现代光学计量概论

现代光学计量概论

摘要：测试计量在工业生产中扮演着重要的角色，而计量学是一门古老而新兴的手段，

从人类开始结绳计数开始，到现代机器视觉的发展，经历的漫长的时代，在这期间测试计量技术也随着物理学，化学，哲学的发展而发展。自然辩证的思想作为科学技术的基石更是在其发展的历程中起到了重要的作用。

关键字：自然辨证思想，测试计量，光学测量

前言

现代测试计量技术在我们的生产生活中扮演着不可或缺的角色，而自然辩证的思想是科学研究的前提。目前测试计量技术作为一种现代工业的监督管理手段，需要我们以一种严谨思辨的科学手段去认识和开拓。

1．计量学及其分类1

1.1计量学研究的内容

我国计量工作有悠久的历史。不过在古代中国，人们不叫计量，而称作“度量衡”，而且在几千年的历史发展过程中，“度量衡”被视为“尺斗秤”，把这门科学的内容看的十分狭窄。随着现代化生产和科学技术的不断发展，计量学研究的范围在日益扩大，内容不断充实，计量学已远远超出“度量衡”的范畴。根据国际计量局，国际电工委员会，国际标准化组织及国际法制计量组织制定额《国际通用计量学基本名词》，计量学被定义为“有关计量的知识领域”，它包括“有关计量的所有理论与实践的各个方面，而不论计量的准确度如何以及它在什么科学技术领域内进行”。具体内容包括：

研究计量单位及其基准，标准的建立，复制，保存和使用；

研究计量方法和计量器具的计量特性；

研究计量的不确定度；

研究计量人员进行计量的能力；

研究计量法制和管理；

研究有关计量的一切理论和实际问题。

此外，还有如基本物理常数，标准物质及材料特性等的准确测定等，也成了现在计量学研究的重要内容。可以预见，随着生产和科学技术的发展，计量学的内容还会更加丰富。

1.2计量学的分类

计量学包括的专业很多，应用范围十分广泛。我国目前按计量专业划分为几何量，温度，力学，电磁学，电子，时间频率，电离辐射，光学，声学，标准物质等十大类。每一类中又分若干项。

根据任务的性质，计量学又分为法制计量学，普通计量学，应用计量学，技术计量学，质量计量学，理论计量学。

法制计量学：是研究以立法形式或颁布法制性文件规定计量单位，计量方法和计量不确定度的计量学。如许多国家为了保证公平交易和人民的健康，安全，对商业贸易。医药卫生，环境保护，生产安全灯安眠的计量器具，采取立法的形式实行强制管理，经常进行监督检查和定期检定，以保证计量的准确度。

普通计量学：是研究计量学中带有共同性问题的部分，如单位制的结构和计量单位的换算问题，计量的误差问题以及计量器具的计量学特性问题等。

应用计量学：是研究计量学在特定领域中应用的部分，如天文计量学，工业计量，气象计量，海洋计量，医疗计量等。

技术计量学：是涉及工艺过程中测试检验的计量学常常是指几何量计量。

质量计量学：是有关质量检验问题的计量学，如原料，材料，样品器件和整机设备的质量检验，前者统称材料试验，后者是属于理性试验的范畴。

理论计量学：是关于计量理论问题的计量学，如关于量和计量单位的理论，计量误差理论，计量信息论等。

国际法制剂量组织则根据计量学的应用领域，分为工业计量学，商业计量学，天文计量学，医用计量学等。

2．计量学的发展

2.1米制的建立，发展和主要国际计量组织

米制是在十八世纪末由法国创立的一种计量单位制。它已经过巴黎的地球子午线的四千万分之一作为长度单位，定名为“米突（米）”，以米的十分之一长度为立方作为容量单位，定名为“立特（升）”；以一立方分米的纯水在4℃时的重量（质量）作为重量单位，定名为“千克（公斤）”。这种制度是十进制，完全以“米”为基础，因此得名“米制”。法国政府根据科学家们实地测定敦刻尔克到巴塞罗那之间的地球子午线的弧长和给定体积纯水的重量的结果，制成铂基准米尺的铂基准千克，保存在法国巴黎档案局，并从法律上分别赋予这两个基准以“1米”和“1千克”的值。但是，不久以后，发现“档案米”比经过巴黎的子午线四千万分之一的长度约短0.2mm，而“档案千克”不是准确等于一立方分米的纯水在4℃时的质量。

法国创立的米制，逐渐被许多国家所采用，首先采用是欧洲的荷兰，比利时和卢森堡，接着，阿尔及利亚，智利，西班牙，哥伦比亚，墨西哥，葡萄牙，意大利，巴西等国也相继采用，随后，德国，美国，英国等也采用了。

