MICROSCOPIE

Les observations macroscopiques et microscopiques sont quotidiennement utilisées dans de nombreux secteurs d’activité (aéronautique, automobile, traitement thermique, métallurgie, fabrication additive, électronique, géologie, recherche, enseignement…). Les domaines d’utilisation sont tout aussi variés : contrôle visuel, documentation, mesures sur images calibrées, analyse d’images…

On distingue les observations macroscopiques réalisées à partir d’un stéréomicroscope communément appelé loupe binoculaire ou trinoculaire, et les observations microscopiques obtenues par un microscope droit ou inversé.

L’analyse d’images peut être régie selon différentes normes de référence :

> Taille de grains : ASTM E1382, ASTM E112, JIS G0551, ISO 643

> Taux de phases : ASTM A247, JIS G5502, ISO 945, ASTM E562

> Propreté inclusionnaire : ASTM E1245

> Profondeur de décarburation : ASTM E1077, ISO 3887

Macroscopie

Avec une très grande variété de stéréomicroscopes et d’accessoires, la macroscopie est utilisée dans de nombreux domaines d’application pour son champ observable qui offre de grandes vues d’ensemble, sa confortable distance de travail, la profondeur de champ et sa facilité d’utilisation.

La macroscopie s’effectue par l’intermédiaire d’un stéréomicroscope, appelé loupe binoculaire ou trinoculaire.

La binoculaire est un stéréomicroscope dont l’observation se fait exclusivement via les oculaires.

La trinoculaire est un stéréomicroscope équipé d’une sortie vidéo (appelée monture C) permettant l’observation par les oculaires et/ou la caméra numérique raccordée à un ordinateur. En fonction de la tête choisie, l’observation est possible soit par les oculaires soit par la sortie vidéo (100:0/0:100 avec 100% de luminosité), ou partagée entre les oculaires et la caméra (100:0/50:50).

Deux technologies sont utilisées pour les stéréomicroscopes : système Greenough ou à optique parallèle, la construction est plus ou moins complexe, la polyvalence de l’appareil plus ou moins importante.

Les stéréomicroscopes type Greenough disposent d’un corps compact grâce un jeu de lentilles simple. Cela leur confère un prix très abordable mais une plage de zoom restreinte.

Les stéréomicroscopes à optiques parallèles sont des appareils plus haut-de-gamme. Du fait de la complexité du système optique avec des lentilles parallèles, la plage de grossissements est beaucoup plus importante. Les stéréomicroscopes à optiques parallèles sont par conséquence nettement plus de polyvalents.

Autre avantage de l’optique parallèle, avec utilisation de la caméra on garde l’observation par les 2 oculaires et donc la profondeur de champ (un seul oculaire pour le système Greenough).

Les différents type de microscope pour la macroscopie

Microscopie

Avec des grossissements beaucoup plus importants qu’en macroscopie, le microscope offre des résolutions supérieures et une grande modularité avec un large choix d’accessoires (objectifs, filtres…) permettant d’adapter la configuration du microscope à l’échantillon observé.

En fonction de l’échantillon à observer et des habitudes de travail de l’utilisateur, deux types de microscopes sont proposés : microscope droit (observation par le dessus de la pièce) ou inversé (par le dessous).

Le microscope droit permet de voir le faisceau lumineux et donc de savoir immédiatement où l’on est positionné lors de l’observation. Dans un environnement salissant, les objectifs sont préservés de la poussière. Cela nécessite une préparation de l’échantillon méticuleuse pour ne pas avoir de défaut de planéité. De plus, la hauteur du statif limitera la hauteur maximale de la pièce à observer.

Le microscope inversé quant à lui permet de positionner des pièces plus volumineuses et avec deux faces qui ne seront pas nécessairement parfaitement parallèles, voire poser directement la platine porte-échantillon de la polisseuse en pression centrale. A noter que les objectifs orientés vers le haut sont plus sensibles à la poussière.

Schéma différence miscrope droit / inversé en microscopie

Objectif fond clair ou fond noir

En fond clair (ou champ clair), la lumière passe par le centre de l’objectif, arrive sur l’échantillon et repasse par le centre de l’objectif.

En fond noir (ou champ sombre), il s’agit d’un éclairage rasant où la lumière passe par le pourtour de l’objectif, arrive sur l’échantillon et repasse par le centre de l’objectif. Cette catégorie d’objectifs permet d’améliorer sensiblement le contraste de l’échantillon observé et la mise en exergue du relief.

