LABORATORIUM ZASTOSOWAŃ OPTOELEKTRONIKI

Transkrypt

1 Ćwiczenie 7 Wydział Elektryczny Mechaniczny Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki LABORATORIUM ZASTOSOWAŃ OPTOELEKTRONIKI Optyczne pomiary mikroskopowe i interferometryczne 2D/3D Opracował: mgr inż. Wojciech Cieszyński (wojciech.cieszynski@pwr.edu.pl) Zagadnienia do przygotowania Budowa mikroskopu. Parametry charakteryzujące obiektyw mikroskopowy. Rodzaje mikroskopów. Mikroskopia profilometryczna zasada działania. Zastosowania pomiarów mikroskopowychs. Literatura [1] L. Blunt and X. Jiang, Advanced Techniques for Assessment Surface Topography, Butterworth-Heinemann, 2003, pp [2] R. Leach, Ed., Optical Measurement of Surface Topography. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2011.

2 1. Mikroskopia. Mikroskopia jest procesem, który jest związany z szczegółowym badaniem obiektu poprzez obserwacje z zastosowaniem światła widzialnego, fluorescencji, podczerwieni, elektronów, promieni X. W ten sposób można zaobserwować szczegóły o rozmiarach nieosiągalnych dla wzroku człowieka. Mikroskop zbudowany jest, w najprostszym ujęciu, z następujących elementów: okular lub soczewka obrazująca z kamerą, uchwyt rewolwerowy, obiektywy, stolik przedmiotowy, kondensor, układ oświetlenia, podstawa mikroskopu, śruby zgrubnej i dokładnej regulacji ostrości. Podstawowym elementem mikroskopu jest obiektyw mikroskopowy, który stanowi zespół soczewek tworzący odwrócony, rzeczywisty obraz obiektu, struktury, oglądany przez okular lub rzutowany na ekran, kliszę fotograficzną, matrycę półprzewodnikową, katodę elektronowo-optyczną itp. Ze względu na przeznaczenie rozróżnia się obiektywy dające obrazy powiększone lub pomniejszone. Parametry charakteryzujące obiektywy to: powiększenie, klasa obiektywu, apertura numeryczna, odległość robocza, realizowana technika obserwacji. Ważne pojęcia związane z mikroskopią optyczną apertura numeryczna rozdzielczość głębia pola jasność obrazu odległość robocza obiektywu pole widzenia Apertura numeryczna (NA) jest wielkością charakteryzującą obiektywy wyraża się równaniem = sin () Rys. 1 Charakterystyczne cechy obiektywów mikroskopowych [1]. gdzie: n współczynnik załamania światła ośrodka pomiędzy obiektywem a próbką α połowa wartości apretury kątowej obiektywu. W mikroskopie NA ogranicza możliwą do otrzymania rozdzielczość. Rys. 2 Apertura numeryczna przykładowych obiektywów mikroskopowych [1]. 2

