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工业应用的显微镜照明

如何为显微分析选择合适的光源

Inspection microscope image of a printed circuit board (PCB) taken with a ring light (RL) and near vertical illumination (NVI). PCB_taken_with_a_ring_light_and_near_vertical_illumination.jpg

本文旨在为使用显微镜检测的用户提供实用的建议,帮助他们为零件或组件观察选择最佳照明或照明系统。显微镜使用的照明会严重影响到最终的图像质量,并且会对可视化细节造成显著影响。以下信息可以帮助用户选择可针对显微分析需求优化成像结果的照明。

显微镜检测需要什么样的照明?

工业制造和生产、流程工艺、质量控制和保证(QC/QA)、故障分析(FA)或研发(R&D)的零部件检查通常需要借助显微镜完成。所用显微镜的性能对于检测效率有着巨大影响。

如何选择有助于帮助使用显微镜检测的用户获取最佳图像结果的照明,取决于此类零部件的类型以及必须显示的感兴趣细节[1-4]。

本文可以为需要使用显微镜检测的用户提供实用的建议,帮助他们为零件或组件观察选择最佳照明或照明系统。以下信息可以帮助用户选择适合显微分析的照明。

什么类型的显微镜光源最合适显微分析?

10 到 20 多年前,卤素灯[5]是显微镜检测最常用的照明类型。不过,也是从那时候起,LED(发光二极管)灯[6、7]越来越多用于显微镜照明。

LED 照明的优点

相比卤素灯,LED 显微镜照明技术可以为显微镜成像提供多项优点。具体包括:

  • 更长的使用寿命(25,000 到 50,000 小时)
  • 更低的功耗
  • 色温自然
  • 即使在低亮度状况下也能保持恒定色温
  • 更低的发热(作为冷光源,用于对温度敏感的样品)
  • 更为实用且紧凑的设计

为什么显微镜照明在显微分析过程中极为重要?

如果需要选择合适的照明类型以便对部件或零件进行高质量的显微观察和成像,需要考虑哪些关键因素:

  • 待观察的样品类型(组件、零件等);
  • 需要分析的样品特征(发光或透明区域、孔洞、划痕、表面结构等);
  • 当前采用的照明类型很难用于某些特定应用(显微分析、FA、R&D 等);
  • 在显微镜观察过程中需要接触样品,例如,使用镊子、烙铁或其他需要在样品和物镜之间保持足够工作距离的工具[8、9]。

使用显微镜进行检测的用户可以必须尝试多种照明类型才能找到最佳照明[10、11]。

选择合适的 LED 显微镜照明

LED 照明解决方案描述如下。包括 LED3000 和 LED5000 系统,主要用于立体[9]或数码显微镜[12],通常用于进行显微分析。需要用到它们的其他应用示例包括故障分析(FA)和研发(R&D)。LED3000 和 LED5000 照明系统的一些基本信息如表 1 所示。

LED3000 和 LED5000 显微镜照明解决方案概述

环形灯(RL)提供明亮且均匀的照明;适用于多种类型的零部件。此外,扩散器和偏振光组可用于两种环形灯类型。这些配件可以减少眩光和斑点突出的问题。


同轴照明(CXI),其中的光束经引导通过光学器件,在零部件上发生反射,最适合光滑和反射组件。如果必须评估细微裂纹或表面质量,这种光源尤其有用。


近垂直照明(NVI)通过非常靠近光轴放置的 LED 灯实现。它能提供几乎没有阴影的照明,适用于有凹槽和深孔的零部件,或者需要长工作距离的零部件。


采用灵活鹅颈设计的聚光灯照明(SLI)提供适合多种类型零部件的高对比度照明。


漫射和高度漫射照明(DI 和 HDI)专为反光、非平面或弯曲的零部件设计。由于背反射光的数量,这些情况很难成像。


多重对比照明,利用来自两个不同方向和角度的照明实现可重复对比,对于很难找到细节的零部件特别有用。


背光照明(BLI)可以为具有透明区域的零部件提供透射照明。

徕卡 LED5000 和 和 LED3000 的照明效果

不同样品的示例图如下所示。这些图像由配备 Flexacam C3 显微镜相机和 LED3000 或LED5000 照明系统的徕卡体视显微镜(M60 或 M125)记录。所用照明类型为环形灯(RL)[带漫射器或偏振器]、近垂直(NVI)、同轴(CXI)、聚光灯(SLI)、多重对比(MCI)和漫射(DI)或高度漫射(HDI)照明。

