三维光学分析

Donald K. Cohen博士，密歇根计量的创始人，向AZoM讲述了光学轮廓的历史，它的发展和工业应用。

密歇根计量是做什么的，它是怎么开始的?

自1994年以来，密歇根计量一直提供三维表面微织构和磨损测量分析服务布鲁克三维光学轮廓仪．我的工作涉及各行各业，从汽车到化工、材料到医疗设备。亚博网站下载

一个典型的项目可能包括了解部件的表面纹理如何影响其摩擦学性能，如摩擦或润滑剂的保留。其他项目可能与测量磨损模式的三维表面特征有关，以帮助确定工作中可能的磨损机制。

三维光学图像显示镀铬缺陷。©Copyright Bruker 2017

我有幸参与的早期发展3 d光学分析,在失控和密歇根计量开始之前,我高兴地看到,现在所使用的测量技术是常规,甚至是出现在文学只是OP, SEM一样,奥格或光电子能谱。

什么时候开始的3D光学分析?

早在20世纪80年代，亚利桑那大学的James C. Wyant博士就创立了WYKO公司，该公司最初开发了一些用于测量抛光光学表面的相移干涉(PSI)轮廓仪。这些2D剖面仪(NCP 1000剖面仪)只能测量大约0.05微米(2微米英寸)的平均粗糙度(Ra)。所以在这个时候，“应用”推动了“仪器”的发展。然而，消息很快传开，其他行业，特别是磁带和磁盘驱动器行业，开始使用这些剖面仪进行关键的表面检查。在IBM的Bharat Bhushan博士的资助和支持下，WYKO开发了世界上第一个3D非接触式光学轮廓仪，TOPO-3D。我有幸在TOPO-3D发布前后加入WYKO，担任产品经理。

TOPO-3D的早期应用有哪些

磁盘驱动器行业是推动光学轮廓技术发展的关键，该技术用于在生产的各个阶段测量磁盘表面，以及磁记录头。结果表明，磁头除了需要用光学轮廓测量的表面粗糙度外，还有许多特性，如滑块凸度、滑块弧度、滑块平整度和磁极尖端衰退。突然间，光学轮廓仪开始测量微结构和纹理。mag存储行业最初使用光学分析器作为QC工具，每个工厂可能有一些仪器，通常在离线QC室。现在，光学轮廓仪是磁盘驱动器制造过程中不可或缺的一部分。

是什么推动了光学轮廓仪的进一步发展?

粗糙的路面是一个很大的推动力。随着TOPO-3D在20世纪80年代后期被引入，越来越明显的是，有必要在三维上测量Ra大于0.05微米的表面的表面纹理。例如，磁带供应商需要测量磁带的背面，这是TOPO-3D无法描述的。磁头也被设计成阶梯状，远远大于1微米，需要检查。除了熟悉TOPO-3D的行业外，汽车、医疗设备和打印行业的其他科学家和工程师也在寻求一种3D测量表面的解决方案。

如何解决测量粗糙表面的需求?

大约在1990年，WYKO开发了垂直扫描干涉术(VSI)，该技术允许三维测量~3微米的粗糙度值和~100微米的峰谷高度。(顺便说一下，这些粗糙度值现在被称为Sa而不是Ra，以反映测量的是一个区域而不是一个轮廓)。该公司开发了一种利用VSI模式的新型剖面仪，即WYKO RST(用于粗糙表面测试)。无论是VSI模式还是PSI模式，测量范围都局限在约1毫米x 1毫米的区域内，虽然新的干涉仪镜片很快被引进，允许更高的放大率(测量面积约200微米x 200微米)和更低的放大率(测量面积约3毫米x 3毫米)。早期的应用包括测量用于杂志的印版油墨容量和汽车工业中用于增强疲劳强度的喷丸齿轮表面。

一旦WYKO RST被开发出来，该技术就开始推动应用，这是一个非常有趣的转变。在这一点上，许多以前不熟悉3D光学剖面的行业开始了解这项技术。技术上的进步使制造商在竞争中有了优势。即使在今天，我也会遇到一些应用程序，其中的人们并不了解这项技术，并且第一次在我的实验室中看到测量结果，这为他们的应用程序打开了新的和更深层次的理解。这种理解的增加直接转化为更先进的设计和更好的产品性能。

目前3D光学剖析有哪些应用?

许多类型的应用已经出现，用于各种行业的开发和检测需求，这些行业的测量要求截然不同，例如光纤行业和医疗设备行业。例如，需要实时光学轮廓仪测量来研究DLP投影仪中使用的扫描芯片中的移动结构。在世界各地的汽车工厂，3D光学轮廓术正在被用于测量项目，如发动机气门的研磨图案，发动机气缸内部的纹理，以及燃油喷射器的关键特性。在消费品领域，如管道产品(如水龙头)、食品包装材料(如薯片)的性质，甚至用于输送除臭剂的部件的质地，都利用3D光学轮廓来进行产品开发和生产检验。亚博网站下载

有哪些进一步的仪器发展改进了这项技术?

早在20世纪90年代中期，随着PC技术的发展，光学轮廓仪开始能够将多个高分辨率图像拼接在一起，在不牺牲横向分辨率的情况下测量更大的图像区域。在早期，大概10个左右的图像可以被缝合。今天，可以将数百幅图像缝在一起，对非常粗糙的表面进行惊人的测量。其他技术，如测量半透明薄膜的特性，先进的自动化或图像处理，以及大样本配置已经实现。

3D光学分析器的未来是什么样子的?

应用的不断发展，将进一步推动该技术的发展，特别是在吞吐量领域，3D光学剖面继续从QC检测仪器向在线过程控制工具转移。此外，仪器的成本持续下降，使得3D光学成像在典型的材料实验室中像其他显微镜技术一样普遍。亚博网站下载所有使汽车更省油，或使智能手机更智能的进步，在某种程度上都是新的光学分析能力和技术的结果或驱动因素。我可以从第一手经验告诉你，测量游戏永远都不会无聊，而且我认为这种情况短期内不会改变。

关于唐纳德·k·科恩

1994年，Cohen博士建立了Michigan Metrology，以帮助工程师和科学家解决与“泄漏、吱吱声、摩擦、磨损、外观、粘附和其他问题”相关的问题，使用3D表面微纹理测量和分析。

Cohen博士自1988年以来一直担任STLE-Detroit部门的主席，并一直活跃于ASME B46.1委员会的表面纹理，自2005年至2011年担任主席。

Cohen博士拥有the University of Michigan - Dearborn的物理学学士学位，以及the University of Arizona的物理学和光学科学研究生学位。亚博老虎机网登录

在他职业生涯的早期，Cohen博士在IBM的光盘驱动器开发工作。他后来加入WYKO Corporation担任产品经理，最后担任副总裁，开发3D表面纹理测量仪器。