3 Rozdzielczość mikroskopu optycznego jest zdefiniowana jako najmniejszej odległości pomiędzy dwoma punktami w obrazie próbki, które ciągle mogą być rozróżnianie. = 2 gdzie λ długość fali światła użytego do obrazowania Rys. 3 Rozdzielczość obiektywów mikroskopowych w zależności od apertury numerycznej [1]. Tab. 1 Przykładowe rozdzielczości obiektywów mikroskopowych w zależności od klasy obiektywu oraz apertury numerycznej [1]. Typ Obiektywu Obiektyw niskiej klasy Obiektyw średniej klasy Obiektyw wysokiej klasy Powiększenie N.A. Rozdzielczość [um] N.A. Rozdzielczość [um] N.A. Rozdzielczość [um] 4x 0,10 2,75 0,13 2,12 0,20 1,375 10x 0,25 1,10 0,30 0,92 0,45 0,61 20x 0,40 0,69 0,50 0,55 0,75 0,37 40x 0,65 0,42 0,75 0,37 0,95 0,29 60x 0,75 0,37 0,85 0,32 0,95 0,29 100x 1,25 0,22 1,30 0,21 1,40 0,20 N.A. = Apertura Numeryczna Podział mikroskopów optycznych: dolno-stolikowe, w układzie odwróconym ( odwrócone), stereoskopowe, pomiarowe (warsztatowe), biologiczne, metalograficzne, polaryzacyjne, profilometryczne, specjalistyczne, do obserwacji w świetle: przechodzącym, odbity, przechodzącym i odbitym, edukacyjne, rutynowe, badawcze. 2. Mikroskopy pomiarowe Mikroskopy pomiarowe służą do pomiarów wymiarów obiektów. Dzielą się one na mikroskopy tradycyjne i cyfrowe. Mikroskopy cyfrowe są odmianą tradycyjnego mikroskopu optycznego, które wykorzystują układy optyczne oraz kamery CCD do generowania cyfrowego obrazu na ekranie monitora. Mikroskop cyfrowy zazwyczaj posiada własny wbudowane źródło światła i różni się od zwykłego mikroskopu tym, że układ optyczny dla ludzkiego oka (okular) został pominięty. Większość systemów mikroskopowych mają zdolność do pomiaru próbek 2D. Pozwala to na pomiary długości, szerokości czy wysokości obiektów badanych oraz pomiary niektórych kształtów tj. koła i wiele innych. Niektóre systemy są zdolne do zliczania cząstek. Za pomocą mikroskopu cyfrowego możliwe są również pomiary 3D poprzez złożenie serii obrazów zarejestrowanych na różnych odległościach głowicy mikroskopu od obiektu mierzonego (ang. stitching ). Stosując silnik krokowy układ wykonuje obrazy od najniższej do najwyższej płaszczyzny obrazowania. Następnie oprogramowanie rekonstruuje topografię powierzchni 3D w oparciu o informacje o kontraście w obrazach. W ten sposób można wykonać pomiary 3D, jednakże ich dokładność zależy od stosowanych silnika krokowego i głębi ostrości obiektywu. 3

4 Rys. 4 Mikroskop cyfrowy Keyence VHX 3. Mikroskopy profilometryczne W ciągu ostatnich trzech dekad wzrosło zapotrzebowanie na badanie tekstur powierzchni w zależności od ich funkcjonalności. Ponieważ liniowe pomiary profili dostarczają podstawowych informacji o właściwościach powierzchni, aby uzyskać pełną charakterystykę funkcjonalną, powierzchniowe pomiary powierzchni są niezbędne. Kontrola właściwości powierzchni pozwala producentom zmieniać sposób ich współdziałania z otoczeniem. Poprzez kontrolę stanu powierzchni optyczne, tribologiczne, biologiczne, aerodynamiczne i wiele innych właściwości może być zmienianych [2] [3] [4] [5]. Pomiar powierzchniowej tekstury powierzchni posiada szereg zalet w porównaniu do pomiaru profilu [6]. Pomiary topograficzne dają bardziej realistyczne odwzorowanie całej powierzchni i mają większe znaczenie statystyczne. Istnieje także mniejsze prawdopodobieństwo, że istotne cechy zostaną pominięte przez pomiar topograficzny, a zarazem uzyskuje się lepsze zapisy wizualne struktur powierzchni. Potrzeba powierzchniowych pomiarów chropowatości spowodowała rozwój profilometrów igłowych, które mogły mierzyć powierzchnie (zazwyczaj za pomocą serii równoległych profili) i technologii optycznych. Instrumenty optyczne wykonują pomiary albo poprzez skanowanie wiązką światła powierzchni podobnie do profilometrów igłowych lub dokonują pomiarów powierzchniowych przez wykorzystanie pola widzenia obiektywu mikroskopu. Istnieje obecnie wiele komercyjnych systemów pomiarowych, które mogą mierzyć topografię powierzchni, zarówno igłowo jak i optycznie. Profilometria optyczna umożliwia wykonanie bezkontaktowych pomiarów: wysokości odległości / wymiarów powierzchni objętości chropowatość liniowej chropowatości powierzchniowej analizy cząstek grubości warstw 4

