Profilometer - Profilometer
Ein Profilometer ist ein Messgerät zur Messung des Profils einer Oberfläche , um deren Rauheit zu quantifizieren . Kritische Dimensionen wie Stufe, Krümmung, Ebenheit werden aus der Oberflächentopographie berechnet.
Während der historische Begriff eines Profilometers ein Gerät ähnlich einem Phonographen war , das eine Oberfläche misst, wenn die Oberfläche relativ zum Stift des Kontaktprofilometers bewegt wird, ändert sich dieser Begriff mit dem Aufkommen zahlreicher berührungsloser Profilometrietechniken.
Nicht-scannende Technologien sind in der Lage, die Oberflächentopographie innerhalb einer einzigen Kameraaufnahme zu messen, XYZ-Scannen ist nicht mehr erforderlich. Dadurch werden dynamische Topographieänderungen in Echtzeit gemessen. Moderne Profilometer messen nicht nur die statische Topographie, sondern mittlerweile auch die dynamische Topographie – solche Systeme werden als zeitaufgelöste Profilometer bezeichnet.
Typen
Optische Verfahren umfassen auf Interferometrie basierende Verfahren wie digitale holographische Mikroskopie , vertikale Abtastinterferometrie / Weißlichtinterferometrie , Phasenverschiebungsinterferometrie und Differentialinterferenzkontrastmikroskopie (Nomarski-Mikroskopie); Fokusdetektionsverfahren wie Intensitätsdetektion, Fokusvariation , Differentialdetektion, kritische Winkelmethode, astigmatische Methode, Foucault-Methode und konfokale Mikroskopie ; Musterprojektionsverfahren wie Streifenprojektion , Fourier-Profilometrie , Moiré und Musterreflexionsverfahren .
Kontakt- und Pseudokontaktmethoden umfassen Taststift-Profilometer (mechanisches Profilometer) , Rasterkraftmikroskopie und Rastertunnelmikroskopie
Kontaktprofilometer
Ein Diamantstichel wird vertikal in Kontakt mit einer Probe bewegt und dann seitlich über die Probe für eine spezifizierte Distanz und eine spezifizierte Kontaktkraft bewegt. Ein Profilometer kann kleine Oberflächenvariationen der vertikalen Taststiftverschiebung als Funktion der Position messen. Ein typisches Profilometer kann kleine vertikale Merkmale mit einer Höhe von 10 Nanometern bis 1 Millimeter messen. Die Höhenposition des Diamantstiftes erzeugt ein analoges Signal, das in ein digitales Signal umgewandelt, gespeichert, analysiert und angezeigt wird. Der Radius des Diamantstifts reicht von 20 Nanometern bis 50 µm, und die horizontale Auflösung wird durch die Abtastgeschwindigkeit und die Abtastrate des Datensignals gesteuert. Die Taststift-Nachführkraft kann von weniger als 1 bis 50 Milligramm reichen.
Zu den Vorteilen von Kontaktprofilometern gehören Akzeptanz, Oberflächenunabhängigkeit, Auflösung, es handelt sich um eine direkte Technik ohne erforderliche Modellierung. Die meisten der weltweiten Oberflächengütenormen werden für Kontaktprofilometer geschrieben. Um der vorgeschriebenen Methodik zu folgen, ist diese Art von Profilometer häufig erforderlich. Der Kontakt mit der Oberfläche ist in schmutzigen Umgebungen oft von Vorteil, in denen berührungslose Methoden dazu führen können, dass Oberflächenverunreinigungen anstelle der Oberfläche selbst gemessen werden. Da der Stift die Oberfläche berührt, ist diese Methode nicht empfindlich gegenüber Oberflächenreflexion oder Farbe. Der Nadelspitzenradius kann bis zu 20 Nanometer betragen und ist damit deutlich besser als bei der optischen Weißlicht-Profilierung. Die vertikale Auflösung beträgt typischerweise auch Sub-Nanometer.
Berührungslose Profilometer
Ein optisches Profilometer ist eine berührungslose Methode, um viele der gleichen Informationen wie ein Profilometer auf Stiftbasis bereitzustellen. Es gibt viele verschiedene Techniken, die derzeit eingesetzt werden, wie Lasertriangulation ( Triangulationssensor ), konfokale Mikroskopie (zur Profilierung sehr kleiner Objekte), Kohärenz-Scanning-Interferometrie und digitale Holographie .
