Über die Oberflächenrauheit—Begriffe und Standards

Mikroskop-Lösungen

Die Oberflächenrauheit lässt sich mit verschiedenen Messgeräten messen.

Geräte zum Messen der Oberflächenrauheit lassen sich in taktile Messgeräte und optische Messgeräte einteilen.
Beide Verfahren haben Vor- und Nachteile. Bei der Wahl des am besten geeigneten Geräts ist deshalb unbedingt die jeweilige Anwendung zu berücksichtigen.

Überblick

Verfahren Messgerät Vorteile Einschränkungen
Taktile Messung Rauheitsmessgerät mit Taststift
  • Zuverlässige Messungen, da die Probenoberfläche physisch mit einem Taststift abgetastet wird.
  • Wird seit langer Zeit verwendet.
  • Beschränkt auf die Messung eines einzelnen Abschnitts mit einer geringen Menge an Messinformationen.
  • Kann keine klebrigen Oberflächen und weichen Proben messen.
  • Schwierig, die Sonde genau zu positionieren.
  • Es können keine Details gemessen werden, die kleiner als der Durchmesser der Tasterspitze sind.
Optische Messung Kohärenzabtastinterferometer
  • Schnelle Messungen.
  • Ermöglicht Messungen von glatten Oberflächen bei geringer Vergrößerung im Subnanometerbereich.
  • Probleme bei Messung rauer Oberflächen.
  • Probleme bei Messungen von Proben mit signifikanten Helligkeitsunterschieden.
  • Niedriger Kontrast erschwert die Lokalisierung der zu messenden Bereiche.
  • Niedrige XY-Auflösung.
Lasermikroskop
  • Hohe Winkelerfassungsempfindlichkeit, die die Analyse steiler Flanken ermöglicht.
  • Scharfe, kontrastreiche Bilder durch hohe XY-Auflösung.
  • Keine Möglichkeit zur Messung im Subnanometerbereich.
  • Schlechte Unterscheidung von Höhen bei geringer Vergrößerung.
Digitales Mikroskop
  • Für viele Arten von Beobachtungen und einfache Messungen.
  • Nicht geeignet zur Messung der Bauteilrauheit (geeignet zur Messung von Welligkeiten).
  • Kann keine Unregelmäßigkeiten im Subnanometerbereich messen.
  • Niedrige XY-Auflösung.
Rastersondenmikroskop (SPM)
  • Zur Messung von Oberflächen im Subnanometerbereich.
  • Zur Messung von Proben mit relativ hohem Seitenverhältnis.
  • Die Sonde lässt sich nur schwierig genau positionieren.
  • Langsam.
  • Nicht geeignet zur Messung von Unregelmäßigkeiten im Mikrometerbereich.

Ein weiterer Nachteil eines Taststifts ist, dass er einen direkten Kontakt zwischen dem Messtaster und der Probenoberfläche erfordert. Bei weichen oder empfindlichen Proben kann der Taststift Schäden verursachen.

Issues2

Taststifte können die Probenoberfläche beschädigen.

Da der vom Mikroskop OLS5000 verwendete Laser Informationen erfasst, ohne die Probe zu berühren, lassen sich genaue Rauheitsmessungen durchführen, ohne die Probe zu beschädigen.

Lösung 2

Klebeband 256 × 256 μm

Das Mikroskop OLS5000 hingegen verwendet zur Durchführung von Messungen einen Laser und verfügt über spezielle Objektive mit hoher numerischer Apertur. Dank dieser Eigenschaften werden unabhängig von der Oberfläche der Probe genaue Messungen erhalten, selbst wenn diese sehr rau ist. Zudem können Proben während der Messungen durch die hochwertigen Objektive betrachtet und Bilddaten während der Messungen erhalten werden.

Issues5

Die Lasermikroskope OLS5000 führen Messungen auf Subnanometerebene viel schneller durch. Sie ermöglichen auch die Beobachtung von Unregelmäßigkeiten im Submikrometerbereich mit einem großen Sichtfeld. Mit der Stitching-Funktion lässt sich der Analysebereich noch erweitern.

Issues5

Art des Profilverfahrens Art des flächenhaften Verfahrens
Oberflächentexturparameter ISO 4287:1997 ISO 25178-2:2012
ISO 13565:1996
ISO 12085:1996
Messbedingungen ISO 4288:1996 ISO 25178-3:2012
ISO 3274:1996
Filter ISO 11562:1996 Serie nach ISO 16610
Kategorisierung von Messgeräten ISO 25178-6:2010
Kalibrierung von Messgeräten ISO 12179:2000 In Vorbereitung
Standard-Prüfkörper für die Kalibrierung ISO 5436-1:2000 ISO 25178-70:2013
Grafisches Verfahren ISO 1302:2002 ISO 25178-1:2016

Primäre Profilkurve

Die Kurve, die durch Anwendung eines Tiefpassfilters mit einem Cutoff-Wert λs für das gemessene Primärprofil ermittelt wird. Der aus dem Primärprofil berechnete Oberflächentexturparameter wird als Primärprofilparameter (P-Parameter) bezeichnet.