1872年8月，法国政府邀请一些国家派代表到巴黎开“国际米制委员会”，有24个国家派了代表。与会代表赞成普遍采用“米制”，并认为应该按照巴黎档案局保存的“米”和“千克”复制一些原器件分发给各国使用。1875年3月1日，法国政府召开了“米制外交会议”，有二十个国家派出了政府代表和科学家出席。会议批准了国际米制委员会的建议。1875年5月20日正式签署了“米制公约”，俄，法，美，德，意等十七国外交代表，分别代表本国政府在公约上签字，他们公认米制为国际通用的计量单位制，并决定成立国际计量委员会和国际计量局。

2.2计量，测量，测试2

世界著名科学家门捷列夫指出：科学从测量开始；汤姆孙也说：没一件事物只有当可以测量时才能认识，课件测量是人们描述自然界物质运动，在数量上描述物质世界，从而改造世界的重要手段，从某种意义上说，如果没有测量，社会一切活动将无法进行。在《国际通用计量学基本术语》中，测量的定义为以定量值为目的的一组操作；计量学的定义为关于测量的科学，即计量学涵盖有关测量的理论与实践的各个方面。计量学有时简称为计量，中国工程院，中国计量科学研究院研究员张仲华称计量是可以溯源到标准量的测量。

由定义看，测量的目的是确定量值，即利用一个已知的单位量，采取一定的手段和方法与被测量的同种量进行比较的实验过程，测量的结果是具有确定单位的量值，计量学是一门学科，是测量的理论基础和技术基础，具有一定的探索性质。

计量，测量，测试三者之间具有密切的关系，他们都是解决一个“量”的问题，都属于测量的范畴，计量是测量的一种特殊形式，是测量和测试的基础，测量是形成计量的前提，测试为计量开拓新的领域，提供新的技术手段和方法。

习惯上有时常把“计量学”称为“计量”测试有时候也称为“计量”。但在JJG1001-1998通用计量属于定义中，“计量”被定义为“实现单位统一，量值准确，可靠的活动”。可见，“计量”，“计量学”，“测量”，“测试”的概念既有区别又有内在的联系。

春秋战国时期各诸侯的度量衡都相当繁荣且发展较快，但单位的大小和名称不一致，其量值差异较大。以升为例，楚国的一升约合现在的220ml，秦国的一升约合现在的200ml，韩国的一升约合现在的170ml，就量具的名称而言，秦国称为升，斗，斛，齐国则称为豆，巴，釜，钟。

3．光学测量技术

人的眼睛其实就是一台光学检测仪器3；它可以处理通过晶状体映射到视网膜上的图像。当物体靠近眼球时，物体的尺寸感觉上会增加，这是因为图像在视网膜上覆盖的“光感器”数量增加了。在某一个位置，图像达到最大，此时再将物体移近时，图像就会失焦而变得模糊。这个距离通常为10英寸（250毫米）。在这个位置上，图像分辨率大约为0.004英寸（100微米）。举例来说，当你看两根头发时，只有靠得很近时才能发现它们之间是有空隙的。如果想进一步分辨更加清楚的细节的话，则需要进行额外的放大处理。

人的眼睛其实就是一台光学检测仪器；它可以处理通过晶状体映射到视网膜上的图像。本图显示了人眼成像的原理图。

4.人眼之外的测量系统

光学测量是对肉眼直接观察获得的简单视觉检测的强化处理，因为通过光学透镜来改进或放大物体的图像，可以对物体的某些特征或属性做出准确的评估。大多数的光学测量都是定性的，也就是说操作者对放大的图像做出主观性的判断。光学测量也可以是定量的，这时图像通过成像仪器生成，所获取的图像数据再用于分析。在这种情况下，光学检测其实是一种测量技术，因为它提供了量化的图像测量方式。

无任何仪器辅助的肉眼测量通常称为视觉检测。当采用光学镜头或镜头系统时，视觉检测就变成了光学测量。光学测量系统和技术有许多不同的种类，但是基本原理和结构大致相同。最基本的光学测量系统就是单镜头放大镜。这种装置一般包含一个较大的镜头，安装在连接到工作台的控制臂上。操作者调整好镜头的位置，然后双手拿住工件，同时通过镜头观察。除了背景光之外，通常还会安装一个环绕镜头的照明装置来提高图像质量。简易的放大镜可以使成像质量提高三到五倍，对工件表面的瑕疵、零件的遗漏及安装错误等检测非常有用。复杂的光学测量仪器即光学显微镜，配置一个多元物镜和一个放大目镜。这种测量仪器可以将工件放大到800倍以上。高放大率也限制了可放大区域的大小，同时要求工件要靠镜头很近，焦距比较小。这也限制了显微镜在工业制造领域中的应用。

光学投影比较仪是位于单镜头放大镜和光学显微镜之间的一种测量仪器。这种测量仪器的工作原理是将图像放大，然后投影到玻璃或塑料屏幕上，供操作者观察。在这里，投影屏与显微镜中的目镜所起的作用一样。光学透镜系统的放大率和投影屏的直径决定了投影比较仪的视场范围（FOV）和图像分辨率。