Vorteile optischer Profilometer sind Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Messfleckgröße. Für kleine Schritte und Anforderungen beim 3D-Scannen, da das berührungslose Profilometer die Oberfläche nicht berührt, werden die Scangeschwindigkeiten durch das von der Oberfläche reflektierte Licht und die Geschwindigkeit der Erfassungselektronik bestimmt. Bei großen Schritten kann ein 3D-Scan auf einem optischen Profiler viel langsamer sein als ein 2D-Scan auf einem Stylus-Profiler. Optische Profilometer berühren die Oberfläche nicht und können daher nicht durch Oberflächenverschleiß oder nachlässige Bedienung beschädigt werden. Viele berührungslose Profilometer sind Festkörper, was dazu neigt, den erforderlichen Wartungsaufwand erheblich zu reduzieren. Die Spotgröße oder laterale Auflösung optischer Verfahren reicht von wenigen Mikrometern bis hinab zu Submikrometern.
Zeitaufgelöste Profilometer
Non-Scanning-Technologien wie die digitale holographische Mikroskopie ermöglichen 3D-Topographiemessungen in Echtzeit. Die 3D-Topographie wird aus einer einzigen Kameraaufnahme gemessen, daher ist die Aufnahmerate nur durch die Kameraaufnahmerate begrenzt, einige Systeme messen die Topographie mit einer Bildrate von 1000 fps. Zeitaufgelöste Systeme ermöglichen die Messung von Topographieänderungen wie das Heilen intelligenter Materialien oder die Messung von bewegten Proben. Zeitaufgelöste Profilometer können mit einer Stroboskopeinheit kombiniert werden, um MEMS- Schwingungen im MHz-Bereich zu messen . Die Stroboskopeinheit liefert ein Anregungssignal an das MEMS und ein Triggersignal an Lichtquelle und Kamera.
Zeitaufgelöste Profilometer haben den Vorteil, dass sie robust gegenüber Vibrationen sind. Im Gegensatz zu Scanverfahren liegt die zeitaufgelöste Profilometer-Erfassungszeit im Millisekundenbereich. Es ist keine vertikale Kalibrierung erforderlich: Die vertikale Messung hängt nicht von einem Abtastmechanismus ab, die vertikale Messung mit digitaler holographischer Mikroskopie hat eine intrinsische vertikale Kalibrierung basierend auf der Wellenlänge der Laserquelle. Die Proben sind nicht statisch und die Probentopographie reagiert auf einen externen Reiz. Bei der On-Flight-Messung wird die Topographie einer bewegten Probe mit kurzer Belichtungszeit erfasst. MEMS-Schwingungsmessungen können durchgeführt werden, wenn das System mit einer Stroboskopeinheit kombiniert wird.
Faserbasierte optische Profilometer
Optische Profilometer auf Glasfaserbasis scannen Oberflächen mit optischen Sonden, die Lichtinterferenzsignale über eine optische Faser an den Profilometerdetektor zurücksenden. Faserbasierte Sonden können physisch Hunderte von Metern vom Detektorgehäuse entfernt platziert werden, ohne dass das Signal beeinträchtigt wird. Die zusätzlichen Vorteile der Verwendung faserbasierter optischer Profilometer sind Flexibilität, lange Profilerfassung, Robustheit und einfache Integration in industrielle Prozesse. Mit dem geringen Durchmesser bestimmter Sonden können Oberflächen auch in schwer zugänglichen Räumen wie engen Spalten oder Rohren mit kleinem Durchmesser gescannt werden. Da diese Sonden im Allgemeinen einen Punkt nach dem anderen und bei hohen Probengeschwindigkeiten erfassen, ist die Erfassung langer (kontinuierlicher) Oberflächenprofile möglich. Das Scannen kann in feindlichen Umgebungen erfolgen, einschließlich sehr heißer oder kryogener Temperaturen, oder in radioaktiven Kammern, während sich der Detektor in einer für Menschen sicheren Umgebung in einiger Entfernung befindet. Faserbasierte Sonden können einfach im Prozess installiert werden, beispielsweise über sich bewegenden Bahnen oder an einer Vielzahl von Positionierungssystemen montiert werden.