Оптические измерительные приборы

Оптические измерительные приборы представляют собой класс высокоточного метрологического оборудования, использующего оптические принципы для определения геометрических, физических и спектральных характеристик объектов. Эти устройства обеспечивают точность измерений от микрометров до нанометров и широко применяются в машиностроении, электронике, медицине и научных исследованиях.

Что представляют собой оптические измерительные приборы

«Главная особенность оптических измерений заключается в том, что они имеют высокую точность и наглядность». Оптическое измерение физических характеристик изучаемых объектов осуществляется с помощью специальных оптических методов и приборов, которые позволяют получать данные о геометрии, структуре и свойствах материалов без физического контакта с поверхностью. Современные оптические приборы играют важную роль в народном хозяйстве и служат основой научно-технического прогресса.

В технике точных измерений оптические методы относятся к измерениям высшей точности, которая соизмерима с длиной световой волны. Бесконтактность измерений исключает повреждение образца, что особенно важно при контроле хрупких или мягких материалов, а также изделий с высокими требованиями к чистоте поверхности. Оптические приборы позволяют исследовать свойства света, определять характеристики оптических материалов и проводить различные измерения в широком спектральном диапазоне.

Классификация оптических измерительных приборов

Оптические измерительные приборы подразделяются на основные категории по принципу работы и способу получения измерительной информации. Первая группа включает приборы с оптическим способом визирования с измеряемой поверхностью и механическим измерением перемещения точки визирования. К этой категории относятся проекторы для измерения и контроля деталей, имеющих сложный контур и небольшие размеры.

Вторая группа объединяет приборы с механическим соприкосновением с контролируемым изделием и оптическим измерением перемещения точки соприкосновения. «Наиболее распространенный прибор второй группы — универсальный измерительный микроскоп, в котором измеряемая деталь перемещается на продольной каретке, а головной микроскоp — на поперечной». Третья группа представлена приборами с оптическим устройством для наблюдения контролируемого изделия и оптическим измерением перемещения точки визирования.

Современная классификация также включает спектральные оптические средства получения информации, к которым относятся спектрометры, гиперспектрометры, стереоспектрометры и другие спектральные устройства на основе акустооптических технологий. Трехмерные оптические измерительные системы на основе цифровой обработки изображений используются для тестирования материалов и компонентов, разработки и контроля качества продукции.

Тип прибора	Принцип визирования	Принцип измерения	Типичное применение
Проекционные приборы	оптическое	механическое	контроль сложных контуров деталей;
Измерительные микроскопы	оптическое	оптическое	прецизионные линейные измерения;
Оптикаторы	механическое	оптическое	поверка концевых мер;
Спектрометры	оптическое	спектральное	анализ состава материалов;
3D-сканеры	цифровое	оптическое	геометрический контроль изделий.

Принципы работы оптических систем измерения

Оптические методы измерения основаны на использовании световых волн для определения параметров объектов. Механизм работы заключается в регистрации отраженного, преломленного или пропущенного света, который содержит информацию о геометрических размерах, форме, шероховатости поверхности или оптических характеристиках материала. Современные измерительные системы с оптическим модулем применяются при контроле размеров, форм, отклонений, поверхностей и углов.

Точность оптических измерений достигается благодаря использованию монохроматического излучения с известной длиной волны, что позволяет проводить измерения с разрешением до долей микрометра. Рассматриваются методы и средства оптических измерений и исследований, способы определения порогов чувствительности и характеристик точности методов и аппаратуры. Инновационные направления в оптических измерениях включают анализ и синтез новых схемных решений компьютеризированной аппаратуры для исследования аберраций и ошибок оптических систем и поверхностей.

Алгоритмическое и программное обеспечение позволили реализовать мощные потенциальные возможности эффективных методов контроля, таких как сдвиговая интерферометрия и накопительная изофотометрия. Высокоскоростной проектор, быстрая обработка данных, компактный дизайн и малый вес современных систем делают оптические измерения доступными для широкого круга промышленных применений. Бесконтактность измерений обеспечивает мгновенный результат и автоматизацию процессов, что значительно повышает производительность контроля качества.

Оптикаторы и их специфика

Оптикаторы представляют собой измерительные пружинно-оптические головки, в которых механическая пружинная передача сочетается с оптическим рычагом. «Они отличаются высокой точностью и стабильностью измерений, предназначены для поверки концевых мер и особо точных измерений ответственных изделий и применяются в универсальных стойках С-1 и приспособлениях». Конструкция оптикатора включает пружинную ленту, к которой прикреплено зеркало, что обеспечивает значительное увеличение показаний при минимальных перемещениях измерительного стержня.

