Profilomètre

Un profilomètre est un instrument de mesure utilisé pour mesurer le profil d'une surface , afin de quantifier sa rugosité . Les dimensions critiques telles que le dénivelé, la courbure, la planéité sont calculées à partir de la topographie de la surface.

Alors que la notion historique d'un profilomètre était un appareil similaire à un phonographe qui mesure une surface lorsque la surface est déplacée par rapport au stylet du profilomètre de contact , cette notion évolue avec l'émergence de nombreuses techniques de profilométrie sans contact.

Les technologies sans balayage mesurent la topographie de surface dans une seule acquisition de caméra, le balayage XYZ n'est plus nécessaire. Par conséquent, les changements dynamiques de topographie sont mesurés en temps réel. Les profilomètres contemporains ne mesurent pas seulement la topographie statique, mais aussi la topographie dynamique - de tels systèmes sont décrits comme des profilomètres à résolution temporelle.

Les méthodes optiques comprennent des méthodes basées sur l'interférométrie telles que la microscopie holographique numérique , l'interférométrie à balayage vertical/ interférométrie à lumière blanche , l'interférométrie à décalage de phase et la microscopie à contraste interférentiel différentiel (microscopie Nomarski) ; des méthodes de détection de mise au point telles que la détection d'intensité, la variation de mise au point , la détection différentielle, la méthode de l'angle critique, la méthode astigmatique, la méthode de Foucault et la microscopie confocale ; des méthodes de projection de motifs telles que la projection de franges , la profilométrie de Fourier , le moiré et les méthodes de réflexion de motifs.

Les méthodes de contact et de pseudo-contact comprennent le profilomètre à stylet (profilomètre mécanique), la microscopie à force atomique , et la microscopie à effet tunnel.

Un stylet en diamant est déplacé verticalement en contact avec un échantillon, puis déplacé latéralement sur l'échantillon sur une distance et une force de contact spécifiées. Un profilomètre peut mesurer de petites variations de surface dans le déplacement vertical du stylet en fonction de la position. Un profilomètre typique peut mesurer de petites caractéristiques verticales dont la hauteur varie de 10 nanomètres à 1 millimètre. La position en hauteur du stylet en diamant génère un signal analogique qui est converti en signal numérique, stocké, analysé et affiché. Le rayon du stylet en diamant varie de 20 nanomètres à 50 μm, et la résolution horizontale est contrôlée par la vitesse de balayage et le taux d'échantillonnage du signal de données. La force de suivi du stylet peut varier de moins de 1 à 50 milligrammes.

Les profilomètres à contact présentent de nombreux avantages, notamment l'acceptation, l'indépendance de la surface et la résolution. Il s'agit d'une technique directe qui ne nécessite aucune modélisation. La plupart des normes mondiales de finition de surface sont rédigées pour les profilomètres à contact. Pour suivre la méthodologie prescrite, ce type de profilomètre est souvent nécessaire. Le contact avec la surface est souvent un avantage dans les environnements sales où les méthodes sans contact peuvent finir par mesurer les contaminants de surface au lieu de la surface elle-même. Étant donné que le stylet est en contact avec la surface, cette méthode n'est pas sensible à la réflectance ou à la couleur de la surface. Le rayon de la pointe du stylet peut être aussi petit que 20 nanomètres, ce qui est nettement mieux que le profilage optique à lumière blanche. La résolution verticale est également généralement inférieure au nanomètre.

Un profilomètre optique est une méthode sans contact qui fournit une grande partie des mêmes informations qu'un profilomètre à stylet. De nombreuses techniques différentes sont actuellement utilisées, telles que la triangulation laser ( capteur de triangulation ), la microscopie confocale (utilisée pour profiler de très petits objets), l'interférométrie à balayage de cohérence et l'holographie numérique .

Les avantages des profilomètres optiques sont la vitesse, la fiabilité et la taille du spot. Pour les petites étapes et les exigences de numérisation 3D, comme le profilomètre sans contact ne touche pas la surface, les vitesses de numérisation sont dictées par la lumière réfléchie par la surface et la vitesse de l'électronique d'acquisition. Pour les grandes étapes, une numérisation 3D sur un profileur optique peut être beaucoup plus lente qu'une numérisation 2D sur un profileur à stylet. Les profilomètres optiques ne touchent pas la surface et ne peuvent donc pas être endommagés par l'usure de la surface ou par des opérateurs négligents. De nombreux profilomètres sans contact sont à semi-conducteurs, ce qui tend à réduire considérablement la maintenance requise. La taille du spot, ou résolution latérale, des méthodes optiques varie de quelques micromètres à moins de 100 micromètres.

Les technologies sans balayage comme la microscopie holographique numérique permettent de mesurer la topographie 3D en temps réel. La topographie 3D est mesurée à partir d'une seule acquisition de caméra, par conséquent, la vitesse d'acquisition n'est limitée que par la vitesse d'acquisition de la caméra. Certains systèmes mesurent la topographie à une fréquence d'images de 1000 ips. Les systèmes à résolution temporelle permettent de mesurer les changements de topographie comme la guérison de matériaux intelligents ou la mesure d'échantillons en mouvement. Les profilomètres à résolution temporelle peuvent être combinés avec une unité stroboscopique pour mesurer les vibrations MEMS dans la gamme MHz. L'unité stroboscopique fournit un signal d'excitation au MEMS et fournit un signal de déclenchement à la source lumineuse et à la caméra.

L'avantage des profilomètres à temps résolu est qu'ils sont résistants aux vibrations. Contrairement aux méthodes de balayage, le temps d'acquisition du profilomètre à temps résolu est de l'ordre de la milliseconde. Il n'est pas nécessaire d'effectuer un étalonnage vertical : la mesure verticale ne dépend pas d'un mécanisme de balayage, la mesure verticale par microscopie holographique numérique possède un étalonnage vertical intrinsèque basé sur la longueur d'onde de la source laser. Les échantillons ne sont pas statiques et la topographie de l'échantillon réagit à un stimulus externe. Avec la mesure en vol, la topographie d'un échantillon en mouvement est acquise avec un temps d'exposition court. La mesure des vibrations MEMS peut être réalisée lorsque le système est combiné à une unité stroboscopique.

Les profilomètres optiques à base de fibre optique balayent les surfaces avec des sondes optiques qui renvoient des signaux d'interférence lumineuse au détecteur du profilomètre via une fibre optique. Les sondes à base de fibre peuvent être physiquement situées à des centaines de mètres du boîtier du détecteur, sans dégradation du signal. Les avantages supplémentaires de l'utilisation de profilomètres optiques à base de fibre sont la flexibilité, l'acquisition de profils longs, la robustesse et la facilité d'intégration dans les processus industriels. Grâce au petit diamètre de certaines sondes, les surfaces peuvent être balayées même à l'intérieur d'espaces difficiles d'accès, tels que des crevasses étroites ou des tubes de petit diamètre.

Comme ces sondes acquièrent généralement un point à la fois et à des vitesses d'échantillonnage élevées, l'acquisition de profils de surface longs (continus) est possible. Le balayage peut avoir lieu dans des environnements hostiles, y compris des températures très chaudes ou cryogéniques , ou dans des chambres radioactives, tandis que le détecteur est situé à distance, dans un environnement sûr pour l'homme. Les sondes à base de fibres sont faciles à installer en cours de processus, par exemple au-dessus de bandes mobiles ou montées sur divers systèmes de positionnement.

Un profilomètre à sillons est utilisé pour mesurer la géométrie transversale des sillons et des ondulations, et est important dans les évaluations des sillons.