技術(shù)解析 | 使用遠心光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化工業(yè)圖像精確度及再現(xiàn)性

1590 年，當(dāng)?shù)谝慌_多鏡頭顯微鏡發(fā)明時，人類第一次有能力觀察到自然界中神奇的微小物體及其特征，而這些是過去無法用肉眼看到的，更無法感知其存在。因此，科學(xué)家們對這項偉大的發(fā)明驚嘆不已。在過去的五十年中，隨著自動化制造領(lǐng)域中的部件和產(chǎn)品不斷地小型化，顯微鏡的使用范圍已經(jīng)越來越多地從科學(xué)領(lǐng)域向工業(yè)領(lǐng)域拓展。如今，大批組裝和檢測應(yīng)用領(lǐng)域中，但凡需要觀察和測量微小部件時，都會發(fā)現(xiàn)顯微鏡的“身影"。

現(xiàn)在，我們可以利用顯微鏡，獲得照明條件良好的大幅、清晰圖像。由于成像條件良好，人們很容易想當(dāng)然地認為所看到的圖像尺寸是精確的，但事實未必如此。我們在觀察研究時，如果不確定點到透鏡的距離，或該點不是直接位于顯微鏡透鏡系統(tǒng)的光軸上，則會因光學(xué)器件的基本原理而導(dǎo)致畸變，從而引起觀察和測量誤差。


標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)器件足夠用于檢測二維物體，例如，檢測印刷電路板上的痕跡或?qū)Ψ瞧矫嫖矬w進行定量分析。但是，在對三維物體的精準(zhǔn)測量或特征比對中，例如，注塑件的彎曲表面，上述誤差很容易產(chǎn)生問題。


選擇配備適當(dāng)光學(xué)器件的顯微鏡能夠顯著減少隱藏缺陷，提供更精準(zhǔn)、再現(xiàn)性更高的測量結(jié)果，而這兩項特性都是現(xiàn)代檢測和光學(xué)測量中不可少的。

誤差類型

放大倍率誤差

放大倍率誤差是指物體距離物鏡的遠近會造成觀察到的物體大小不一的現(xiàn)象，即物體放在物鏡前面較近或較遠處，物體看起來會相應(yīng)地比實際物體要大或小(圖2)。使用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)器件時，這種誤差在顯微鏡中非常普遍。當(dāng)試圖重復(fù)測量一系列物體時，而這些物體與物鏡透鏡的距離未能統(tǒng)一，或測量三維物體上處于不同高度的多個部件時，常會出現(xiàn)這種誤差。


放大倍率誤差會降低部件測量的精確度，使檢驗員無法正確判定合格或不合格產(chǎn)品，增加返工的工作量，以致增加組裝線上的報廢成本。當(dāng)樣品與透鏡的距離未能保持統(tǒng)一時，該誤差還會降低測量結(jié)果的可再現(xiàn)性，例如，通過手持式檢測、返工后的重新檢測或組裝后的重新檢測，這些都會改變樣品的高度。

變焦相關(guān)誤差

使用變焦功能時，放大倍率誤差還會引起二次誤差。對非遠心透鏡進行變焦和調(diào)焦操作，會使放大倍率出現(xiàn)意外和不受控的偏差，從而降低檢測的精確度。


手動“自由調(diào)焦"還對再現(xiàn)性造成額外的負面影響。再現(xiàn)性是指實現(xiàn)重復(fù)試驗的相同設(shè)置的能力，以及在兩個不同的試驗條件下檢測同一被測物的重復(fù)檢測結(jié)果之間的一致性。由于檢測站常常需要在很多不同的部件和組件設(shè)置之間來回切換，因此，高再現(xiàn)性是關(guān)鍵所在。手動自由變焦可靠地回歸相同的試驗條件，是很難實現(xiàn)的，因而產(chǎn)生的人為偏差導(dǎo)致每個試驗的結(jié)果都無法統(tǒng)一。

判讀誤差

當(dāng)觀察高度三維化的物體或?qū)饴分胁煌叨鹊奈矬w進行對比時，會因放大倍率誤差而產(chǎn)生判讀誤差(亦稱為透視誤差)。視場角中的點看似垂直對齊，但實際上，并未對齊。


從傾斜(非垂直)角觀察物體時，會產(chǎn)生上述誤差(圖3)。顯微鏡學(xué)有一個常見示例，即當(dāng)用戶頭部從一側(cè)轉(zhuǎn)向另一側(cè)時，光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡中的刻度線相對受測樣品發(fā)生明顯移動。將樣品固定在標(biāo)尺邊緣或游標(biāo)卡尺測量面的前/后位置，對其特征進行測量時，我們會看到同樣的效果，其會引起導(dǎo)致物體和測量設(shè)備之間存在高度不符的現(xiàn)象。

