HIROX. Сделано в Японии. Путь к вершинам

Андрей Ляпин

Введение

Компания HIROX Со. (произносится «хай-рокс», созвучно со словом «высокогорье» по-английски) много лет назад прославилась производством оптики Hi-End-класса (рис. 1). Сейчас это авторитетный OEM-поставщик оптики для NASA, американской армии и некоторых Hi-Tech-изделий европейских производителей, скажем, Leica и Technolab.

Объединив усилия с компанией Omron (известным производителем медицинского оборудования), HIROX выпустила в 1999 году уникальный цифровой ЗО-видеомикроскоп высокого разрешения с функциями бесконтактных измерений по трем координатам. Качество увеличенного изображения и до тех пор невиданные функциональные возможности системы позволили новинке практически сразу найти потребителей в самых разных областях деятельности — от научных исследований до использования в производственных задачах самого сложного технологического
уровня. Новинку выбрали фармацевты и медики (Boston Scientific, Medtronic, Guidant, Abbott Lab, Dentsply, US Surgical, Philips Medical, Hoff-

man La Roche, Roche, Diagnistic, Pfizer, Schering Plough, Merck & Co), материаловеды и химики (Dow Chemical, Expro Chemicals, Hosogawa Micron, Eastman Kodak, Xerox, 3M, Milliken, Church & Dwight, Corning, GE), производители, работающие в автомобильной и аэрокосмической промышленности (Boeing, McDo-nell Douglas, NASA, Lockheed Martin, Northrop Grum-man, Raytheon, Toyota, Honda, GM, Denso, Visteon), известные университеты (MIT, UCLA, Wichita State, Univ. of Alabama, University of Texas Austin, Georgia
Tech), криминалисты, судмедэксперты, известные мировые музеи. В электронике и микроэлектронике потребителями HIROX стали Motorola, Intel, IBM, Sun Micro, Solectron, Lucent, Sony, HP, LG, Philips и другие компании.

Будучи пионером в создании измерительного видеомикроскопа высокого разрешения, компания, ориентированная на постоянное совершенствование, все это время оставалась на переднем крае новых технологий, значительно опережая конкурентов. В конце 2006 года HIROX выпустила новую систему с еще более фантастическими возможностями, — измерительный микроскоп КН-7700 (рис. 2).

Представляя новинку на рынке, производитель анонсировал, что теперь это не «машина для наблюдения», а «интеллектуальный партнер», вместилище новых уникальных возможностей. Их много. В рамках одной статьи подробно рассмотреть все не представляется возможным. Поэтому здесь мы рассмотрим только наиболее интересные и полезные функции применительно к задачам электроники и микроэлектроники.

Получение, анализ и синтез ЗD-изображений

Синтез сфокусированного объемного изображения

Известным ограничением в микроскопии является малая глубина резкости сильно увеличенных изображений. В общем случае, чем выше увеличение, тем меньше глубина резкости. Преодолеть это ограничение позволила программно-аппаратная разработка, реализованная в микроскопе HIROX. Ее сутью является процедура построения математической трехмерной модели объекта из серии захваченных плоских изображений на разном уровне фокусировки. Программа позволяет обрабатывать до 100 послойных срезов и синтезировать на их основе трехмерную
модель. Дискретность захвата слоев на нижнем пределе достигает величины порядка 0,5 мкм. Предусмотрена возможность построения модели как вручную, так и в автоматическом режиме. При моделировании оператор может задать шаг хода объектива, количество срезов, качество захваченных изображений, а также определить верхнюю и нижнюю ограничивающие плоскости (рис. 3).

Построенную модель можно отобразить в нескольких вариантах. На рис. 4 показано синтезированное трехмерное изображение объекта в виде полноцветной текстуры. На рис. 5 та же модель представлена в виде градиента цветов, подобно тому, как принято отображать рельеф на физических географических картах, или в виде градиента яркостей любого цвета. Еще один способ отображения — вариант в виде проволочного каркаса, на поверхности которого хорошо видны формы участков, имеющих низкую контрастность, и плохо заметные при
других вариантах отображения. Полученную модель можно свободно поворачивать в пространстве, перемещать, масштабировать, перекрашивать, увеличивать или уменьшать амплитуду рельефа, изменять цвет фона и т. д.

