人的眼睛其實(shí)就是一臺(tái)光學(xué)檢測(cè)儀器;它可以處理通過(guò)晶狀體映射到視網(wǎng)膜上的圖像。本圖顯示了人眼成像的原理圖。

光學(xué)測(cè)量是生產(chǎn)制造過(guò)程中質(zhì)量控制環(huán)節(jié)上重要的一步。它包括通過(guò)操作者的觀察進(jìn)行的快速、主觀性的檢測(cè)，也包括通過(guò)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行的自動(dòng)定量檢測(cè)。光學(xué)測(cè)量既可以在線下進(jìn)行，即將工件從生產(chǎn)線上取下送到檢測(cè)臺(tái)進(jìn)行測(cè)量;還可以在線進(jìn)行，即工件無(wú)須離開(kāi)產(chǎn)線;此外，工件還可以在生產(chǎn)線旁接受檢測(cè)，完成后可以迅速返回生產(chǎn)線。

人的眼睛其實(shí)就是一臺(tái)光學(xué)檢測(cè)儀器;它可以處理通過(guò)晶狀體映射到視網(wǎng)膜上的圖像。當(dāng)物體靠近眼球時(shí)，物體的尺寸感覺(jué)上會(huì)增加，這是因?yàn)閳D像在視網(wǎng)膜上覆蓋的“光感器”數(shù)量增加了。在某一個(gè)位置，圖像達(dá)到最大，此時(shí)再將物體移近時(shí)，圖像就會(huì)失焦而變得模糊。這個(gè)距離通常為10英寸(250毫米)。在這個(gè)位置上，圖像分辨率大約為0.004英寸(100微米)。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)你看兩根頭發(fā)時(shí)，只有靠得很近時(shí)才能發(fā)現(xiàn)它們之間是有空隙的。如果想進(jìn)一步分辨更加清楚的細(xì)節(jié)的話，則需要進(jìn)行額外的放大處理。

人眼之外的測(cè)量系統(tǒng)

光學(xué)測(cè)量是對(duì)肉眼直接觀察獲得的簡(jiǎn)單視覺(jué)檢測(cè)的強(qiáng)化處理，因?yàn)橥ㄟ^(guò)光學(xué)透鏡來(lái)改進(jìn)或放大物體的圖像，可以對(duì)物體的某些特征或?qū)傩宰龀鰷?zhǔn)確的評(píng)估。大多數(shù)的光學(xué)測(cè)量都是定性的，也就是說(shuō)操作者對(duì)放大的圖像做出主觀性的判斷。光學(xué)測(cè)量也可以是定量的，這時(shí)圖像通過(guò)成像儀器生成，所獲取的圖像數(shù)據(jù)再用于分析。在這種情況下，光學(xué)檢測(cè)其實(shí)是一種測(cè)量技術(shù)，因?yàn)樗峁┝肆炕膱D像測(cè)量方式。

無(wú)任何儀器輔助的肉眼測(cè)量通常稱為視覺(jué)檢測(cè)。當(dāng)采用光學(xué)鏡頭或鏡頭系統(tǒng)時(shí)，視覺(jué)檢測(cè)就變成了光學(xué)測(cè)量。光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和技術(shù)有許多不同的種類，但是基本原理和結(jié)構(gòu)大致相同。

最基本的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)就是單鏡頭放大鏡。這種裝置一般包含一個(gè)較大的鏡頭，安裝在連接到工作臺(tái)的控制臂上。操作者調(diào)整好鏡頭的位置，然后雙手拿住工件，同時(shí)通過(guò)鏡頭觀察。除了背景光之外，通常還會(huì)安裝一個(gè)環(huán)繞鏡頭的照明裝置來(lái)提高圖像質(zhì)量。簡(jiǎn)易的放大鏡可以使成像質(zhì)量提高三到五倍，對(duì)工件表面的瑕疵、零件的遺漏及安裝錯(cuò)誤等檢測(cè)非常有用。

復(fù)雜的光學(xué)測(cè)量?jī)x器即光學(xué)顯微鏡，配置一個(gè)多元物鏡和一個(gè)放大目鏡。這種測(cè)量?jī)x器可以將工件放大到800倍以上。高放大率也限制了可放大區(qū)域的大小，同時(shí)要求工件要靠鏡頭很近，焦距比較小。這也限制了顯微鏡在工業(yè)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用。

光學(xué)投影比較儀是位于單鏡頭放大鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種測(cè)量?jī)x器。這種測(cè)量?jī)x器的工作原理是將圖像放大，然后投影到玻璃或塑料屏幕上，供操作者觀察。在這里，投影屏與顯微鏡中的目鏡所起的作用一樣。光學(xué)透鏡系統(tǒng)的放大率和投影屏的直徑?jīng)Q定了投影比較儀的視場(chǎng)范圍(FOV)和圖像分辨率。

