As superfícies das películas usadas em várias áreas, como materiais industriais, embalagem de alimentos e necessidades diárias, são tratadas e processadas para adicionar transparência, brilho, proteção contra água, proteção contra manchas e várias outras funções adequadas à aplicação.
Embora, às vezes, a avaliação dos tratamentos de superfície seja feita visualmente, observando a película contra a luz para verificar o brilho e transparência, também há a necessidade de avaliar quantitativamente as diferenças na textura da superfície da película.
Para quantificar as diferenças nas superfícies das películas, é comum avaliar a rugosidade da superfície como medição quantitativa da sua textura. Sa, Sdq e Sdr são parâmetros comuns de rugosidade da superfície, usados para avaliar as suas propriedades na direção da altura (Z). No entanto, a rugosidade da superfície (altura) é apenas um fator na percepção visual da textura da película. A textura de parâmetros e os padrões finos que se estendem na direção planar (XY) também têm efeito significativo.
Embora a maioria dos parâmetros de rugosidade de superfície avalie o componente de altura, o Sal (comprimento da autocorrelação) e a Str (razão de aspecto de textura) são os únicos parâmetros que avaliam o componente do plano.
Quantificação das diferenças de textura em películas de superfície tratada: um experimento
Para oferecer um melhor entendimento de como esses parâmetros direcionais planares ajudam a medir a textura da superfície da película, realizamos um experimento para comparar três películas com diferentes aparências de textura.
A película 1, em que o texto através da película aparece nítido, e as películas 2 e 3, em que o texto parece embaçado, têm diferentes texturas visuais. Vamos explorar quais serão os resultados se quantificarmos essas três películas com os parâmetros direcionais planares Sal e Str.
Uma visão geral de Sal e Str
Antes de entrarmos nos dados do experimento, vamos analisar os fundamentos de cada parâmetro.
O Sal (comprimento da autocorrelação) é uma medição de quanto uma imagem irregular se parece (ou difere) da imagem original ao deslocá-la na direção horizontal (τx, τy). Em outras palavras, ele indica o grau de similaridade entre as imagens antes e depois do deslocamento. Ele é uma medida numérica da densidade das irregularidades da superfície, como estrias e partículas em unidades de comprimento.
As etapas a seguir são usadas para quantificar os resultados:
- A imagem irregular é deslocada por um pixel na direção horizontal (τx, τy).
- Depois de deslocar e multiplicar os valores de altura das áreas sombreadas sobrepostas na figura abaixo, uma série de operações adicionais, como normalização, é realizada. Esses processos são chamados de operações de autocorrelação. Dessa maneira, cria-se uma imagem de autocorrelação transformada a partir da imagem original.
Processo de criação de uma imagem de autocorrelação.
- Matematicamente, a função de autocorrelação (ACF) é expressa como:
- A distância lateral mais próxima (rmin) que decai para o valor de correlação s (0 ≤ s < 1, s = 0,2 se não especificado) na imagem de autocorrelação é o valor Sal.
O Str (razão de aspecto de textura) é definido como a razão da distância lateral mais distante (rmax) que decai ao valor de correlação s (0 ≤ s < 1, s = 0,2 se não especificado) na imagem de autocorrelação e Sal (rmin) em uma imagem de autocorrelação.
Veja aqui o Sal e o Str em uma visualização tridimensional (3D):
Veja aqui o Sal e o Str de uma perspectiva bidimensional (2D):
Sal = 1,27 μm. Str = 1,27/1,69 = 0,752.
Quanto menor o valor de Sal, mais íngreme é a irregularidade da superfície; quanto maior o valor, a forma domina de forma mais gradual. O Str varia de 0 a 1, em que um Str > 0,5 geralmente indica uma isotropia* forte e, da mesma maneira, um Str < 0,3 indica uma anisotropia** forte.
* Independência de propriedades e distribuição em qualquer direção. Nesse caso, ele se refere ao fato de que a distribuição da forma é dispersa de forma regular e sem um padrão em todas as direções.
** A dependência de uma propriedade ou distribuição em uma direção. Aqui, ela se refere ao fato de que a distribuição da forma é feita em uma certa direção.
Avaliação de 3 superfícies de películas com microscopia de escaneamento a laser 3D
Nesse experimento, eu confirmei visualmente as condições da superfície de três películas em três dimensões com um microscópio confocal a laser 3D LEXT™ OLS5100.
Para adquirir os dados tridimensionais, o microscópio OLS5100 escaneia a superfície da amostra com um feixe de laser violeta de 405 nm. As objetivas LEXT dedicadas, adaptadas ao comprimento de onda de 405 nm e que minimizam as aberrações, possibilitam capturar claramente padrões e defeitos diminutos difíceis de capturar com microscópios ópticos convencionais e microscópios gerais a laser. Além disso, o sistema óptico faz medições sem contato, o que elimina preocupações com danos à superfície, mesmo em amostras delicadas como uma película.
Objetivas LEXT dedicadas da esquerda para a direita: objetivas de baixa ampliação de 10×, objetivas de alto desempenho de 20×, 50× e 100× e objetivas de distância de trabalho longa de 20×, 50× e 100×.
Laser vermelho (658 nm: 0,26 μm linha e espaço). |
Laser violeta (405 nm: 0,12 μm linha e espaço). |
Além disso, o microscópio OLS5100 pode realizar análises de superfície confiáveis de acordo com o ISO 25178, avaliar os parâmetros Sal e Str (exclusivo à rugosidade da superfície) e montar várias imagens juntas para adquirir dados de campo amplo com grande precisão. Você pode ver até áreas específicas de imagens montadas no mapa macro para facilitar a análise da textura da superfície.
O último recurso é demonstrado na etapa a seguir, em que criei uma imagem montada para capturar dados da rugosidade da superfície da superfície da película em uma área maior.