Для смоделированной трехмерной модели можно построить гистограмму высот в вертикальной секущей плоскости с целью проведения измерения высот, дистанций и углов (рис. 6).

Сравнительный анализ и синтез изображений

В системе имеется возможность разделить экран на несколько фрагментов и одновременно наблюдать до 16 разных изображений. Если поместить рядом два схожих изображения и дать системе команду провести их сравнение, то на третьем экране можно увидеть новое синтезированное изображение, которое образовано наложением одного на другое. Различающиеся участки будут полупрозрачными. Четвертый экран предназначен для отображения различий. Цвет их представления можно настраивать. Совмещение сравниваемых изображений происходит
посредством выбора оператором точки позиционирования. Помимо сравнения целых изображений можно использовать метод применительно к отдельно выбранным участкам. Если принять за эталон качественное изображение какой-нибудь детали и сравнивать с ним новые изделия, то можно превратить микроскоп в систему автоматической инспекции. Метод позволяет выявлять такие дефекты, как загрязнения, трещины, царапины, наличие посторонних примесей, отсутствие компонентов в готовом изделии и т. п. (рис. 7).

Контроль фокуса

Еще одна полезная функция новой системы — способность запоминать и в дальнейшем использовать несколько точек фокусировки. Реализация опции базируется на применении моторизованного привода для перемещения объектива по оси Ζ.

Положение объектива над образцом записывается в память системы как точка фокуса и в дальнейшем используется для того, чтобы легко и быстро вернуться к желаемому положению объектива (рис. 8).

ЗD-инспекция в режиме реального времени

Инженерами HIROX была разработана и реализована функция ЗD-инспекции. С помощью специального моторизованного зум-объекти-ва и адаптера вращения оператор микроскопа может осматривать объект со всех сторон (0-360°) под разным углом зрения (рис. 9). Принцип инспекции основан на вращении призм высокого класса (Ньютон 1) вокруг неподвижно расположенного образца (рис. 10). Угол наклона призм можно изменять в пределах 25-55°, наблюдая объект в темном поле. Головка вращения легко защелкивается на кольце зум-объектива,
позволяя быстро переходить от 2D- к ЗD-инспекции. Направление или скорость вращения легко изменить на внешнем блоке управления.

Инспекция BGA

Приспособление для инспекции BGA внешне чем-то напоминает краба и представляет собой зум-объектив с тонкой призмой в качестве основного инструмента инспекции. Призма опускается на уровень выводов BGA, в то время как «щупальца», являющиеся гибкими оптоволоконными световодами и снабженные тонкими прожекторами различной формы, позволяют проводить инспекцию рядов паяных соединений на просвет и в отраженном свете. Для крепления BGA-объектива HIROX выпускает специальную удобную станину, в основание которой
помещены салазки для фиксации печатного узла, позволяющие перемещать его по осям XY и поворачивать в горизонтальной плоскости. Качество получаемых изображений очень высокое, и при надлежащем навыке удается просматривать все ряды шариков припоя в проходящем свете, оценивать повторяемость пайки и качество галтелей (рис. 11).

Освещение — ключевой фактор

Известно, что залогом получения высококонтрастного изображения в микроскопии является качество освещения. При просмотре образца на одной системе метод освещения может полностью преобразить видимое изображение и выявить скрытые особенности.

Методы освещения, используемые в микроскопии, определились давно, и мало что можно привнести сегодня в эту область практического знания. Однако и здесь японские инженеры продемонстрировали интересный подход. В микроскопе HIROX, наряду с традиционными методами, использованы метод обзора с переменным углом освещения, комбинированный метод с «подсветкой фона», комбинированный метод с направленной изменяемой подсветкой поверхности. Стоит сказать, что практически все широко применяемые, как рутинные,
так и более экзотичные методы освещения, опционально доступны для новой модели КН-7700. Это наблюдение в светлом и темном поле, в проходящем свете, эписко-пическое и диффузное освещение, поляризованный свет, дифференциально-интерференционный контраст по Номарскому, задачи с флуоресценцией (рис. 12).

