错误类型
放大误差
放大误差是一种现象，放置在物镜前面的物体似乎比放置在较近或较远位置的同一物体小或大（图2）。这种错误在使用标准光学元件的显微镜中很常见。当试图重复测量与物镜距离不一致的一系列物体时，或在非常三维的产品上测量不同高度的多个特征时，它起作用。
放大误差会降低特征测量的准确性，并可能导致检查员无法通过好零件或通过坏零件，从而增加装配层面的返工和报废成本。当样品到透镜的距离变化时，也会降低结果的再现性，例如手持检查、事后重新检查在改变样品高度的装配步骤后返工或重新检查。
图2:使用两个直径相同但高度不同的销钉的放大误差示例。透视图显示相对大小(左)。在俯视图的相同项目(右)，较高的销钉似乎更大，因为它是更接近镜头。
缩放相关错误
使用缩放功能时，放大错误还会导致二次错误。在非远心镜头中变焦和聚焦可能会导致放大率的意外和不可控变化。这会降低检查的测量精度。
手动“自由缩放”对再现性有额外的负面影响。再现性是指能够返回到相同的设置进行重复试验，并在以后可靠地重复试验，获得相同结果的能力。由于检查站在许多不同零件和组件的设置之间来回切换是常规，因此高再现性是关键。通过手动自由缩放可靠地返回到相同的测试设置是非常困难的，由此产生的人为变化可能导致从一个测试到下一个测试的测量不一致。
视差误差
视差误差(也称为透视误差)是由观察高度三维物体或比较光路中不同高度的物体时的放大误差引起的。在视场中垂直对齐的点在现实中似乎不再对齐。
从倾斜（非垂直）角度观察对象时会产生此错误（图3）.显微镜中的一个常见示例是，当用户将头部从一侧移到另一侧时，光学瞄准具中的分划板相对于被测样品的明显移动。在测量样品上的特征时，通过将其保持在直尺边缘或卡钳钳口的前面或后面，可以看到相同的效果，从而导致高度不匹配h在物体和测量装置之间。
图3：导致测量不准确的视差误差。在左图中，弹壳在视野中居中，屏幕测量显示从孔中心（远离物镜）到弹壳边缘（靠近物镜）的距离为4.62 mm。在右图中，相同的测量值偏离中心，读数变为5.12 mm。
视差误差还会导致从产品表面突出的特征看起来偏离光轴（视场中心）。视倾斜的方向和大小随特征在视野内的位置而变化（图4）。这种失真使得再现性测试难以实现，除非每次将样品固定在完全相同的位置。
图4:视差误差导致高的特征(左)在俯视图(右)显示倾斜远离中心的领域。
现代显微镜设计中的远心性
标准显微镜的光学中隐藏着如此多的错误，似乎不可能可靠地检查任何需要定量报告的东西。然而，仔细考虑显微镜的光学设计可以避免这个问题。例如，一些显微镜具有远心光学，可以消除或显著减少由放大误差、变焦和视差造成的不准确性和再现性损失。
远心透镜已经存在了几十年，但通过20世纪th世纪被贴上“异国情调”的标签，并被边缘化应用。随着机器成像和基于视觉的质量控制测量在工业制造业的扩展，这项技术在过去十年中首次得到广泛应用。
远心性是光学系统的一个特征，在该光学系统中，通过系统的所有主射线(每个射线束的中心射线)都非常接近平行于光轴。光学系统可以在像空间(目镜/相机侧)、物空间(物镜侧)或两者都是远心的。远心是通过在复合透镜(图5)的后焦点处放置一个光阑(一个中间有一个小孔的不透明屏幕)来实现的。
简单地说，当通过远心透镜观看一个物体时，观众是“直接向下”观看视野中的所有点。相比之下，使用非远心光学，观察者只能在视野的最中心和所有偏离中心的点上以一个角度向下看。
图5远心光学系统的射线迹图。主光线在物体空间(上)、图像空间(中)或两者(下)平行于光轴。
远心性在物体空间(客观面)的优势