Captura de dados de rugosidade de superfície de uma perspectiva mais ampla
O olho humano é capaz de ver objetos de 0,1 a 0,2 mm, e o tamanho da textura em uma superfície de película que pode ser confirmada visualmente é considerada de tamanho igual ou maior.
Como a superfície da película pode ter irregularidades ainda menores, é importante escolher uma lente objetiva com resolução e aumento maiores ao adquirir os dados. Como a faixa de observação de um campo de visão se torna menor com lentes de alta potência em troca de uma maior resolução, o modo de montagem do microscópio OLS5100 é útil para observação de campo amplo.
Imagens individuais adquiridas com uma lente objetiva de alta ampliação podem ser montadas (essencialmente como em um quebra-cabeças) para obter imagens de campo de visão mais amplo de alta resolução de características amplamente dispersas em intervalos de dezenas a centenas de milímetros.
Imagens 2D individuais antes da união de imagens. |
Imagem 2D após a união de imagens. |
Esquerda: 9 × 9 imagens de altura montadas (objetiva de 50×, aproximadamente 2.000 µm²). Imagens de altura são bidimensionais e representam dados de altura em uma faixa de cores. Direita: imagens únicas, cerca de 250 µm. Quando vista na imagem montada, a dispersão de texturas grandes e pequenas aparece em intervalos de dezenas a centenas de µm.
Vamos agora observar os resultados de análise reais de três películas.
Veja abaixo as imagens tridimensionais e os resultados de medição de rugosidade das superfícies de cada película de 1–3 adquiridos com o microscópio OLS5100 em uma área de cerca de 2 mm².
Comparação da imagem tridimensional das películas 1 a 3. A linha inferior mostra imagens montadas em 9 × 9 (objetiva de 50×, cerca de 2.000 µm²).
| Amostra | Sa [µm] |
|---|---|
| Película 1_ob50x_9x9 | 0,069 |
| Película 2_ob50x_9x9 | 1,181 |
| Película 3_ob50x_9x9 | 0,391 |
Valor da rugosidade da superfície na Sa.
Como mostrado na tabela acima, em termos de Sa (altura média aritmética), que é comumente avaliada para rugosidade da superfície, as diferenças na irregularidade da superfície da película entre as três amostras estão bem representadas nos valores. A respeito da correlação entre a aparência da superfície visual e a distribuição de irregularidades tridimensionais, podemos ver que a película 1 tem uma superfície lisa. Em contraste, as películas 2 e 3 têm irregularidades localizadas ou em toda a superfície.
Agora, vamos examinar os parâmetros de rugosidade Sal (comprimento da autocorrelação) e Str (razão de aspecto da textura), que quantificam a medida dessa irregularidade.
| Amostra | Sa [µm] | Sal [µm] | Str |
|---|---|---|---|
| Película 1_ob50x_9x9 | 0,069 | 244,26 | 0,605 |
| Película 2_ob50x_9x9 | 1,181 | 120,65 | 0,865 |
| Película 3_ob50x_9x9 | 0,391 | 35,162 | 0,839 |
Valor da irregularidade da superfície em Sa, Sal e Str.
Como definido acima, quanto menor o valor de Sal, mais íngreme é a irregularidade da superfície, e quanto maior o valor, a forma domina de maneira mais gradual. Os valores de Sal das amostras estão relacionados, como mostrado na tabela acima. Como você pode ver em conjunto com as imagens 3D, a película 1 com maior valor indica um perfil de superfície mais gradual. Em contraste, a película 3 com um valor menor indicar um perfil de superfície mais íngreme e grão mais fino.
Str é definido como a proporção da distância lateral mais distante (rmax) que decai ao valor de correlação s (0 ≤ s < 1, ou s = 0,2 se não especificado) e Sal (rmin) é uma imagem de autocorrelação. Ele é expresso pela fórmula a seguir:
Sal = rmin
Str = rmin/rmax
Os valores de Str para as três amostras mostram pouca diferença entre as películas 2 e 3, e alguma diferença entre essas duas películas e a película 1.
O Str varia entre 0 e 1. Como Str > 0,5 geralmente indica isotropia forte e um Str < 0,3 indica forte anisotropia, todas as três amostras têm um valor maior ou igual a 0,5. Assim, podemos concluir que a distribuição de formas irregulares é isotrópica. A película 1, que está mais próxima de 0,3, é ligeiramente mais anisotrópica que as películas 2 e 3, que têm valores bem acima de 0,5.
Imagem da altura
Imagem da autocorrelação
Visão aumentada da imagem da autocorrelação
Determinação das diferenças nas texturas das películas com parâmetros espaciais
A partir dos dados, podemos concluir o seguinte sobre as três superfícies de película com diferentes aparências de textura.
- Com base no valor de Sa (altura da média aritmética), quanto mais transparente a película parece ser (como a película 1), menos irregular e lisa sua superfície é.
- A partir dos valores de Sal (comprimento da autocorrelação), a película 1 com valores maiores tem um perfil de superfície mais gradual. A película 3 com valores menores tem um perfil mais íngreme e grão mais fino.
- Com base nos valores de Str (razão de aspecto da textura), a distribuição direcional das irregularidades da superfície é dispersa uniformemente e tem um padrão menos definido (isotrópico) para todas as amostras. Comparando as três, a película 1 é ligeiramente mais direcional que as outras duas (ligeiramente anisotrópica).
Com dados confiáveis, o microscópio OLS5100 deve contribuir para a avaliação da rugosidade da superfície da película em vários campos. Para obter mais orientações sobre o uso do microscópio confocal a laser 3D OLS5100 para medir a rugosidade da superfície da película, entre em contato com nossa equipe.
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