比较仪的工作原理是将图像放大，然后投影到玻璃或塑料屏幕上，供操作者观察。镜头系统的放大倍率和投影屏的直径决定了投影比较仪的视场范围和图像的分辨率。

光学投影比较仪、显微镜和视频测量系统都可以将镜头设计成可替换的4。操作者通常先通过低倍镜头来找到工件上要检测的部位，然后再换高倍镜头对细节进行检测。这种方式可行，但是效率不高。镜头的频繁更换也会带来损坏和弄脏的风险。此外，更换镜头还需要时间，而且如果工件挡住镜头安装位置的话，镜头也比较难换。

一个改变放大倍率的有效方法就是在转台上安装镜头。显微镜和光学投影比较仪都可以采用镜头转台来改变系统的放大倍率，而不必手动更换每一个镜头。镜头转台可确保每个镜头的光轴与放大倍率的改变是一致的。

还有一个可以满足放大率变换要求的解决办法是采用变焦镜头，这在视频测量系统中是常见的方法。通过变焦镜头，操作者可以在低放大率下查看一个视场，在需要观看细节部分时再将镜头拉近，这样就省却了更换镜头和旋转镜头转台的麻烦。

工作距离的重要性

所有这些测量系统在光学性能方面都有相同的要求，因为光学性能会影响系统的效率以及图像的质量。要想获得最佳检测效果，这些设备中的光学系统需提供较大的工作空间，不会出现失真的情况，而且能够生成高对比度的清晰图像。

在单镜头系统中，工作空间或工作距离随着放大倍率的增加而减少。也就是说，放大率越高，工件离镜头越近。

一些光学投影比较仪采用了中继镜系统，可以立即产生图像，然后投影镜头将图像放大。在这种系统中，工件距离镜头的工作空间是不变的。更换投影镜头，系统的放大率就会改变，但是不会改变镜头到工件的工作距离，因而提高了工作效率。

传统光学还有一个特点就是，图像的尺寸无论在焦点的哪一边都会发生改变。这可能会影响图像某些特性的测量，因为观察到的尺寸可能与真实的尺寸不一样。远心光学系统可以避免图像尺寸发生改变。

工作空间在工业作业环境中尤其重要，因为在测量过程中，是否能够快速简便地取放工件对整体测量效率来说非常重要。工作距离越长，工件接触并碰坏光学元件的可能性就越小。此外，光学元件也要保持洁净才能获得最佳的成像质量。

在工作距离方面还需要考虑到工件表面不平整的情况。放大率与工作距离之间的关系意味着测量仪器很难聚焦到工件内部的某个表面，比如金属铸件内的轴承座。工作距离太短意味着在测试点接近焦点时系统的镜头或其他部件可能会碰到工件。

目前所讨论的都是针对单一的视场成像。正如前文所说，视频测量系统可以捕捉多个视场并将其关联起来，因此可以在相对较大的范围内进行高分辨率的测量。视频测量系统主要通过标尺和编码器来记录测量仪器覆盖范围内每一个视场的位置。这种方法可以尽可能地在一个较大的区域内提供一种显微分辨率的测量效果。

不仅仅是成像

在今天的制造环境下，提高效率尤为重要。对于测量来说，一种方法就是利用多元传感测量技术，同步进行多次测量。在视频测量系统中，可以将成像光路与激光对焦系统结合起来，这也是一个很好的例子。这种Through-the-lens（通过镜头）激光自动对焦系统可以提高测量系统焦点的准确性。

采用TTL激光自动对焦系统，光学测量系统可以对工件边缘和表面点进行图像放大测量或视频测量，还可以对表面轮廓进行激光扫描。这种成像系统还能够显示激光可以工作的区域，这也给操作者带来了便利。在一些系统中，激光还可以用作激光笔。激光光斑比较明亮，可以帮助操作者准确地定位零件上的检测点。对用户而言，这比观察高倍放大图像来寻找某一特殊检测点更为方便。功能先进的测量软件可以很轻松地处理图像和激光对焦、激光扫描以及来自两个传感器的数据点。而接触式探针又为系统增添了更多的功能。

结束语

光学测量是一个广义的话题。作为一种认识世界，感知世界的方式。计量，测量给我们的工业生产和社会生活带来了很多便利，使我们以一种全新的眼光去感触。目前的以光学测量为基础的人工智能平台已经在航空航天领域，机械制造领域，产品质量检测领域，军事军工领域扮演者着不可或缺的角色。在未来的测试计量道路上，光学测量还会扮演更为重要的角色。而这需要我们作为一个科学研究者在此基础上以一种新的眼光和全新的思维去开拓和发展，以自然科学的辩证思维看待科研道路上的每一步。为人类的科学事业做出应有的贡献。

参考文献

1《现代计量学概论》中国计量出版社；第一版（2003年1月1日）；施昌彦著2《现代干涉测量技术》天津大学出版社；第四版；殷纯永等著

3《几何光学》中国科学技术大学出版社；第二版；胡玉玺著

4《光学系统设计》机械工业出版社出版；第四版；Milton Laikin著