详解光学测量技术

人的眼睛其实就是一台光学检测仪器;它可以处理通过晶状体映射到视网膜上的图像。本图显示了人眼成像的原理图。

光学测量是生产制造过程中质量控制环节上重要的一步。它包括通过操作者的观察进行的快速、主观性的检测，也包括通过测量仪器进行的自动定量检测。光学测量既可以在线下进行，即将工件从生产线上取下送到检测台进行测量;还可以在线进行，即工件无须离开产线;此外，工件还可以在生产线旁接受检测，完成后可以迅速返回生产线。

人的眼睛其实就是一台光学检测仪器;它可以处理通过晶状体映射到视网膜上的图像。当物体靠近眼球时，物体的尺寸感觉上会增加，这是因为图像在视网膜上覆盖的“光感器”数量增加了。在某一个位置，图像达到最大，此时再将物体移近时，图像就会失焦而变得模糊。这个距离通常为10英寸(250毫米)。在这个位置上，图像分辨率大约为0.004英寸(100微米)。举例来说，当你看两根头发时，只有靠得很近时才能发现它们之间是有空隙的。如果想进一步分辨更加清楚的细节的话，则需要进行额外的放大处理。

人眼之外的测量系统

光学测量是对肉眼直接观察获得的简单视觉检测的强化处理，因为通过光学透镜来改进或放大物体的图像，可以对物体的某些特征或属性做出准确的评估。大多数的光学测量都是定性的，也就是说操作者对放大的图像做出主观性的判断。光学测量也可以是定量的，这时图像通过成像仪器生成，所获取的图像数据再用于分析。在这种情况下，光学检测其实是一种测量技术，因为它提供了量化的图像测量方式。

无任何仪器辅助的肉眼测量通常称为视觉检测。当采用光学镜头或镜头系统时，视觉检测就变成了光学测量。光学测量系统和技术有许多不同的种类，但是基本原理和结构大致相同。

最基本的光学测量系统就是单镜头放大镜。这种装置一般包含一个较大的镜头，安装在连接到工作台的控制臂上。操作者调整好镜头的位置，然后双手拿住工件，同时通过镜头观察。除了背景光之外，通常还会安装一个环绕镜头的照明装置来提高图像质量。简易的放大镜可以使成像质量提高三到五倍，对工件表面的瑕疵、零件的遗漏及安装错误等检测非常有用。

复杂的光学测量仪器即光学显微镜，配置一个多元物镜和一个放大目镜。这种测量仪器可以将工件放大到800倍以上。高放大率也限制了可放大区域的大小，同时要求工件要靠镜头很近，焦距比较小。这也限制了显微镜在工业制造领域中的应用。

光学投影比较仪是位于单镜头放大镜和光学显微镜之间的一种测量仪器。这种测量仪器的工作原理是将图像放大，然后投影到玻璃或塑料屏幕上，供操作者观察。在这里，投影屏与显微镜中的目镜所起的作用一样。光学透镜系统的放大率和投影屏的直径决定了投影比较仪的视场范围(FOV)和图像分辨率。

比较仪的工作原理是将图像放大，然后投影到玻璃或塑料屏幕上，供操作者观察。镜头系统的放大倍率和投影屏的直径决定了投影比较仪的视场范围和图像的分辨率。

从生产测量的角度来看，操作者通过显微镜和光学比较仪观察到的图像是大有区别的。显微镜目镜显示了一个放大了的视场，操作者可以同时看到全部范围;而光学投影比较仪的投影屏也显示了一个放大的视场，但是图像覆盖了整个投影屏(直径为14~30英寸)，操作者无法同时看到整个视场。

虽然操作者可以退后一步，然后看到整个视场的全景，但是这不是投影比较仪的使用方法。操作者需要靠近显示屏，这样他可以对准视场内某一个区域。这点非常重要，当你使用投影比较仪进行光学对比测量时，工件的图像需要与主控图进行直接对比来确定工件是否合格。

还有一种光学测量仪器是视频测量系统。这种测量系统的光学设计是从光学比较仪发展过来的，是光学比较仪的一种变体。在该系统中，图像不是投影到观测屏上，而是被摄像机探测器捕捉起来。操作者在显示器上可以放大并观看从摄像机里导出的来的图像。

视频测量系统中采用的摄像机取代了光学比较仪的投影屏和显微镜中的目镜。视频测量系统同样可以进行高倍率放大光学检测，但是与另外两个系统相比有一个非常重要的区别，即该系统每次可同时处理多个视场。