比較儀的工作原理是將圖像放大，然后投影到玻璃或塑料屏幕上，供操作者觀察。鏡頭系統(tǒng)的放大倍率和投影屏的直徑?jīng)Q定了投影比較儀的視場(chǎng)范圍和圖像的分辨率。

從生產(chǎn)測(cè)量的角度來(lái)看，操作者通過(guò)顯微鏡和光學(xué)比較儀觀察到的圖像是大有區(qū)別的。顯微鏡目鏡顯示了一個(gè)放大了的視場(chǎng)，操作者可以同時(shí)看到全部范圍;而光學(xué)投影比較儀的投影屏也顯示了一個(gè)放大的視場(chǎng)，但是圖像覆蓋了整個(gè)投影屏(直徑為14~30英寸)，操作者無(wú)法同時(shí)看到整個(gè)視場(chǎng)。

雖然操作者可以退后一步，然后看到整個(gè)視場(chǎng)的全景，但是這不是投影比較儀的使用方法。操作者需要靠近顯示屏，這樣他可以對(duì)準(zhǔn)視場(chǎng)內(nèi)某一個(gè)區(qū)域。這點(diǎn)非常重要，當(dāng)你使用投影比較儀進(jìn)行光學(xué)對(duì)比測(cè)量時(shí)，工件的圖像需要與主控圖進(jìn)行直接對(duì)比來(lái)確定工件是否合格。

還有一種光學(xué)測(cè)量?jī)x器是視頻測(cè)量系統(tǒng)。這種測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)是從光學(xué)比較儀發(fā)展過(guò)來(lái)的，是光學(xué)比較儀的一種變體。在該系統(tǒng)中，圖像不是投影到觀測(cè)屏上，而是被攝像機(jī)探測(cè)器捕捉起來(lái)。操作者在顯示器上可以放大并觀看從攝像機(jī)里導(dǎo)出的來(lái)的圖像。

視頻測(cè)量系統(tǒng)中采用的攝像機(jī)取代了光學(xué)比較儀的投影屏和顯微鏡中的目鏡。視頻測(cè)量系統(tǒng)同樣可以進(jìn)行高倍率放大光學(xué)檢測(cè)，但是與另外兩個(gè)系統(tǒng)相比有一個(gè)非常重要的區(qū)別，即該系統(tǒng)每次可同時(shí)處理多個(gè)視場(chǎng)。

改變測(cè)量?jī)x器的放大倍率

在視頻測(cè)量系統(tǒng)中，圖像不是投影到觀測(cè)屏上，而是被攝像機(jī)探測(cè)器捕捉起來(lái)。操作者在顯示器上可以放大并觀看從攝像機(jī)里導(dǎo)出的來(lái)的圖像。

所有這些光學(xué)測(cè)量?jī)x器放大圖像的原理都與照相機(jī)類似。單鏡頭放大鏡的放大率是固定的，這也限制了它的應(yīng)用范圍，比如難以檢測(cè)需要擴(kuò)大更多倍數(shù)的重要工件細(xì)節(jié)。如果測(cè)量系統(tǒng)可以增加放大倍數(shù)，其應(yīng)用范圍也會(huì)得到拓展。要想做到這一點(diǎn)，通常采用三種方式——鏡頭更換、鏡頭轉(zhuǎn)臺(tái)和變焦鏡頭。

光學(xué)投影比較儀、顯微鏡和視頻測(cè)量系統(tǒng)都可以將鏡頭設(shè)計(jì)成可替換的。操作者通常先通過(guò)低倍鏡頭來(lái)找到工件上要檢測(cè)的部位，然后再換高倍鏡頭對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行檢測(cè)。這種方式可行，但是效率不高。鏡頭的頻繁更換也會(huì)帶來(lái)?yè)p壞和弄臟的風(fēng)險(xiǎn)。此外，更換鏡頭還需要時(shí)間，而且如果工件擋住鏡頭安裝位置的話，鏡頭也比較難換。

一個(gè)改變放大倍率的有效方法就是在轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝鏡頭。顯微鏡和光學(xué)投影比較儀都可以采用鏡頭轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)改變系統(tǒng)的放大倍率，而不必手動(dòng)更換每一個(gè)鏡頭。鏡頭轉(zhuǎn)臺(tái)可確保每個(gè)鏡頭的光軸與放大倍率的改變是一致的。

還有一個(gè)可以滿足放大率變換要求的解決辦法是采用變焦鏡頭，這在視頻測(cè)量系統(tǒng)中是常見(jiàn)的方法。通過(guò)變焦鏡頭，操作者可以在低放大率下查看一個(gè)視場(chǎng)，在需要觀看細(xì)節(jié)部分時(shí)再將鏡頭拉近，這樣就省卻了更換鏡頭和旋轉(zhuǎn)鏡頭轉(zhuǎn)臺(tái)的麻煩。

