表面粗糙度测量ー术语和标准

显微镜解决方案

各种测量仪器均可测量表面粗糙度

表面粗糙度测量仪分为接触式和非接触式两种。
两种方法各有利弊，重要的是要根据您的应用需求选择合适的仪器。

概述

方法	测量仪器	优点	缺点
接触式测量	触针式粗糙度测量仪	使用触针对样品表面进行物理探测，进行可靠的测量这种方法已经使用了很长时间	仅限于测量单个截面，测量信息量较少无法测量粘合表面和软质样品难以精确定位探针无法测量比探针尖端直径更小的细节
非接触式测量	相干扫描干涉仪	快速测量可在低倍率下对光滑表面进行亚纳米级测量	测量粗糙表面时会遇到困难测量亮度差异明显的样品时会遇到困难对比度低，难以确定测量区域的位置 XY分辨率较低
	激光显微镜	大角度探测的灵敏度很高，可分析陡峭斜面 XY分辨率很高，可提供清晰、高对比度的图像	无法进行亚纳米级测量低倍率下的高度辨别能力较差
	数码显微镜	可进行多种观察和简单测量	不适合测量部件粗糙度（适合测量波纹度）无法测量亚纳米级的不规则性 XY分辨率较低
	扫描探针显微镜（SPM）	可进行亚纳米级的表面测量可测量宽高比相对较高的样品	难以精确定位探针测量速度较慢不适合测量微米级的不规则性

触针的另一个缺点是其探针需要与样品表面直接接触。对于柔软或易碎的样品，触针实际上会造成样品损坏。

问题2

^{触针可能会损坏样品表面}

由于OLS5000显微镜使用的激光无需接触样品即可获取信息，因此您可以在不损坏样品的情况下获得准确的粗糙度测量结果。

解决方案2

^{胶带256 × 256 μm}

而OLS5000显微镜使用激光进行测量，并配有高数值孔径的专用物镜。无论样品表面如何，即使非常陡峭，也可以使用这些功能进行准确的测量。高质量物镜还可使您在采集测量数据的同时查看样品，并在进行测量时获取图像数据。

问题5

OLS5000激光显微镜可以更快地完成亚纳米级测量。您还可以使用其宽视场观察亚微米级的不规则性。其拼接功能进一步扩大了分析区域。

问题5

	轮廓法	区域法
表面结构参数	ISO 4287:1997	ISO 25178-2:2012
	ISO 13565:1996
	ISO 12085:1996
测量条件	ISO 4288:1996	ISO 25178-3:2012
测量条件	ISO 3274:1996	ISO 25178-3:2012
滤波器	ISO 11562:1996	ISO 16610系列
测量仪器的分类	－	ISO25178-6:2010
测量仪器的校准	ISO 12179:2000	准备中
校准用标准试样	ISO 5436-1:2000	ISO25178-70:2013
图表法	ISO 1302:2002	ISO25178-1:2016

原始轮廓曲线

该曲线通过对测量到的原始轮廓应用截止值为λs的低通滤波器的方式而获得。根据原始轮廓计算出的表面结构参数被称为原始轮廓参数（P参数）。

粗糙度轮廓

该轮廓曲线通过对原始轮廓应用截止值为λc的高通滤波器以抑制长波成分而获得。根据粗糙度轮廓计算出的表面结构参数被称为粗糙度轮廓参数（R参数）。

波纹度轮廓

该轮廓曲线通过对原始轮廓依次应用截止值为λf和λc的两个轮廓滤波器而获得。λf滤波器抑制长波成分，λc滤波器抑制短波成分。根据波纹度轮廓计算出的表面结构参数被称为波纹度轮廓参数（W参数）。

轮廓滤波器

用于分离轮廓中长波和短波成分的滤波器。定义了三种类型的滤波器：

λs滤波器：用于确定粗糙度成分和更短波成分之间阈值的滤波器
λc滤波器：用于确定粗糙度成分和波纹度成分之间阈值的滤波器
λf滤波器：用于确定波纹度成分和更长波成分之间阈值的滤波器

