28. 9. 2017

Jak odstranit skryté chyby ve výrobě

Když byly v roce 1590 objeveny první mikroskopy s více objektivy, vědci se těšili z jejich nové schopnosti vidět malé objekty a rysy v přírodním světě, které byly předtím neviditelné pro oko, a proto zdánlivě neexistovaly. S konstantní miniaturizací součástí a výrobků v automatizované výrobě za posledních pět desetiletí se používání mikroskopů rozšířilo od vědy k průmyslu. Dnes se mikroskopy objevují v mnoha montážních a kontrolních aplikacích všude tam, kde je zapotřebí vizualizace a měření miniaturních prvků.

Obrazy, které máme nyní k dispozici, jsou velké, ostré a skvěle osvětlené. S obrazy těchto kvalit lze snadno předpokládat, že zobrazení, která vidíme, jsou rozměrově přesná. Přesto tomu tak ve skutečnosti být nemusí. Při zkoumání bodu, jehož vzdálenost od čočky není přesně známá nebo která není umístěna přímo na optické ose mikroskopického systému čoček, mohou základní principy optiky zavádět deformace, které vedou k chybě pozorování a měření.

Standardní optika může být dostatečná pro kontrolu dvourozměrných objektů, jako jsou stopy na desce s tištěnými spoji nebo pro kvalitativní analýzu „non-flat“ objektů. Avšak pro přesné měření nebo porovnání vlastností na trojrozměrném objektu, jako je zakřivený povrch vstřikované části, jsou takové chyby problematické.

Výběr mikroskopu s pravou optikou může výrazně snížit tyto skryté chyby, aby poskytl výsledky, které jsou přesnější a reprodukovatelnější - dva atributy, které jsou nezbytné při moderní kontrole a optickém měření.

Typy chyb

Chyba zvětšení

Chyba zvětšení je fenomén, ve kterém objekt umístěný před objektem vypadá, že je menší nebo větší než stejný objekt umístěný blíže nebo dále (obr. 1). Tato chyba je samozřejmostí u mikroskopů s použitím standardní optiky. Přichází do hry, když se pokouší opakovaně měřit sérii objektů, které nejsou v ustálené vzdálenosti od čočky objektivu nebo při měření více funkcí, které jsou v různých výškách na velmi trojrozměrném produktu.

Chyba zvětšení snižuje přesnost měření a může způsobit, že inspektor nepovolí dobré součásti nebo dojde k schválení špatných součástí, což vede ke zvýšení nákladů na přepracování a šrot na montážní úrovni. Rovněž snižuje reprodukovatelnost výsledků, kdy se vzdálenost od vzorku vůči objektivu liší, například při ruční kontrole, opětovné kontrole po přepracování nebo opětovné kontrole po montážním kroku, který mění výšku vzorku.

Obr. 1: Příklad chyby zvětšení při použití dvou hmoždinek o stejném průměru, avšak s různou výškou. Perspektivní pohled zobrazuje relativní velikost (vlevo). V horním pohledu na stejné položky (vpravo) se zdá, že vyšší hmoždinka je větší, protože je blíže objektivu.

Obr. 1: Příklad chyby zvětšení při použití dvou hmoždinek o stejném průměru, avšak s různou výškou. Perspektivní pohled zobrazuje relativní velikost (vlevo). V horním pohledu na stejné položky (vpravo) se zdá, že vyšší hmoždinka je větší, protože je blíže objektivu.

Chyba související se zoomem

Chyba zvětšení také způsobuje sekundární chybu při použití funkce zoom. Zvětšení a zaostřování v ne-telecentrických čočkách může způsobit neúmyslné a nekontrolované změny ve zvětšení. To snižuje přesnost měření při kontrole.