В качестве основного источника освещения используется металлгалидная лампа, спектр излучения которой выходит за видимые пределы как в ПК-, так и в УФ-области. В нижней части УФ-диапазона излучение наиболее интенсивно в диапазоне 750-800 нм, что находит множественное применение. На рис. 13 приведен график распределения спектра излучения осветителя.

Специальные функции

Помимо чисто оптических методов освещения система использует и программные функции для улучшения качества получаемых изображений. Широко применяемые в современной цифровой и видеотехнике методы настройки доступны и для КН-7700. Оптимизация яркости, контрастности, регулировка температуры цвета, программное снижение шумов, настраиваемая выдержка, баланс белого, усиление контраста и другое расширяют арсенал исследователя. Из программных функций оптимизации освещения отдельного внимания заслуживают две:

• функция «антиблик» — данная функция разрешает характерную для микроскопии проблему плохого отображения сильно отражающих металлических поверхностей и гладких объектов округлой формы. Качественному отображению таких объектов мешает сильное бликование. Теперь, выбрав нужную команду, можно легко избавиться от бликов;
• функция программной подсветки — с помощью этой функции пользователь может в деталях увидеть плохо просматриваемые места. Направление «потока лучей» виртуального осветителя можно менять в пределах от 0 до 359° по горизонтали и от -90° до +90° по вертикали.

Измерения без ошибок. Функция ACS

Автоматическое определение увеличения и автокалибровка

Поскольку элементом изображения в цифровых системах является пиксель, задача калибровки сводится к определению размера одного пикселя для текущего увеличения. При измерении размеров объекта изображение разбивается на пиксели, и задача измерения сводится к подсчету количества откалиброванных пикселей.

В микроскопе HIROX КН-7700 можно использовать два метода калибровки. В первом случае размер пикселя автоматически вычисляется системой как результат обработки изображения градуировочной шкалы, входящей в комплект поставки. Второй метод использует функцию выбора значений из калибровочных таблиц, хранящихся в памяти системы. И в том, и другом случае системе требуется сообщить текущее увеличение.

Для стандартного объектива эту информацию системе сообщает оператор. Альтернативная модель зум-объектива оснащена системой ACS (система автоматической калибровки), которая без участия оператора сообщает микроскопу, каково текущее увеличение, и тот автоматически выбирает подходящие калибровочные данные.

Высокоточные плоскостные измерения. Избыточность вариантов

Встроенный программный комплекс позволяет выполнять плоскостные измерения. Измеряемые параметры следующие: длина прямой линии; длины окружности и дуги, их радиусы, диаметры и площади; величины углов; длина периметра и площадь многоугольника произвольной формы; расстояния от базовой линии; расстояния между центрами окружностей; дистанции по вертикали, горизонтали и диагонали; расстояния между параллельными линиями, идущими под любым углом, измерения площадей, ограниченных контуром (рис. 14). Кроме того, встроены
функции автоматических 20-измерений, а именно автоматическое измерение ширины, автоматическое определение периметра с оценкой его длины и площади.

Измерения высоты и вычисление объемов

Пожалуй, правильнее было бы описывать эти возможности в первом разделе, поскольку механизм измерений высоты принципиально отличается от плоскостных измерений и более связан с ЗD-моделированием, чем с калибровкой пикселей. Принцип измерения высоты основан на учете количества «шагов хода» двигателя, управляющего перемещением объектива между точками фокусировки. Дискретность шага двигателя лежит на субмикронном уровне и составляет приблизительно 0,5 мкм, при разрешении 0,25 мкм. В простейшем случае
измерения высоты система первоначально автоматически фокусируется на уровне, который принимается за основание, затем автоматически фокусируется на том участке, высоту которого следует измерить. В более сложном варианте, после построения ЗD-модели, значения высот будут отображаться при наведении курсора мыши на интересуемый участок.

