Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА РОССИЙСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МИКРОСКОПОВ

Комбаров М.С. 1 Кузнецов М.М. 2
1 ОАО «Швабе – Оборона и Защита»
2 ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия»
В статье приводится историческая информация о развитии микроскопостроения в целом, рассмотрены основные тенденции развития производства российских измерительных микроскопов. Приводится динамика микроскопостроения на предприятиях бывшего СССР, перспективные пути модернизации и разработки новых микроскопов в наши дни. Особое внимание уделено сравнению российских микроскопов с их зарубежными аналогами. Рассматриваются конструктивные и технологические особенности различных моделей микроскопов, в том числе столов, осветителей, механизмов перемещения и других. Делается вывод о возможных направлениях микроскопостроения в ближайшее десятилетие, к которым, в частности, можно отнести: увеличение диапазона измерений; внедрение третьей измерительной координаты; отказ от внешних отсчетных и управляющих систем в пользу применения компьютеров, а зачастую и планшетов; автоматизация управления перемещениями.
приборостроение
микроскоп
обработка результатов измерений
1. Кузнецов, М.М. Контроль оптических деталей методом псевдоцветового аналогового кодирования [Текст] / М.М. Кузнецов // Сб. матер. VI Междунар. науч. конгресса «ГЕО-Сибирь-2010», 19–29 апреля 2010 г., Новосибирск. – Новосибирск: СГГА, 2010. – Т. 5, ч. 1. – С. 190–192.
2. Кузнецов, М.М. Оптика современных микроскопов [Текст] / М.М. Кузнецов, Н.К. Соснова, А.А. Марач // Сб. матер. междунар. науч. конгресс «ГЕО-Сибирь 2011», 19–29 апреля 2011г., г. Новосибирск. – Новосибирск: СГГА, 2011. – Т.5, ч.1. – С. 112-115.
3. Кузнецов, М.М. О технологии на ФГУП ПО НПЗ [Текст] / М.М. Кузнецов, М.С. Комбаров // Сб. матер. между¬нар. науч. конгресс «ГЕО-Сибирь 2010», г. Новосибирск. – Новосибирск: СГГА, 2010. – Т.5, ч.1. – С.193-196.
4. Кузнецов, М.М. Повышение контраста и информативности изображений на основе спектральной и пространственно-угловой фильтрации излучения [Текст] / М.М. Кузнецов, О.К. Ушаков, В.М. Тымкул, М.Ф. Носков // Вестник СГГА. – 2010. – № 2(13). – С. 96-100.
5. Кузнецов, М.М. Программа utco209c для УЦО серии 209. [Текст] / М.М. Кузнецов, А.А. Марач, М.С. Комбаров // Сб. матер. междунар. науч. конгресс «ГЕО-Сибирь 2008», 24–28 апреля 2008 г., г. Новосибирск. – Новосибирск: СГГА, 2008. – Т.4. – С. 60-63.
6. Кузнецов, М.М. Применение программного обеспечения для измерительных микроскопов в производстве. [Текст] / М.М. Кузнецов, М.С. Комбаров // Сб. научных трудов аспирантов и молодых ученых СГГА, 2009 г., г. Новосибирск.– Новосибирск: СГГА, 2009. – Вып. 6. – С. 25-28.
7. Кузнецов, М.М. Система технического зрения [Текст] / М.М. Кузнецов, М.С. Комбаров // Сб. матер. междунар. науч. конгресс «ГЕО-Сибирь 2010», 19–29 апреля 2010 г., г. Новосибирск. – Новосибирск: СГГА, 2010. – Т.5, ч.1. – С. 166-167.
8. Кузнецов, М.М. Система автоматизированной обработки результатов измерений для инструментального микроскопа. [Текст] / М.М. Кузнецов, А.Н. Соснов, Н.К. Соснова, А.А // Сб. матер. междунар. науч. конгресса «ГЕО-Сибирь 2011», 19–29 апреля 2011 г., г. Новосибирск. – Новосибирск: СГГА, 2011. – Т.5, ч.1. – С. 132-135.
9. Кузнецов М.М. Совершенствование оптических методов псевдоцветового кодирования изображений для фотометрических измерений: автореф. канд. дисс. – Новосибирск: СГГА, 2011. –16 с.
10. Носков, М.Ф. Выделение малоконтрастных элементов на фотографических снимках [Текст] / М.Ф. Носков, И.Н. Белоус, М.С. Комбаров, М.М. Кузнецов // Сб. матер. II Междунар. науч. конгресса «ГЕО-Сибирь-2006», 24–28 апреля 2006 г., Новосибирск. – Новосибирск: СГГА, 2006. – Т. 4. – С. 114–117.
11. Носков, М.Ф. Выделение малоконтрастных элементов на фотографических снимках [Текст] / М.Ф. Носков, И.Н. Белоус, М.С. Комбаров, М.М. Кузнецов // Сб. матер. II Междунар. науч. конгресса «ГЕО-Сибирь-2006», 24–28 апреля 2006 г., Новосибирск. – Новосибирск: СГГА, 2006. – Т. 6. – С. 82–85.
12. Системы оптической локации технологического контроля интегральных схем [Текст]: монография / М.Я. Воронин, И.Н. Карманов, М.М. Кузнецов, И.В. Лесных, А.В. Синельников; под общ. ред. М.Я. Воронина. – Новосибирск: СГГА, 2013. – 239с.
Производство измерительных микроскопов «Швабе - Оборона и Защита» началось во второй половине 30-х годов 20 века. Именно в это время в Красногорске, а тогда завод располагался именно там, началось производство измерительного микроскопа и диапазоном измерения 100х50 мм. Сейчас уже сложно установить, было ли это лицензионное производство или его «позаимствовали» у Цейса, но факт остается фактом - в конце тридцатых годов в России  уже выпускали измерительные микроскопы.