参考样品:硬币

图 1 显示了使用各种 LED 照明获得的金属硬币图像。硬币图像清晰展示出不同对比度带来的差异。

印刷电路板( (PCB )

图 2 显示了使用 RL、NVI 和 SLI 照明记录的印刷电路板图像。

晶圆加工

图 3 显示了使用 RL、NVI、CXI 和 SLI 照明记录的晶圆加工图像。

汽车零部件

图 4 显示了使用 RL、NVI 和 SLI 照明记录的链轮图像。

医疗器械

图 5 显示了使用 RL、NVI 或 SLI 照明记录的髋关节植入物图像。

显微镜检测时 LED 照明选择指南

显微镜检测时 LED 照明选择指南
下方表 2 显示了 LED3000 和 LED5000 系列照明解决方案的快速选择指南。LED3000 系列专为常规应用(例如纤维分析和质量控制)设计,而 LED5000 系列更适合高级应用(例如故障分析和研发)。本指南可以帮助显微镜用户,为特定组件或零件的显微分析寻找最为合适的照明系统。

其他推荐

除了集成到徕卡显微镜的高质量光学器件,在选择照明系统时,必须确定要分析的组件细节和观察所需的视场(物场)。还值得考虑显微镜计算机编码的优势和显微镜光学性能,例如物镜在传输、色差校正和平面偏差方面的优势,即平面复消色差、消色差等。

结论

有时,很难找到适合检测零部件的显微镜照明系列。然而,此处提到的意见和建议可以帮助用户了解各种照明解决方案,从而找到能够为图像观察和记录提供最佳结果的解决方案。

References

  1. Nelson, L. Sample Determines Lighting Techniques, Back to Basics Microscopy, R&D Magazine (2001) vol. 43, iss. 7, p. 49.
  2. Diez, D.: Metallography – an Introduction: How to Reveal Microstructural Features of Metals and Alloys. Science Lab (2020) Leica Microsystems.
  3. Christian, U., and Jost, N.: Metallography with Color and Contrast: The Possibilities of Microstructural Contrasting. Science Lab (2011) Leica Microsystems.
  4. Ockenga, W.: Polarization Contrast: An Introduction. Science Lab (2011) Leica Microsystems.
  5. S. Sirek, R. Kane, The Tungsten Halogen Lamp, Ch. 4 in Revolution in Lamps: A Chronicle of 50 Years of Progress, 2nd Ed., R. Kane, H. Sell, Eds. (River Publishers, 2020, New York) DOI: 10.1201/9781003150985. 
  6. LEDS and OLEDS (2013) Edison Tech Center.
  7. J. Cho, J.H. Park, J.K. Kim, E.F. Schubert, White light-emitting diodes: History, progress, and future, Laser & Photonics Reviews (2017) vol. 11, iss. 2, 1600147, DOI: 10.1002/lpor.201600147.
  8. J. DeRose, D. Barbero, How to select the right solution for visual inspection: Factors to consider when looking for a routine inspection microscope, Science Lab (2021) Leica Microsystems. 
  9. Goeggel, D. Key Factors to Consider When Selecting a Stereo Microscope, Science Lab (2020) Leica Microsystems.
  10. Goeggel, D., and Schlaffer, G.: 3D Visualization of Surface Structures, Vertical Resolution – Small Steps, Big Effect. Science Lab (2012) Leica Microsystems.
  11. Birlenbach, M., Holenstein, R. Higher Motivation, Longer Concentration - Ergonomics as a Competitive Advantage: Microscope Workplace Design in Quality Control. Science Lab (2013) Leica Microsystems.
  12. J. DeRose, G. Schlaffer, What You Always Wanted to Know About Digital Microscopy, but Never Got Around to Asking, Science Lab (2015) Leica Microsystems.
     

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