Fehlerfrei vermessen

Anneliese E. Schmaus, Geschäftsführerin, Klughammer Industrie Gmbh, Markt Indersdorf

Um die erste Frage beantworten zu können ist es wichtig, mehr über die Stereomikroskope zu erfahren. Die Antwort auf die zweite Frage lautet: exaktes Vermessen von Objekten ist mit einem Zoom Video Mikroskop möglich.

Mitte des 19. Jahrhunderts baute Francis Herbert Wenham das erste echte Stereomikroskop, wobei zum ersten Mal der Lichtstrahl mit einer achromatischen Linse geteilt wurde. Der Amerikaner Horatio S. Greenough wurde mit seinem Stereomikroskop bekannt, welches als Doppelmikroskop Zeiss’scher Bauart bekannt wurde, da es von der Firma Zeiss in abgewandelter Form gebaut wurde. Noch heute werden Mikroskope mit dem „Greenough Prinzip“ eingesetzt. Sie liefern aufgerichtete Bilder sehr guter Qualität und sind preiswert (Bild 1).

Neben den Greenough Stereomikroskopen gibt es Stereomikroskope mit einer Hauptlinse (CMO – Common Main Objective). Diese Stereomikroskope arbeiten nach dem Fernrohr- bzw. Teleskop-Prinzip. Hierbei handelt es sich um ein Mikroskop mit zwei Strahlengängen, welche in einer Linse zusammengefasst werden. Diese Mikroskope verfügen über eine unendliche Optik, d.h. die Optik erzeugt parallele Lichtstrahlen. Für Fernrohrmikroskope gibt es eine Vielzahl an Erweiterungsmöglichkeiten.

Mitte des 20. Jahrhunderts baute die amerikanische Firma Bausch & Lomb das erste Stereomikroskop mit Zoomoptik. Diese Art von Stereomikroskopen wurde ab 1960 auch von allen bekannten Herstellern angeboten (Bild 2). Das Stereomikroskop nach dem Fernrohrprinzip arbeitet nicht mit zwei getrennten Strahlengängen, sondern mit einem Strahlengang. Durch eine Pupillenteilung wird der dreidimensionale Raumeindruck erzeugt.

Ob ein Greenough Stereomikroskop oder das Stereomikroskop nach dem Fernrohrprinzip eingesetzt werden soll ist alleine von der Anwendung und dem Budget abhängig.

Mit beiden Mikroskoptypen ist es möglich, dreidimensionale Objekte zu betrachten. Das menschliche Gehirn ist in der Lage, zwei leicht unterschiedliche Bilder zu einem Bild zusammenzufügen. Der Stereoeindruck wird auf Grund unserer Wahrnehmen des unterschiedlichen Blickwinkels der zwei Bildern erzeugt. Beim Greenough Mikroskop sind die beiden Stereomikroskop-Bilder um etwa 16° (Konvergenz) geneigt. Dadurch wird dem Betrachter ein natürliches, dreidimensionales Bild vermittelt.

Beim Fernrohrprinzip werden die divergierenden (auseinander laufenden) Strahlenbündel durch ein unendlich korrigiertes Objektiv in der Zwischenebene abgebildet und können dann von beiden Okularen betrachtet werden. Betrachter mit konvergierenden (zusammenlaufenden) oder divergierenden (auseinander laufenden) Augenachsen, ermüden sehr schnell bei längerem Arbeiten am Stereomikroskop mit dem Fernrohrprinzip.

Das Messen mit einem Stereomikroskop ist nicht zu empfehlen, da es einen „schrägen“ Strahlengang besitzt. Der Winkel des Strahlengangs beträgt 6–7° zur vertikalen Achse des Stereomikroskop-Objektivs. Dadurch entsteht ein Messfehler, sobald während der X-Y Messung der Höhentrieb (Z-Achse) verschoben wird.

Beim Greenough Mikroskop ist das Objektiv in einem leichten Winkel zum Gegenstand positioniert. Somit entspricht die Darstellung in den Okularen nicht der Darstellung auf dem Kamerachip. Außerdem kann es zu Verzeichnung kommen. Dies ist dann der Fall wenn Bild und Gegenstand in ihrer Ausdehnung geometrisch nicht mehr übereinstimmen. Dieser Fehler ist vor allem bei Linien und Flächen sichtbar. Für einige wenige Stereomikroskope gibt es Ansätze zum Ausrichten der optischen Achse an. Damit wird die optische Achse senkrecht auf das Objekt ausgerichtet. Hierfür wird das Hauptobjektiv in die optische Achse des linken oder des rechten Strahlengangs geschwenkt. In dieser Stellung wird das Objekt senkrecht betrachtet. Der Konvergenzwinkel ist dann 0°.

Diese Ausrichtung wird vor allem bei der Fotografie oder bei der Messung eines Objektes verwendet. Mit dem senkrechten Strahlengang werden verzeichnungsfreie und völlig ebene Bilder aufgenommen. Fehler, die durch eine Seitenansicht entstehen können, werden hierbei vermieden. Dieses Verfahren empfiehlt sich auch bei Messungen und Arbeiten im polarisiertem Licht. Verzeichnungsfreie Bilder sind unter anderem notwendig, wenn ein Stapel Bilder (Z-Achse) zu einem tiefenscharfen Bild gerechnet werden soll (extended depth of field, full focus).

