利用相干扫描干涉法测量倾斜部分

之间一个妥协的不满意是可以接受的吞吐量和足够的数据覆盖在测量倾斜加工零件,因为计量工具通常涉及某种形式的测量速度和斜率之间的权衡接受。例如,对于光学系统,而higher-NA目标有更高的斜率验收,他们通常有小字段的视图(FOV)。这导致更多的个人测量如果感兴趣的地区超过一个视场。

Large-departure和嵌入特性带来额外的挑战,实施最低工作距离。这也通常涉及到权衡与斜率验收。

通常是衡量加工部分相干扫描干涉法(CSI)。CSI为非接触区域地形地图提供了典型的单一测量地形重复性不到一海里的光滑,表面反射率[1],[2]。通常选择客观的放大率不同约x 100 x。理想情况下,最高的地方斜率θ_马克斯属于客观NA的镜面限制,以满足条件,NA >罪(θ_马克斯)。然而,在实际实践中,lower-NA目标可能需要由于最低工作距离的限制或字段长度/吞吐量,或者由于成本和可用性的考虑。幸运的是,量化斜坡之外的镜面限制可以启用如果一些光散射(通常通过表面粗糙度)和测量是充分敏感。然而,在过去,人们常发现难以衡量倾斜部分通过CSI,即使是在这样的条件下。

最近的技术发展大大提高CSI的基准灵敏度,使高动态范围的操作。这使得测量隐藏式或大斜率特性早些时候访问,或者对提高吞吐量较大的视场。

测量和分析

现代商业CSI显微镜是用来测量各种机加工部件[3]。图1示意图显示了CSI的操作,它是通过扫描一个干涉目标相对于被测样品,产生局部干扰模式定义样本高像素的相机。因此,区域地形数据是由一个单一扫描在相应位置的最佳焦点在摄像机的全部领域。可以使用任何类型的干涉目标,包括迈克耳逊,Mirau,林尼克或宽-场[4][5]的目标。

图1所示。相干扫描干涉法的示意图表示

基线数据采集时间,在本文中给出的结果,大约是0.14秒/微米扫描。原始高度数据表示在所有表面的情节,没有屏蔽,平滑或缺失的数据点的插值。动态降噪(医嘱)是用于检测特别弱信号,允许用户指定的敏感性和吞吐量之间的权衡,同时保留完整的横向和纵向分辨率[6]。

山坡上超出了镜面限制

diamond-turned锥夹角90°如图2所示,在锥的外层直径4毫米,和相对较低的表面粗糙度_一个~ 1.1 nm,衡量在垂直入射10 x迈克耳逊客观)。客观与NA > 0.7需要容纳45°内斜坡镜面极限。然而,在实践中,这将涉及缝合超过数百FOV,可能与不可接受的吞吐量。

图2。测量5-mm-diameter diamond-turned 90°圆锥单一视场。上图:一部分的照片;底部:测量高度图。

low-mag客观NA远低于0.7需要测量锥在单一视场。使用传统的CSI这种测量可能只产生少量的数据。然而,一个有价值的提示也可以提供:数据在山坡上镜面限制意味着散射光可以被探测到。

全部数据覆盖现象是通过采用2.5 x迈克耳逊客观(NA = 0.075)一起4 x医嘱(16 x基线测量时间)的增加。这些数据是完美的测量圆度和锥角。

球形特性有斜坡的近90°,被发现在各种应用程序中,如密封表面和滚珠轴承。测量与增加直径球形特性将变得更加困难:需要很高的山坡上增加视场和工作距离。

一个3-mm-diameter喷油器密封球,衡量在一个视场5.5 x迈克耳逊(NA = 0.15),如图3所示。一个几乎完全数据覆盖率达到当地的山坡上超过60°。相同的目的是用来测量表面粗糙度(S_一个),这是约0.1µm。

图3。3-mm-diameter密封球以一个视场为当地的山坡上60°

即使需要缝合,获得更大的视场是有利的。这些包括提高吞吐量和更快的定位功能表面和登记资料的表面。用更少的视场也降低了形状误差,这是由于缝合引起多个从减小光圈高度地图的数据。

钻石端铣刀[7]接触磨损实验三个地方和当地斜坡产生超过70°如图4所示。似乎这可能需要缝合数百high-NA测量。然而,完整的数据覆盖只是通过缝合~ 20 fov雇佣20 x Mirau客观(NA = 0.4,镜面限制~ 23°),导致0.4 -µm横向抽样(0.9 -µm光学分辨率)和纳米垂直分辨率在整个工具总测量时间仅9分钟。

