人的眼睛其實就是一臺光學(xué)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(xué)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(jìn)行的快速、主觀性的檢測，也包括通過測量儀器進(jìn)行的自動定量檢測。光學(xué)測量既可以在線下進(jìn)行，即將工件從生產(chǎn)線上取下送到檢測臺進(jìn)行測量;還可以在線進(jìn)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(xué)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(dāng)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(dá)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(dāng)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(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。

人眼之外的測量系統(tǒng)

光學(xué)測量是對肉眼直接觀察獲得的簡單視覺檢測的強(qiáng)化處理，因為通過光學(xué)透鏡來改進(jìn)或放大物體的圖像，可以對物體的某些特征或?qū)傩宰龀鰷?zhǔn)確的評估。大多數(shù)的光學(xué)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(xué)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(xué)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(dāng)采用光學(xué)鏡頭或鏡頭系統(tǒng)時，視覺檢測就變成了光學(xué)測量。光學(xué)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(xué)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(xué)測量儀器即光學(xué)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(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(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(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放大了的視場，操作者可以同時看到全部范圍;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(zhǔn)視場內(nèi)某一個區(qū)域。這點非常重要，當(dāng)你使用投影比較儀進(jìn)行光學(xué)對比測量時，工件的圖像需要與主控圖進(jìn)行直接對比來確定工件是否合格。

還有一種光學(xué)測量儀器是視頻測量系統(tǒng)。這種測量系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計是從光學(xué)比較儀發(fā)展過來的，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屏上，而是被攝像機(jī)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(jī)里導(dǎo)出的來的圖像。

視頻測量系統(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。視頻測量系統(tǒng)同樣可以進(jìn)行高倍率放大光學(xué)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(jī)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(jī)里導(dǎo)出的來的圖像。

所有這些光學(xué)測量儀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，比如難以檢測需要擴(kuò)大更多倍數(shù)的重要工件細(xì)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(xué)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(xì)節(jié)進(jìn)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(fēng)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(xué)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(xì)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(xué)性能方面都有相同的要求，因為光學(xué)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(xué)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(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(xué)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(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(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(jìn)行高分辨率的測量。視頻測量系統(tǒng)主要通過標(biāo)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(jìn)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(zhǔn)確性。

采用TTL激光自動對焦系統(tǒng)，光學(xué)測量系統(tǒng)可以對工件邊緣和表面點進(jìn)行圖像放大測量或視頻測量，還可以對表面輪廓進(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(jìn)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(xué)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(xué)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