Différence entre objectif fond clair et objectif fond noir en microscopie

Eclairage épiscopique ou diascopique

En métallographie l’observation se fait par réflexion (ou épiscopie), l’échantillon est illuminé du même côté que l’observateur.

Il est également possible de travailler par transmission (ou diascopie), dans ce cas la lumière traverse l’échantillon comme pour les échantillons géologiques et les lames-minces de litholamellage.

Filtres optiques

Les filtres polarisants, appelés analyseur et polariseur, absorbent plus ou moins la lumière lorsqu’on les croise. En fonction de leur orientation, cela permet d’examiner les structures cristallines et de voir les nuances de couleurs.

Dans la plupart des minéraux, la lumière n’aura pas la même vitesse suivant la direction de polarisation. Lorsqu’un rayon lumineux pénètre dans un cristal, il se dédouble en deux rayons de polarisation différente qui se propagent avec une vitesse différente, c’est la biréfringence.

Exemple de structure de titane avec polarisation

Filtre optique avec polarisation en microscopie

Exemple de structure de titane sans polarisation

Filtre optique sans polarisation en microscopie
Pour l’aluminium, il est possible d’obtenir des nuances de couleurs très variées grâce à la lame Lambda. Pour la compatibilité matérielle il faut l’associer aux filtres analyseur/polariseur, à une tourelle pourvue d’un emplacement DIC et à un éclairage halogène pour préserver les couleurs naturelles.

Exemples d’aluminium anodisé avec la lame Lambda :

Exemple d'aluminium anodisé sur une lame lambda en miscroscopie
Le contraste interférentiel différentiel (DIC pour Differential Interference Contrast) associé aux filtres polarisants permet une mise en évidence du relief de la structure de l’échantillon et une augmentation significative du taux de contraste afin d’observer et mesurer des éléments invisibles sans ce prisme.

Le DIC s’utilise avec les tourelles pourvues de l’emplacement spécial DIC et communément utilisé sur les forts grossissements.

Champ lexical des objectifs

WD ou DT : Working Distance ou Distance de travail
Plus la distance de travail est importante, plus le confort d’utilisation est important.
C’est aussi ce qui fait pour beaucoup la qualité et le coût de l’objectif.

NA : Numerical Aperture ou Ouverture Numérique
Il s’agit de l’angle d’ouverture numérique de l’objectif qui détermine sa résolution.
Plus ce chiffre est élevé, plus la résolution est importante.
Plus ce chiffre est faible, plus le contraste est important.

Objectif Achromatique ou Apochromatique :
Les objectifs achromatiques corrigent une partie des aberrations chromatiques pour le rouge et le vert.
Les objectifs apochromatiques corrigent quant à eux les aberrations chromatiques du rouge, vert et bleu.
Ces catégories d’objectifs améliorent le contraste et la résolution (a fortiori les Apo).

Parfocalité :
Distance entre le haut de l’objectif et la surface à observer, il s’agit de la distance de netteté.

Logiciel de mesure

Le logiciel PRESI VIEW MESURE  est une suite logicielle développée par PRESI permettant de réaliser des acquisitions d’images grâce à une caméra numérique et de réaliser des mesures sur images calibrées.

Compatible avec toutes marques et tous modèles de microscopes et stéréomicroscopes équipés d’une monture C.

Avec une Interface ergonomique et personnalisable, la prise en main par l’utilisateur est rapide. Très intuitif, il se charge des acquisitions, des traitements et des éditions d’images.

Nombreuses applications : contrôle dimensionnel sur des coupes de pièces, couches de peinture, traitements de surface, dépôts, soudures…

Nombreuses mesures disponibles : longueurs, épaisseurs, marqueurs, angles, rayons, diamètres, périmètres, surfaces, cercles, arcs de cercles…

Sauvegarde dans de nombreux formats (bmp, jpeg, png, tiff…), intégration des photos dans les rapports, sauvegarde automatique dans la base de données et extraction possible des tableaux de résultats sous Excel ou Open Office.

Sur le même ordinateur et donc le même logiciel, vous pourrez connecter jusqu’à 5 appareils comme un banc macro, un stéréomicroscope, un microscope, un micro-duromètre, un macro-duromètre.

Presi view capture d'écran miscroscopie
Le module additionnel PRESI VIEW DURETÉ  peut être ajouté au logiciel PRESI VIEW MESURE. Compatible avec les micro-duromètres et duromètres équipés d’une monture C, il est possible de profiter de la détection automatique d’empreinte et d’obtenir la valeur de dureté avec les diagonales des empreintes Vickers et Knoop.