Manuální "volný zoom" má další negativní dopad na reprodukovatelnost. Reprodukovatelnost je definována jako schopnost vrátit se k stejným nastavením pro opakované testy a spolehlivě opakovat zkoušku později se stejnými výsledky. Jelikož je rutinní, aby kontrolní stanice přepínaly mezi jednotlivými sestavami pro různé části a sestavy, je vysoká reprodukovatelnost klíčová. Spolehlivé návrat k stejným testovacím podmínkám s ručním volným zoomem je velmi obtížné a výsledná změna člověka může vést k nekonzistentním měřením z jedné zkoušky na další.

Paralaxní chyba

Chyba paralaxy (také známá jako perspektivní chyba) je způsobena chybou zvětšení při prohlížení objektů, které jsou vysoce trojrozměrné nebo při porovnávání objektů, které mají různé optické dráhy. Body v poli zobrazení, které jsou vertikálně zarovnány, se již nezobrazují.

Tato chyba je vytvořena při pohledu na objekt ze sklonu (obrázek 2). Obvyklým příkladem v mikroskopii je zřejmý pohyb síťoviny v optické viditelnosti vzhledem k testovanému vzorku, když uživatel posouvá svou hlavu ze strany na stranu. Stejný efekt lze pozorovat i při měření rozměru na vzorku tím, že ji držíte před nebo za okrajem pravítka nebo čelistí třmenu, což způsobuje nesoulad mezi objektem a měřidlem.

Obr. 2: Chyba paralaxy, která způsobuje nepřesnost měření. V levém obraze je pouzdro kazety umístěno v zorném poli a měření na obrazovce čte 4,62 mm od středu otvoru (od objektivu) až po okraj pouzdra (blíže k objektivu). Na pravém obrázku se stejné měření provádí mimo střed a čtení se změní na 5,12 mm.

Obr. 2: Chyba paralaxy, která způsobuje nepřesnost měření. V levém obraze je pouzdro kazety umístěno v zorném poli a měření na obrazovce čte 4,62 mm od středu otvoru (od objektivu) až po okraj pouzdra (blíže k objektivu). Na pravém obrázku se stejné měření provádí mimo střed a čtení se změní na 5,12 mm.

Chyba paralaxy také způsobuje, že prvky, které jsou na povrchu výrobku, se zdají být v náklonu od optické osy (středu zorného pole). Směr a velikost zdánlivého úhlu se mění s polohou prvku v zorném poli (obrázek 3). Toto zkreslení způsobuje, že je obtížné dosáhnout reprodukovatelného testování, pokud není vzorek umístěn tak, aby byl vždy v přesně stejné poloze.

Obr. 3: Chyba paralaxy způsobuje, že vysoké prvky (vlevo) se jeví v horním pohledu (vpravo) v náklonu od středu zorného pole.

Obr. 3: Chyba paralaxy způsobuje, že vysoké prvky (vlevo) se jeví v horním pohledu (vpravo) v náklonu od středu zorného pole.

Telecentricita v moderním mikroskopickém designu

S tolika chybami, skrytými v optice standardních mikroskopů, se může zdát nemožné spolehlivě zkontrolovat vše, co vyžaduje kvantitativní hlášení. Nicméně pečlivé zvážení optického návrhu mikroskopu se tomuto problému může vyhnout. Například některé mikroskopy jsou k dispozici s telecentrickou optikou, která eliminuje nebo dramaticky snižuje nepřesnosti a ztrátu reprodukovatelnosti způsobené chybou zvětšení, zoomu a paralaxy.

Telecentrické čočky existují již řadu desetiletí, ale během 20. století byly označeny jako "exotické" a vyloučeny z okrajových aplikací. Technologie nejprve získala široké uplatnění v posledních deseti letech díky rozšíření strojního zobrazování a měření kvality založené na vizi v průmyslu.

Telecentricita je vlastnost optického systému, ve kterém jsou všechny hlavní paprsky (středový paprsek každého svazku) procházející systémem téměř kolimovány a paralelní s optickou osou. Optický systém může být telecentricky v prostoru obrazu (okulár / strana kamery), prostor objektu (strana objektivu) nebo v obou. Telecentricita se dosahuje umístěním optické zarážky (neprůhledné síto s malým otvorem ve středu) v zadní ohniskové vzdálenosti uvnitř složené čočky (obr. 4).

