并与PTB认证不确定性的误差进行比较。结果如图14所示。

图13。精密表面粗糙度标准及测量位置。

图14。与认证的粗糙度标准相比，WLI的偏差结果。

如在偏差图中所观察到的，可以轻松获得与国家被接受的粗糙标准的相关性，条件是，对于基于3D光学分析器的测量，已经遵循了标准的适当测量方法和认证过程。

结论

3D测量技术的最新发展为研究人员、工程师、质量控制专业人员和工艺设计师提供了一种改进的方法来表征表面的表面光洁度、形状和整体功能。3D光学轮廓仪已经广泛应用于各个行业，从航空航天部件到医用植入物，并且在总体速度、精度、分辨率和重复性方面都比其他测量方法表现得更好。

预先了解要测量的表面和用于测量这些表面的触控笔工具的设置可以帮助实现触控笔测量系统的相关性。由于纹理相干/散斑效应和测量位置，一些微小的相关差异是预期的。但是，如果需要的话，可以通过相关因素进行解释或跟踪。

添加3D表面S参数显着延伸了表面分析的程度，该程度可以表征样品的形状和功能。结果是自早期引进基于触针的轮廓测量值以来测量数据中最激进的改善。

参考文献

1. ISO 4288，几何产品规范（GPS） - 表面纹理：配置文件方法 - 用于评估表面纹理的规则和程序。

2.表面纹理(表面粗糙度、波纹度和层数)，美国国家标准，ASME B46.1-2002，纽约，纽约。

3. ISO 4287，几何产品规范（GPS） - 表面纹理：配置文件方法 - 术语，定义和表面纹理参数，1997。

4.S. Bui和M. Novak，“Dektak手写轮廓仪的iso标准过滤”，布鲁克应用笔记AN550, 2014。

5.J. Petzing, J. Coupland, R. Leach，“基于相干扫描干涉法的粗糙表面形貌测量”，国家物理实验室，2014。

这些信息来源于布鲁克纳米表面公司提供的材料。亚博网站下载

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