Logiciel d’analyse d’images

Le logiciel NIS Elements  est une suite logicielle développé par notre partenaire Nikon Metrology permettant de réaliser des analyses d’images grâce à une caméra numérique haute résolution.

Modulaire, il dispose de nombreuses fonctionnalités permettant de simplifier et d’automatiser les acquisitions et analyses d’images : reconstitutions d’images (stiching), mesures automatisées de cordons de soudures, reconstruction et mesures 3D (stack en Z), mesures automatiques d’épaisseurs de revêtements, taux de phases par seuillage, taille de grains, caractérisation des fontes, comptage particulaire…

NIS Elements, logiciel de microscopie
La capture d’images peut se faire de différentes façons :

> Capture d’une seule image d’un simple clic ;

> « Image Stitching » (reconstitution d’images XY) fait un panorama d’images pour obtenir une grande image. Fonction possible avec ou sans table motorisée ;

> « EDF – Profondeur de champ étendue » (reconstitution d’images Z) permet de combiner des images capturées dans un axe Z afin de créer une image nette qui peut ensuite être pivotée et utilisée pour des mesures 3D.

Le stack en Z fonctionne avec ou sans motorisation d’axe Z. La reconstruction sur 3 axes XYZ fonctionne uniquement avec table motorisée (XY) et axe Z motorisé.

NIS Elements image stitching microscopie
Le module d’acquisition de “Large Image” génère une vue d’ensemble à haute résolution en recollant automatiquement de multiples images adjacentes, en utilisant une table motorisée ou à partir de multiples images acquises lors d’un projet précédent. Les utilisateurs peuvent facilement sélectionner les plages d’acquisition d’image et les zones à partir d’images à faible grossissement.
NIS Elements EDF microscopie

Analyse de taille de grain

À l’exception des monocristaux, tous les métaux se composent de particules (grains) séparées par ce que l’on appelle un joint de grains. Les métallographes étudient les sections transversales polies d’échantillons provenant de lieux d’intérêt afin de déterminer la grosseur des grains à cet endroit. Le logiciel d’imagerie Nikon classifie automatiquement la taille de grain.
Analyse taille de grain image originale
Figure 1 : Image d’origine avant seuillage par nuance de gris
Analyse de grain microscopie binarisation of the boundaries
Figure 2 : Binarisation des joints de grains avec la méthode planimétrique
Microscopie classification des grains
Figure 3 : Classification des grains
Determination of the grey scale thresholding into a red bitplane using planimetric mode intersections using linear mask
Figure 4 : Détermination des intersections utilisant la méthode linéaire
Résultat analyse de grain
Figure 5 : Fenêtre de résultats montrant la distribution selon l’ASTM E1382-97. Autres normes disponibles : ASTM E112, JIS G0551, ISO 643. Les rapports peuvent aussi être générés dans Excel.
Il est aussi possible de faire des comparaisons de taille de grain selon les normes ISO et ASTM à partir d’images types :
Analyse des grains normes ISO et ASTM

Caractérisation des fontes

L’image d’un échantillon de fonte montre une matrice de ferrite, perlite et graphite, avant seuillage des niveaux de gris.

Les pièces en fonte comportant des lamelles de graphite (fonte grise) ne sont pas aussi solides et résistantes aux chocs que celles constituées de graphite nodulaire (fonte ductile). Le logiciel de traitement d’image de Nikon classe automatiquement la forme, la répartition et la dimension du graphite, des données utiles pour déterminer le comportement mécanique de la fonte.

Caractéristiques des fontes en microscopie

Analyse et mesure de la fonte grise :

Analyse et mesure de la fonte malléable :

Analyse et mesure du taux de ferrite et perlite :
Figure 1 : Image standard représentant une fonte ductile
Figure 2 : Image d’un échantillon de fonte montrant ferrite, perlite et graphite, avant seuillage
Figure 3 : Binarisation de la ferrite en couleur rouge

Mesures d’épaisseur de couches

Le module « Layers Thickness Measurement » permet de détecter les couches et d’en mesurer les épaisseurs automatiquement, par seuillage ou manuellement.

Mesures de cordon de soudures

Le module de soudure permet à partir d’un type de soudure type (en L, en T…) ou avec un modèle personnalisé de mesurer rapidement tous les éléments de la soudure.

Toutes les mesures s’enchaînent automatiquement pour que l’opérateur puisse en quelques clics seulement connaître l’ensemble des paramètres de sa soudure.