5 W przemyśle profilometria optyczna jest wykorzystywana jako metrologiczna metoda oceny stanu powierzchni części metalowych, z tworzyw sztucznych oraz różnego typu czujników. Profilometria optyczna została pierwotnie opracowana jako metoda optycznej oceny jakości powierzchni. Konieczność dokonywania dokładnych, wysokiej jakości pomiarów chropowatości powierzchni oraz większych kroków pomiarowych doprowadziły do szerszego wykorzystania tej metody pomiarowej we współczesnej metrologii. Zastosowanie automatyzacji pomiarów oraz wykorzystanie optycznych technologii obrazowania w celu uzyskania większego pola widzenia w trakcie pomiaru sprawiają, że jest to metoda bardzo szybka. Profilometria optyczna zyskała akceptację jako metoda kontroli jakości w przemyśle półprzewodnikowym oraz do celów badawczych w metalurgii, trybologii i nauce o materiałach. W przemyśle motoryzacyjnym metoda profilometrii optycznej dostarcza ilościowych, powtarzalnych informacji dotyczących jakości produkowanych elementów, jest wykorzystywana również w pracach badawczych obejmujących zarówno badania nowych materiałów, układów elektromechanicznych, jak i czujników. Technika profilometrii optycznej jest standardowo stosowaną metodą oceny stanu powierzchni stalowych elementów pojazdów, np. wałów korbowych. Korzystając z profilometru optycznego można określić również parametry trybologiczne powierzchni wału dokonując pomiarów chropowatości (Ra, Rq, Rsk, λk). Profilometria optyczna może być też stosowana do oceny parametrów powierzchni poddanych obróbce strumieniowej. Przykładowo, może to dotyczyć pomiarów chropowatości powierzchni cylindra silnika samochodu po każdym etapie obróbki: obróbce wstępnej, obróbce strumieniowo-ściernej, dogładzaniu. Ponieważ za pomocą profilometru można dokonywać pomiarów na dużym fragmencie obrabianej powierzchni, możliwe jest wykrycie takich jej wad, jak: zarysowanie tępym narzędziem, nieprawidłowy kat skrawania. Zarysowania są widoczne w początkowych etapach obróbki. Pomiary profilometryczne pozwalają na ocenę zużycia ściernego powierzchni cylindra [7]. Rys. 5 Przykładowe rezultaty pomiarów z wykorzystaniem mikroskopowych profilometrów optycznych [8] 4. Profilometria konfokalna Bezkontaktowa mikroskopia konfokalna jest powszechnie znaną i stosowaną metodą pomiaru topografii powierzchni 3D. Mikroskop konfokalny podczas pomiaru rejestruje serię zdjęć na różnych odległościach głowicy optycznej w stosunku do powierzchni mierzonej. Największa wartość sygnału na obrazach w sekwencji dla każdego piksela koreluje z pozycją wysokości topografii. 5

6 Rys. 6 Schemat zasady działania mikroskopu konfokalnego [9] Mikroskopia konfokalna charakteryzuje się wieloma zaletami w porównaniu do innych technik optycznych z powodu wykorzystywania dużej apertury numerycznej obiektywów, co przekłada się na dużą rozdzielczość w płaszczyźnie obrazowania oraz możliwość obrazowania zboczy topografii o bardzo dużych kątach. Zastosowanie mikroskopii konfokalnej jest bardzo szerokie począwszy od przemysłu półprzewodnikowego, materiałowego, papierniczego, energetycznego, biomedycynę, optykę i wiele innych. Typowe mikroskopy konfokalne wyposażone są w: monochromatyczne źródło światła (laser lub dioda laserowa, głównie źródła światła UV) elektromagnetyczny MEMS skaner lub układ galwo luster stanowiące układ optycznego przekierowywania promieni światła (optyczny układ skanujący) lub ich kombinacja obiektyw mikroskopowy apertury konfokalne (z ang. pinhole ) detektory (fotodiody) Rys. 7 Budowa mikroskop konfokalnego [9] 6