Начавшаяся война не позволила расширить линейку микроскопов, их выпуск, как в прочем и всей гражданской оптики, был свернут. Производство измерительной оптической техники было возобновлено в начале 50-х годов - на трех заводах - в Новосибирске, Ленинграде и Киеве, было организовано производство оптико-механических измерительных приборов. Новосибирску тогда досталось изготовление инструментальных микроскопов [3], делительных головок и кое-чего из станочной оптики.

Основой конструкций были немецкие аналоги фирмы Zeiss. Так появились микроскопы БМИ и ММИ. Надо отметить, что данные модели предназначались для непосредственного контроля в механических цехах, это определило их высокий технический ресурс. Даже сейчас, после пятидесяти - шестидесяти лет эксплуатации, отдельные образцы еще используются на некоторых заводах, причем сохраняют свои точностные характеристики. Если не обращать внимание на отдельные технические усовершенствования, то ММИ и БМИ находились в производстве до середины 80-х годов, по сути, лишь менялись отдельные элементы и обозначения моделей. В конце 70-х были установлены микровинтовые механизмы перемещения стола с интегрированными оптоэлектронными датчиками и блоками цифровой индикации, что позволило в том числе выделять малоконтрастные элементы деталей и приборов [10, 11].

Более кардинальные изменения произошли во второй половине 80-х годов - запуск в серию микроскопов серии ИМЦЛ (Инструментальный Микроскоп с Цифровым отсчетом и Линейными датчиками) - стал в прямом смысле прорывом для советской измерительной техники. Источником этого прорыва стало освоение серийного производства преобразователей линейных перемещений ПЛФ - фотоэлектронных датчиков на основе растровых линеек - создавались они конечно вовсе не для микроскопов, а для оснащения станков с ЧПУ, но их параметры позволили создавать и измерительные системы. Конструкция блока цифровой индикации обеспечивала его подключение к принтеру. Чисто номинально, ИМЦЛ обеспечивали возможность подключения его к компьютеру, хотя на практике ИМЦЛ, в отличие от ленинградских ДИПов и УИМов, никогда не комплектовались ими. Первым в новой линейке стал ИМЦЛ 150х50,Б - он сохранил наклонную колонку и поворотный стол. Своеобразной была конструкция механизмов перемещения стола - он перемещался фактически от руки, а затем производилась точная наводка на объект от микровинтового механизма, имевшего диапазон перемещения 10 мм (это во многом было похоже на работу стола у Ленинградских микроскопов). У последнего новосибирского микроскопа, относящегося к советскому периоду, ИМЦЛ100х50,А стол уже можно было перемещать по всему диапазону вращением микровинтов, хотя сохранялась и возможность ручного перемещения. Тогда же была сделана первая попытка внедрения телевизионной техники - микроскоп оснастили видеокамерой с выводом на телевизионный монитор.

