1590 年，當(dāng)?shù)谝慌_(tái)多鏡頭顯微鏡發(fā)明時(shí)，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(xiàng)偉大的發(fā)明驚嘆不已。在過去的五十年中，隨著自動(dòng)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(shí)，都會(huì)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(rèn)為所看到的圖像尺寸是精確的，但事實(shí)未必如此。我們在觀察研究時(shí)，如果不確定點(diǎn)到透鏡的距離，或該點(diǎn)不是直接位于顯微鏡透鏡系統(tǒng)的光軸上，則會(huì)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(jìn)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(xiàng)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(yuǎn)近會(huì)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(yuǎn)處，物體看起來會(huì)相應(yīng)地比實(shí)際物體要大或小(圖2)。使用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)器件時(shí)，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(shí)，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(gè)部件時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)這種誤差。


放大倍率誤差會(huì)降低部件測量的精確度，使檢驗(yàn)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(bào)廢成本。當(dāng)樣品與透鏡的距離未能保持統(tǒng)一時(shí)，該誤差還會(huì)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(huì)改變樣品的高度。

變焦相關(guān)誤差

使用變焦功能時(shí)，放大倍率誤差還會(huì)引起二次誤差。對非遠(yuǎn)心透鏡進(jìn)行變焦和調(diào)焦操作，會(huì)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(dòng)“自由調(diào)焦”還對再現(xiàn)性造成額外的負(fù)面影響。再現(xiàn)性是指實(shí)現(xiàn)重復(fù)試驗(yàn)的相同設(shè)置的能力，以及在兩個(gè)不同的試驗(yàn)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(dòng)自由變焦可靠地回歸相同的試驗(yàn)條件，是很難實(shí)現(xiàn)的，因而產(chǎn)生的人為偏差導(dǎo)致每個(gè)試驗(yàn)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(jìn)行對比時(shí)，會(huì)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(diǎn)看似垂直對齊，但實(shí)際上，并未對齊。


從傾斜(非垂直)角觀察物體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生上述誤差(圖3)。顯微鏡學(xué)有一個(gè)常見示例，即當(dāng)用戶頭部從一側(cè)轉(zhuǎn)向另一側(cè)時(shí)，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(dòng)。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(jìn)行測量時(shí)，我們會(huì)看到同樣的效果，其會(huì)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(huì)引起產(chǎn)品表面的突出部分看起來傾斜遠(yuǎn)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(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化(圖4)。這種畸變會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)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(jì)中的遠(yuǎn)心技術(shù)

有些顯微鏡提供遠(yuǎn)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(yuǎn)心透鏡已經(jīng)有數(shù)十年的歷史了，但在 20 世紀(jì)，這些遠(yuǎn)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(xiàng)技術(shù)獲得了廣泛運(yùn)用。

遠(yuǎn)心技術(shù)是光學(xué)系統(tǒng)的一項(xiàng)功能，通過該項(xiàng)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(jī)側(cè))、物方空間(物鏡側(cè))或同時(shí)在兩個(gè)空間中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)心。將光圈(中心帶一個(gè)小孔的不透明屏幕)放在復(fù)式透鏡內(nèi)的后焦點(diǎn)上，即可獲得遠(yuǎn)心(圖 5)。

簡言之，透過遠(yuǎn)心透鏡觀察物體時(shí)，觀察者可以直接看到視場角內(nèi)的所有點(diǎn)。與此相反，透過非遠(yuǎn)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(diǎn)。

物方遠(yuǎn)心的優(yōu)勢(物鏡側(cè))

設(shè)計(jì)遠(yuǎn)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(yuǎn)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?yàn)槲覀兊难劬o法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)心視物。對于人的眼睛來說，近的物體看起來會(huì)比遠(yuǎn)的物體要大。人眼的這項(xiàng)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(shí)，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(shí)，恒定的放大倍率能夠?qū)崿F(xiàn)更佳的再現(xiàn)性，因?yàn)槲矬w的尺寸不會(huì)隨著距離物鏡透鏡的遠(yuǎn)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(shí)，恒定的放大倍率，能夠確保較高部分上兩點(diǎn)之間的距離不會(huì)產(chǎn)生看似大于較低部分上兩點(diǎn)之間的相同距離的假象。重新觀察不同高度的樣品時(shí)，這項(xiàng)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(gè)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(yuǎn)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(shí)的物鏡移動(dòng)引起的，從而顯著提升光學(xué)測量精確度。與鎖定光圈機(jī)械定位功能或已編碼的變焦功能耦合時(shí)，遠(yuǎn)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(yuǎn)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(diǎn)模糊對稱的像點(diǎn)上)，也依然能夠精確測量。此項(xiàng)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(jìn)行精確定位，不致發(fā)生畸變。無需用戶在調(diào)焦的同時(shí)，將所有像點(diǎn)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(shí)，消除判讀誤差對于實(shí)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(diǎn)的微小部分時(shí)(圖 7)。使用遠(yuǎn)心光學(xué)器件能夠確保，當(dāng)載玻片移動(dòng)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(shí)，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(diǎn)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(diǎn)。這就表示，不在視場角中心的較低部分會(huì)被旁邊的較高部分遮蓋。由于遠(yuǎn)心光學(xué)器件設(shè)計(jì)用于直接觀察視場角內(nèi)的所有像點(diǎn)，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(diǎn)，例如，距離較遠(yuǎn)的兩根并行鏡筒的內(nèi)徑，或者遠(yuǎn)離光學(xué)中心線的深孔底部(圖 8)。

遠(yuǎn)心透鏡的替代品

軟件

設(shè)備用戶常常會(huì)對遠(yuǎn)心光學(xué)器件產(chǎn)生誤解，認(rèn)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(shí)，減少其他誤差。盡管上述部分功能可以實(shí)現(xiàn)，但遠(yuǎn)心透鏡的很多優(yōu)勢仍是軟件無法實(shí)現(xiàn)的。

光學(xué)器件的認(rèn)證和標(biāo)定

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

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

生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行的標(biāo)定有助于實(shí)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(yuǎn)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(rèn)，現(xiàn)代顯微鏡設(shè)備中的光學(xué)系統(tǒng)會(huì)存在各種隱藏缺陷。對設(shè)備進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，必須深思熟慮、精心設(shè)計(jì)，這才是關(guān)鍵。使用配備遠(yuǎn)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。


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