执行与可追踪标准相关的3D光学轮廓表面测量

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。

相关结果基于测量因素，这些测量因素在成像和分析粗糙度从几纳米到微米的表面纹理时应该被理解和考虑。

利用相干扫描干涉测量法（也称为白光干涉测量法（WLI））的3D光学轮廓仪在大面积上提供快速、准确的表面测量，以确定感兴趣表面的各种特性。他们越来越多地被用于各种市场的研究、工程和生产过程控制，包括材料科学、航空航天、汽车、数据存储、太阳能、半导体和MEMS。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球

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

20世纪30年代早期，2D触针轮廓仪最初用于表面粗糙度表征，并被用作行业标准，直到数十年后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，以充分利用这一优势技术。

现代复杂的表面轮廓机具有行业领先的速度和精度，同时在所有放大率保持相同的“纳米”Z精度。这种系统能够测量非常广泛的表面参数，包括俯仰、粗糙度、曲率、台阶高度、波纹度和横向位移，所有这些都可以在一次测量和几乎任何表面上进行。

基于图1所示的白光干涉测量法，该测量技术能够在单个测量中快速地确定大侧面的3D表面形状 - 高达8毫米 - 在单个测量中。可以通过应用针线算法来测量大于该值的表面积，以使得能够捕获多个横向图像并将其合并为一个图像以进行分析。

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。布鲁克自校准HeNe激光白光干涉测量原理图。

类似地，共聚焦显微镜在非常高的放大率下提供合理的Z分辨率，但由于用于捕获Z高度数据的扫描技术，具有很大的数据采集时间。最后，采用光学聚焦技术来用于更粗糙的制造表面饰面，但通常不能能够实现基于干涉的3D光学分析器的Z分辨率，特别是对于精细加工结构上的表面纹理。

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。接触式触针测量的一个主要缺点是，触针尖端必须垂直于测量表面的主要表面图案或表面布局。如果情况并非如此，则针尖可能会跟随表面结构并产生虚假的表面纹理结果，类似于唱机唱针跟随唱片中的凹槽。

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，由于钻石等非常硬的材料，用于制造大多数欧洲杯足球竞彩触控笔技巧，以减少磨损和增加尖端寿命，使用它们进行扫描可能导致兴趣表面损坏并提供错误读数，如图所示2。

图2。手写笔对参考标准造成伤害。

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。

这种大景深会削弱共焦系统重复检测质心和峰值强度的能力，并因此降低Z精度和分辨率。通常必须使用高倍率物镜（20倍及以上）来获得Z精度，但这限制了横向视野。

以前，测量陡角的能力是使用共聚焦显微镜的关键优势。然而，为3D光学分析器的更高放大率的发展以及高分辨率相机的改进的横向分辨率使得非共辅助系统能够测量在非镜面上接近90°的陡峭角度。

现代3D光学分析仪对表面结构方向没有任何限制，并消除表面损坏，因为它们完全基于非接触式测量技术。另外，3D光学分析仪通常不是Z高度有限的，并且能够高度测量高达10mm。

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。

传统测量标准的手写分析器滤波

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）。

尖端半径范围在1到10μm之间变化。基于样品粗糙度和尖端模型，尖端可能无法达到表面轮廓的底部，并且还可以绕峰和谷，两者都会对表面光洁度产生影响。而且，测量小于尖端本身的表面特征是不可能的，如图3A和3B所示。

图3A。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。尖端半径与触控笔测量的影响。

在设置机械触控笔测量时，有必要确定已知的扫描长度。该扫描长度是触控笔跟踪的路径的长度，并且称为测量或遍历长度。采样长度通常定义为将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实践或标准，测量长度必须比感兴趣的特征的采样长度或波长高至少七倍。如图4所示，一个样本长度通常从测量长度的每一端丢弃。

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，施加高通空间滤波器以去除整个形式或波纹以获得粗糙度参数。可以使用带通滤波器获得波纹轮廓。虽然有许多其他类型的过滤器可用，但这是在进行触控器表面完成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，用户必须准确地知道触控笔系统在收集数据时是如何进行电子和机械配置的，以提供最佳的重现性和相关性。

图6 a。制造中的表面光洁度公差。

图6 b。在3D光学分析器上测量的垂直铣削表面。

例如，Vision64^®Bruker 3D光学轮廓仪的软件可以配置为通过应用相同的过滤器和截止线来复制2D触针测量，如图7所示。由于过去十年光学轮廓的发展，3D光学轮廓仪现在能够准确地执行传统上由触针轮廓仪完成的2D参数测量，在测量速度和样本完整性方面有显著改进。

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

随着2D触控笔表面测量的长历史，提供如粗糙度（RA）的基本参数，这些统计参数通常最终被应用于测量和控制许多市场中表面处理的质量。现在，复杂的3D表面表征的发展可以精确测量那些2D参数，并且还提供额外的数据来提前表面所表征的方式。