Увы, в силу известных событий, в девяностые годы, развитие измерительной микроскопии в Новосибирске и в России остановилось. Отдельные, чисто теоретические конструкторские работы велись, но выхода даже на уровень опытных образцов не было. В это время иностранные производители - Mitytoyo, Tesa и ряд других продвинулись значительно вперед - шло повсеместное внедрение программного обеспечения для обработки результатов измерения, совершенствовались системы наведения на край, началось широкое внедрение систем обработки видеоизображения, увеличивались диапазоны измерений, появлялось все больше трехкоординатных микроскопов.

Ситуация в России начала меняться в 2002-2003 гг. - возрождение платежеспособного спроса со стороны российской промышленности и несильно богатые бюджеты метрологических служб, что греха таить, на промышленных предприятиях на средства контроля деньги выделяют в третью-четвертую очередь, возобновило не только производство измерительных микроскопов, но и их развитие. К сожалению, не все российские фирмы дожили до этого светлого дня - прекратило производство измерительной микроскопии ЛОМО. Тем не менее  возрождение спроса и наличие все возрастающей конкуренции со стороны иностранных производителей привело к новой волне разработок [7].

В 2005 г. вышла сразу целая линейка российских измерительных микроскопов - шесть микроскопов серии ИМЦЛ. Надо сказать, что при их создании был применен хорошо отработанный иностранными изготовителями «платформенный» принцип создания продукции. В основу линейки легла выпускавшаяся ранее модель - ИМЦЛ 150х50,Б. Были использованы ранее выпускавшиеся, так называемые «круглые» измерительные столы, с увеличенным до 150х75мм диапазоном перемещения с сохранением погрешности, «плоский» стол измерительного проектора ПИ 300ЦВ с диапазоном измерения 150х75мм, имеющий большую поверхность измерительного стола и секторный поворот на угол ±10º, а также был разработан новый измерительный стол с диапазоном измерения 200х75 мм и секторным поворотом ±10º.

Оптическая схема была использована от микроскопа ИМЦЛ100х50,А, так как тубус микроскопа обеспечивал быстросъемное крепление объективов и имел дополнительный оптический выход, использованный для установки видеонасадок [4]. Был разработан новый галогенный осветитель, взамен заимствованного от делительных головок ОДГ. Также был применен новый блок цифровой индикации - УЦО-209С [5]. Этот блок, кроме наличия встроенных функций обработки измерительной информации, которыми мало кто пользовался, был оснащен последовательным цифровым выходом RS232 [6]. Тогда же была создана и программа для обработки результатов измерения, устанавливаемая на компьютер, подключенный к блоку УЦО.

На тот момент это вывело микроскопы ИМЦЛ если не уровень мировых лидеров, то на достаточно достойный уровень. Следующий шаг был - внедрение видеонасадок. Изучив опыт мировых лидеров, был отвергнут путь создания видеомодулей с выводом изображения на отдельный внешний монитор или использующих внешние блоки обработки информации. Насадка сразу создавалась с учетом использования персонального компьютера для обработки видеопотока в режиме реального времени и определением момента пересечения края контролируемого объекта с автоматической отсечкой координат, возможности коррекции изображения и выделения контура объекта и его векторизации. Вместе с ранее созданной программной обработкой результатов измерения это дало возможность создания единой программной оболочки для решения измерительных задач.

