TELECENTRICKÉ OPTICKÉ SYSTÉMY

Ako odstrániť skryté chyby vo výrobe

Keď boli v roku 1590 objavené prvé mikroskopy s viacerými objektívmi, vedci sa tešili z ich novej schopnosti vidieť malé objekty a črty v prírodnom svete, ktoré boli predtým neviditeľné pre oko, a preto zdanlivo neexistovali. S konštantnou miniaturizáciou súčiastok a výrobkov v automatizovanej výrobe za posledných päť desaťročí sa používanie mikroskopov rozšírilo od vedy k priemyslu. Dnes sa mikroskopy objavujú v mnohých montážnych a kontrolných aplikáciách všade tam, kde je potrebná vizualizácia a meranie miniatúrnych prvkov.

Obrazy, ktoré máme teraz k dispozícii, sú veľké, ostré a skvele osvetlené. S obrazmi týchto kvalít možno ľahko predpokladať, že zobrazenia, ktoré vidíme, sú rozmerovo presné. Napriek tomu to tak v skutočnosti byť nemusí. Pri skúmaní bodu, ktorého vzdialenosť od šošovky nie je presne známa, alebo ktorá nie je umiestnená priamo na optickej osi mikroskopického systému šošoviek, môžu základné princípy optiky zavádzať deformácie, ktoré vedú k chybe pozorovania a merania.

Štandardná optika môže byť dostatočná na kontrolu dvojrozmerných objektov, ako sú stopy na doske s plošnými spojmi alebo pre kvalitatívnu analýzu „non-flat“ objektov. Avšak pre presné meranie alebo porovnanie vlastností na trojrozmernom objekte, ako je zakrivený povrch vstrekovanej časti, sú takéto chyby problematické.

Výber mikroskopu s pravou optikou môže výrazne znížiť tieto skryté chyby, aby poskytol výsledky, ktoré sú presnejšie a reprodukovateľnejšie - dva atribúty, ktoré sú nevyhnutné pri modernej kontrole a optickom meraní.

Typy chýb

Chyba zväčšenia je fenomén, v ktorom objekt umiestnený pred objektom vyzerá, že je menší alebo väčší ako rovnaký objekt umiestnený bližšie alebo ďalej (obr. 1). Táto chyba je samozrejmosťou u mikroskopov s použitím štandardnej optiky. Prichádza do hry, keď sa pokúša opakovane merať sériu objektov, ktoré nie sú v ustálenej vzdialenosti od šošovky objektívu alebo pri meraní viac funkcií, ktoré sú v rôznych výškach na veľmi trojrozmernom produkte.

Chyba zväčšenia znižuje presnosť merania a môže spôsobiť, že inšpektor nepovolí dobré súčiastky alebo dôjde k schváleniu zlých súčiastok, čo vedie k zvýšeniu nákladov na prepracovanie a šrot na montážnej úrovni. Taktiež znižuje reprodukovateľnosť výsledkov, keď sa vzdialenosť od vzorky voči objektívu líši, napríklad pri ručnej kontrole, opätovnej kontrole po prepracovaní alebo opätovnej kontrole po montážnom kroku, ktorý mení výšku vzorky.

Obr. 1: Príklad chyby zväčšenia pri použití dvoch hmoždiniek s rovnakým priemerom, avšak s rôznou výškou. Perspektívny pohľad zobrazuje relatívnu veľkosť (vľavo). V hornom pohľade na rovnakú položku (vpravo) sa zdá, že vyššia hmoždinka je väčšia, pretože je bližšie k objektívu.

Chyba zväčšenia tiež spôsobuje sekundárnu chybu pri použití funkcie zoom. Zväčšenie a zaostrovanie v ne-telecentrických šošovkách môže spôsobiť neúmyselné a nekontrolované zmeny vo zväčšení. To znižuje presnosť merania pri kontrole.

Manuálny "voľný zoom" má ďalší negatívny dopad na reprodukovateľnosť. Reprodukovateľnosť je definovaná ako schopnosť vrátiť sa k rovnakým nastaveniam pre opakované testy a spoľahlivo opakovať skúšku neskôr s rovnakými výsledkami. Keďže je rutinou, aby kontrolné stanice prepínali medzi jednotlivými zostavami pre rôzne časti a zostavy, je vysoká reprodukovateľnosť kľúčová. Spoľahlivý návrat k rovnakým testovacím podmienkam s ručným voľným zoomom je veľmi ťažký a výsledná zmena človeka môže viesť k nejednotným meraním z jednej skúšky na ďalšie.

Chyba paralaxie (tiež známa ako perspektívna chyba) je spôsobená chybou zväčšenia pri prezeraní objektov, ktoré sú vysoko trojrozmerné alebo pri porovnávaní objektov, ktoré majú rôzne optické dráhy. Body v poli zobrazenia, ktoré sú vertikálne zarovnané, sa už nezobrazujú.

