Современные измерительные микроскопы

Современные измерительные микроскопы работают с объектами вплоть до нескольких нанометров. Использование интерферометров и высокоточных оптических устройств постоянно расширяет возможности измерительной микроскопии. Точные геометрические измерения при решении задач контроля качества изделий играют важную роль в производстве и качестве выпускаемой продукции. Для работы с большими объектами, такими как кузова автомобилей, сложными детали реактивных двигателей и прочими высокотехнологичными изделиями применяются координатно-измерительные машины, лазерные датчики и высокоточные механические измерительные приборы. Но что же делать, когда измеряемые объекты находятся в микронном и субмикронном диапазонах? Необходимо прибегнуть к помощи измерительных систем, основанных на базе световых микроскопов, интерферометров или конфокальных лазерных профилометрах.

В статье мы рассмотрим возможность и методики проведения плоскостных и пространственных измерений с использованием различных типов оптических микроскопов.

Плоскостные или 2D измерения.

Существует несколько методов проведения 2D измерений на измерительном микроскопе. Рассмотрим их последовательно.

Простые системы с окуляр-микрометром и объект-микрометром.

Такие системы появились задолго до эпохи появления цифровых камер и являются самыми примитивными методами оценочного сравнения размера эталонного микрометра и измеряемого объекта при помощи шкалы в окуляре. Точность здесь напрямую зависит от оператора, погрешность при таком методе измерения определяется исключительно человеческим фактором.

Системы измерения с координатными столами.

Координатные микроскопы применяются в случаях, когда необходимо произвести измерение с высокой точностью, но объект не попадает в одно поле зрения микроскопа. Пользователь совмещает перекрестие в окуляре с началом измеряемого отрезка и, далее, перемещая лимбы XY стола, добивается совмещения перекрестия с концом измеряемого отрезка. Значения на лимбах (либо на высокоточных линейных датчиках перемещения стола) показывают разницу X и Y координат. Длина отрезка, если это необходимо, вычисляется по теореме Пифагора. Такой метод позволяет использовать микроскоп лишь для точного позиционирования объекта измерения. Погрешность оператора сводится к минимуму, а измерение производится электронными или механическими устройствами.

Системы измерения с цифровой камерой или цифровые микроскопы.

Анализ цифрового изображения решает все недостатки предыдущих методов. Погрешность оператора сведена к минимуму, а главное, появляется возможность измерения не только длин отрезков, но и диаметров окружностей, углов, площадей, расстояний между параллельными линиями и так далее.

При работе с измерительным программным обеспечением микроскоп калибруется пользователем с использованием сертифицированного эталона. При дальнейшей работе калибровки по объект-микрометру не требуются. Программное обеспечение присваивает масштаб изображению исходя из первоначальных калибровок. Программа может корректировать опорные точки, поставленные пользователем, находя зону максимального контраста. Таким образом используя цифровые инструменты точность и скорость измерений стремительно растет.

Система Keyence VHX-5000, программное обеспечение которой показано в иллюстрациях, является «эталоном» цифровой измерительной микроскопии.

Вы всегда можете превратить свой микроскоп в современную измерительную систему произведя модернизацию микроскопа и установив на него современную цифровую камеру с программным обеспечением. Подробно об этом вы можете узнать в разделе модернизация микроскопов пользователя на нашем сайте.

Трехмерные измерения в пространстве (3D). Получение профиля поверхности объекта.

Получение математической модели профиля поверхности исследуемого образца – сложная задача. Она сводится к последовательному измерению координат (XYZ) точек, расположенных на образце с заданным шагом. Как и любую сложную задачу, построение профиля можно разбить на несколько этапов.
Первый этап – получение координаты точки по оси Z (определение высоты точки).

• Грубое определение разности высот возможно на микроскопах с градуированным винтом точной фокусировки. Погрешность при таком измерении огромна, измерение носит чисто ориентировочный характер. Пользователь фокусируется на объекте, относительно которого будет производиться измерение, затем запоминает положение винта точной фокусировки микроскопа. Далее пользователь фокусируется в измеряемой точке. Разница в значениях лимба винта умножается на шаг винта (к примеру, 1мкм/деление). Полученное значение будет разностью координаты. Как вы понимаете, при таком измерении необходимо учитывать полные обороты винта точного фокуса, а также направление вращения винта. Повторимся, что такое измерение носит чисто ориентировочный характер, точность которого крайне зависит от увеличения микроскопа, глубины резкости объектива и шага привода фокусировки по оси Z.

• Микроскопы с моторизованным приводом фокусировки по оси Z позволяют проводить измерения схожим образом. Программное обеспечение микроскопа создает Z-стек изображений – послойное сканирование образца. Далее автоматически выбираются области с наибольшей контрастностью (зоны резкости) и изображение разбивается на сетку. В каждой точке сетки рассчитывается координата Z и формируется готовое 3-D изображение или математическая модель для последующей работы с ней.

• Бесконтактные профилометры и конфокальные микроскопы.

В отличии от предыдущих вариантов, системы профилометрии разрабатываются именно с целью измерения профиля объекта. Они позволяют проводить измерения с невероятно высокой точностью (около 5 нм по оси Z). Принцип таких систем основан на интерферометрии эталонного луча с известной длиной пути и луча, отраженного от поверхности объекта. По смещению фазы рассчитывается разница в расстоянии между двумя лучами. Таким образом прибор определяет Z координату объекта.

Измерительные микроскопы в нашем каталоге