设计远心显微镜可使系统具有多种光学特性，这些特性对测量精度、减少失真和结果的再现性非常有益。
不断放大
远心光学系统最重要的特性是在样品和显微镜物镜之间的不同距离上保持恒定的放大率。这个概念可能很难理解，因为我们看不到远心。在人眼看来，距离较近的物体似乎比距离较远的物体大。这对于正常观看效果很好，但在创建必须精确测量和可靠重复的产品图像时，恒定的放大率至关重要。
当检查不同高度的样品时，恒定放大率可提供更好的重复性，因为物体的外观尺寸不会随其与物镜的距离而改变（图6）。它还可以更精确地测量复杂的三维形状，例如表面高度不同的大型零件。
当使用分划板或屏幕分划板测量特征时，恒定放大可确保高特征上的点之间的距离不会人为地大于低特征上的相同距离。当重新查看之前在不同高度查看的样品时，它还提供了更好的再现性。
图6:相同直径的物体在不同距离的镜头(从图2)，通过标准相机光学(左)和远心相机光学(右)看到。
改善放大
恒定放大的一个关键好处是，它可以实现可重复和精确的缩放功能。通过几乎消除放大误差，远心镜头将变焦和对焦时物镜移动引起的放大率的意外和不可控变化降至最低。这大大提高了光学测量精度。当配合点击停止机械定位功能或编码变焦时，远心镜头可以提供精确且高度可重复的变焦功能。
对称模糊
使用远心光学系统，即使样品上的特征失焦，也可以精确测量，因为不在最佳聚焦点的对象对称模糊。这将保持质心位置不变，并允许准确定位特征和边缘而不失真。这消除了用户保留所有特征的要求同时聚焦样本上的点。
无视差误差(透视误差)
视差误差的消除对于在检查高度三维的物体时获得准确且可再现的结果是至关重要的，例如在很大一部分的不同点上测量小特征时（图7）。如果工件被移动到视野中的不同位置（或者如果工件被移除并随后在不同位置再次检查），使用远心光学系统可确保物体上特征的外观形状和位置不会发生变化。
图7：通过标准光学系统（左）和远心光学系统（右）观察到的高大特征（图4）的比较。
视野中所有点的等视线
在标准光学中，视线只在视场中心垂直于检查平面，其他所有点都以一个角度观察。这意味着没有集中在视场中心的低洼特征可能被邻近的高特征所掩盖。由于远心光学被设计成直视视场中的所有点，这些问题都被消除了。这使得一些难点的可视化成为可能，比如两个相距很远的平行管的内径，或者偏离光学中心线的深孔底部(图8)。
图8:通过标准光学和远心光学看到的具有挑战性形状的视图的比较。当用标准光学装置(顶部)观察偏离中心时，到深洞底部的视线部分被洞的顶部边缘遮挡。当用远心光学(下)观察时，孔底部的整个表面都是可见的。
远心透镜的替代品
软件
使用远心光学设备的用户普遍存在一种误解，即存在一种软件机制来调整图像以实现恒定放大和其他误差减小。虽然可以做到这一点，但远心镜头的许多优点无法通过软件准确再现。
光学认证和校准
显微镜界的另一个常见误解是，每台显微镜光学元件的第三方认证可确保检查的准确性和再现性。实际上，政府标准组织通常认证校准设备，但不认证单个仪器。
显微镜制造商可以对单个仪器进行内部校准，但在这里，自由变焦能力的另一个缺点开始发挥作用。在制造商进行了初始校准后，变焦设置带来的变化使得在现场重现校准条件变得困难。
制造时进行的校准可通过提高同一供应商生产的显微镜之间的性能一致性来帮助再现性。然而，任何校准都不能消除由非远心透镜的基本光学原理（如视差和非恒定放大率）引起的误差。
结论
现代显微镜设备中的光学系统可能会受到各种隐藏错误的影响。仔细考虑设备中使用的光学设计至关重要。使用带有远心光学系统的显微镜可以减少或消除许多此类误差，从而优化图像质量、测量精度和再现性。