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1590 年，当第一台多镜头显微镜发明时，人类第一次有能力观察到自然界中神奇的微小物体及其特征，而这些是过去无法用肉眼看到的，更无法感知其存在。因此，科学家们对这项伟大的发明惊叹不已。在过去的五十年中，随着自动化制造领域中的部件和产品不断地小型化，显微镜的使用范围已经越来越多地从科学领域向工业领域拓展。如今，大批组装和检测应用领域中，但凡需要观察和测量微小部件时，都会发现显微镜的“身影”。

现在，我们可以利用显微镜，获得照明条件良好的大幅、清晰图像。由于成像条件良好，人们很容易想当然地认为所看到的图像尺寸是精确的，但事实未必如此。我们在观察研究时，如果不确定点到透镜的距离，或该点不是直接位于显微镜透镜系统的光轴上，则会因光学器件的基本原理而导致畸变，从而引起观察和测量误差。


标准的光学器件足够用于检测二维物体，例如，检测印刷电路板上的痕迹或对非平面物体进行定量分析。但是，在对三维物体的精准测量或特征比对中，例如，注塑件的弯曲表面，上述误差很容易产生问题。


选择配备适当光学器件的显微镜能够显著减少隐藏缺陷，提供更精准、再现性更高的测量结果，而这两项特性都是现代检测和光学测量中不可少的。

误差类型

放大倍率误差

放大倍率误差是指物体距离物镜的远近会造成观察到的物体大小不一的现象，即物体放在物镜前面较近或较远处，物体看起来会相应地比实际物体要大或小(图2)。使用标准光学器件时，这种误差在显微镜中非常普遍。当试图重复测量一系列物体时，而这些物体与物镜透镜的距离未能统一，或测量三维物体上处于不同高度的多个部件时，常会出现这种误差。


放大倍率误差会降低部件测量的精确度，使检验员无法正确判定合格或不合格产品，增加返工的工作量，以致增加组装线上的报废成本。当样品与透镜的距离未能保持统一时，该误差还会降低测量结果的可再现性，例如，通过手持式检测、返工后的重新检测或组装后的重新检测，这些都会改变样品的高度。

变焦相关误差

使用变焦功能时，放大倍率误差还会引起二次误差。对非远心透镜进行变焦和调焦操作，会使放大倍率出现意外和不受控的偏差，从而降低检测的精确度。


手动“自由调焦”还对再现性造成额外的负面影响。再现性是指实现重复试验的相同设置的能力，以及在两个不同的试验条件下检测同一被测物的重复检测结果之间的一致性。由于检测站常常需要在很多不同的部件和组件设置之间来回切换，因此，高再现性是关键所在。手动自由变焦可靠地回归相同的试验条件，是很难实现的，因而产生的人为偏差导致每个试验的结果都无法统一。

判读误差

当观察高度三维化的物体或对光路中不同高度的物体进行对比时，会因放大倍率误差而产生判读误差(亦称为透视误差)。视场角中的点看似垂直对齐，但实际上，并未对齐。


从倾斜(非垂直)角观察物体时，会产生上述误差(图3)。显微镜学有一个常见示例，即当用户头部从一侧转向另一侧时，光学瞄准镜中的刻度线相对受测样品发生明显移动。将样品固定在标尺边缘或游标卡尺测量面的前/后位置，对其特征进行测量时，我们会看到同样的效果，其会引起导致物体和测量设备之间存在高度不符的现象。

判读误差还会引起产品表面的突出部分看起来倾斜远离光轴(视场角中心)。随着视场内部分位置的变化，突出倾斜方向和倾斜程度也会相应地发生变化(图4)。这种畸变会导致试验很难再现，除非每次都把样品精确地固定在同一位置上。

现代显微镜设计中的远心技术

有些显微镜提供远心光学器件，能够消除或显著减少误差，以及因放大倍率误差、变焦和判读误差导致的再现性损失。

远心透镜已经有数十年的历史了，但在 20 世纪，这些远心透镜被贴上“舶来品”的标签，人们对其持观望态度。随着工业制造行业中的设备成像和基于视觉的质控测量等业务的拓展，在最近十年中，这项技术获得了广泛运用。

远心技术是光学系统的一项功能，通过该项技术，确保穿过系统的所有主光线(每条射线束的中心射线)几乎都是准直且与光轴平行的。光学系统可以在像方空间(目镜/照相机侧)、物方空间(物镜侧)或同时在两个空间中实现远心。将光圈(中心带一个小孔的不透明屏幕)放在复式透镜内的后焦点上，即可获得远心(图 5)。