这些新的3D参数可以突出大数据趋势，如铺设或波纹，以及额外的特征，如山脊和划痕的优势，这些是2D痕迹无法描述的。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”，通常分类为混合参数、空间参数、振幅参数和功能参数（图8）。三维参数不仅可以唯一识别形状和表面光洁度，还可以唯一识别该表面的功能。

图8。3D参数的典型应用。

与指甲表面结束的关联

3D光学剖面的推荐测量方法已被批准并被许多工业市场采用。对于大多数努力实现可追溯性和认证的行业来说，与已知的可追溯标准相关联的能力是必需的。

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会用他们的指甲或简单地通过视觉外观来比较加工过的表面和粗糙的补丁。当使用国际认可的测量方法对其中一个贴片进行独立的手写计校准时，观察到新的可追溯认证值与贴片的原始认证值之间存在显著差异，如图10所示。

没有明确的文档，可以显示如何获得原始认证值，但似乎不使用标准化测量实践来证明量具。

图10。原始认证与独立认证的示例。

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。

何时使用单视场与较大的缝合图像测量

在3D光学轮廓仪上用一张图像测量低于254纳米(10微米)的低粗糙度表面是可能的，因为通常不需要担心周期性的加工结构或铺层。此外，即使没有使用触控笔系统使用的滤波器，较低的Ra表面也倾向于与触控笔测量很好地相关。

必须考虑的一件事是，通过更高的物镜放大，横向分辨率像素尺寸变小，允许更多的表面微观结构被看到。如前所述，这种微观结构可能无法通过接触系统测量。因此，该系统可以降低与光学系统的相关性。

如图11所示，要测量具有较高Ra值、可能具有周期性加工结构的表面光洁度，测量区域需要足够大，以捕获这种周期性结构。如前所述，这将与触控笔分析器的采样长度相同，以满足标准化实践。

使用较低放大倍数的物镜可以很容易地捕捉到整个周期结构。在这里，折衷是物镜放大率越低，物镜NA越低，进而降低物镜捕捉光线的角度和测量坡度的角度（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。翻面10x缝合图像。

适当的过滤以相关与接触测量

即使在对指甲粗糙度贴片进行了独立认证之后，仅仅将3D光学轮廓仪的粗糙度直接与该认证进行比较可能还不够。然而，一旦捕获了合适的扫描长度数据，并在3D光学轮廓仪软件中应用了相应的手写笔过滤器，过滤后的3D数据就可以与认证的手写笔测量数据很好地关联起来。

这可以在图12A中看到，其描绘了在施加触控器滤波器之前和之后的RA数据，并且在滤波器施加并与独立认证相关之后。相关结果显示出略有偏差，其归因于不知道在进行独立认证的位置。

图12a。光学触控笔测量应用于原始光学测量。

图12B。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提供了校准文件，详细说明了如何使用触针系统对标准进行认证。当试图使用各种测量技术（包括基于干涉技术的三维光学剖面）再现这些标准并与之关联时，该认证数据非常有用。

对于研究中确定的所有标准，力量的轮廓精英^®3D光学分析器与10X物镜和垂直扫描干涉测量法（VSI）模式一起使用。根据PTB认证捕获数据，确保使用右测量扫描长度（缝合图像）和应用于测量的触控器滤波，确保它在正确的位置捕获。

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和测量位置。

图14。与认证的粗糙度标准相比，WLI的偏差结果。

如偏差图所示，如果三维光学轮廓仪测量遵循了适当的测量方法和标准认证流程，则可以轻松获得与国家认可粗糙度标准的相关性。

结论

三维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，用于表征表面光洁度、形状和整体功能。从航空航天组件到医疗植入物，3D光学轮廓仪在广泛的行业中都得到了很好的应用，并且在总体速度、精度、分辨率和可重复性方面都优于其他测量方法。

对被测量表面的预先了解以及用于测量这些表面的触针工具的设置有助于实现与触针测量系统的相关性。由于纹理相干性/散斑效应和测量位置，预计会出现一些较小的相关性差异。但是，如果需要，可以通过相关系数来解释或跟踪这些因素。

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

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，波纹和铺设），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:轮廓方法。术语、定义和表面纹理参数，1997

4. S. BUI和M. Novak，“德克坦触控笔轮廓尺寸的ISO标准化过滤”，Bruker应用笔记AN550,2014。

5. J. Petzing，J.偶联和R. Leach，“使用连贯扫描干涉测量的粗糙表面形貌的测量”，“国家物理实验室，2014年。

本信息来源于Bruker Nano Surfaces提供的材料，经过审查和改编。欧洲杯足球竞彩

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