Rauheitsprofil

Das aus dem Primärprofil durch Unterdrückung der langwelligen Komponente unter Verwendung des Hochpassfilters mit einer Eckfrequenz λc abgeleitete Profil. Der aus dem Rauheitsprofil berechnete Oberflächentexturparameter wird als Rauheitsprofilparameter (R-Parameter) bezeichnet.

Welligkeitsprofil

Das Profil, das durch sequenzielle Anwendung von Profilfiltern mit den Cutoff-Werten λf und λc für das Primärprofil ermittelt wird. λf entfernt die langwellige Komponente, Filter λc die kurzwellige Komponente. Der aus dem Welligkeitsprofil berechnete Oberflächentexturparameter wird als Welligkeitsprofilparameter (W-Parameter) bezeichnet.

Profilfilter

Das Filter zur Isolierung der im Profil enthaltenen langwelligen und kurzwelligen Komponenten. Es sind drei Arten von Filtern definiert:

  • λs-Filter: Filter zur Bestimmung der Schwelle zwischen der Rauheitskomponente und kurzwelligeren Komponenten
  • λc-Filter: Filter zur Bestimmung der Schwelle zwischen der Rauheitskomponente und den Welligkeitskomponenten.
  • Filter: Filter zur Bestimmung der Schwelle zwischen der Welligkeitskomponente und längerwelligen Komponenten

Grenzwellenlänge

Schwellenwert-Wellenlänge für Profilfilter Wellenlänge, bei der der Transmissionsfaktor für eine gegebene Amplitude 50 % beträgt.

Einzelmessstrecke

Die Länge in Richtung der X-Achse, mit der die Profileigenschaften bestimmt werden.

Beurteilungsmessstrecke

Länge in Richtung der X-Achse, mit der das zu bewertende Profil beurteilt wird.

Übersichtszeichnung zum Profilverfahren

Übersichtszeichnung zum Profilverfahren

S-L-Oberfläche

Die Oberflächendaten dienen als Grundlage für die Berechnung von flächenhaften Oberflächentexturparametern (S-F-Oberfläche oder S-L-Oberfläche). Dies wird manchmal auch einfach als „Oberfläche“ bezeichnet.

Flächenfilter

Das Filter zur Trennung der lang- und kurzwelligen Komponenten, die in den S-L-Oberflächen enthalten sind. Es werden je nach Funktion drei Arten von Filtern definiert:

  • S-Filter: Das Filter eliminiert kurzwellige Komponenten aus S-L-Oberflächen.
  • L-Filter: Das Filter eliminiert langwellige Komponenten aus S-L-Oberflächen.
  • F-Operation: Zuordnung oder Filter zur Eliminierung bestimmter Formen (Kugeln, Zylinder usw.).

Hinweis: Gaußsche Filter werden im Allgemeinen als S- und L-Filter angewendet, für die F-Operation wird die Gesamtzuordnung der kleinsten Quadrate angewendet.

Gaußscher Filter

Eine Art Flächenfilter, das normalerweise bei der Flächenmessung verwendet wird. Die Filterung erfolgt durch Faltung mit Gewichtungsfunktionen, die aus einer Gaußschen Funktion abgeleitet sind. Der Wert des Verfeinerungsindexes ist die Wellenlänge eines sinusförmigen Profils, bei dem 50 % der Amplitude übertragen werden.

Spline-Filter

Eine Art Flächenfilter mit geringerer Verzerrung am äußeren Rand als Gaußscher Filter.

Verfeinerungsindex

Der Index für die Schwellenwellenlänge eines Flächenfilters. Der Verfeinerungsindex für die Anwendung von flächenhaften Gaußschen Filtern wird in Längeneinheiten angegeben und entspricht dem Cutoff-Wert des Profilverfahrens.

S-F-Oberfläche

Die Oberfläche, die durch Eliminierung kurzwelliger Komponenten mit dem S-Filter und anschließender Bearbeitung durch Entfernen von bestimmten Formkomponenten mit der F-Operation entsteht.

S-L-Oberfläche

Die Oberfläche, die durch Eliminierung kurzwelliger Komponenten mit dem S-Filter und anschließender Eliminierung von langwelligen Komponenten mit L-Filterung entsteht.

Beurteilungsbereich

Ein rechteckiger Teil der Oberfläche, dessen Merkmale beurteilt werden sollen. Der Beurteilungsbereich ist ein Quadrat (falls nicht anders angegeben).