Jednodušeji, při prohlížení objektu telecentrickým objektivem, se prohlížející dívá "rovně dolů" ve všech bodech zorného pole. Oproti tomu s ne-telecentrickou optikou se prohlížející dívá přímo dolů jen v samém středu zorného pole a pod úhlem ve všech bodech mimo střed.

Obr. 4: Rayové stopové diagramy telecentrických optických systémů. Hlavní paprsky jsou paralelní k optické ose v prostoru objektu (horní), v oblasti obrazu (střední) nebo v obou (dole).

Obr. 4: Rayové stopové diagramy telecentrických optických systémů. Hlavní paprsky jsou paralelní k optické ose v prostoru objektu (horní), v oblasti obrazu (střední) nebo v obou (dole).

Výhody telecentricity v prostoru objektu

Navrhování mikroskopu pro telecentricitu dává systému několik optických vlastností, které jsou vysoce přínosné pro přesnost měření, snížení zkreslení a pro reprodukovatelnost výsledků.

Konstantní zvětšení

Nejdůležitější vlastností telecentrického optického systému je stálé zvětšení s různou vzdáleností mezi vzorkem a objektivem mikroskopu. Tento koncept může být obtížné pochopit, protože nevidíme telecentricky. Lidskému oku se zdá, že bližší objekty jsou větší než objekty vzdálené. To funguje dobře pro normální prohlížení, ale při vytváření obrazů výrobků, které musí být přesně měřeny a spolehlivě opakovány, je stálé zvětšení rozhodující.

Konstantní zvětšení poskytuje lepší opakovatelnost při kontrole vzorků různých výšek, protože zjevná velikost objektu se nemění s jeho vzdáleností od čočky objektivu (obrázek 5). Umožňuje také přesnější měření složitých 3 D tvarů, například velké části, jejichž povrchy jsou také v různých výškách.

Když měříte rozměry pomocí síťoviny nebo grafiky na obrazovce, konstantní zvětšení zajišťuje, že vzdálenost mezi body na vysokém objektu se nezobrazí uměle vyšší než stejná vzdálenost u nízkého objektu. Poskytuje také lepší reprodukovatelnost při opětovném prohlížení vzorku, který byl dříve zobrazen v jiné výšce.

Obr. 5: objekty stejného průměru v různých vzdálenostech od čočky (z obrázku 1), jak je vidět pomocí standardní optiky kamery (vlevo) a telecentrické optiky kamery (vpravo).

Obr. 5: objekty stejného průměru v různých vzdálenostech od čočky (z obrázku 1), jak je vidět pomocí standardní optiky kamery (vlevo) a telecentrické optiky kamery (vpravo).

Vylepšený zoom

Telecentrické čočky minimalizují nezamýšlené a nekontrolované změny ve zvětšení způsobené pohybem objektivu při zoomu a zaostřování. To výrazně zlepšuje přesnost optického měření. V kombinaci s mechanickým polohováním „klik-stop“ nebo kódovaným zoomem mohou telecentrické čočky poskytovat funkčnost zoomu, která je přesná a vysoce opakovatelná.

Symetrické rozmazání

S telecentrickou optikou mohou být rysy na vzorku přesně měřeny, i když jsou neostré, protože objekty, které nejsou v bodě nejlepšího zaostření se rozostří symetricky. Tím se udržuje polohová konstanta a umožňuje přesné umístění prvků a okrajů bez zkreslení. Tím se odstraní požadavek, aby uživatel zachoval všechny body vzorku v simultánním fokuse.

Žádná chyba paralaxy (perspektivní chyba)

Odstranění chyby paralaxy je kritické pro dosažení výsledků, které jsou přesné a reprodukovatelné při zkoumání objektů, které jsou vysoce trojrozměrné, například při měření malých znaků v různých místech na velké součástce (obrázek 6). Použití telecentrické optiky zajišťuje, že zjevný tvar a umístění objektů na součástce se nemění, pokud je kus posunut na jiné místo v zorném poli (nebo pokud je součástka odstraněna a později znovu zkontrolována na jiném místě).