改变测量仪器的放大倍率

在视频测量系统中，图像不是投影到观测屏上，而是被摄像机探测器捕捉起来。操作者在显示器上可以放大并观看从摄像机里导出的来的图像。

所有这些光学测量仪器放大图像的原理都与照相机类似。单镜头放大镜的放大率是固定的，这也限制了它的应用范围，比如难以检测需要扩大更多倍数的重要工件细节。如果测量系统可以增加放大倍数，其应用范围也会得到拓展。要想做到这一点，通常采用三种方式——镜头更换、镜头转台和变焦镜头。

光学投影比较仪、显微镜和视频测量系统都可以将镜头设计成可替换的。操作者通常先通过低倍镜头来找到工件上要检测的部位，然后再换高倍镜头对细节进行检测。这种方式可行，但是效率不高。镜头的频繁更换也会带来损坏和弄脏的风险。此外，更换镜头还需要时间，而且如果工件挡住镜头安装位置的话，镜头也比较难换。

一个改变放大倍率的有效方法就是在转台上安装镜头。显微镜和光学投影比较仪都可以采用镜头转台来改变系统的放大倍率，而不必手动更换每一个镜头。镜头转台可确保每个镜头的光轴与放大倍率的改变是一致的。

还有一个可以满足放大率变换要求的解决办法是采用变焦镜头，这在视频测量系统中是常见的方法。通过变焦镜头，操作者可以在低放大率下查看一个视场，在需要观看细节部分时再将镜头拉近，这样就省却了更换镜头和旋转镜头转台的麻烦。

工作距离的重要性

所有这些测量系统在光学性能方面都有相同的要求，因为光学性能会影响系统的效率以及图像的质量。要想获得最佳检测效果，这些设备中的光学系统需提供较大的工作空间，不会出现失真的情况，而且能够生成高对比度的清晰图像。

在单镜头系统中，工作空间或工作距离随着放大倍率的增加而减少。也就是说，放大率越高，工件离镜头越近。

一些光学投影比较仪采用了中继镜系统，可以立即产生图像，然后投影镜头将图像放大。在这种系统中，工件距离镜头的工作空间是不变的。更换投影镜头，系统的放大率就会改变，但是不会改变镜头到工件的工作距离，因而提高了工作效率。

传统光学还有一个特点就是，图像的尺寸无论在焦点的哪一边都会发生改变。这可能会影响图像某些特性的测量，因为观察到的尺寸可能与真实的尺寸不一样。远心光学系统可以避免图像尺寸发生改变。工

作空间在工业作业环境中尤其重要，因为在测量过程中，是否能够快速简便地取放工件对整体测量效率来说非常重要。工作距离越长，工件接触并碰坏光学元件的可能性就越小。此外，光学元件也要保持洁净才能获得最佳的成像质量。

在工作距离方面还需要考虑到工件表面不平整的情况。放大率与工作距离之间的关系意味着测量仪器很难聚焦到工件内部的某个表面，比如金属铸件内的轴承座。工作距离太短意味着在测试点接近焦点时系统的镜头或其他部件可能会碰到工件。

目前所讨论的都是针对单一的视场成像。正如前文所说，视频测量系统可以捕捉多个视场并将其关联起来，因此可以在相对较大的范围内进行高分辨率的测量。视频测量系统主要通过标尺和编码器来记录测量仪器覆盖范围内每一个视场的位置。这种方法可以尽可能地在一个较大的区域内提供一种显微分辨率的测量效果。

不仅仅是成像

在今天的制造环境下，提高效率尤为重要。对于测量来说，一种方法就是利用多元传感测量技术，同步进行多次测量。在视频测量系统中，可以将成像光路与激光对焦系统结合起来，这也是一个很好的例子。这种Through-the-lens(通过镜头)激光自动对焦系统可以提高测量系统焦点的准确性。

采用TTL激光自动对焦系统，光学测量系统可以对工件边缘和表面点进行图像放大测量或视频测量，还可以对表面轮廓进行激光扫描。这种成像系统还能够显示激光可以工作的区域，这也给操作者带来了便利。在一些系统中，激光还可以用作激光笔。激光光斑比较明亮，可以帮助操作者准确地定位零件上的检测点。对用户而言，这比观察高倍放大图像来寻找某一特殊检测点更为方便。功能先进的测量软件可以很轻松地处理图像和激光对焦、激光扫描以及来自两个传感器的数据点。而接触式探针又为系统增添了更多的功能。

光学测量是一个广义的话题。本文所提到的所有系统都应用在日常生产的某个领域中。但是选择哪一种方法或系统非常重要。在光学测量方面降低要求可能会因为出现质量问题或客户投诉而带来额外的成本。采取正确的测量方法可以保证产品的质量，最终让客户满意。

审核编辑 黄宇