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系统集成工业显微装置(三)
点击次数:3592   发布时间:2012-05-14 09:37:30
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       接上篇,工业显微装置(又名视频显微装置和数码显微装置)由五个基本部分组成:图像器件、光学系统、机架与运动系统、照明系统、显示器件。关于图像器件是前两篇的重点,本篇介绍工业显微光学系统。

      关于工业显微光学系统,首先,光学系统是光学仪器的核心。其次,基于图像器件的现代工业显微光学系统与传统光学系统有着相似的特点和不同的特性。这种不同,需要将图像器件(CCD或CMOS)作为感光器件与光学成像系统一体进行研究。而这一点,多数同行没有进行,主要是因为隔行如隔山——跨专业特点所致。在赛克创建之初,早在2002年就已对这个领域作过一些卓有成效的实验,在充分利用图像器件(CCD或CMOS)特性和近轴光成像优异性能的前提下。实验非常成功,基于这些实验成果,赛克于2003年申请并获批了“消杂光大景深专利技术”。此专利,具有较强的实用性,全面提升普通镜头在图像器件下的成像质量,并且实施简便,它改善了色彩还原,减小了畸变和场曲,加大了景深。既使在普通光源下,亦可获得图像器件优质成像,使普通镜头提升到接近专业效果。凭借此项专利,赛克数码在基于图像器件的现代工业显微领域一直独辟捷径,提供着低成本高像质的产品,保持着竞争优势。

      光学系统一共有七种象差影响着成像质量,需要进行巨大的运算纠正,便是光学设计,这些象差分别是:球差、慧差、场曲、畸变、色散、位置色差、倍率色差。在这些象差中,工业显微光学系统又因用途不同,要求会有所不同。大致区别如下,工业显微光学系统主要有三个方面的用途:显微观察与品检(即缺陷检查)、显微测量、视觉判断。严格说,前者为工业显微技术范畴,后两项为光学信息工程的技术范畴。前者要求:分辨率和景深,很好的色彩还原和衬度,大范围的变倍能力和大工作距离;后者要求:很小的畸变和很小的场曲(最好是无畸变和场曲),很好的分辨率和层次。需要说明的是,受光学设计与制造所限,显微光学系统至今还没有高倍变焦系统,高倍镜头都是定焦镜。同时,倍率越大,则工作距离越小;高倍金相系统因工作距离太小而使用内打光的同轴光照明方式。近年,基于半复消色差和复消色差技术出现了一种“超大工作距离”高倍光学系统,具有很好的市场前景。

     工业显微光学系统,可分为定倍与变倍两种:定倍系统——使用定焦光学镜头,镜头焦距固定,图像倍率不改变;变倍系统——又分定焦变倍系统和变焦系统两种;前者镜头焦距不变而图像倍率改变,后者两者均变。定倍系统和变倍系统满足于不同的应用领域,变倍系统比定倍系统用途更为广泛。其中,有一种十分特殊的结构——定焦变倍系统,它几乎可以说是赛克数码的独创和杰作。这种定焦变倍系统利用了定焦光学系统比变焦系统更为优异像质,满足变倍用途(变倍比1:3),结合赛克独有的消杂光大景深专利技术,应用效果十分优异。赛克数码早期的工业显微镜多为这种结构。这些工业显微镜,以其出众的像质、优异的性价比而久赋盛誉,象SK2004、SK2010等产品。作为消杂光大景深技术发明者和SK2004等产品设计者,这一切也超出了预想。然而,定焦变倍系统有一个致命的局限:无法齐焦!也就是说,倍率越小、工作距离越大;变倍过程中,工作距离随倍率的不同而变化,幅度较大。正是这一点,定焦变倍系统的应用受到局限,这个局限需要具有齐焦能力的变焦系统来弥补。

     还有一个很多人都不明白的问题:工业显微光学系统无须目镜。工业显微光学系统(视频显微系统)只有物镜,没有目镜,物镜直接成像到图像器件的靶面上。这是因为,图像器件的靶面就象相机里的胶卷,需要成实像才能“感光”;而物镜是成实像的,目镜则成虚像。目镜是将物镜所成的实像,再成像到人的眼球之中;人眼可将虚像成像到视网膜,实像则需要中间介质。比方,人眼可以看到镜子中的虚像,则无法直接观看镜头过来的实像,放到银幕上才能看到。所以,传统显微镜有目镜(用于人眼),现代工业显微镜无须目镜。有一种系统比较笨,物镜后加目镜,目镜后再加物镜这种笨结构。这便是电子目镜——在原光路后面加入两组光学镜头组,导致成像质量下降很大。这是电子目镜的局限,这与大家的理解相反,并非镜组越多越好;对非同一光学系统设计而拼在一起的光学系统而言,镜组越多像质越差。