Ein weiterer Aspekt, der bei Messungen mit Stereomikroskopen beachtet werden muss, ist der Parallaxenfehler. Unter einer Parallaxe versteht man den Winkel zwischen zwei Geraden, die von unterschiedlichen Ausgangspunkten zum gleichen Objekt führen. Es gibt einige wenige Stereomikroskope, die es ermöglichen, ein parallaxenfreies Bild aufzunehmen. Hierzu wird der linke oder rechte Strahlengang so gelenkt, dass er komplett vom Objektiv bis hin zum Okular und zum Fototubus senkrecht auf dem Objekt steht.

Da vor allem in der Industrie, wo Messungen an der Tagesordnung sind, diese Proble- matik zum Tragen kommt, wird von Klughammer Industrie eine Palette von Video Zoom Mikroskopen angeboten, die es ermöglichen, fehlerfrei Objekte zu vermessen (Bild 3).

Ein Video Zoom Mikroskop besteht aus einem einzigen Strahlengang. Probleme wie Konvergenzwinkel und Parallaxenfehler kommen somit nicht zum Tragen. Zoomfaktoren zwischen 6:1 und 16:1 erlauben die Darstellung verschieden großer Objekte. Da die Mikroskope modular aufgebaut sind, kann der Anwender „sein“ Mikroskop konfigurieren lassen.

Ein C-Mount Gewinde ermöglicht den Anschluss aller auf dem Markt befindlichen C-Mount Kameras. Der Zoomfaktor wird entweder stufenlos oder mit Rastung eingestellt. Das Arbeiten mit Rastung empfiehlt sich wenn vermessen werden soll. Die Kalibrierung wird pro Rastung mit einem Objektmikrometer durchgeführt und einmal am Computer abgespeichert. Diese Kalibrierungen werden bei anschließenden Messungen am Computer abgerufen. Die Darstellung des automatisch erstellten Maßstabs im Bild erlaubt es, diese Bilder in andere Programme ohne Informationsverlust zu exportieren.

Für das Zoom Mikroskop stehen unterschiedliche Beleuchtungsarten zur Verfügung. Je nach betrachteter Oberfläche kann zwischen koaxialer Beleuchtung – hierbei wird ein flexibler Lichtleiter direkt an das Mikroskop angeschlossen -, Ringlichtbeleuchtung und Schräglichtbeleuchtung gewählt werden. Außerdem ist eine Durchlichteinheit erhältlich. Die koaxiale Beleuchtung empfiehlt sich bei sehr ebenen, glänzenden Oberflächen. Ringlichter (Kaltlicht oder LED) werden hauptsächlich bei dreidimensionalen Oberflächen, zur gleichmäßigen Ausleuchtung eingesetzt. Schräglichtbeleuchtung (Kaltlicht oder LED) wird für Risserkennungen und ähnliches eingesetzt, da der erzeugte Schatten die Erkennung verbessert. Die Durchlichteinheit erleichtert die Darstellung und Vermessung von Bohrungen.

Die Kombination einzelner Beleuchtungsarten ist möglich.

Zusätzlich zu den vorhandenen Objektiven des Herstellers stehen hochauflösende Objektive von Mitutoyo, Nikon und Olympus zur Verfügung. Zur Auswahl stehen Objektive von 5x bis zu 100x. Damit wird eine N.A. (Numerische Apertur) von bis zu 0.8 erreicht, welche die Darstellung der Tiefenschärfe beeinflusst. Hervorzuheben ist auch, dass diese Objektive im Hinblick auf einen möglichst hohen Arbeitsabstand entwickelt wurden. So verfügt ein Zoom Mikroskop mit einer Gesamtvergrößerung von 100x (entsprechend der Vergrößerung eines Stereomikroskops) über einen Standard Arbeitsabstand von 89 mm. Bei Bedarf kann der Arbeitsabstand bei dieser Vergrößerung auch auf 178 mm erhöht werden.

Der Einsatz der Video Zoom Mikroskope für Polarisation ist möglich. Für Spezialanwendungen ist ein Fluoreszenzmodul erhältlich, welches die Verwendung von beliebigen Filterblöcken erlaubt. Die Beleuchtung des Fluoreszenzmoduls erfolgt über die koaxiale Lichtleiterzufuhr mit Xenon oder Hg Lampen. Bei den genannten Betrachtungsarten, bleiben alle Vorzüge, wie fehlerfreie Abbildung, hoher Arbeitsabstand und kompakte Bauweise erhalten.

Alle Video Zoom Mikroskope können optional mit DC Motoren oder Schrittmotoren ausgerüstet werden. Diese werden mit einem Bedienpult direkt oder vom Computer aus gesteuert.

Für sehr genaues Vermessen von höheren Objekten ist die telezentrische Ausführung des Video Zoom Mikroskops zu empfehlen. Das telezentrische Video Zoom Mikroskop wurde so entwickelt, dass der vertikale Strahlengang konstant parallel bleibt (Bild 4).

Abschließend kann gesagt werden, dass Video Zoom Mikroskope überall dort eingesetzt werden, wo ein senkrechter Strahlengang und ein hochauflösendes Objektiv in der Anwendung Vorteile bringen.

Klughammer, Markt Indersdorf

QE 520

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