Optinen 3D-pinnan ja -muotojen mittaus

Käytössämme on Bruker Alicona Infinity Focus G6 -laitteisto.

Optiset topologian mittalaitteet ovat merkittävästi muuttaneet ja tulevat muuttamaan pintaominaisuuksien mittaamisen ja tutkimuksen. Niiden ominaisuudet ovat kehittyneet viime vuosina ja niiden käyttö lisääntyy niiden laajan pintojen ominaisuuksien arvioinnin ja tulosten havainnollisuuden takia.

• Mittalaitteet ovat merkittävästi kalliimpia kuin perinteiset koskettavat pinnanlaadun mittalaitteet, mutta niiden käytettävyys erilaisiin käyttötarkoituksiin on huomattavasti laajempi.
• Optiset topologiamittalaitteet soveltuvat mm. mikroskooppisen pienten yksityiskohtien tarkastellun, kappaleiden pituusdimensioiden mittaamiseen, tribologisiin mittauksiin sekä tuotantoympäristössä tapahtuvaan laadun automaatioratkaisuihin.
• Yleensä kuitenkin optisten pinnan ominaisuuksien mittalaitteiden rajoittavana tekijänä on mitattavan kappaleen koko. Suurimpien peruslaitteiden näytekoot ovat luokkaa 300x300x300 mm ja 30 kg.

Materiaalit

Hyvin karkeiden pintojen, pehmeiden ja herkkien materiaalien mittaamiseen optiset mittalaitteet soveltuvat yleensä paremmin kuin koskettavat mittausmenetelmät. Koskettavat mittauskärjet juuttuvat herkästi kiinni karkeisiin pintoihin ja pehmeisiin materiaaleihin. Pehmeiden materiaalien pinta muuttaa herkästi muotoaan, eikä siten koskettavia mittauskärkiä voida käyttää. Koskettavat mittakärjet voivat naarmuttaa mitattavan kappaleen pintaa, jolloin optiset mittalaitteet soveltuvat herkille materiaaleille turvallisemman vaihtoehdon.

Kuvantamismenetelmät

Optisissa 3D -mittalaitteissa voidaan käyttää eri kuvantamismenetelmiä – mm. konfokal laser skannaus mikroskopia (CLSM) , valkoisen valon interferometria (WLI), fokusvariation mikroskopia. Kullakin menetelmällä on omat etunsa ja haasteensa, mutta kaikille yhtenäistä on valon, värin ja heijastavuuden vaikutus. Näiden vaikutuksen vähentämiseksi laitteilla on erilaisia valaistuksen säätömenetelmiä, joiden avulla mittaaminen on mahdollista myös peilipinnoista.

Optisen 3D-mittauksessa kuvataan aina alue, joka vaihtelee menetelmän ja valitusta objektiivista (esim. 5 – 100 X suurennos). Yleensä mittausalueen koko edellyttää useiden kuvien yhdistämistä, jolloin mitattava alue saadaan standardin edellytysten mukaiseksi ja/tai haluttu alue saadaan kuvattua. Mittaus tuottaa pistepilven, jonka resoluutiota voidaan muuttaa sekä horisontaalisesti että syvyys suunnassa. Mittausdatan määrä on yleisesti 5 – 20 Mb, jolloin mittauksen kesto on joitain minuutteja. Resoluutioiden kasvattaminen ja mittausalueen suurentaminen lisää datamäärän nopeasti monin kertaiseksi, jolloin mittaus-/kuvaamisaika muuttuu minuuteista kymmeniin minuutteihin tai jopa tunteihin. Mittausalueen ja tarkkuuden määritys perustuu aina standardiin, jonka avulla mittausprosessit ovat aina samat ja tulokset ovat vertailukelpoisia.

Mittauksesta syntyy 3D pistepilvi eli mittalaite tuottaa kullekin mitatulle pisteelle X, Y ja Z arvon, jotka muodostavat mittauksen perustiedot – pistepilvi kuvana ja numeerisina arvoina. Laite tallentaa myös muuta mittaukseen liittyvää dataa, jolla voidaan varmistaa tulosten jäljitettävyys ja luotettavuus.

• Pistepilveen pitää aina määritellä perustaso – taso, josta mittaukset tehdään. Yleensä perustaso saadaan helposti määritettyä ohjelmistolla, mutta toisinaan tasoa joudutaan säätämään manuaalisesti.
• Kun perustaso on määritelty, mittauksen perusdataa voidaan evaluoida useilla eri tavoilla. Voidaan tarkastella haluttujen linjojen profiileja (2D), alueen (3D) pintana tai mitata muotoja. 
• Pinnankarheuden mittauksissa saadaan kerralla mm. kaikki Rx -arvot ja Sx -arvot sekä näiden lisäksi muita määrityksiä. Niistä voidaan tehdä nopeasti erilaisia etäisyys- tai kulmamäärityksiä sekä tarkastella yksityiskohtia. Pistepilvikuvia voidaan pyörittää ja niissä voidaan käyttö pseudovärejä havainnollistamaan mitattavan pinnan muotoja.
• Perusdata säilyy tietokannassa ja siihen voidaan palata myöhemmin esim. mittausolosuhteiden jäljittämiseksi. Optisten mittalaitteiden ohjelmistoissa on käytettävissä laajalti erilaisia suodatusmenetelmiä, joilla tulosten luotettavuutta parannetaan.