截止波长

轮廓滤波器的阈值波长。该波长表示给定波幅下50%的传输系数。

采样长度

用于确定轮廓特征的X轴方向上的长度。

评估长度

用于对所评估轮廓进行分析的X轴方向的长度。

轮廓法概念图

^{轮廓法概念图}

尺度限定表面

表面数据是计算区域表面结构参数（S-F表面或S-L表面）的基础。有时简称为“表面”。

区域滤波器

这是用于分离尺度限定表面中长波和短波成分的滤波器。根据功能定义了三种类型的滤波器：

S滤波器：用于从尺度限定表面去除小波长成分的滤波器
L滤波器：用于从尺度限定表面去除大波长成分的滤波器
F运算：用于去除特定形状（球体、圆柱体等）的关联或滤波器

注：高斯滤波器通常作为S和L滤波器使用，且F运算采用总体最小二乘关联。

高斯滤波器

这是一种区域滤波器，通常用于区域测量。通过基于从高斯函数导出的加权函数的卷积进行滤波。嵌套指数值是传输50%波幅的正弦曲线的波长。

样条滤波器

这是一种与高斯滤波器相比，在外围边缘失真更小的区域滤波器。

嵌套指数

该指数代表区域滤波器的阈值波长。区域高斯滤波器的嵌套指数用长度单位表示，相当于轮廓法中的截止值。

S-F表面

使用S滤波器去除小波长成分，然后再通过F运算去除某些形状分量而获得的表面。

S-L表面

使用S滤波器去除小波长成分，然后再通过L滤波器去除大波长成分而获得的表面。

评估区域

所指定的表面上用于特征评估的矩形区域。评估区域应为正方形（除非另有规定）。

区域法概念图

^{区域法概念图}

1. 根据要测量的项目（粗糙度、波纹度或不均匀性），从下表中选择合适的物镜。确保工作距离（WD）大于样品和镜头之间的间距。

2. 如果有多个备选物镜，请做出最终选择。测量视场的大小应该是感兴趣的最粗糙结构尺度的五倍。

如果有多个物镜可供选择，需选择数值孔径（NA）最大的物镜。
如果没有合适的物镜可选，则要么重新选择（这次请包括标记为“根据用途可接受”的物镜），要么考虑使用拼接功能扩大测量区域。

物镜

参数

测量项目

数值孔径（N.A.）

工作距离（W.D.）（单位：mm）

焦斑直径*（单位：μm）

测量视场**（单位：μm）

粗糙度

波纹度

不均匀性（Z）

MPLFLN2.5X

0,08

10,7

6,2

5120 x 5120

MPLFLN5X

0,15

3,3

2560 x 2560

MPLFLN10XLEXT

0,3

10,4

1,6

1280 x 1280

○

△

MPLAPON20XLEXT

0,6

0,82

640 x 640

△

○

MPLAPON50XLEXT

0,95

0,35

0,52

256 x 256

◎

○

◎

MPLAPON100XLEXT

0,95

0,35

0,52

128 x 128

◎

○

◎

LMPLFLN20XLEXT

0,45

6,5

1,1

640 x 640

△

○

LMPLFLN50XLEXT

0,6

0,82

256 x 256

△

○

LMPLFLN100XLEXT

0,8

3,4

0,62

128 x 128

○

◎

SLMPLN20X

0,25

640 x 640

○

△

SLMPLN50X

0,35

1,4

256 x 256

○

△

SLMPLN100X

0,6

7,6

0,82

128 x 128

△

○

LCPLFLN20XLCD

0,45

7,4-8,3

1,1

640 x 640

△

○

LCPLFLN50XLCD

0,7

3,0-2,2

0,71

256 x 256

○

LCPLFLN100XLCD

0,85

1,0-0,9

0,58

128 x 128

○

◎

--- ---

* 理论值。
** 使用OLS5000时的标准值。

◎ : 最合适
○ : 合适
△ : 根据用途可接受
X：不合适

表面特征分析中使用的各种滤波器功能、滤波器组合以及滤波器尺寸如下所述：

滤波条件根据分析物镜确定。

滤波器功能

在进行表面特征参数分析时，应根据测量物镜，对所获取的表面结构数据考虑使用三种类型的滤波器（F运算、S滤波器和L滤波器）。

F运算	S滤波器（去除短波长的滤波器）	L滤波器（去除长波长的滤波器）
样品的标称形状分量（球体、圆柱体、曲线等）被去除	去除测量噪声和小特征成分	去除波纹度成分

滤波器应用方法

滤波器组合

三种滤波器（F运算、S滤波器和L滤波器）有八种组合。请参考下表所列的测量物镜，选择要使用的滤波器组合。

预期目的

分析采集到的原始数据

去除波纹度成分

去除球体、曲线和其他形状成分

去除球体、曲线和其他形状成分，并去除波纹度成分

去除小的粗糙度成分和噪声

去除小的粗糙度成分、噪声和波纹度成分

去除球体、曲线和其他形状成分，并去除小的粗糙度成分和噪声

去除小的粗糙度成分和噪声；去除球体、曲线及其他特征成分；去除波纹度成分

F运算

－

〇

－

〇

S滤波器

－

〇

L滤波器

－

〇

－

〇

－

〇

－

〇

－ : 不适用
○ : 适用

滤波器大小（嵌套指数）

滤波强度（分离能力）被称为嵌套指数（L滤波器也称为截止值）。

嵌套指数值越大，S滤波器去除的细节特征成分就越多
嵌套指数值越小，L滤波器去除的波纹度特征成分就越多

尽管建议在定义嵌套指数时使用数字值（0.5、0.8、1、2、2.5、5、8、10、20），但却存在以下限制：

S滤波器的嵌套指数值需要超过光学分辨率（≒焦斑直径），且至少是数据采样间隔值的三倍
要将L滤波器的嵌套指数值设置为小于测量区域的值（矩形区域窄边的长度）

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