数码检测显微镜的工业应用

DeRose, James

March 29, 2023

数码检测显微镜的工业应用

如何选择合适的显微镜，帮助用户实现高效的工作流程

[Translate to chinese:] The Emspira 3 digital microscope offers what users need for comprehensive visual inspection, including comparison, measurement, and documentation sharing. Emspira_3_digital_microscope.jpg

本文讨论了在选择用于显微分析和质量控制（QC）以及故障分析（FA）和研发（R&D）的数码显微镜之前，用户应当考虑的因素。关键在于需要事先充分了解汽车、电子、机械工程和医疗设备等行业的应用要求和用户需求。显微镜解决方案不仅应当帮助用户实现高效、可靠的显微分析、QC、FA以及研发工作，还应当易于操作、满足用户需求，同时方便报告并分享结果。

为何使用数码检测显微镜？

如今，许多行业，如汽车、运输、电子、机械工程和医疗设备，越来越多地采用以工作流程为中心的生产流程。此举是为了制造性能更佳、寿命更长的产品，同时在满足日益严苛的质量规格和标准的前提下，依然保持制造流程的经济性。

工业制造和生产、流程技术、质量控制和保证（QC/QA）、故障分析（FA）、产品创新，或研发（R&D）的零部件检查通常需要借助显微镜完成。所用显微镜的功能在检测效率方面可以产生巨大的差异[1,2]。有关选择常规检测显微镜考虑事项的更多信息，读者可以查阅参考文件1。

使用数码显微镜能够以高效、可靠且符合人体工程学的方式对零组件进行检查、记录和深入分析，以确定是否符合产品规格[2,3]。数码显微镜无需目镜，而是直接在显示器上显示图像。

如果决定使用数码显微镜进行显微分析，用户应当确认显微镜的光学性能和定制性能可以满足显微分析、QC、FA和研发的需求。为帮助用户选择显微分析所需的数码显微镜，以下部分讨论了用户需要考虑的主要因素。

需要考虑的因素

放大倍率和分辨率

有些零部件需要从宏观整体到微观细节进行显微分析：从宏观（>2毫米）到细观（<2毫米到50微米），再到微观（<50微米到1微米）[参考图1]。

[Translate to chinese:] Diagram demonstrating the defined length scales concerning the use of microscopy for inspection. — 图1：此图显示了使用显微镜进行显微分析时定义的长度比例。

鉴于数码显微镜的性能，以下是在这些尺寸比例进行显微分析时需要考虑的重要因素 [1]:

足够高的放大倍率和分辨率，以展现细观或微观比例的微小细节
放大范围，方便用户能够迅速从零部件示意图转到观察微小细节（参考以下示例）

显微镜的性能还取决于光学器件对于色差和图像平面度的校正能力，例如复消色差校正和平面偏差校正 [1]。

主要应用领域

确定使用数码显微镜的主要应用领域同样至关重要。以下列举了这些涉及显微分析和质量控制（QC）、故障分析（FA）和研发（R&D）的领域。

在线，随机，或离线质量控制（QC）

大多数情况下，生产过程中的显微分析以及在线和随机QC会直接在生产现场进行，以检测产品是否存在任何缺陷或异常。在生产过程的关键环节进行快速检查或筛选有助于确保产品符合质量标准和规范。离线QC通常在生产活动的各个阶段进行，但远离生产现场，其目的是进一步减少，甚至消除不符合特定规格的检测产品。离线QC的频率低于在线或随机QC，而且通常需要对零部件进行更为详细的调查。

快速检查或深入分析（FA或R&D）

对于源自生产或服务阶段的FA，以及原型设计和产品开发（R&D），有时可能需要对零部件进行快速检查或深入分析。快速检查或深入分析均可用于对故障进行根本原因分析，或者在研发阶段开展原型研究。根本原因分析通常需要对一个或多个零部件或者连接进行详细评估，以清楚了解导致产品故障的原因。在产品开发过程中，原型设计通常可以借助对零部件和连接进行快速检查或深入分析，实现优化，从而验证产品性能，并且能以高效率的方式投入生产。

徕卡数码显微镜提升显微分析效率

合适的应用领域

通过选择合适的徕卡数码显微镜（参见下方的图2和表1），可以满足用户对于显微分析、QC、FA以及研发的不同需求:

Emspira 3数码显微镜有助于在线或随机QC实现高效率的显微分析、基础分析和记录，同时在宏观到细观（>2毫米到50微米）比例上实现FA和研发的快速检查
DVM6数码显微镜可实现高效的显微分析、详细分析和记录，以便在细观到微观（2毫米到1微米）比例上对FA和研发工作进行离线QC和深入分析

[Translate to chinese:] Chart showing the appropriate range of scale for using the Emspira 3 or DVM6 digital microscope. For each microscope there are specific advantages to consider when selecting the most appropriate solution to help optimize the workflow. — 图2：本图表显示了使用Emspira 3或DVM6数码显微镜时的相应比例范围。对于每款显微镜，在选择最合适的解决方案以帮助优化工作流程时，需要考虑每款显微镜的特定优势。

徕卡数码显微镜的应用领域

在线或随机QC / FA或研发工作的快速检查	离线QC / FA或研发工作的深入分析
Emspira 3	DVM6
宏观到细观（>2毫米到50微米）	细观到微观（<2毫米到1微米）

