Elimine Erros Ocultos: Produção IndustrialUsando sistemas óticos telecêntricos para otimizar a precisão e reprodutibilidade de imagens industriais

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Living up to Life

IntroduçãoLonge dos olhos, longe do pensamento... Nunca mais.

Quando o primeiro microscópio foi inventado em 1590, os cientistas ficaram maravilhados com sua nova capacidade de VER pequenos objetos e características do mundo natural que antes eram invisíveis e, assim, aparentemente inexistentes. Com a constante miniaturização de peças e produtos na fabricação automatizada ao longo das últimas cinco décadas, o uso do microscópio vem passando, cada vez mais, do campo da ciência para a indústria. Hoje, os microscópios são empregados em uma infinidade de aplicações de montagem e inspeção sempre que há necessidade de visualização e medição de amostras minúsculas.

As imagens que agora temos são maiores, nítidas e luminosas. Com imagens tão impressionantes, é fácil concluir que o que vemos tem as dimensões precisas, porém nem sempre isso ocorre. Ao estudar um ponto cuja distância da lente não é conhecida com precisão ou que não esteja localizado diretamente no eixo ótico do sistema de lentes de um microscópio, os princípios fundamentais da ótica podem produzir distorções que levam a erros de observação e medição.

A ótica padrão pode ser suficiente para inspeção de objetos muito bidimensionais, como os traços em uma placa de circuito impresso, ou para a análise qualitativa de objetos não planos. No entanto, para a medição ou comparação precisa de características de um objeto tridimensional, como a superfície curva de uma peça moldada por injeção, estes erros são problemáticos.

A escolha de um microscópio com a ótica correta pode reduzir consideravelmente os erros ocultos, gerando resultados que são mais precisos e mais reprodutíveis – dois atributos que são essenciais na inspeção e medição ótica moderna.

Figura 1: Primeiro microscópio conhecido (final do século XVI)

Elimine Erros OcultosUsando sistemas óticos telecêntricos para otimização da precisão e reprodutibilidade de imagens de inspeção

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AUTOR

Clinton Smith

Gerente de Produto na Divisão Industrial da Leica Microsystems AG

Tipos de erros2.1. Erro de aumentoO erro de aumento é um fenômeno em que um objeto colocado em frente a objetiva parece ser menor ou maior do que o mesmo objeto colocado mais próximo ou mais distante (Figura 2). Este erro é comum em microscópios que utilizam a ótica padrão. Porém, ele passa a ser relevante quando se tenta medir repetidamente uma série de objetos que não estão em distância consistente da lente da objetiva, ou ao se medir múltiplas características que estão em diversas alturas de um produto muito tridimensional.

O erro de aumento reduz a precisão da medida de amostras e pode levar um controlador a reprovar peças boas ou aprovar peças ruins, aumentando o retrabalho e os custos de descarte em nível de montagem. Este erro também reduz a reprodutibilidade dos resultados quando a distância da amostra à lente varia, como na inspeção manual, na nova inspeção após o retrabalho ou na nova inspeção após uma etapa da montagem que muda a altura da amostra.

2.2. Erro relacionado ao zoomO erro de aumento também causa um erro secundário ao usar a função zoom. O zoom e o foco em lentes não telecêntricas podem causar variações não intencionais e descontroladas no aumento. Isto reduz a precisão da medição para inspeção.

O “zoom livre”, manual, tem outro impacto negativo sobre a reprodutibilidade. A reprodutibilidade é definida como a capacidade de voltar às mesmas configurações para repetição dos testes e novamente realizar, de forma confiável, o exame em uma data posterior com a obtenção dos mesmos resultados, Uma vez que, nas estações de controle, é rotina usar configurações diversas de forma alternada para diferentes peças e montagens, a alta reprodutibilidade é essencial. O retorno confiável às mesmas configurações de teste com o zoom livre, manual, é muito difícil, e a variação resultante pode gerar inconsistência das medidas de um teste para outro.

2.3. Erro de paralaxeO erro de paralaxe (também conhecido como erro de perspectiva) é causado pelo erro de aumento na visualização de objetos que são altamente tridimensionais, ou na comparação de objetos que estão em alturas diferentes no trajeto ótico. Os pontos no campo de visão que estão alinhados verticalmente, na realidade, parecem não estar mais em alinhamento.

Figura 2: Um exemplo de erro de aumento usando dois tarugos de mesmo diâmetro, mas com alturas diferentes.

A visualização em perspectiva mostra o tamanho relativo (à esquerda). Quando os mesmos itens são vistos de cima (à direita), o tarugo mais alto parece maior por estar mais perto da lente.

