測量顯微鏡是一種用于測量精密零件長度和角度的儀器，廣泛應用于測量室、生產(chǎn)線和科學研究部門。過去，測量顯微鏡一般由物鏡和測量顯微鏡組成，屬于視覺設(shè)備的范圍，測量結(jié)果容易受到人為因素的影響。隨著數(shù)字成像技術(shù)的普及，測量顯微鏡被CCD相機取代，結(jié)合圖像分析和數(shù)據(jù)處理，不僅實現(xiàn)了測量自動化，而且提高了測量速度和精度。

　　測量原理

　　假定被測部件長度為y，經(jīng)物鏡顯像后長度為y'，物鏡放大倍數(shù)為y，β，因此，存在以下關(guān)系：

　　物鏡放大倍數(shù)也可以用幾何光學來表示。

　　其中f為物鏡物方焦距，f"就像方焦距，而且有f'=-f。x為焦距，即物鏡物方焦距至被測物體的距離。x"為焦像距，即物鏡方焦點到像的距離。將(2)帶入(1)獲得

　　從(3)可以看出，物鏡焦距確認后，被測長度值取決于物鏡的大小y，以及被測物體與CCD表面相比的位置。如果后者因某種原因出現(xiàn)偏差，如CCD安裝位置誤差或調(diào)焦偏差(詳細下節(jié))，則會導致實際放大率偏差理論放大率，從而導致測量誤差，因為被測物體的大小是根據(jù)公式(1)中的理論放大倍數(shù)計算出來的。所謂理論放大倍數(shù)，是測量顯微鏡的主要性能參數(shù)之一，通?？淘阽R筒上，如1X、0.5X等。

　　物方遠心光路

　　為了保證被測物體在CCD表面清晰顯示，需要改變被測物體到測量顯微鏡之間的距離，直到獲得清晰的圖像。這個過程叫做調(diào)焦。

　　對焦可以有手動對焦和自動對焦，但無論選擇哪種方法，對焦都有偏差。如圖1所示，紅色實線表示正確的圖像位置，藍色實線表示對焦偏差。對于普通顯微鏡來說，藍色光束的主光(通過孔徑光闌中心的光，代表光束中心)的方向與紅色光束的主光相比發(fā)生了變化，CCD表面的交點從A跑到B，換句話說，測得的圖像大小發(fā)生了變化，實際放大率不等于理論放大率，從而導致測量誤差。

　　選擇物方遠心光路可以去除焦距偏差引起的測量誤差。如圖2所示，孔徑光闌放置在物鏡方焦平面上，入瞳遠離物方，物方主光始終與光軸平行。無論被測物體的位置如何變化，出射光束的主光方向始終保持不變。即使有焦距偏差，CCD上的圖像也只會改變清晰度，不會改變大小。因此，物方遠心光路不會因放大率偏差引起的測量誤差。當然，由于光闌外移，軸外像差增大，物鏡的結(jié)構(gòu)趨于復雜，價格遠高于普通物鏡。

　　對顯微鏡進行校正

　　雖然物方遠心光路可以清除焦距偏差帶來的測量誤差，但CCD位置誤差仍然會導致測量誤差，因此在使用測量顯微鏡之前需要進行校正。一般用尺子作為標記，如圖3所示，首先測量尺子的一定距離(如從-5毫米到5毫米)占用的CCD像素的數(shù)量，乘以像素的大小，然后除以物鏡的理論放大率，從而獲得尺子的一定長度的測量值。測量值應該等于10毫米，但由于CCD位置誤差，測量值通常不等于10毫米，例如可能是10.10。mm。多余的0.1mm就是系統(tǒng)偏差，之后每一次測量結(jié)果都會減少0.1mm。mm?；蛟谡{(diào)整CCD位置后重新校正，直至測量值等于或接近10毫米。

　　校正分割板，1“X1”，格值100。μm。

　　由于尺子的刻線具有一定的總寬度，所以它的像總寬度通常大于一個CCD像素，在確認兩個刻線之間的CCD像素數(shù)量時，往往會受到人為因素的影響，從而造成偶然的誤差。所以我們用圖4所示的標準圖案代替尺子進行校正，其優(yōu)點是利用MATLAB圖像處理工具包自動識別圖形，計算圖案的大小，避免了人為因素的影響。已知的標準圖案是4x4mm的黑白正方形，用Edmund0.9XCobaltTL遠心鏡頭進行測量(商品號62901)。.5μm，詳細的測試過程參考視頻1：

　　視頻1檢測細節(jié)

　　圖5顯示了使用視頻1系統(tǒng)相機拍攝的圖像。接著對圖5進行計算機圖像處理，用MATLAB編寫的編程代碼見附錄。程序的第一段是讀取圖像并顯示。第2段是將灰度圖像轉(zhuǎn)換成圖6所示的二值(黑白)圖像。第3段第1行的函數(shù)regionprops()統(tǒng)計了每個白色區(qū)域的面積、重心和邊界框，統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示。其中，面積用像素的數(shù)量表示，重心用x、y坐標表示，邊界框用四個數(shù)值表示。第一個和第二個數(shù)字是矩形左上方的x、y坐標，第三個和第四個數(shù)字是矩形的寬度和高度，用像素的數(shù)量表示。接著給每一個白色區(qū)域貼上標簽，如圖8所示，共有10個白色區(qū)域。很容易看出只有4、5、7三個矩形是完整的，所以第四段第一句就是選擇這三個矩形，其它矩形不會考慮。二是提取三個矩形邊界框的數(shù)據(jù)，并將其寫入二維數(shù)組BoundingBoxes。從圖7可以看出，第4、5、7三個矩形的寬度和高度等于660個像素。最后一句是計算3個方形邊長的平均值，為660個像素，乘以CCD像素大小0.0055mm，再除以理論放大率0.9，得到方形邊長的測量值為4.033mm，比標準值大0.033mm。今后的測量中，需要減少0.033mm的測量值。

　　本文介紹了測量顯微鏡的工作原理和測量誤差的主要來源。─放大率偏差，放大率偏差主要來自焦距偏差和CCD表面與物鏡相比的位置誤差。選擇物方遠心光路，將孔徑光闌放在物鏡方焦平面上，可以有效去除焦距偏差引起的測量誤差。實際放大率與理論放大率之間的誤差可以通過使用尺子或標準圖案進行放大率校準來測量，以補償CCD位置誤差引起的測量誤差。本文介紹了如何使用標準圖案和MATLAB強大的圖像處理工具包來測量實際放大率，并共享編程代碼。