Принцип действия оптикатора основан на проецировании изображения нити через объектив на зеркало, прикрепленное к пружинной ленте. Свет от лампочки проходит через конденсор и щель диафрагмы, по середине которой натянута нить. Отразившись от зеркала, световой поток падает на шкалу прибора, где наблюдатель видит увеличенное изображение перемещения. Конденсор представляет собой оптическую систему, служащую для освещения рассматриваемого или проецируемого предмета параллельными лучами света.

Оптикаторы применяются преимущественно в метрологических лабораториях для поверочных работ, где требуется максимальная стабильность и воспроизводимость результатов. Сочетание механической передачи с оптическим увеличением позволяет достигать погрешности измерения менее одного микрометра при сохранении простоты конструкции и надежности работы. Универсальные стойки с оптикаторами используются для контроля линейных размеров эталонных мер, калибров, установочных плиток и других высокоточных изделий в машиностроении и приборостроении.

Измерительные микроскопы в метрологии

Универсальные измерительные микроскопы являются наиболее распространенными приборами группы оптических систем с механическим способом визирования и отчета перемещения. В таких микроскопах измеряемая деталь перемещается на продольной каретке, а головной микроскоп — на поперечной, что обеспечивает возможность измерения координат точек в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Отсчетное устройство для определения координат позволяет фиксировать положение с точностью до нескольких микрометров.

Измерительные микроскопы широко применяются в:

• машиностроении для контроля размеров деталей, валов, шестерен;
• электронике и микромеханике при работе с микросхемами, пайкой, контактами;
• медицине и стоматологии для анализа форм имплантатов, протезов;
• авиации и автопроме при проверке геометрии конструктивных элементов;
• научных лабораториях для исследования свойств материалов, форм и структур;
• контроле качества продукции на этапах входного, промежуточного и финального контроля.

Современные измерительные микроскопы оснащаются цифровыми камерами и программным обеспечением для обработки изображений, что расширяет их функциональность. Автоматизированные системы позволяют выполнять серийные измерения с сохранением данных в базе и автоматическим формированием отчетов. Интеграция с информационными системами предприятия обеспечивает легкий экспорт данных и поддержку статистического контроля процессов. Масштабируемость измерительных микроскопов позволяет использовать их как в виде настольных установок, так и для контроля непосредственно на производственной линии.

Проекционные измерительные приборы

Проекционные измерительные приборы относятся к первой группе оптических средств измерения с оптическим принципом визирования и механическим способом отчета перемещения. Из приборов первой группы распространение получили проекторы для измерения и контроля деталей, имеющих сложный контур и небольшие размеры. Принцип работы проекционных приборов основан на получении увеличенного изображения измеряемого изделия на экране с координатной сеткой или на сравнении контура детали с эталонным шаблоном.

Проекционные системы обеспечивают:

• визуальный контроль сложных профилей и контуров деталей;
• измерение углов, радиусов, расстояний между элементами;
• сравнение с эталонными образцами и чертежами;
• проверку резьбовых соединений, зубчатых колес, штампов;
• контроль изделий малых размеров с высоким увеличением;
• документирование результатов измерений через фото- или видеофиксацию.

Современные проекционные приборы дополнены цифровыми измерительными системами, которые автоматически определяют координаты точек контура и вычисляют геометрические параметры. Высокоскоростной проектор и быстрая обработка данных позволяют использовать эти системы в условиях серийного производства. Компактный дизайн и малый вес делают проекционные измерительные машины мобильными и удобными для размещения в производственных цехах. Универсальность проекционных систем проявляется в возможности контроля объектов разных по материалу и размеру без необходимости специальной подготовки поверхности.

Спектральные оптические приборы

Спектральные оптические средства получения информации включают спектрометры, гиперспектрометры, стереоспектрометры и другие спектральные устройства на основе акустооптических технологий. «Представлен обзор современных спектральных оптических средств получения информации, созданных и разрабатываемых в Научно-технологическом центре уникального приборостроения РАН». Основу приборов этого класса составляют спектрометры и приборы получения спектральных изображений, их развитием являются гиперспектрометры, стереоспектрометры, оптические когерентные томографы с регистрацией спектральной информации.