7 Tab. 2 Parametry pomiarowe mikroskopu konfokalnego. Rozdzielczość Powtarzalność wskazań Dokładność wskazań horyzontalnie: horyzontalnie: wysokości: Z XY XY wysokości: Z 20x : 3σn-1=0.1 20x : σn-1= µm 0.01 µm µm µm L/100 µm 50x : 3σn-1= x : σn- ±2% wartości lub mniej µm 1=0.012 µm zmierzonej L= mierzona długość w µm 100x : 3σn- 1=0.02 µm 5. Profilometria interferometryczna 100x : σn- 1=0.012 µm Mikroskopia interferometryczna bazuje na zjawisku interferencji światła odbitego od badanej powierzchni oraz światła odbitego od powierzchni referencyjnej, zwykle zwierciadła płaskiego. W wyniku interferencji uzyskuje się obraz prążków interferencyjnych, naprzemiennie jasnych i ciemnych, które niosą informację o odległości punktów powierzchni od głowicy optycznej mikroskopu. Dzięki tej zależności mikroskopia interferometryczna stwarza możliwość bezkontaktowych pomiarów powierzchni oraz jej charakteryzacji. Technologia ta pozwala na badanie topografii powierzchni skomplikowanych tekstur, a w szczególności chropowatości, nieciągłości czy struktury. Dodatkową zaletą mikroskopii interferometrycznej jest również niewrażliwość na rozproszone na powierzchni światło [10]. Typowe mikroskopy interferometryczne wyposażone są w: polichromatyczne źródło światła (halogen lub dioda LED) układ optyczny tubusu mikroskopowego obiektyw mikroskopowy interferencyjny (z wbudowaną powierzchnią referencyjną zwierciadłem płaskim, typu Mirau lub Michelson a) detektory (matryca CCD/CMOS) 7

8 Rys. 8 a) Obrazy prążków interferencyjnych na kulistej powierzchni b) droga optyczna promieni świetlnych przechodzących przez układ optyczny profilometru interferometrycznego [10] Tab. 3 Parametry pomiarowe mikroskopu interferometrycznego [11]. Powiększenie Pole widzenia (mm) Rozdzielczość (um) Maksymalne nachylenie zboczy ( ) Odległość pracy (mm) NA Typ obiektywu 2,5x 6,92 x 6,92 5,4 2,2 10,3 0,075 Michelson 5x 3,46 x 3,46 3,1 4,5 9,3 0,13 Michelson 10x 1,73 x 1,73 1,3 8,6 7,4 0,3 Mirau 20x 0,865 x 0,865 1,0 16,5 4,7 0,4 Mirau 50x 0,346 x 0,346 0,4-0,6 27,5 3,4 0,55 Mirau 100x 0,173 x 0,173 0,3-0, ,7 Mirau Literatura [1] Olympus America Inc., Microscopy Resource Center, [2] C. J. Evans and J. B. Bryan, Structured, Textured or Engineered Surfaces, CIRP Ann. - Manuf. Technol., vol. 48, no. 2, pp , [3] P. M. Lonardo, D. A. Lucca, and L. D. Chiffre, Emerging Trends in Surface Metrology, CIRP Ann. - Manuf. Technol., vol. 51, no. 2, pp , [4] L. D. Chiffre, H. Kunzmann, G. N. Peggs, and D. A. Lucca, Surfaces in Precision Engineering, Microengineering and Nanotechnology, CIRP Ann. - Manuf. Technol., vol. 52, no. 2, pp , [5] A. A. G. Bruzzone, H. L. Costa, P. M. Lonardo, and D. A. Lucca, Advances in engineered surfaces for functional performance, CIRP Ann. - Manuf. Technol., vol. 57, no. 2, pp , [6] L. Blunt and X. Jiang, Advanced Techniques for Assessment Surface Topography, Butterworth-Heinemann, 2003, pp [7] Profilometria optyczna - precyzyjne pomiary metrologiczne., Przegląd Mech., no. Zeszyt 9/2005, pp , [8] Taylor Hobson - Stories, [9] Olympus Europa GmbH, Discover the OLS4000, [10] R. Leach, Ed., Optical Measurement of Surface Topography. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, [11] CCI system specifications. Taylor Hobson, [12] Imaging Sphere for Luminous Intensity (IS-LI) Software Manual.. 8