判讀誤差還會引起產(chǎn)品表面的突出部分看起來傾斜遠離光軸(視場角中心)。隨著視場內(nèi)部分位置的變化，突出傾斜方向和傾斜程度也會相應(yīng)地發(fā)生變化(圖4)。這種畸變會導(dǎo)致試驗很難再現(xiàn)，除非每次都把樣品精確地固定在同一位置上。

現(xiàn)代顯微鏡設(shè)計中的遠心技術(shù)

有些顯微鏡提供遠心光學(xué)器件，能夠消除或顯著減少誤差，以及因放大倍率誤差、變焦和判讀誤差導(dǎo)致的再現(xiàn)性損失。

遠心透鏡已經(jīng)有數(shù)十年的歷史了，但在 20 世紀(jì)，這些遠心透鏡被貼上“舶來品"的標(biāo)簽，人們對其持觀望態(tài)度。隨著工業(yè)制造行業(yè)中的設(shè)備成像和基于視覺的質(zhì)控測量等業(yè)務(wù)的拓展，在最近十年中，這項技術(shù)獲得了廣泛運用。

遠心技術(shù)是光學(xué)系統(tǒng)的一項功能，通過該項技術(shù)，確保穿過系統(tǒng)的所有主光線(每條射線束的中心射線)幾乎都是準(zhǔn)直且與光軸平行的。光學(xué)系統(tǒng)可以在像方空間(目鏡/照相機側(cè))、物方空間(物鏡側(cè))或同時在兩個空間中實現(xiàn)遠心。將光圈(中心帶一個小孔的不透明屏幕)放在復(fù)式透鏡內(nèi)的后焦點上，即可獲得遠心(圖 5)。

簡言之，透過遠心透鏡觀察物體時，觀察者可以直接看到視場角內(nèi)的所有點。與此相反，透過非遠心光學(xué)器件，觀察者只能直接看到視場角正中心，以及所有偏心點。

物方遠心的優(yōu)勢(物鏡側(cè))

設(shè)計遠心顯微鏡，能夠令系統(tǒng)具備若干光學(xué)屬性，對保持測量精確度、減少畸變以及保證測量結(jié)果的再現(xiàn)性大有裨益。

01放大倍率保持不變

遠心光學(xué)系統(tǒng)的最重要功能就是，不管樣品和顯微鏡物鏡之間的距離如何變化，放大倍率始終保持不變。這一概念很難理解，因為我們的眼睛無法實現(xiàn)遠心視物。對于人的眼睛來說，近的物體看起來會比遠的物體要大。人眼的這項特性對于正常的觀察是很有用的，但創(chuàng)建產(chǎn)品圖像，且這些圖像都必須精確測量并能夠可靠地重復(fù)時，保持放大倍率不變就非常關(guān)鍵了。 

檢測高度不同的樣品時，恒定的放大倍率能夠?qū)崿F(xiàn)更佳的再現(xiàn)性，因為物體的尺寸不會隨著距離物鏡透鏡的遠近而發(fā)生變化(圖 6)。此外，它還能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜三維形狀的更精確測量，例如，具有不同高度表面的較大部件。


使用刻度線或屏幕十字線測量樣品時，恒定的放大倍率，能夠確保較高部分上兩點之間的距離不會產(chǎn)生看似大于較低部分上兩點之間的相同距離的假象。重新觀察不同高度的樣品時，這項優(yōu)勢能夠保證更佳的再現(xiàn)性。

02 經(jīng)過完善的變焦功能

保持放大倍率不變有一個關(guān)鍵優(yōu)勢，就是能夠確保變焦功能具有重復(fù)性而且精確。遠心透鏡能夠基本消除所有放大倍率誤差，很大程度地減少意外和不可控的放大倍率偏差，而這些偏差是由變焦和調(diào)焦時的物鏡移動引起的，從而顯著提升光學(xué)測量精確度。與鎖定光圈機械定位功能或已編碼的變焦功能耦合時，遠心透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)精確和高度可重復(fù)的變焦功能。

03 對稱模糊

通過遠心光學(xué)器件，即使樣品受測部分出現(xiàn)失焦(由于這些物體不在最佳焦點模糊對稱的像點上)，也依然能夠精確測量。此項功能可以確保質(zhì)心定位保持不變，對受測部分以及邊緣進行精確定位，不致發(fā)生畸變。無需用戶在調(diào)焦的同時，將所有像點保持在樣品上。

