詳解光學測量技術(shù)

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

光學測量是生產(chǎn)制造過程中質(zhì)量控制環(huán)節(jié)上重要的一步。它包括通過操作者的觀察進行的快速、主觀性的檢測，也包括通過測量儀器進行的自動定量檢測。光學測量既可以在線下進行，即將工件從生產(chǎn)線上取下送到檢測臺進行測量;還可以在線進行，即工件無須離開產(chǎn)線;此外，工件還可以在生產(chǎn)線旁接受檢測，完成后可以迅速返回生產(chǎn)線。

人的眼睛其實就是一臺光學檢測儀器;它可以處理通過晶狀體映射到視網(wǎng)膜上的圖像。當物體靠近眼球時，物體的尺寸感覺上會增加，這是因為圖像在視網(wǎng)膜上覆蓋的“光感器”數(shù)量增加了。在某一個位置，圖像達到最大，此時再將物體移近時，圖像就會失焦而變得模糊。這個距離通常為10英寸(250毫米)。在這個位置上，圖像分辨率大約為0.004英寸(100微米)。舉例來說，當你看兩根頭發(fā)時，只有靠得很近時才能發(fā)現(xiàn)它們之間是有空隙的。如果想進一步分辨更加清楚的細節(jié)的話，則需要進行額外的放大處理。

人眼之外的測量系統(tǒng)

光學測量是對肉眼直接觀察獲得的簡單視覺檢測的強化處理，因為通過光學透鏡來改進或放大物體的圖像，可以對物體的某些特征或?qū)傩宰龀鰷蚀_的評估。大多數(shù)的光學測量都是定性的，也就是說操作者對放大的圖像做出主觀性的判斷。光學測量也可以是定量的，這時圖像通過成像儀器生成，所獲取的圖像數(shù)據(jù)再用于分析。在這種情況下，光學檢測其實是一種測量技術(shù)，因為它提供了量化的圖像測量方式。

無任何儀器輔助的肉眼測量通常稱為視覺檢測。當采用光學鏡頭或鏡頭系統(tǒng)時，視覺檢測就變成了光學測量。光學測量系統(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。

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

復(fù)雜的光學測量儀器即光學顯微鏡，配置一個多元物鏡和一個放大目鏡。這種測量儀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。

光學投影比較儀是位于單鏡頭放大鏡和光學顯微鏡之間的一種測量儀器。這種測量儀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范圍和圖像的分辨率。

從生產(chǎn)測量的角度來看，操作者通過顯微鏡和光學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放大了的視場，操作者可以同時看到全部范圍;而光學投影比較儀的投影屏也顯示了一個放大的視場，但是圖像覆蓋了整個投影屏(直徑為14~30英寸)，操作者無法同時看到整個視場。

雖然操作者可以退后一步，然后看到整個視場的全景，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，這樣他可以對準視場內(nèi)某一個區(qū)域。這點非常重要，當你使用投影比較儀進行光學對比測量時，工件的圖像需要與主控圖進行直接對比來確定工件是否合格。

還有一種光學測量儀器是視頻測量系統(tǒng)。這種測量系統(tǒng)的光學設(shè)計是從光學比較儀發(fā)展過來的，是光學比較儀的一種變體。在該系統(tǒng)中，圖像不是投影到觀測屏上，而是被攝像機探測器捕捉起來。操作者在顯示器上可以放大并觀看從攝像機里導(dǎo)出的來的圖像。

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

改變測量儀器的放大倍率

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

所有這些光學測量儀器放大圖像的原理都與照相機類似。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，比如難以檢測需要擴大更多倍數(shù)的重要工件細節(jié)。如果測量系統(tǒng)可以增加放大倍數(shù)，其應(yīng)用范圍也會得到拓展。要想做到這一點，通常采用三種方式——鏡頭更換、鏡頭轉(zhuǎn)臺和變焦鏡頭。

光學投影比較儀、顯微鏡和視頻測量系統(tǒng)都可以將鏡頭設(shè)計成可替換的。操作者通常先通過低倍鏡頭來找到工件上要檢測的部位，然后再換高倍鏡頭對細節(jié)進行檢測。這種方式可行，但是效率不高。鏡頭的頻繁更換也會帶來損壞和弄臟的風險。此外，更換鏡頭還需要時間，而且如果工件擋住鏡頭安裝位置的話，鏡頭也比較難換。

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

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

工作距離的重要性

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

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，放大率越高，工件離鏡頭越近。

一些光學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)的放大率就會改變，但是不會改變鏡頭到工件的工作距離，因而提高了工作效率。

傳統(tǒng)光學還有一個特點就是，圖像的尺寸無論在焦點的哪一邊都會發(fā)生改變。這可能會影響圖像某些特性的測量，因為觀察到的尺寸可能與真實的尺寸不一樣。遠心光學系統(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，因為在測量過程中，是否能夠快速簡便地取放工件對整體測量效率來說非常重要。工作距離越長，工件接觸并碰壞光學元件的可能性就越小。此外，光學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)系意味著測量儀器很難聚焦到工件內(nèi)部的某個表面，比如金屬鑄件內(nèi)的軸承座。工作距離太短意味著在測試點接近焦點時系統(tǒng)的鏡頭或其他部件可能會碰到工件。

目前所討論的都是針對單一的視場成像。正如前文所說，視頻測量系統(tǒng)可以捕捉多個視場并將其關(guān)聯(lián)起來，因此可以在相對較大的范圍內(nèi)進行高分辨率的測量。視頻測量系統(tǒng)主要通過標尺和編碼器來記錄測量儀器覆蓋范圍內(nèi)每一個視場的位置。這種方法可以盡可能地在一個較大的區(qū)域內(nèi)提供一種顯微分辨率的測量效果。

不僅僅是成像

在今天的制造環(huán)境下，提高效率尤為重要。對于測量來說，一種方法就是利用多元傳感測量技術(shù)，同步進行多次測量。在視頻測量系統(tǒng)中，可以將成像光路與激光對焦系統(tǒng)結(jié)合起來，這也是一個很好的例子。這種Through-the-lens(通過鏡頭)激光自動對焦系統(tǒng)可以提高測量系統(tǒng)焦點的準確性。

采用TTL激光自動對焦系統(tǒng)，光學測量系統(tǒng)可以對工件邊緣和表面點進行圖像放大測量或視頻測量，還可以對表面輪廓進行激光掃描。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，可以幫助操作者準確地定位零件上的檢測點。對用戶而言，這比觀察高倍放大圖像來尋找某一特殊檢測點更為方便。功能先進的測量軟件可以很輕松地處理圖像和激光對焦、激光掃描以及來自兩個傳感器的數(shù)據(jù)點。而接觸式探針又為系統(tǒng)增添了更多的功能。

光學測量是一個廣義的話題。本文所提到的所有系統(tǒng)都應(yīng)用在日常生產(chǎn)的某個領(lǐng)域中。但是選擇哪一種方法或系統(tǒng)非常重要。在光學測量方面降低要求可能會因為出現(xiàn)質(zhì)量問題或客戶投訴而帶來額外的成本。采取正確的測量方法可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，最終讓客戶滿意。

審核編輯 黃宇