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NOTA DE APLICAÇÃO NA PRODUÇÃO INDUSTRIAL – ELIMINE ERROS OCULTOS

Este erro é criado ao se observar o objeto de um ângulo de inclinação (não perpendicular) (Figura 3). Um exemplo comum na microscopia é o aparente movimento de um retículo à visualização ótica relativa à amostra em análise quando o usuário move a cabeça de um lado para o outro. O mesmo efeito pode ser observado ao se medir a característica de uma amostra segurando-a em frente ou atrás da borda de uma régua ou com uma pinça, modificando a altura entre o objeto e o dispositivo de medição.

O erro de paralaxe também faz com que características que se projetam da superfície do produto pareçam se curvar para fora do eixo ótico (o centro do campo de visão). A direção e a magnitude da inclinação aparente variam conforme a posição da característica analisada no campo de visão (Figura 4). Esta distorção dificulta a reprodução do teste a não ser que a amostra seja fixada para estar sempre na mesma posição.

Telecentricidade nos microscópios modernosCom tantos erros ocultos na ótica dos microscópios padrão, pode parecer impossível inspecionar de forma confiável qualquer material que necessite de informação quantitativa. No entanto, a análise cuidadosa do projeto ótico de um microscópio pode evitar este problema. Por exemplo, alguns microscópios possuem ótica telecêntrica que elimina ou reduz consideravelmente as imprecisões e perda de reprodutibilidade causadas por erros de aumento, zoom e paralaxe.

As lentes telecêntricas existem há décadas, mas foram consideradas “exóticas” ao longo do século XX e relegadas a aplicações periféricas. A tecnologia passou a ser amplamente empregada nos últimos dez anos com a expansão do uso de técnicas de imagens mecânicas e medição visual de controle de qualidade na produção industrial.

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Figura 3: Imprecisão de medida provocada pelo erro de paralaxe.

Na imagem à esquerda, o cartucho está centralizado no campo de visão e a medida na tela é de 4,62 mm do centro do orifício (longe da objetiva) até a borda do mesmo (próximo da objetiva).

Na imagem à direita, a mesma medida não está centralizada e a distância muda para 5,12 mm.

Figura 4: O erro de paralaxe faz com que características elevadas (à esquerda) pareçam se inclinar e distanciar do centro do campo quando vistas de cima (à direita).

A telecentricidade é a característica de um sistema ótico em que todos os raios principais (o raio central de cada feixe de raios) que passam pelo sistema são muito colimados e quase paralelos ao eixo ótico. Um sistema ótico pode ser telecêntrico no espaço da imagem (o lado da lente ocular/câmera), no espaço do objeto (o lado da objetiva) ou em ambos. A telecentricidade é conseguida por meio da colocação de um interruptor (stop) ótico (uma tela opaca com um pequeno orifício central) atrás do ponto focal da lente composta (Figura 5).

Em termos mais simples, ao visualizar um objeto através da lente telecêntrica, o usuário está vendo “diretamente” todos os pontos do campo de visão. Por outro lado, com a ótica não telecêntrica, o usuário visualiza bem apenas o que está exatamente no centro do campo de visão e somente em um ângulo.

Vantagens da telecentricidade no espaço do objeto (lado da objetiva)

O projeto de um microscópio com telecentricidade dá ao sistema diversas propriedades óticas que melhoram muito a precisão da medição, reduzem a distorção e aumentam a reprodutibilidade dos resultados.

4.1. Aumento constanteA propriedade mais importante do sistema ótico telecêntrico é o aumento constante com a variação da distância entre a amostra e a objetiva do microscópio. Este conceito pode ser difícil de entender, pois não enxergamos de forma telecêntrica. Ao olho humano, os objetos mais próximos parecem maiores do que os mais distantes. Isto funciona bem na visualização normal, mas, ao criar imagens de produtos que devem ser medidos de maneira precisa e passível de reprodução, o aumento constante é fundamental.

O aumento constante melhora a repetitividade na inspeção de amostras de diferentes alturas porque o tamanho aparente do objeto não é alterado pela sua distância da lente da objetiva (Figura 6). O aumento constante também permite a medição mais precisa de formatos tridimensionais complexos, como uma peça grande cujas superfícies também apresentam várias alturas.

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NOTA DE APLICAÇÃO NA PRODUÇÃO INDUSTRIAL – ELIMINE ERROS OCULTOS

Figura 5: Diagramas dos raios de sistemas ópticos telecêntricos.

Os raios principais são paralelos ao eixo ótico no espaço do objeto (acima), no espaço da imagem (no centro) ou em ambos (abaixo).

Ao medir características usando um retículo ou gratícula na tela, o aumento constante assegura que a distância entre pontos mais elevados não pareçam artificialmente maiores do que a mesma distância entre os mais baixos. O aumento constante também melhora a reprodutibilidade ao visualizar novamente uma amostra visualizada previamente em uma altura diferente.