工作距離的重要性

所有這些測(cè)量系統(tǒng)在光學(xué)性能方面都有相同的要求，因?yàn)楣鈱W(xué)性能會(huì)影響系統(tǒng)的效率以及圖像的質(zhì)量。要想獲得最佳檢測(cè)效果，這些設(shè)備中的光學(xué)系統(tǒng)需提供較大的工作空間，不會(huì)出現(xiàn)失真的情況，而且能夠生成高對(duì)比度的清晰圖像。

在單鏡頭系統(tǒng)中，工作空間或工作距離隨著放大倍率的增加而減少。也就是說(shuō)，放大率越高，工件離鏡頭越近。

一些光學(xué)投影比較儀采用了中繼鏡系統(tǒng)，可以立即產(chǎn)生圖像，然后投影鏡頭將圖像放大。在這種系統(tǒng)中，工件距離鏡頭的工作空間是不變的。更換投影鏡頭，系統(tǒng)的放大率就會(huì)改變，但是不會(huì)改變鏡頭到工件的工作距離，因而提高了工作效率。

傳統(tǒng)光學(xué)還有一個(gè)特點(diǎn)就是，圖像的尺寸無(wú)論在焦點(diǎn)的哪一邊都會(huì)發(fā)生改變。這可能會(huì)影響圖像某些特性的測(cè)量，因?yàn)橛^察到的尺寸可能與真實(shí)的尺寸不一樣。遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)可以避免圖像尺寸發(fā)生改變。工

作空間在工業(yè)作業(yè)環(huán)境中尤其重要，因?yàn)樵跍y(cè)量過(guò)程中，是否能夠快速簡(jiǎn)便地取放工件對(duì)整體測(cè)量效率來(lái)說(shuō)非常重要。工作距離越長(zhǎng)，工件接觸并碰壞光學(xué)元件的可能性就越小。此外，光學(xué)元件也要保持潔凈才能獲得最佳的成像質(zhì)量。

在工作距離方面還需要考慮到工件表面不平整的情況。放大率與工作距離之間的關(guān)系意味著測(cè)量?jī)x器很難聚焦到工件內(nèi)部的某個(gè)表面，比如金屬鑄件內(nèi)的軸承座。工作距離太短意味著在測(cè)試點(diǎn)接近焦點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)的鏡頭或其他部件可能會(huì)碰到工件。

目前所討論的都是針對(duì)單一的視場(chǎng)成像。正如前文所說(shuō)，視頻測(cè)量系統(tǒng)可以捕捉多個(gè)視場(chǎng)并將其關(guān)聯(lián)起來(lái)，因此可以在相對(duì)較大的范圍內(nèi)進(jìn)行高分辨率的測(cè)量。視頻測(cè)量系統(tǒng)主要通過(guò)標(biāo)尺和編碼器來(lái)記錄測(cè)量?jī)x器覆蓋范圍內(nèi)每一個(gè)視場(chǎng)的位置。這種方法可以盡可能地在一個(gè)較大的區(qū)域內(nèi)提供一種顯微分辨率的測(cè)量效果。

不僅僅是成像

在今天的制造環(huán)境下，提高效率尤為重要。對(duì)于測(cè)量來(lái)說(shuō)，一種方法就是利用多元傳感測(cè)量技術(shù)，同步進(jìn)行多次測(cè)量。在視頻測(cè)量系統(tǒng)中，可以將成像光路與激光對(duì)焦系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，這也是一個(gè)很好的例子。這種Through-the-lens(通過(guò)鏡頭)激光自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)可以提高測(cè)量系統(tǒng)焦點(diǎn)的準(zhǔn)確性。

采用TTL激光自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)可以對(duì)工件邊緣和表面點(diǎn)進(jìn)行圖像放大測(cè)量或視頻測(cè)量，還可以對(duì)表面輪廓進(jìn)行激光掃描。這種成像系統(tǒng)還能夠顯示激光可以工作的區(qū)域，這也給操作者帶來(lái)了便利。在一些系統(tǒng)中，激光還可以用作激光筆。激光光斑比較明亮，可以幫助操作者準(zhǔn)確地定位零件上的檢測(cè)點(diǎn)。對(duì)用戶而言，這比觀察高倍放大圖像來(lái)尋找某一特殊檢測(cè)點(diǎn)更為方便。功能先進(jìn)的測(cè)量軟件可以很輕松地處理圖像和激光對(duì)焦、激光掃描以及來(lái)自兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)點(diǎn)。而接觸式探針又為系統(tǒng)增添了更多的功能。

光學(xué)測(cè)量是一個(gè)廣義的話題。本文所提到的所有系統(tǒng)都應(yīng)用在日常生產(chǎn)的某個(gè)領(lǐng)域中。但是選擇哪一種方法或系統(tǒng)非常重要。在光學(xué)測(cè)量方面降低要求可能會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題或客戶投訴而帶來(lái)額外的成本。采取正確的測(cè)量方法可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，最終讓客戶滿意。

審核編輯 黃宇