Спектрометры используют анализ спектра отраженного или пропущенного света для определения свойств материалов, с диапазоном длин волн от ультрафиолета до инфракрасного излучения и разрешением по длине волны до 0,1 нанометра. Применение спектральных приборов охватывает контроль толщины пленок, выявление химических примесей, анализ материалов и покрытий. Акустооптические спектрометры, фурье-спектрометры и спектрометры для поверхностных плазмон-поляритонов решают задачи, связанные с исследованием спектров атомов, ионов и молекул как в газовой, так и в конденсированной фазе при низких температурах в широком спектральном диапазоне 100–10000 см⁻¹.

Типы спектральных приборов включают:

• акустооптические спектрометры для динамического анализа спектральных характеристик;
• фурье-спектрометры для высокоскоростного спектрального анализа;
• гиперспектрометры для получения спектральных изображений объектов;
• стереоспектрометры для трехмерного спектрального анализа;
• системы для профилометрии и оптической когерентной томографии;
• эндоскопические видеоспектрометры для медицинских применений;
• многофункциональные установки для оптической когерентной томографии, микроскопии и спектральных измерений.

Тип спектрального прибора	Диапазон измерения	Разрешение	Применение
Спектрометр UV-VIS	200–800 нм	0,1 нм	анализ материалов, покрытия;
Фурье-спектрометр	100–10000 см⁻¹	0,01 см⁻¹	исследование молекулярных спектров;
Акустооптический спектрометр	видимый–ИК	1 нм	динамический спектральный анализ;
Гиперспектрометр	400–2500 нм	2–10 нм	дистанционное зондирование;
ОКТ-спектрометр	600–1500 нм	5 мкм (глубина)	медицинская диагностика.

Трехмерные оптические измерительные системы

Трехмерное оптическое сканирование для полного анализа геометрии стало стандартным инструментом практически во всех областях промышленности. Высококачественные оптические системы являются незаменимыми средствами контроля качества в современной цепи производственного процесса. Измерительные системы на основе цифровой обработки изображений используются для тестирования материалов и компонентов, разработки и контроля качества продукции.

Промышленные стандарты, такие как технология проецирования и технология Blue Light, позволяют получать детализированные и точные трехмерные полигональные сетки. Интегрированное программное обеспечение помогает обрабатывать сетку в рамках проектов 3D-печати, обратного инжиниринга или контроля качества изделий. Серийно выпускаемые 3D измерительные машины разработаны для быстрого и эффективного контроля качества на производстве, позволяя измерять автомобили целиком изнутри и снаружи.

Трехмерные оптические системы обеспечивают:

• полное документирование геометрии сложных изделий;
• сравнение изготовленных деталей с CAD-моделями;
• выявление деформаций и отклонений формы;
• контроль износа и повреждений эксплуатируемых изделий;
• создание цифровых двойников для обратного инжиниринга;
• анализ сборочных зазоров и сопряжений;
• контроль качества сварных швов и композитных конструкций;
• измерение деформаций под нагрузкой в реальном времени.

Развенчивание мифа о сложности использования

Распространено мнение, что оптические измерительные приборы требуют длительного обучения персонала и сложны в эксплуатации. На практике современные системы проектируются с учетом принципов эргономики и оснащаются интуитивно понятным интерфейсом. Программное обеспечение современных оптических систем содержит встроенные мастера настройки и пошаговые инструкции, которые позволяют оператору без специального образования в области оптики начать работу после краткого инструктажа.

Автоматизация процессов измерения снижает влияние человеческого фактора и устраняет необходимость в глубоких знаниях метрологии для рутинных операций контроля. Большинство производителей оборудования предоставляют техническую поддержку, обучающие материалы и дистанционную помощь при настройке систем. Интеграция с информационными системами предприятия легко подключается к производственным линиям и поддерживает экспорт данных в стандартных форматах, что упрощает внедрение оптических методов контроля.

Стоимость владения оптическими измерительными системами оказывается ниже, чем у традиционных контактных средств измерения, благодаря отсутствию износа измерительных элементов и высокой скорости проведения измерений. Бесконтактность исключает необходимость в сменных наконечниках и измерительных щупах, которые требуют периодической калибровки и замены. Универсальность оптических систем позволяет использовать одно устройство для контроля деталей разной формы, размера и материала, что снижает затраты на приобретение специализированного оборудования. Экономия времени достигается за счет мгновенного получения результата и возможности автоматического проведения серийных измерений без участия оператора.