Obr. 6: Srovnání vysokých objektů (z obr. 3), jak je vidět pomocí standardní optiky (vlevo) a telecentrické optiky (vpravo).

Obr. 6: Srovnání vysokých objektů (z obr. 3), jak je vidět pomocí standardní optiky (vlevo) a telecentrické optiky (vpravo).

Rovná pozorování všech bodů v zorném poli

Se standardní optikou je přímka viditelná kolmo k inspekční rovině pouze ve středu zorného pole, přičemž všechny ostatní body jsou zobrazeny pod úhlem. To znamená, že nízko položené oblasti, které nejsou v zorném poli vystředěny, mohou být skryty sousedními vyššími oblastmi. Vzhledem k tomu, že telecentrické optiky jsou navrženy tak, aby byly všechny světelné svazky na sebe kolmé ve všech bodech zorného pole, jsou tyto problémy vyloučeny. To umožňuje vizualizaci náročných bodů, jako jsou vnitřní průměry dvou rovnoběžných trubek, které jsou od sebe vzdálené, nebo dna hlubokých otvorů, které jsou mimo optickou středovou osu (obrázek 7).

Obr. 7: Srovnání pohledů na náročné tvary, jak je vidět prostřednictvím standardní optiky a telecentrické optiky. Spodní části hlubokých otvorů jsou částečně zablokovány horními okraji otvorů při pohledu mimo střed se standardní optikou (vlevo). Při pohledu na telecentrickou optiku (vpravo) je viditelný celý povrch dna otvorů.

Obr. 7: Srovnání pohledů na náročné tvary, jak je vidět prostřednictvím standardní optiky a telecentrické optiky. Spodní části hlubokých otvorů jsou částečně zablokovány horními okraji otvorů při pohledu mimo střed se standardní optikou (vlevo). Při pohledu na telecentrickou optiku (vpravo) je viditelný celý povrch dna otvorů.

Alternativy k telecentrickým čočkám

Software

Je častým nedorozuměním mezi uživateli zařízení s telecentrickou optikou, že existuje softwarový mechanismus, který upravuje obraz tak, aby dosáhl konstantního zvětšení a jiných snížení chyb. Ačkoli je možné některé z nich udělat, mnoho výhod telecentrických čoček nemůže být přesně reprodukováno softwarem.

Certifikace a kalibrace optiky

Dalším častým nedorozuměním v mikroskopické komunitě je to, že certifikace třetí stranou každé optiky mikroskopu zajišťuje přesnost kontroly a reprodukovatelnost. Ve skutečnosti vládní normalizační organizace typicky osvědčují kalibrační vybavení, ale neověřují jednotlivé přístroje.

Výrobci mikroskopu mohou provádět interní kalibrace na jednotlivých přístrojích, ale zde se objevuje další nevýhoda volného zoomu. Po počáteční kalibraci provedené výrobcem je obtížnost reprodukce kalibračních podmínek v poli způsobena změnou zavedenou nastavením zoomu.

Kalibrace prováděné v době výroby mohou napomoci reprodukovatelnosti zlepšením konzistence výkonu mezi mikroskopy provedenými stejným dodavatelem. Žádná kalibrace však nemůže odstranit chyby, které jsou způsobeny základními optickými principy ne-telecentrických čoček, jako je paralaxa a nekonstantní zvětšení.

Závěr

Optické systémy v moderním mikroskopickém zařízení mohou být vystaveny různým skrytým chybám. Opatrné zvážení optického designu použitého v zařízení je rozhodující. Použití mikroskopů s telecentrickými optickými systémy snižuje nebo eliminuje mnoho z těchto chyb, aby se optimalizovala kvalita obrazu, přesnost měření a reprodukovatelnost.