Surface roughness assessment by light scattering

• Autorzy: Łukianowicz C.

Warianty tytułu

PL

Ocena nierówności powierzchni metodami rozpraszania światła

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the fundamental types of light scattering methods used to assess surface roughness. A brief review and classification of these methods are included. Their theoretical framework, properties and the most important metrological parameters were analysed. Methods of surface roughness assessment measure the intensity of the specular reflected light, the light scattered in one or several directions and the total integrated scattering. To some wider extent the methods based on an angular distribution of scattered light and those which make use of the optical Fourier transform are described.

PL

W artykule rozpatrzono podstawowe rodzaje metod rozpraszania światła stosowanych do oceny nierówności powierzchni. Metody te są przeznaczone przede wszystkim do oceny nierówności powierzchni elementów optycznych, krzemowych podłoży układów elektronicznych, precyzyjnie obrobionych części maszyn, itp. Mogą być one również wykorzystane do zautomatyzowanej kontroli, monitorowania i nadzorowania stanu powierzchni przdmiotów podczas procesu technologicznego. Na początku artykułu dokonano krótkiego przglądu, klasyfikacji i wstępnej charakterystyki metod rozpraszania światła. Następnie przeanalizowano ich podstawy teoretyczne, właściwości i najważniejsze parametry metrologiczne. Spośród metod rozpraszania światła najprostsze są te metody, ktre wykorzystują pomiar natężenia światła odbitego zwierciadlanie. Pozwalają one wyznaczać odchylenie standardowe wysokości nierówności powierzchni. Podstawą oceny nierówności jest w tym przypadku pomiar stosunku reflektancji zwierciadlanej do reflektancji całkowitej. W artykule przeanalizowano zakres pomiarowy tych metod oraz zależność błędu względnego mierzonego stosunkiem reflektancji od wysokości nierówności i długości fali światła. Odchylenie standardowe wysokości nierówności oceniane jest w podobny sposób w metodach integracyjnych. W przypadku tych metod, podstawę oceny nierówności powierzchni stanowi pomiar reflektancji dyfuzyjnej i reflektancji całkowitej. Nieco szerzej przedstawione są w artykule metody różniczkowe, w tym metody wykorzystujące optyczne przekształcenie Fouriera. Sa to metody oparte na pomiarze kątowego rozkładu natężenia światła rozproszonego. Pozwalają one oceniać gęstość widmową mocy nierówności powierzchni, a także określać anizotropię i kierunkowość struktury geometrycznej badanej powierzchni. Pokazano przykładowe wyniki uzyskane za pomocą niektórych metod różniczkowych. W części końcowej artykułu zamieszczono tabelę zawierającą zestawienie podstawowych właściwości charakteryzujących metody rozpraszania światła.

Słowa kluczowe

EN

light scattering; surface roughness assessment

PL

rozpraszanie światła; ocena chropowatości powierzchni

• Wydawca: Komitet Metrologii i Aparatury Naukowej PAN
• Czasopismo: Metrology and Measurement Systems
• Rocznik: 2002
• Tom: Vol. 9, nr 3
• Strony: 247--260
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Łukianowicz C.

• Technical University of Koszalin, Mechanical Department

Bibliografia

• 1. Whitehouse D. J.: Handbook of Surface Metrology. Institute of Physics Publishing. Bristol and Philadelphia 1994.
• 2. Whitehouse D. J., Bowen D. K., Venkatcsh V. C., Lonardo P., Brown C. A.: Gloss and Surface Topography. Annals of the CIRP, vol. 43, no. 2, 1994, pp. 541-549.
• 3. Chabros W., Staroński L. R.: Scatterometer and scatteroscope for testing optical surfaces. Proceedings SPIE, vol. 1991, 1993, pp. 163-172.
• 4. Bennett J. M., Mattsson L.: Introduction to Surface Roughness and Scattering. Optical Society of America, Washington, D. C. 1989.
• 5. Stover J. C.: Optical Scattering: Measurement and Analysis. McGraw-Hill. Inc., New York 1990.
• 6. Dobosz M.: Optyczne metody pomiaru chropowatości - metody rozpraszania światła. Mechanik, nr 10, 1984, s. 529-532.
• 7. Church E. L.: The measurement of surface texture and topography by differential light scattering. Wear, vol. 57, no. 1, 1979, pp. 93-105.
• 8. Goodman J. W.: Introduction to Fourier Optics. McGraw-Hill Book Co., New York - London 1968.
• 9. Thwaite E. G.: Power Spectra of Rough Surfaces Obtained by Optical Fourier Transformation. Annals of the CIRP, vol. 29, no. 1, 1980, pp. 419-422.
• 10. Nowicki B.: Struktura geometryczna. Chropowatość i falistość powierzchni. WNT, Warszawa 1991.
• 11. Łukianowicz C.: Podstawy pomiarów nierówności powierzchni metodami rozpraszania światła. Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, Koszalin 2001.
• 12. Davies H.: The reflection of electromagnetic waves from a rough surface. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, vol. 101, Part IV, 1954, pp. 209-214.
• 13. Bennett H. E., Porteus J. O.: Relation Between Surface Roughness and Specular Reflectance at Normal Incidence. Journal of the Optical Society of America, vol. 51, no. 2, 1961, pp. 123-129.
• 14. Beckmann P., Spizzichino A.: The Scattering of Electromagnetic Waves from Rough Surfaces. Pergamon Press, Oxford 1963.
• 15. Nicodemus F. E.: Reflectance nomenclature and directional reflectance and emissivity. Applied Optics, vol. 9, June 1970, 1474-1475.
• 16. Wang H., Mi H.: Inspection of diamond turning process by the combination of light scattering and angular deflection techniques: a proposed method. Optical Engineering, vol. 36, no. 9, 1997, pp. 2536-2544.
• 17. Brodmann R., Thurn G.: Roughness measurement of ground, turned and shot-peened surfaces by the light scattering method. Wear, vol. 109, no. 3, 1986, pp. 1-13.
• 18. Bielecki Z., Rogalski A.: Detekcja sygnałów optycznych. WNT, Warszawa 2001.
• 19. Wang S. H., Quan Chenggen, Tay C. J., Shang H. M.: Surface roughness measurement the submicrometer range using laser scattering. Optical Engineering, vol. 39, no. 6, 2000, pp. 1597-1601.
• 20. Valliant J. G., Foley M. P., Bennett J. M.: Instrument for on-line monitoring of surface roughness of machined surfaces. Optical Engineering, vol. 39, no. 12, 2000, pp. 3247-3254.
• 21. Łukianowicz C., Karpiński T.: Scatterometry of machined surfaces. XVI IMEKO World Congress, vol. VIII, Vienna 2000, pp. 181-185.
• 22. Miyoshi T., Takaya Y., Saito K.: Nanometer Measurement of Silicon Wafer Surface Texture Based on Fraunhofer Diffraction Pattern. Annals of the CIRP, vol. 44, no. 1, 1995, pp. 489-492.
• 23. Miyoshi T., Takaya Y., Saito K.: Micromachined Profile Measurement by Means of Optical Inverse Scattering Phase Method. Annals of the CIRP, vol. 45, no. 1, 1996, pp. 497-500.
• 24. Kierkegaard P.: Reflection properties of machined metal surfaces. Optical Engineering, vol. 35, no. 3, 1996, pp. 845-856.