Konzeptdarstellung für das flächenhafte Verfahren

Konzeptdarstellung für das flächenhafte Verfahren

1. Wählen Sie aus der Liste unten geeignete Objektive für das zu messende Objekt aus (Rauheit, Welligkeit oder Unebenheit). Stellen Sie sicher, dass der Arbeitsabstand (AA) größer ist als der Abstand zwischen Probe und Objektiv.

2. Wenn mehrere Objektive in Frage kommen, treffen Sie eine Auswahl. Die Größe des Messfeldes sollte das Fünffache des Maßstabs der gröbsten Struktur von Interesse betragen.

Objektive Technische Angaben Zu messendes Objekt
Numerische Apertur (NA) Arbeitsabstand (AA) (Einheit: mm) Durchmesser des Brennpunkts* (Einheit: μm) Messfeld** (Einheit: μm) Rauheit Welligkeit Unebenheit (Z)
MPLFLN2.5X 0,08 10,7 6,2 5120 × 5120 X X X
MPLFLN5X 0,15 20 3,3 2560 × 2560 X X X
MPLFLN10XLEXT 0,3 10,4 1,6 1280 × 1280 X
MPLAPON20XLEXT 0,6 1 0,82 640 × 640
MPLAPON50XLEXT 0,95 0,35 0,52 256 × 256
MPLAPON100XLEXT 0,95 0,35 0,52 128 × 128
LMPLFLN20XLEXT 0,45 6,5 1,1 640 × 640
LMPLFLN50XLEXT 0,6 5 0,82 256 × 256
LMPLFLN100XLEXT 0,8 3,4 0,62 128 × 128
SLMPLN20X 0,25 25 2 640 × 640 X
SLMPLN50X 0,35 18 1,4 256 × 256 X
SLMPLN100X 0,6 7,6 0,82 128 × 128
LCPLFLN20XLCD 0,45 7,4–8,3 1,1 640 × 640
LCPLFLN50XLCD 0,7 3,0–2,2 0,71 256 × 256
LCPLFLN100XLCD 0,85 1,0–0,9 0,58 128 × 128

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* Theoretischer Wert.
** Standardwert bei Verwendung des OLS5000.
◎ : Am besten geeignet
○ : Geeignet
△ : Je nach Anwendung akzeptabel
X : Nicht geeignet

Eine Beschreibung der Funktionalität der jeweiligen Filter, der Filterkombinationen und Filtergrößen zur Analyse von Oberflächenmerkmalen finden Sie hier:

Die Filterbedingungen werden entsprechend den Messobjektiven der Analyse festgelegt.

Filterfunktionen

Bei der parametrischen Analyse von Oberflächenmerkmalen sollten drei Arten von Filtern (F-Operation, S-Filter und L-Filter) für die erfassten Oberflächentexturdaten in Übereinstimmung mit den Messobjektiven in Betracht gezogen werden.

F-Operation S-Filter
(Hochpassfilter)
L-Filter
(Tiefpassfilter)
Nennformkomponenten von Proben (Kugeln, Zylinder, Kurven usw.) werden eliminiert. Messrauschen und kleine Merkmale werden eliminiert. Welligkeitskomponenten werden eliminiert.

Methode zur Filteranwendung

Filterkombinationen

Für die drei Filter (F-Operation, S-Filter und L-Filter) stehen acht Kombinationen zur Verfügung. Wählen Sie die anzuwendende Filterkombination aus der Liste der Messobjektive in der folgenden Tabelle aus.

Bestimmungs-
gemäßer Zweck
Analyse
erfasster
Rohdaten
Eliminierung
von Welligkeits-komponenten
Eliminierung
von Kugeln,
Kurven und
anderen Form-komponenten
Eliminierung
von Kugeln,
Kurven und
anderen Form-komponenten
zusätzlich
zur Welligkeits-
komponente
Eliminierung
von kleinen
Rauheits-
komponenten
und Rauschen
Eliminierung
von kleinen
Rauheits-
komponenten, Welligkeits-
komponenten
und Rauschen
Eliminierung
von Kugeln,
Kurven und
anderen Form-komponenten zusammen mit
kleinen Rauheits-
komponenten und Rauschen
Eliminierung
von kleinen
Rauheits-
komponenten
und Rauschen
sowie von Kugeln, Kurven und anderer Merkmalen
zusätzlich zur Welligkeits-
komponente
F-Operation
S-Filter
L-Filter

- : Nicht zutreffend
○ : Anwendbar

Filtergröße (Verfeinerungsindizes)

Die Filterstärke (Trennfähigkeit) wird als Verfeinerungsindex bezeichnet (L-Filter werden auch als Cutoff-Filter bezeichnet).

Zur Definition von Verfeinerungsindexwerten wird die Verwendung numerischer Werte (0,5, 0,8, 1, 2, 2,5, 5, 8, 10, 20) empfohlen, allerdings gelten die folgenden Einschränkungen:

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