Для вычисления объема трехмерного изображения имеется специальный инструмент, позволяющий задать положение горизонтальной секущей плоскости, проходящей через модель на желаемом уровне. После определения пространственного положения плоскости вычисляется ограниченный ею объем. Алгоритм обработки позволяет вычислять объемы как выпуклых (объем над секущей плоскостью), так и вогнутых (объем под секущей плоскостью) трехмерных объектов (рис. 15).

Подсчет объектов

В системе очень удобно реализована функция подсчета однотипных объектов. У пользователя микроскопа имеется возможность пометить и объединить в группы до 16 типов разных объектов и управлять ими, используя лист группировки.

Интерфейсы и работа с системой

Стоит отметить, что управление системой организовано очень удобно. Для выполнения ключевых операций обычно имеются два или более способов. Например, записать текущее изображение можно, используя кнопку управления на передней панели или же меню операционной системы. Работает режим автоматической записи изображений через заданные промежутки времени, что особенно актуально для задач мониторинга. Сохранить данные можно либо в формате TIFF, либо в JPEG с четырьмя степенями сжатия. Для записи видео предназначен
формат AVI. Начать видеозапись можно кнопкой на панели микроскопа, либо с помощью нужной опции, выбранной из меню. Максимальный размер видеокадра равен разрешению CCD-камеры — 1600х 1200 пикселей, минимальный — 640×480. Пользователь может накладывать поверх изображений любого типа свои комментарии, подписи с именем файла, градуировочные сетки, шкалы, информацию о дате и времени.

Подключив внешний микрофон, можно записать звуковые комментарии или же какие-либо другие звуки. Система имеет встроенный жесткий диск объемом 160 Гбайт, устройство для записи на носители CD/DVD и снабжена интерфейсом Ethernet для подсоединения к компьютерной сети. Для подключения внешних устройств в распоряжении пользователя имеется шесть USB-портов. Кроме перечисленного можно упомянуть настраиваемое меню, управление библиотекой изображений, редактор отчетов, вывод результатов на печать по спецификации PictBridge,
зум-нави-гатор, возможность вывода изображений на внешние видеоустройства (проектор, панель, монитор, VCR).

Заключение

И в заключение для любителей технических характеристик приведем подробный их список:

• CDD-камера:

—  1/1,8 дюйма, 2,11 мегапикселей;

—  прогрессивная развертка;

—  общее количество пикселей: 2,11, 1688×1248;

—  количество эффективных пикселей: 2,01, 1628×1236;

—  частота кадров: 15 с двойной буферизацией;

—  электронная выдержка: автоматическая, регулируемая, от 1/15 до /15000;

—  медленная выдержка: 1/7,5, 1/4, 1/2, 1, 2, 4, 8, 16;

—  усиление: ручное или отключаемое;

—  баланс белого: автоматический, ручной (R,B).

• LCD-монитор:

—  гамма-коррекция, цветовая коррекция, усиление контрастности края;

—  цветной 15-дюймовый LCD-монитор с разрешением UXGA;

—  размер пикселя: 0,1905×0,1905 мм;

—  количество пикселей: 1600×1200;

—  яркость: 200 кд/м²;

—  контрастность: 500:1;

—  угол обзора: 170° (по горизонтали), 170° (по вертикали).

• Осветитель:

—  лампа: металлгалидная, 60 Вт;

—  срок службы: 4000 ч (в среднем);

—  температура цвета: 5500 ±100 К.

• Интерфейсы вывода:

—  RGB, UXGA, SXGA, XGA;

—  порт принтера USB 2.0 (тип В), совместимый с PictBridge;

—  LAN 10BASE-T/100BASE-TX/1000BASE-T;

—  внешний терминал: 6 pin;

—  ACS-терминал: 10 pin;

—  управление вводом/выводом: RS-232C.

• Интерфейсы ввода:

—  порт для подключения клавиатуры и мыши: USB 2.0 (тип А);

—  порт USB 2.0 (тип А): в количестве 6;

—  вход микрофона: MIC Jack.