简言之，透过远心透镜观察物体时，观察者可以直接看到视场角内的所有点。与此相反，透过非远心光学器件，观察者只能直接看到视场角正中心，以及所有偏心点。

物方远心的优势(物镜侧)

设计远心显微镜，能够令系统具备若干光学属性，对保持测量精确度、减少畸变以及保证测量结果的再现性大有裨益。

01放大倍率保持不变

远心光学系统的最重要功能就是，不管样品和显微镜物镜之间的距离如何变化，放大倍率始终保持不变。这一概念很难理解，因为我们的眼睛无法实现远心视物。对于人的眼睛来说，近的物体看起来会比远的物体要大。人眼的这项特性对于正常的观察是很有用的，但创建产品图像，且这些图像都必须精确测量并能够可靠地重复时，保持放大倍率不变就非常关键了。 

检测高度不同的样品时，恒定的放大倍率能够实现更佳的再现性，因为物体的尺寸不会随着距离物镜透镜的远近而发生变化(图 6)。此外，它还能够实现对复杂三维形状的更精确测量，例如，具有不同高度表面的较大部件。


使用刻度线或屏幕十字线测量样品时，恒定的放大倍率，能够确保较高部分上两点之间的距离不会产生看似大于较低部分上两点之间的相同距离的假象。重新观察不同高度的样品时，这项优势能够保证更佳的再现性。

02 经过完善的变焦功能

保持放大倍率不变有一个关键优势，就是能够确保变焦功能具有重复性而且精确。远心透镜能够基本消除所有放大倍率误差，很大程度地减少意外和不可控的放大倍率偏差，而这些偏差是由变焦和调焦时的物镜移动引起的，从而显著提升光学测量精确度。与锁定光圈机械定位功能或已编码的变焦功能耦合时，远心透镜能够实现精确和高度可重复的变焦功能。

03 对称模糊

通过远心光学器件，即使样品受测部分出现失焦(由于这些物体不在最佳焦点模糊对称的像点上)，也依然能够精确测量。此项功能可以确保质心定位保持不变，对受测部分以及边缘进行精确定位，不致发生畸变。无需用户在调焦的同时，将所有像点保持在样品上。

04 无判读误差（透视误差）

在检测高度三维化的物体时，消除判读误差对于实现精确的、可再现的测量结果是非常重要的，例如，测量较大部件上不同像点的微小部分时(图 7)。使用远心光学器件能够确保，当载玻片移动到视场角内的不同位置(或取出载玻片，随后在不同位置再次检测)时，受测部分的外观形状和位置保持不变。

05 视场角内所有像点的视线保持平等

通过标准光学器件，视线仅垂直于视场角中心所在的检测平面，并需要选择一定角度观察其他所有像点。这就表示，不在视场角中心的较低部分会被旁边的较高部分遮盖。由于远心光学器件设计用于直接观察视场角内的所有像点，因此，可以全面解决这些问题，从而确保用户能够观察到难度较大的像点，例如，距离较远的两根并行镜筒的内径，或者远离光学中心线的深孔底部(图 8)。

远心透镜的替代品

软件

设备用户常常会对远心光学器件产生误解，认为利用可以调整图像的软件功能，可以保持放大倍率不变，同时，减少其他误差。尽管上述部分功能可以实现，但远心透镜的很多优势仍是软件无法实现的。

光学器件的认证和标定

人们对显微镜行业的另一个误解是，认为必须对每个显微镜的光学器件进行第三方认证，才能确保检测的精确性和再现性。实际上，政府的标准化组织通常只对标定设备进行认证，不会对每台仪器进行逐一认证。

显微镜制造商会对每台仪器进行厂内标定，由此会产生自由变焦功能的另一个弊端。制造商初始标定后，变焦设置的偏差会令其难以复制现场的标定条件。

生产时进行的标定有助于实现再现性，改善由同一供应商制造的显微镜的性能一致性。但是，标定无法消除非远心透镜因基本光学原理而产生的误差，例如，判读误差和放大倍率不统一。

结论


不可否认，现代显微镜设备中的光学系统会存在各种隐藏缺陷。对设备进行光学设计时，必须深思熟虑、精心设计，这才是关键。使用配备远心光学系统的显微镜，能够减少或消除很多此类误差，以便优化图像品质、提高测量精确度和再现性。


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