04 無判讀誤差（透視誤差）

在檢測高度三維化的物體時，消除判讀誤差對于實現(xiàn)精確的、可再現(xiàn)的測量結(jié)果是非常重要的，例如，測量較大部件上不同像點的微小部分時(圖 7)。使用遠心光學(xué)器件能夠確保，當(dāng)載玻片移動到視場角內(nèi)的不同位置(或取出載玻片，隨后在不同位置再次檢測)時，受測部分的外觀形狀和位置保持不變。

05 視場角內(nèi)所有像點的視線保持平等

通過標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)器件，視線僅垂直于視場角中心所在的檢測平面，并需要選擇一定角度觀察其他所有像點。這就表示，不在視場角中心的較低部分會被旁邊的較高部分遮蓋。由于遠心光學(xué)器件設(shè)計用于直接觀察視場角內(nèi)的所有像點，因此，可以全面解決這些問題，從而確保用戶能夠觀察到難度較大的像點，例如，距離較遠的兩根并行鏡筒的內(nèi)徑，或者遠離光學(xué)中心線的深孔底部(圖 8)。

遠心透鏡的替代品

軟件

設(shè)備用戶常常會對遠心光學(xué)器件產(chǎn)生誤解，認為利用可以調(diào)整圖像的軟件功能，可以保持放大倍率不變，同時，減少其他誤差。盡管上述部分功能可以實現(xiàn)，但遠心透鏡的很多優(yōu)勢仍是軟件無法實現(xiàn)的。

光學(xué)器件的認證和標(biāo)定

人們對顯微鏡行業(yè)的另一個誤解是，認為必須對每個顯微鏡的光學(xué)器件進行第三方認證，才能確保檢測的精確性和再現(xiàn)性。實際上，政府的標(biāo)準(zhǔn)化組織通常只對標(biāo)定設(shè)備進行認證，不會對每臺儀器進行逐一認證。

顯微鏡制造商會對每臺儀器進行廠內(nèi)標(biāo)定，由此會產(chǎn)生自由變焦功能的另一個弊端。制造商初始標(biāo)定后，變焦設(shè)置的偏差會令其難以復(fù)制現(xiàn)場的標(biāo)定條件。

生產(chǎn)時進行的標(biāo)定有助于實現(xiàn)再現(xiàn)性，改善由同一供應(yīng)商制造的顯微鏡的性能一致性。但是，標(biāo)定無法消除非遠心透鏡因基本光學(xué)原理而產(chǎn)生的誤差，例如，判讀誤差和放大倍率不統(tǒng)一。

結(jié)論


不可否認，現(xiàn)代顯微鏡設(shè)備中的光學(xué)系統(tǒng)會存在各種隱藏缺陷。對設(shè)備進行光學(xué)設(shè)計時，必須深思熟慮、精心設(shè)計，這才是關(guān)鍵。使用配備遠心光學(xué)系統(tǒng)的顯微鏡，能夠減少或消除很多此類誤差，以便優(yōu)化圖像品質(zhì)、提高測量精確度和再現(xiàn)性。


相關(guān)產(chǎn)品

徠卡Leica DVM6 超景深視頻顯微鏡


產(chǎn)品介紹

一款多功能視頻顯微鏡，可以用在檢測分析，質(zhì)量控制，失效分析，研發(fā)產(chǎn)品等領(lǐng)域的測量分析。集成的照明和復(fù)消色差物鏡確保了高品質(zhì)的圖像。可用DVM6的支架傾斜功能來觀察樣品的側(cè)面信息，通過支架的±60°傾斜，可以對樣品進行360°觀察；利用景深合成可對特征進行3D尺寸的測量。顯微鏡的編碼功能使得測量結(jié)果很容易重現(xiàn)，報告和文檔都可以一鍵生成。


格林諾夫體視顯微鏡 Leica Ivesta 3


產(chǎn)品介紹

在檢查和返工過程中，效率和可靠性至關(guān)重要。Ivesta 3采用了FusionOptics融合光學(xué)技術(shù)，兼具高分辨率和大景深。利用顯微鏡的9:1大變焦范圍，輕松從樣本概覽切換到細節(jié)。通過高達55倍的放大倍數(shù)和具有復(fù)消色差校正功能的光學(xué)器件，呈現(xiàn)微小的細節(jié)。使用Ivesta 3格林諾夫體視顯微鏡，您可以優(yōu)化目視檢查和分析流程，同時獲得可靠、一致的結(jié)果。


領(lǐng)拓儀器于2012年開始代理徠卡品牌，擁有十多年的經(jīng)驗積累和強大的技術(shù)支持團隊。領(lǐng)拓儀器是徠卡顯微鏡的華南、西南授權(quán)代理商。如有需要，可添加客服溝通。