0 引言
影像测量仪是近十年来发展最为快速的几何光学测量仪器,它是一种基于光学投影原理,结合应用现代光电技术和计算机处理技术,完成对试件边缘轮廓进行瞄准来实现长度尺寸测量的二维平面坐标位置测量仪。该仪器能高效地检测各种形状复杂工件的轮廓和表面形状尺寸、角度及位置,特别是精密零部件的微观检测与质量控制,适用于产品开发、逆向工程、品质检测等领域。比起传统的万能工具显微镜和投影仪,在硬件上增加了CCD摄像传感器、数显化光栅位置输出装置及自动定位伺服控制系统,在测量或软件功能上,具有自动对焦、自动瞄准及各种复杂自动计算处理特点。电子和图像处理技术的发展应用,为影像测量仪的多功能、高精度和自动化程度提供了关键的技术支撑作用。应用于工厂现场测量的影像测量仪,通常其分辨力为0. 001mm,测量不确定度一般为( 3 + L /200)μm 左右,其中L为测量长度(mm) ,应用于精密计量、量值传递等高精度测量领域的影像测量仪,测量不确定度一般优于(1. 0 +L /300)μm。
1 影像测量仪的结构组成及光学原理特点
影像测量仪一般由机械、照明、测长、图像采集、计算机和测量软件等六部分组成,其结构框图如图1所示。影像测量仪的光学原理与普通投影仪很类似,区别在于影像前者被测件的轮廓影像被CCD传感器接收并由计算机进行图像采集和处理,后者则直接把影像投射到投影观测屏,轮廓对准有操作者的人眼完成,因而导致两者测量精度和自动化程度相差很大。 
影像测量仪一般具有较大的测量范围,通常配备有(0. 7 ×～4. 5 ×)的变焦物镜,照明光源除了常见的底光和顶光外,还有环形照明光,适合于底光和顶光都不能有效照明时应用。
2 影像测量仪的误差来源 在影像测量仪上的测量均是单轴或二维平面坐标的测量,测量时先对焦,后对准,再读数(计数) ,最后计算处理。
读数来自于标尺即光栅系统,对焦对准依靠显微镜光学系统,还有一个直接影响测量效果和精度的照明光源,因为,基于影像方法测量的仪器,如果被测件不能被有效正确的照明,则测量的结果显然要偏离其真实尺寸。除前述因素外,环境条件也是制约测量精度不可忽视的因素。基于上述分析,可以归纳出以下几个方面的误差来源: 1)光栅计数尺的误差; 2)工作台移动时存在的直线度、角摆带来的误差; 3)工作台两测量轴垂直度带了的误差; 4)显微镜光轴与工作台面不垂直带了的误差; 5)测量室温度偏离20℃参考温度带来的误差; 6)光源照明条件的变化带来的对焦和对准误差。 在这几种因素中,前四项误差,是硬件误差,在仪器制造过程中已经形成并固定下来,一般无法改变;温度影响带来的误差,必须通过控制测量室的温度和等温过程来减小其影响。最后一项则常被忽视,而在实际测量中,当光源照明条件改变时,直接影响被测工件的照明效果和影像质量,主要是因为影像测量仪的图像是通过CCD接收,尽管CCD具有自动调节增益的功能,但当亮度过大时即失去调节功能,导致被测工件影像在缩小,当亮度过低时,工件影像反而变大。这种影响,对于测量具有重复图形结构之间的间距时,只要整个测量过程中照明条件保持不变,其影响可以忽略,因为每个重复图形结构都同时在变大或变小,间距的测量计算直接消除了影像变形的影响,如测量玻璃尺、网格板刻线间距;除了这种特殊情形外,如测量圆的直径、工件的长度和宽度,都将带来明显的误差。
3 应用实例试验分析
本文以测量标准线宽和圆直径为例,在一光学坐标测量仪上,人工一次对焦,仪器自动寻边测量, 验证光源照明对测量结果的影响。试验A 中, 对一系列5 个白底黑线线宽组(0. 04～0. 08) mm,在不同照明强度下测量各线宽宽度和线1及线5的中心间距。测量时,采用透射照明,先进行调焦后保持该成像焦面,如图2所示,测量结果见表1。
从表1中可以看出,不论线宽名义值多少,同一种线宽随着光强值的增大,超过50%时有明显减小,而线间距却几乎保持不变, 0. 1μm 尾数的变化则是仪器重复性所带来的影响。之所以产生这种影响,其实也很好解释:当光强增大时,由于光对照明物体边缘衍射和散射等现象的存在,当被观测是白底黑线时黑线线宽有微量缩小,而当被观测是黑底白线时白线线宽有微量增大。 试验B 是对两个黑背景下的亮圆直径(φ0. 2mm)和圆心距,在不同照明强度下测量圆直径和圆的中心间距,如图3所示,测量结果见表2。
从对表2的数据分析中,得出与试验A中相同的结论:当光强增大时,亮圆直径有微量增大,而相同结构的圆图形中心距却保持不变。
4 结论
在以影像法测量工件样品的单一的非重复结构的几何尺寸时,光照明条件的改变将会直接影像被测尺寸,如线宽、圆直径、条码标板的条宽和空宽,除非测量的是重复图形的间距,光强的变化才可以忽略,否则,选择多大的光强,应先用标准板进行校准后再进行测量,不可随意设置,在高精度测量中,这是导致测量不确定度增大的关键因素,应引起足够重视。