Táto chyba je vytvorená pri pohľade na objekt zo sklonu (obrázok 2). Obvyklým príkladom v mikroskopii je zrejmý pohyb sieťoviny v optickej viditeľnosti vzhľadom k testovanej vzorke, keď používateľ posúva svoju hlavu zo strany na stranu. Rovnaký efekt možno pozorovať aj pri meraní rozmeru na vzorke tým, že ju držíte pred alebo za okrajom pravítka alebo čeľustí strmeňa, čo spôsobuje nesúlad medzi objektom a meradlom.

Obr. 2: Chyba paralaxie, ktorá spôsobuje nepresnosť merania. V ľavom obraze je púzdro kazety umiestnené v zornom poli a meranie na obrazovke číta 4,62 mm od stredu otvoru (od objektívu) až po okraj púzdra (bližšie k objektívu). Na pravom obrázku sa rovnaké meranie vykonáva mimo stred a čítanie sa zmení na 5,12 mm.

Chyba paralaxie tiež spôsobuje, že prvky, ktoré sú na povrchu výrobku, sa zdajú byť v náklone od optickej osi (stredu zorného poľa). Smer a veľkosť zdanlivého uhla sa mení s polohou prvku v zornom poli (obrázok 3). Toto skreslenie spôsobuje, že je ťažké dosiahnuť reprodukovateľnosť testovania, pokiaľ nie je vzorka umiestnená tak, aby bola vždy v presne rovnakej polohe.

Obr. 3: Chyba paralaxie spôsobuje, že vysoké prvky (vľavo) sa javia v hornom pohľade (vpravo) v náklone od stredu zorného poľa.

Telecentricita v modernom mikroskopickom dizajne

S toľkými chybami, skrytými v optike štandardných mikroskopov, sa môže zdať nemožné spoľahlivo skontrolovať všetko, čo vyžaduje kvantitatívne hlásenie. Avšak starostlivým zvážením optického návrhu mikroskopu sa tomuto problému môžeme vyhnúť. Napríklad niektoré mikroskopy sú k dispozícii s telecentrickou optikou, ktorá eliminuje alebo dramaticky znižuje nepresnosti a stratu reprodukovateľnosti spôsobené chybou zväčšenia, zoomu a paralaxie.

Telecentrické šošovky existujú už niekoľko desaťročí, ale počas 20. storočia boli označené ako „exotické“ a vylúčené z okrajových aplikácií. Technológia najprv získala široké uplatnenie v posledných desiatich rokoch vďaka rozšíreniu strojového zobrazenia a merania kvality založenej na zobrazovaní v priemysle.

Telecentricita je vlastnosť optického systému, v ktorom sú všetky hlavné lúče (stredový lúč každého zväzku) prechádzajúce systémom takmer kolimované a paralelné s optickou osou. Optický systém môže byť telecentrický v priestore obrazu (okulár/strana kamery), v priestore objektu (strana objektívu) alebo v oboch. Telecentricita sa dosahuje umiestnením optickej zarážky (nepriehľadné sito s malým otvorom v strede) v zadnej ohniskovej vzdialenosti vnútri zloženej šošovky (obr. 4).

Jednoduchšie, pri prezeraní objektu telecentrickým objektívom sa prezerajúci pozerá „rovno dole“ vo všetkých bodoch zorného poľa. Oproti tomu s ne-telecentrickou optikou sa prezerajúci pozerá priamo dole len v samotnom strede zorného poľa a pod uhlom vo všetkých bodoch mimo stred.

Obr. 4: Rayove stopové diagramy telecentrických optických systémov. Hlavné lúče sú paralelné s optickou osou v priestore objektu (horný), v oblasti obrazu (stredný) alebo v oboch (dole).

Výhody telecentricity v priestore objektu

Navrhovanie mikroskopu pre telecentricitu dáva systému niekoľko optických vlastností, ktoré sú vysoko prínosné pre presnosť merania, zníženie skreslenia a pre reprodukovateľnosť výsledkov.

Najdôležitejšou vlastnosťou telecentrického optického systému je stále zväčšenie s rôznou vzdialenosťou medzi vzorkou a objektívom mikroskopu. Tento koncept môže byť ťažko pochopiteľný, pretože nevidíme telecentricky. Ľudskému oku sa zdá, že bližšie objekty sú väčšie ako objekty vzdialené. To funguje dobre pre normálne prehliadanie, ale pri vytváraní obrazov výrobkov, ktoré musia byť presne merané a spoľahlivo opakované, je stále zväčšenie rozhodujúce.

Konštantné zväčšenie poskytuje lepšiu opakovateľnosť pri kontrole vzoriek rôznych výšok, pretože zjavná veľkosť objektu sa nemení s jeho vzdialenosťou od šošovky objektívu (obrázok 5). Umožňuje tiež presnejšie meranie zložitých 3 D tvarov, napríklad veľké časti, ktorých povrchy sú taktiež v rôznych výškach.

Keď meriate rozmery pomocou sieťoviny alebo grafiky na obrazovke, konštantné zväčšenie zaisťuje, že vzdialenosť medzi bodmi na vysokom objekte sa nezobrazí umelo vyššie ako rovnaká vzdialenosť u nízkeho objektu. Poskytuje tiež lepšiu reprodukovateľnosť pri opätovnom prezeraní vzorky, ktorá bola predtým zobrazená v inej výške.