表1：适合使用Emspira 3和DVM6数码显微镜进行显微分析和质量控制（QC）、故障分析（FA）和研发（R&D）的应用领域。

徕卡数码显微镜的优势

下方表2显示了Emspira 3或DVM6数码显微镜带给使用者的不同优势。

Emspira 3	DVM6
在概览中的单个图像内看到组件的大面积区域（最大面积=76×43毫米）	通过编码系统轻松存储并快速调用重要参数，例如光学、照明、倾斜角度以及相机设置
快速放大感兴趣的区域，以便用更高的放大倍率和分辨率呈现细节	使用XYZ多样载物台快速、轻松地查看零部件细节：这种载物台既可以手动移动并旋转，也可以电动控制
即便处于独立运行模式，无需计算机即可进行分析、比较并分享数据	利用一体式倾斜支架和多种光学对比法（例如LED环形灯和同轴照明），可以快速呈现原本难以观察到的零部件细节；完全集成，无需在使用过程中临时安装
使用编码变焦光学元件，确保获得正确的结果	使用扩展景深（EDoF）和XYZ拼接技术，对于具有较大高度差的区域，快速获取大型拼接示意图
坚固的IP21外壳可以保护内部的光学器件和机械装置，确保能够在工业环境中长期工作	通过滑入方式快速更改物镜；从最小放大倍率快速切换到最大放大倍率
采用抗菌表面降低细菌传播风险	只需利用自动对焦功能开始研究，即可在浏览样品的同时，保持图像清晰对焦
最大分辨率为3微米（337线对/毫米）	最大分辨率为0.42微米（2,366线对/毫米）
利用1,200万像素相机传感器获取清晰的图像	利用1,000万像素相机传感器获取清晰的图像

表2：Emspira 3和DVM6数码显微镜在显微分析、质量控制、FA和研发方面的优势。

在线、随机或离线QC的示例：电子设备的显微分析

在线或随机QC

利用在线QC检查缺陷或错误时，显微镜通常可以用于：

在较低放大倍率下获取零部件的整体示意图。
快速放大零部件的感兴趣区域，后者需要在更高的放大倍率下进行更为详细的检查，以查看微小细节。

作为一个在线或随机QC的潜在案例，图3显示了使用徕卡数码显微镜（如Emspira 3）记录的硬盘部件图像。此例中，我们可以看到硬盘磁碟或盘片读写头和驱动臂（图3a）的示意图。接着，通过轻松、快捷地增加变焦系数，可以记录读写头和驱动臂的图像（图3b），从而在较高放大倍率下呈现划痕（缺陷）以供记录。

[Translate to chinese:] Image of a hard drive read-write head and actuator arm at lower magnification. — 图3a：较低放大倍率下硬盘读写头和驱动臂的图像。

[Translate to chinese:] Zoom-in of the indicated area in Fig. 3a showing more detail of the same hard drive read-write head and actuator arm. There are scratches on the arm’s metal surface near the head (arrow). — 图3b：放大图3a中的指定区域，以呈现同一硬盘读写头和驱动臂的更多细节。驱动臂靠近头部区域的金属表面有划痕（箭头位置）。

离线QC

对于离线QC期间的显微分析，显微镜通常用于对零部件进行更为详细的检查，这对于在线QC来说不切实际或者没有可能。作为离线QC的潜在案例之一，图4显示了硬盘底部的局部图像，即PCB电路板的底面。使用DVM6显微镜拍摄的图像，该显微镜配备一体式环形灯（图4a）以及采用四分之一波片和浮雕对比法（图4b）的同轴照明装置。我们可以看到焊盘、迹线、通孔以及基板表面。硬盘PCB电路板底面的不同细节，例如划痕、缺陷和污染，在其中一张图像上有着更加清晰的显示。正如硬盘PCB电路板所示，DVM6的一体式照明装置和多种光学对比法确保用户能够观察并记录难以看到的零部件细节，而且更加高效，因为无需更改显微镜设置。

[Translate to chinese:] Image of a portion of the PCB underside of a hard drive taken with the DVM6 using the integrated LED ring light and diffusor. Compare areas encircled and denoted by arrows with Fig. 4b showing an image of the same area taken with coaxial illumination. — 图4a：DVM6拍摄的硬盘底部PCB电路板的局部图像，该显微镜配备一体式LED环形灯和漫射器。将圈出区域以及箭头标记位置同图4b进行比较，后者呈现了配备同轴照明装置的显微镜对相同区域拍摄的图像。

[Translate to chinese:] Image of the same portion of the PCB shown in Fig. 4a. The image was recorded with the DVM6 using integrated coaxial oblique illumination and 1/4 wave plate with relief contrast. Notice the scratches and defects on the pads (arrows) and imperfections and variations on the substrate (encircled areas) become more visible compared to the ring light illumination (Fig. 4a). — 图4b：图4a中所示相同PCB区域的图像。使用DVM6拍摄的图像，该显微镜配备一体式同轴倾斜照明装置和采用浮雕对比法的四分之一波片。请注意，相比环形灯照明图像（图4a），焊盘上的划痕和缺陷（箭头所示区域）以及基板上的缺陷和变化（圈出区域）变得更为明显。

总结

许多行业要求以更高的效率和更低成本，生产数量更多的零部件，同时必须满足日益严苛的产品规格。因此，制造商需要不断提高工作流程的效率，不论是显微分析和生产、质量控制和保证（QC/QA）、故障分析（FA），还是研发（R&D）。通常，工作流程从宏观比例扩展到细观比例，再到微观比例。

徕卡数码显微镜无需目镜即可工作，可以在显示器上直接观察零部件的实时图像，确保用户能够以高效且符合人体工程学的方式开展工作。它们可以用于不同行业的显微分析、QC/QA、FA和研发，以优化整个工作流程。本文介绍了根据用户需求选择合适的数码显微镜时需要考虑的因素。

References

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