На данный момент  образ среднестатистического измерительного микроскопа выглядит следующим образом: двухкоординатная бесконтактная измерительная система с диапазоном измерения 200х100 или 300х200 мм, с оптико-электронным каналом, обеспечивающим проведение измерений в проходящем и отраженном свете в визуальном или автоматическом режиме, измерительный стол перемещается вручную или в автоматическом режиме, с управлением от компьютера [2, 8]. Микроскоп обязательно подключен к компьютеру, обеспечивающему обработку результатов измерения, решение типовых измерительных задач в автоматическом или полуавтоматическом режиме, а также коррекцию погрешностей прибора и даваемого им изображения, вывод изображения на экран, его анализ, формирование и хранение протокола результатов измерения [1, 12].

Основными направлениями развития измерительных микроскопов в настоящее время являются:

  • увеличение диапазона измерений;
  • внедрение третьей измерительной координаты;
  • отказ от внешних отсчетных и управляющих систем в пользу применения компьютеров, а зачастую и планшетов;
  • автоматизация управления перемещениями.

Последними тенденциями на рынке измерительных микроскопов являются создание мультисенсорных двух- и трехкоординатных систем, повышение точности измерений. Внедрение компьютерной обработки и управления, создание автоматизированных приводных столов, привело к созданию сканирующих микроскопов, обеспечивающих полное сканирование всего измеряемого объекта с последующей отработкой отдельных его элементов по заданной программе [9]. Широкое внедрение программных методов обработки результатов измерений позволило практически полностью отказаться от поворотных столов и такой трудоемкой процедуры как «выставление объекта по ходу стола» - объект размещается на поверхности стола, или в установочном приспособлении, практически произвольно, лишь бы он попадал в зону измерений, а его ориентация происходит программным путем.

Отдельного рассмотрения заслуживает мультисенсорность - в настоящее время почти все измерительные микроскопы, кроме самых простых, имеют минимум два измерительных канала - визуальный и оптоэлектронный. Тенденцией современных систем является внедрение лазерных сканирующих каналов, реже рентгеновских каналов, в отдельных случаях применяются контактные головки, аналогичные применяемым на контрольно-измерительных машинах. В последние четыре-пять лет у ведущих мировых производителей, например, немецкой фирмы Mahr, наметилась тенденция внедрения кольцевых полосовых осветителей, обеспечивающих возможность сканирования вертикальных поверхностей контролируемых объектов по третьей координате (традиционно третьей координатой у микроскопов принято считать направление перпендикулярное поверхности измерительного стола), обеспечивающих в совокупности с оптикой с малой глубиной резкости возможность высокоточного сканирования объектов с погрешность до 5 мкм. Внедрение автоматизированного перемещения столов позволило внедрить систему термоизоляции и термокомпенсации зоны измерения, что также повышает точность. Целям повышения точности способствует применение отсчетных устройств на принципах интерференции (то, что в свое время начинало делать ЛОМО), а в отдельных случаях и лазерных интерферометров.

Подводя итог, хочется сделать небольшой прогноз по тому, как будет выглядеть измерительный микроскоп через несколько лет - бесконтактная сканирующая трехкоординатная измерительная система с диапазоном измерения 300х200х200мм, или даже 400х300х300мм, с погрешностью не более 2 мкм, с интеллектуальной системой управления и обработки результатов измерения с лазерной интерференционной отсчетной системой с компенсацией внешних факторов, со сканирующим мультиволновым каналом.

Рецензенты:

Носков М.Ф., д.т.н., профессор кафедры наносистем и оптотехники ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия», г. Новосибирск;

Айрапетян В.С., д.т.н., заведующий кафедрой специальных устройств и технологий ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия», г. Новосибирск.


Библиографическая ссылка

Комбаров М.С., Кузнецов М.М. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА РОССИЙСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МИКРОСКОПОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15200 (дата обращения: 12.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074