1590 年，當第一臺多鏡頭顯微鏡發明時，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，科學家們對這項偉大的發明驚嘆不已。在過去的五十年中，隨著自動化制造領域中的部件和產品不斷地小型化，顯微鏡的使用范圍已經越來越多地從科學領域向工業領域拓展。如今，大批組裝和檢測應用領域中，但凡需要觀察和測量微小部件時，都會發現顯微鏡的“身影"。

現在，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的光軸上，則會因光學器件的基本原理而導致畸變，從而引起觀察和測量誤差。


標準的光學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對非平面物體進行定量分析。但是，在對三維物體的精準測量或特征比對中，例如，注塑件的彎曲表面，上述誤差很容易產生問題。


選擇配備適當光學器件的顯微鏡能夠顯著減少隱藏缺陷，提供更精準、再現性更高的測量結果，而這兩項特性都是現代檢測和光學測量中不可少的。

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象，即物體放在物鏡前面較近或較遠處，物體看起來會相應地比實際物體要大或小(圖2)。使用標準光學器件時，這種誤差在顯微鏡中非常普遍。當試圖重復測量一系列物體時，而這些物體與物鏡透鏡的距離未能統一，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品，增加返工的工作量，以致增加組裝線上的報廢成本。當樣品與透鏡的距離未能保持統一時，該誤差還會降低測量結果的可再現性，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焦操作，會使放大倍率出現意外和不受控的偏差，從而降低檢測的精確度。


手動“自由調焦"還對再現性造成額外的負面影響。再現性是指實現重復試驗的相同設置的能力，以及在兩個不同的試驗條件下檢測同一被測物的重復檢測結果之間的一致性。由于檢測站常常需要在很多不同的部件和組件設置之間來回切換，因此，高再現性是關鍵所在。手動自由變焦可靠地回歸相同的試驗條件，是很難實現的，因而產生的人為偏差導致每個試驗的結果都無法統一。

判讀誤差

當觀察高度三維化的物體或對光路中不同高度的物體進行對比時，會因放大倍率誤差而產生判讀誤差(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，會產生上述誤差(圖3)。顯微鏡學有一個常見示例，即當用戶頭部從一側轉向另一側時，光學瞄準鏡中的刻度線相對受測樣品發生明顯移動。將樣品固定在標尺邊緣或游標卡尺測量面的前/后位置，對其特征進行測量時，我們會看到同樣的效果，其會引起導致物體和測量設備之間存在高度不符的現象。

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

現代顯微鏡設計中的遠心技術

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

遠心透鏡已經有數十年的歷史了，但在 20 世紀，這些遠心透鏡被貼上“舶來品"的標簽，人們對其持觀望態度。隨著工業制造行業中的設備成像和基于視覺的質控測量等業務的拓展，在最近十年中，這項技術獲得了廣泛運用。

遠心技術是光學系統的一項功能，通過該項技術，確保穿過系統的所有主光線(每條射線束的中心射線)幾乎都是準直且與光軸平行的。光學系統可以在像方空間(目鏡/照相機側)、物方空間(物鏡側)或同時在兩個空間中實現遠心。將光圈(中心帶一個小孔的不透明屏幕)放在復式透鏡內的后焦點上，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的所有點。與此相反，透過非遠心光學器件，觀察者只能直接看到視場角正中心，以及所有偏心點。

物方遠心的優勢(物鏡側)

設計遠心顯微鏡，能夠令系統具備若干光學屬性，對保持測量精確度、減少畸變以及保證測量結果的再現性大有裨益。

01放大倍率保持不變

遠心光學系統的最重要功能就是，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，但創建產品圖像，且這些圖像都必須精確測量并能夠可靠地重復時，保持放大倍率不變就非常關鍵了。 

檢測高度不同的樣品時，恒定的放大倍率能夠實現更佳的再現性，因為物體的尺寸不會隨著距離物鏡透鏡的遠近而發生變化(圖 6)。此外，它還能夠實現對復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，這項優勢能夠保證更佳的再現性。

02 經過完善的變焦功能

保持放大倍率不變有一個關鍵優勢，就是能夠確保變焦功能具有重復性而且精確。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焦時的物鏡移動引起的，從而顯著提升光學測量精確度。與鎖定光圈機械定位功能或已編碼的變焦功能耦合時，遠心透鏡能夠實現精確和高度可重復的變焦功能。

03 對稱模糊

通過遠心光學器件，即使樣品受測部分出現失焦(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，不致發生畸變。無需用戶在調焦的同時，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精確的、可再現的測量結果是非常重要的，例如，測量較大部件上不同像點的微小部分時(圖 7)。使用遠心光學器件能夠確保，當載玻片移動到視場角內的不同位置(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 視場角內所有像點的視線保持平等

通過標準光學器件，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。由于遠心光學器件設計用于直接觀察視場角內的所有像點，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徑，或者遠離光學中心線的深孔底部(圖 8)。

遠心透鏡的替代品

軟件

設備用戶常常會對遠心光學器件產生誤解，認為利用可以調整圖像的軟件功能，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，但遠心透鏡的很多優勢仍是軟件無法實現的。

光學器件的認證和標定

人們對顯微鏡行業的另一個誤解是，認為必須對每個顯微鏡的光學器件進行第三方認證，才能確保檢測的精確性和再現性。實際上，政府的標準化組織通常只對標定設備進行認證，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標定，由此會產生自由變焦功能的另一個弊端。制造商初始標定后，變焦設置的偏差會令其難以復制現場的標定條件。

生產時進行的標定有助于實現再現性，改善由同一供應商制造的顯微鏡的性能一致性。但是，標定無法消除非遠心透鏡因基本光學原理而產生的誤差，例如，判讀誤差和放大倍率不統一。

結論


不可否認，現代顯微鏡設備中的光學系統會存在各種隱藏缺陷。對設備進行光學設計時，必須深思熟慮、精心設計，這才是關鍵。使用配備遠心光學系統的顯微鏡，能夠減少或消除很多此類誤差，以便優化圖像品質、提高測量精確度和再現性。


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