Obr. 5: Objekty rovnakého priemeru v rôznych vzdialenostiach od šošovky (z obrázku 1), ako je vidieť pomocou štandardnej optiky kamery (vľavo) a telecentrickej optiky kamery (vpravo).

Telecentrické šošovky minimalizujú nezamýšľané a nekontrolované zmeny vo zväčšení spôsobené pohybom objektívu pri zoomu a zaostrovania. To výrazne zlepšuje presnosť optického merania. V kombinácii s mechanickým polohovaním „klik-stop“ alebo kódovaným zoomom môžu telecentrické šošovky poskytovať funkčnosť zoomu, ktorá je presná a vysoko reprodukovateľná.

S telecentrickou optikou môžu byť rysy na vzorke presne merať, aj keď sú neostré, pretože objekty, ktoré nie sú v bode najlepšieho zaostrenia sa rozostrú symetricky. Tým sa udržuje polohová konštanta a umožňuje presné umiestnenie prvkov a okrajov bez skreslenia. Tým sa odstráni požiadavka, aby užívateľ zachoval všetky body vzorky v simultánnom fokuse.

Odstránenie chyby paralaxie je kritické pre dosiahnutie výsledkov, ktoré sú presné a reprodukovateľné pri skúmaní objektov, ktoré sú vysoko trojrozmerné, napríklad pri meraní malých znakov v rôznych miestach na veľkej súčiastke (obrázok 6). Použitie telecentrickej optiky zaisťuje, že zjavný tvar a umiestnenie objektov na súčiastke sa nemení, ak je trošku posunutá na iné miesto v zornom poli (alebo ak je súčiastka odstránená a neskôr znova skontrolovaná na inom mieste).

Obr. 6: Porovnanie vysokých objektov (z obr. 3), ako je vidieť pomocou štandardnej optiky (vľavo) a telecentrickej optiky (vpravo).

So štandardnou optikou je priamka viditeľná kolmo k inšpekčnej rovine iba v strede zorného poľa, pričom všetky ostatné body sú zobrazené pod uhlom. To znamená, že nízko položené oblasti, ktoré nie sú v zornom poli vystredené, môžu byť skryté susednými vyššími oblasťami. Vzhľadom k tomu, že telecentrické optiky sú navrhnuté tak, aby boli všetky svetelné zväzky na seba kolmé vo všetkých bodoch zorného poľa, sú tieto problémy vylúčené. To umožňuje vizualizáciu náročných bodov, ako sú vnútorné priemery dvoch rovnobežných rúrok, ktoré sú od seba vzdialené, alebo dná hlbokých otvorov, ktoré sú mimo optickú stredovú os (obrázok 7).

Obr. 7: Porovnanie pohľadov na náročné tvary, ako je vidieť prostredníctvom štandardnej optiky a telecentrickej optiky. Spodné časti hlbokých otvorov sú čiastočne zablokované hornými okrajmi otvorov pri pohľade mimo stred so štandardnou optikou (vľavo). Pri pohľade na telecentrickú optiku (vpravo) je viditeľný celý povrch dna otvorov.

Alternatívy k telecentrickým šošovkám

Je častým nedorozumením medzi užívateľmi zariadení s telecentrickou optikou, že existuje softvérový mechanizmus, ktorý upravuje obraz tak, aby dosiahol konštantné zväčšenie a iné zníženia chýb. Hoci je možné niektoré z nich urobiť, mnoho výhod telecentrických šošoviek nemôže byť presne reprodukované softvérom.

Ďalšie časté nedorozumenie v mikroskopickej komunite je to, že certifikácia treťou stranou každej optiky mikroskopu zabezpečuje presnosť kontroly a reprodukovateľnosť. V skutočnosti vládne normalizačné organizácie typicky osvedčujú kalibračné vybavenie, ale neoverujú jednotlivé prístroje.

Výrobcovia mikroskopu môžu vykonávať interné kalibrácie na jednotlivých prístrojoch, ale tu sa objavuje ďalšia nevýhoda voľného zoomu. Po počiatočnej kalibrácii vykonanej výrobcom je obtiažnosť reprodukcie kalibračných podmienok v poli spôsobená zmenou zavedenou nastavením zoomu.

Kalibrácie vykonávané v čase výroby môžu napomôcť reprodukovateľnosti zlepšením konzistencie výkonu medzi mikroskopmi vykonanými rovnakým dodávateľom. Žiadna kalibrácia však nemôže odstrániť chyby, ktoré sú spôsobené základnými optickými princípmi ne-telecentrických šošoviek, ako je paralaxia a nekonštantné zväčšenie.

Záver

Optické systémy v modernom mikroskopickom zariadení môžu byť vystavené rôznym skrytým chybám. Opatrné zváženie optického dizajnu použitého v zariadení je rozhodujúce. Použitie mikroskopov s telecentrickými optickými systémami znižuje alebo eliminuje mnoho z týchto chýb, aby sa optimalizovala kvalita obrazu, presnosť merania a reprodukovateľnosť.