• Запись информации:

—  поддерживаемые устройства: HDD 160 Гб, CD-R/RW, DVD-R/ +R DL/ ±RW/ -RAM;

—  форматы записи изображений: TIFF (не сжатый), BMP, JPEG (сжатый);

—  сжатие JPEG: (1/5, 1/10, 1/30, 1/60 от не сжатого TIFF);

—  разрешения (стандарт): 1600×1200, 1280×960, 1024×768, 800×600, 640×480, 320×240;

—  высокие разрешения: 6400×4800, 4800×3600, 3200×2400, 2400х 1800;

—  формат видео: -avi (не сжатый);

—  видеоразрешения: 1600×1200 (7.5FPS), 1280×1024 (7.5FPS), 1024×768 (15.00FPS), 800×600 (15.00FPS), 640×480 (15.00FPS);

—  настройки изображения: контрастность, усиление контрастности края, снижение шумов, двоичное преобразование.

• Рабочее напряжение: АС 100-240 В, 50/60 Гц.
• Потребляемая мощность: 250 Вт.
• Рабочий диапазон температур: 5-40°.
• Температура хранения:-15°-50°.
• Относительная влажность: 25-85%.
• Вес основного блока: 12 кг.
• Размеры: 420,4х 154,0×342,6 мм.
• Измерения: 2D и 3D.
• Оптическое увеличение системы: 7000 х.
• Основные функциональные возможности:

—  автоматический баланс белого;

—  настройка и сохранение установок CCD камеры;

—  управление фокусом;

—  индикатор фокуса;

—  мультифокусировка (ручная, полуавтоматическая, автоматическая);

—  плавное изменение увеличения;

—  функция высокого разрешения (4 уровня);

—  установка и настройка сетки;

—  настройка яркости (128 уровней);

—  гамма-коррекция;

—  настройка контраста;

—  корректировка оттенков (7 уровней);

—  корректировка цветности (5 уровней);

—  настройка фильтра толщины края (4 уровня);

—  настройка степени выделения края (8 уровней);

—  анализ и сравнение изображений;

—  система автоматического определения текущего увеличения;

—  автоматическая калибровка;

—  измерения при высоком разрешении;

—  плоскостные и объемные измерения;

—  функция сбора статистических данных;

—  2D- и ЗD-отображение в режиме реального времени;

—  многоуровневая регулировка подсветки;

—  фильтр шумов;

—  измерение высоты в режиме реального времени;

—  память положения фокуса;

—  выбор профиля (высоты, длины, угла и т. д.);

—  отображение каркаса ЗD-изображения;

—  измерение объема ЗD-объекта;

—  разбиение экрана на 4/9/16 зон;

—  повороты и зеркальные перевороты изображений;

—  отображение сеток, линеек и шкал на экране;

—  вывод дат, времени, комментариев и свойств изображений;

—  многочисленные настройки форматов изображений и видео;

—  управление библиотечкой изображений;

—  редактор отчетов;

—  сетевые функции;

—  многофункциональная настройка системных установок;

—  встроенная система помощи;

—  индивидуальное меню пользователя.

Видеомикроскоп HIROX можно смело назвать новым инструментом в микроскопии. С его появлением уходят в прошлое времена, когда один человек, работая с микроскопом и желая поделиться увиденным, подзывал по одному своих коллег к окуляру, пытаясь объяснить каждому, что именно нужно увидеть. Новая система — это больше, чем просто микроскоп, это инструмент коллективного творчества. Все одновременно и одинаково видят качественное изображение объекта, могут на месте обмениваться впечатлениями, замечаниями, анализировать
причины дефектов, генерировать идеи по совершенствованию качества и т. п. В новом микроскопе реализован принцип «все-в-одном». Теперь система покрывает практически все потребности исследователя и позволяет разделять ресурсы с удаленными пользователями по сети.

Микроскоп HIROX — это инструмент Hi-End-класса, позволяющий достичь новых вершин. Выбирая лучшее, мы поднимаем собственную планку, получаем те самые преимущества, которые выгодно отличают нас от других в условиях жесткой конкуренции. Выбирая лучшее, мы ориентируемсяна безусловный успех, ставим более сложные цели и достигаем их. Так давайте идти в ногу со временем!