Преимущества оптических методов измерения

Бесконтактность оптических измерений исключает повреждение образца, что особенно важно при контроле хрупких или мягких материалов, а также изделий с высокими требованиями к чистоте поверхности. Скорость проведения измерений обеспечивает мгновенный результат и автоматизацию процессов, что значительно повышает производительность контроля качества. Универсальность проявляется в возможности контроля объектов разных по материалу и размеру без необходимости специальной подготовки поверхности.

Высокая точность оптических методов достигает нанометрового уровня при необходимости, что позволяет использовать эти системы для контроля изделий микроэлектроники, оптических элементов и прецизионных механических узлов. Интеграция с информационными системами легко подключается к производственным линиям и поддерживает экспорт данных в стандартных форматах. Масштабируемость позволяет использовать оптические системы от настольных установок до контроля на производственной линии.

Ключевые преимущества оптических систем:

• отсутствие механического контакта с изделием;
• высокая скорость получения результатов измерений;
• возможность контроля в труднодоступных местах;
• одновременное измерение множества параметров;
• сохранение цифровых данных для анализа и документирования;
• возможность измерения движущихся объектов;
• работа с широким диапазоном размеров объектов;
• минимальное влияние температуры на точность измерений.

Характеристика	Контактные методы	Оптические методы
Скорость измерения	медленная	мгновенная;
Влияние на объект	есть контакт	отсутствует;
Точность	до 1 мкм	до 1 нм;
Универсальность	ограничена	высокая;
Износ элементов	присутствует	отсутствует;
Автоматизация	частичная	полная.

Области промышленного применения

Оптические измерительные системы применяются в машиностроении для контроля размеров деталей, валов, шестерен, где требуется высокая точность и производительность. В электронике и микромеханике оптические методы незаменимы при работе с микросхемами, пайкой, контактами, где размеры элементов измеряются микрометрами. Медицина и стоматология используют оптические приборы для анализа форм имплантатов, протезов и проведения диагностических процедур.

Авиация и автопром применяют оптические системы при проверке геометрии конструктивных элементов, контроле сварных швов и анализе деформаций деталей под нагрузкой. Научные лаборатории используют оптические приборы для исследования свойств материалов, форм и структур на микро- и наноуровне. Контроль качества продукции осуществляется с применением оптических средств на этапах входного, промежуточного и финального контроля.

Специализированные применения включают:

• монтаж и обслуживание волоконно-оптических сетей с использованием рефлектометров;
• производство оптических кабелей для контроля качества и тестирования готовой продукции;
• лабораторные исследования и разработки для проведения точных измерений и анализа оптических свойств;
• контроль толщины покрытий и пленок в микроэлектронике;
• анализ поверхностных дефектов и шероховатости;
• измерение оптических параметров линз, призм и зеркал;
• контроль качества печатных плат и электронных компонентов;
• проверка геометрии режущего инструмента и штампов.

Критерии выбора оптического оборудования

При выборе оптических измерительных приборов необходимо учитывать диапазон измеряемых размеров и требуемую точность измерений. Точность оптических методов может варьироваться от миллиметров до нанометров в зависимости от типа прибора и применяемой технологии. Размеры рабочей зоны должны соответствовать габаритам контролируемых изделий с учетом возможности их позиционирования и доступа оптической системы ко всем контролируемым элементам.

Тип контролируемых изделий определяет выбор между контактными и бесконтактными методами, а также требования к освещению и обработке поверхности. Производительность измерительной системы должна соответствовать темпу производства с учетом времени загрузки, позиционирования, измерения и выгрузки изделий. Условия эксплуатации включают температурный режим, вибрации, запыленность и влажность, которые могут влиять на точность и надежность оборудования.

Факторы выбора оборудования:

• совместимость с существующими системами управления производством;
• наличие программного обеспечения для обработки и анализа данных;
• возможность интеграции с CAD-системами для сравнения с моделью;
• требования к квалификации персонала и сложность обучения;
• стоимость владения с учетом обслуживания и калибровки;
• наличие технической поддержки и сервисного обслуживания от производителя;
• возможность модернизации и расширения функциональности;
• соответствие метрологическим нормам и стандартам отрасли.

Список источников

Кирилловский В.К. Современные оптические исследования и измерения. Учебное пособие. Издательство Лань, 2022;

Атемьев И.В. Оптические приборы. Каталог. Том 2. URSS.ru;

Бухман Н.С. Упражнения по физике. Оптические измерения. Издательство Лань, 2025;

Пожар В.Э. Современные спектральные оптические приборы. НТЦ УП РАН, 2018.