图4。端铣刀测量0.4µm横向取样长度超过7.2毫米和145 -µm扫描范围大约在9分钟。部分的照片左下插图所示。

成功测量斜坡镜面限制多依赖于一些贡献,包括spatial-frequency-dependent表面粗糙度和年代的变化_一个的样本。

嵌入高的斜坡

有时大斜率特性是暗线,驻留一段距离低于邻近特性。常见的实例包括锥孔内沿外的轴和肩膀。嵌入特性作为密封或安装表面,与相应的关键参数(圆度,半径和角度。

客观和充分的工作距离的凹槽深度需要光学测量这些关键参数。这减少了lower-NA目标选项,这迫使测量是采取使用任何可用的散射光。是不切实际的使用传统的CSI测量的一些极端情况下嵌入高的斜坡。

一个未完成的照片与表面粗糙度的喷油器_一个~ 1µm如图5所示。的肩膀喷油器坐骑对引擎块突出显示区域所示。这个肩膀的几何是一个关键因素,以确保适当的密封,并且可以以形成的圆周半径两个陡坡区域的交集。

图5。喷油器的照片,与越来越多的肩膀地区中黄色

早些时候,肩部区域的测量需要缝合数放大测量以及避免机械干扰其他的部分。测量捕获在一个视场的专业5 x迈克耳逊(NA = 0.12)的工作距离40毫米如图6所示。几乎完全数据覆盖率达到尽管当地倾斜45°。

图6。测量肩的喷油器,凸显半径与引擎块适当的密封的关键

图7描述了电子通孔装配包含一系列~ 1厘米针了玻璃包覆~ 1毫米内嵌的金属住房。除了妨碍别针,玻璃剖面的测量的困难包括相对弱散射由于低粗糙度和折射率,斜率和温和的地方~ 15°。

图7。电子导孔组装。主要关心的是玻璃包覆,隐藏式低于金属房屋连同针扩展~ 1厘米以外的住房。蓝色区域的高度图对应于玻璃、缺失数据指示针的位置。

采用5.5 x迈克耳逊(NA = 0.15)的结果在一个几乎完全数据覆盖的玻璃包覆,失踪分对应的主要是装针的位置。高动态范围(HDR)模式采用结合扫描在不同光水平[6]为了有效地管理各种各样的一部分反射(金属与倾斜的玻璃)。

近乎垂直的山坡上

最大可测量的斜率是客观NA的函数以及有效的被测表面反射率。到目前为止,本文中给出的示例大多相关测量使用低钠的目标。因此,它将会是很有趣的发现多高可以测量斜坡成为NA更高。

在一个皮下注射针测量端点的视场雇佣50 x Mirau客观(NA = 0.55,镜面限制~ 33°),测量任意斜率是接近垂直,如图8所示。在所有与现有的斜坡坡面74°和82°,得到的数据。获得的数据也沿着近乎垂直外管表面的斜率是超过89°。和之前一样,没有屏蔽或插值,在孔地区没有错误的数据。

图8。皮下注射针测量端点的视场。左上:设置的照片。右:获取数据超过1.8毫米的扫描范围。左下:相同的数据显示测量倾斜旋转89°和自动识别的地区。

结论

由于最近的技术进步提高敏感性弱干涉信号,提高边坡和嵌入功能可以测量通过CSI,之前不可能使用这种技术。除了改善基线敏感性,技术进步包括工具来进一步扩展动态范围HDR和医嘱等[6]。例子显示,测量甚至89°斜坡已经成为可能。

在一般的注意,增强允许更广泛的纬度在目标选择,并使操作在大视场目标为了更好的吞吐量和更大的工作距离更容易使用。

确认

原来的工作提出了受益于从Eric Felkel关键贡献和输入,内特Gilfoy, Mackenzie梅西和丹Russano。

引用

[1]de Groot p .相干扫描干涉法。:浸出R,编辑器。表面形貌光学测量。柏林:施普林格1 -;2011年。p . 187 - 208。

ISO [2], [25178 - 604:2013 (E):产品几何技术规范(GPS) -表面纹理:区域——名义上的非接触式的特点(相干扫描干涉显微镜)工具]国际标准化组织日内瓦(2013)。

[3]Zygo公司(NexView光学分析器),规格单ss - 0095 09/12 (2013)。

[4]j .别跟x报摊de北方联盟党和p . de Groot“广角干涉显微镜精密工程区域地形的表面,“Proc, ASPE年会论文4111(波士顿,2014)。

[5]p . j . de Groot l . l .甲板j . f .别跟和c Koliopoulos“Equal-path干涉仪”,8045175年美国专利(2011)。

[6]Fay, m F。报摊de北方联盟党,X。,de Groot p与高动态范围测量大斜率和超光滑光学相干扫描干涉法。Proc。阻塞性睡眠呼吸暂停综合症,2014:1981102。

[7]感谢教授克里斯·埃文斯和克里斯泰勒在北卡罗莱纳大学夏洛特(机械工程和工程科学)。亚博老虎机网登录

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