4.2. Melhor zoomUm importantíssimo benefício do aumento constante é permitir o uso reprodutível e confiável da função zoom. Ao eliminar o erro de aumento, as lentes telecêntricas minimizam as variações não intencionais e não controláveis do aumento causadas pelo movimento da objetiva ao zoom e foco. Isto melhora muito a precisão da medição ótica. Quando acopladas a um mecanismo de posicionamento do tipo click-stop ou zoom integrado, as lentes telecêntricas podem proporcionar a funcionalidade de zoom de forma precisa e altamente passível de repetição.

4.3. Desfocagem simétricaCom a ótica telecêntrica, as características de uma amostra podem ser medidas com precisão mesmo que estejam fora de foco porque os objetos que não estão no ponto de melhor foco são desfocados de maneira simétrica. Isto faz com que a posição central seja constante e permite a localização precisa de características e bordas sem distorção. Com a desfocagem simétrica, não é mais necessário que o usuário mantenha todos os pontos de uma amostra em foco simultâneo.

4.4. Ausência de erro de paralaxe (erro de perspectiva)A eliminação do erro de paralaxe é essencial à obtenção de resultados que sejam precisos e reprodutíveis na análise de objetos que sejam altamente tridimensionais, como ao medir características pequenas em vários pontos de uma peça grande (Figura 7). O uso da ótica telecêntrica assegura que o formato aparente e a localização de características no objeto não variem se a peça for movida para outro ponto do campo de visão (ou se a peça for removida e inspecionada novamente em outro local).

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Figura 7: Comparação de características elevadas (da Figura 4) visualizadas através da ótica comum (à esquerda) e da ótica telecêntrica (à direita).

Figura 6: Objetos de mesmo diâmetro em diferentes distâncias da lente (da Figura 2), visualizados através da ótica de uma câmera padrão (à esquerda) e da ótica de uma câmera telecêntrica (à direita).

4.5. Igualdade das linhas de visualização em todos os pontos do campo de visãoCom a ótica comum, a linha de visualização é perpendicular ao plano de inspeção apenas no centro do campo de visão e todos os demais pontos são vistos em ângulo. Isto significa que as características em nível mais baixo, que não estejam centralizadas em relação ao campo de visão, podem ser ocultas pelas características elevadas adjacentes. Como a ótica telecêntrica é desenvolvida para visualização direta de todos os pontos no campo de visão, estes problemas são eliminados. Isto permite a visualização de pontos difíceis, como o diâmetro interno de dois tubos paralelos afastados um do outro ou das porções inferiores de orifícios profundos que estejam fora da linha de eixo ótico (Figura 8).

Alternativas às lentes telecêntricas

5.1. SoftwareÉ um engano comum entre os usuários de equipamentos com ótica telecêntrica acreditar que há um mecanismo de software para ajuste da imagem e obtenção do aumento constante e redução de outros erros. Embora isso seja parcialmente possível, muitas das vantagens das lentes telecêntricas não podem ser reproduzidas de forma precisa pelo software.

5.2. Certificação e calibragem óticaOutro engano comum entre os microscopistas é que a certificação terceirizada da ótica de cada microscópio assegura a precisão e a reprodutibilidade da inspeção. Na verdade, as normas governamentais geralmente certificam os equipamentos de calibragem, mas não certificam instrumentos individualmente.

Os fabricantes de microscópios podem realizar calibragens internas em instrumentos individuais, mas aqui outra desvantagem da capacidade de zoom livre passa a ser importante. Após a calibragem inicial pelo fabricante, a variação introduzida pela configuração de zoom dificulta a reprodução das condições de calibragem em campo.

As calibragens realizadas no momento da fabricação podem ajudar a reprodutibilidade ao aumentar a consistência do desempenho entre microscópios produzidos pelo mesmo fornecedor. No entanto, a calibragem não é capaz de eliminar os erros que são causados por princípios óticos fundamentais das lentes não telecêntricas, como o paralaxe e a ausência de aumento constante.

ConclusãoOs sistemas óticos dos novos equipamentos de microscopia podem estar sujeitos a uma variedade de erros ocultos. A análise cuidadosa do projeto ótico usado no equipamento é extremamente importante. O emprego de microscópios com sistemas óticos telecêntricos reduz ou elimina muitos destes erros para otimizar a qualidade da imagem, a precisão e a reprodutibilidade da medição.

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Figura 8: Comparação das imagens de uma peça complexa vista através da ótica comum e da óptica telecêntrica.

As linhas de visualização das porções inferiores de orifícios profundos são parcialmente obstruídas pelas bordas superiores dos orifícios quando vistas de forma não centralizada com ótica padrão (à esquerda).

Quando visualizada com a ótica telecên-trica (à direita), toda a superfície da porção inferior do orifício é visível.

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