     工业显微镜或工业显微装置,有一个重要的系统指标:倍率。这又是一个十分“爱昧”问题,经常被混淆,是一个解释起来颇费口舌的问题。首先,我们先来面对一堆概念:物镜倍率、光学倍率、系统倍率、电子倍率、视窗倍率、电子放大、变倍比等,物镜倍率——成像于目镜分划面上的大小除以实物大小——“图像显微”没有目镜,物镜倍率是否为光学倍率?(我认为不是!图像显微系统里,“物镜倍率”是一个“夹角倍率”,这一点好比电影放影机和投影机)。光学倍率——物镜倍率乘以目镜倍率——“图像显微”没有目镜,它的系统光学倍率该怎么算?(同上)系统倍率——显示器件上的影像大小除以实体大小——用不同大小的显示器件,系统倍率就不同?(对!系统倍率在此处成了一个变量,只有使用相同屏幕尺寸的显示器进行比较才有意义)电子倍率——在14英寸监示器上影像的大小除以实物大小——这才是衡量图像显微系统倍率的指标,视窗倍率——视窗内影像大小除以实物大小——随视窗大小而变化,不能作为图像显微系统倍率的指标,电子放大——系统倍率除以物镜倍率——这里不是数码相机里的图像差值放大,而是含有“光学放大”内涵的一个复合倍率,变倍比———物镜最大倍率除以最小倍率——只是变倍系统的一个概念。

     工业显微镜或工业显微装置的另外两个重要指标:分辨力与景深。分辨力——又名解像力、解析力、分辨率,是指成像后能被分辨出的两条线间的最小距离。需要提醒的是,由于人眼极限分辨力为:0.1mm,不借助工具,人眼无法测定分辨力,只能“感觉”。景深——分为“前景深”和“后景深”,两者相加叫“景深”。这还是一个十分“爱昧”的光学成像概念,如果说“分辨力”可以清晰定义与区分,那么,“景深”则是一个没有清晰“界线”的问题,前景深——对焦后,物体(焦平面)朝上的清晰深度——这个“清晰”是以人眼判断为准;后景深——对焦后,物体(焦平面)朝下的清晰深度——“清晰”以人眼判断为准,“深度”比较感觉化,然而,“分辨力与景深”是可以比较的,特别是图像显微下,支持多人共赏的图像显微模式比较容易实现评估,这种评估需要经验,这种经验需要积累,同时,景深还是一个受倍率等因素影响的变量(严格说分辨力也是变量),不同倍率(焦距)下,景深随倍率而变化,倍率越大景深越小,反之亦反。

     关于图像显微(包括现代工业显微或视频显微)的有效放大与虚放大,有效放大——不降低像质的放大——这话说得很“爱昧”,像质一定会下降;只是下降到什么程度算是“不下降”?虚放大———降低了像质的放大——晕!既然下降是一定的,那么,下降要大到什么“程度”才算是“虚放大”?这里的关键——“隐含像质”,超越人眼极限的像质不能被“察觉”,就象是被压缩存贮起来,特别是分辨力,继续放大中,这些隐含像质被“施放”出来,超出人眼极限的细微变化不被发现;接近和达到极限后才能“察觉”,换句话说,能被人眼察觉到像质下降的放大为“虚放大”,不被察觉出像质下降的放大“不是虚放大”,然而,同一工业显微系统在7、、10、、14、、17、28、36、48、60寸屏上,会出现“虚放大”的倍率是不同的,这又是一个十分“爱昧”的问题,反映着“隐含像质”与所使用的显示器件屏幕尺寸大小之间的比率关系,除此之外,这里面还存在一个“视觉效果”问题,大显示器件要远看(张角缩小),小屏近看(张角变大),视觉倍率因屏而变,这些问题,几乎每次与客户探讨中都会遇到,每次都需要做一些概念解释与疏导。

      系统集成工业显微装置与显微视觉装置和进行高性能一体化设计,正是今日赛克数码的长处。

 

 

 


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