范文一：显微镜观测光斑大小

显微镜观测光斑大小

摘要

介绍用显微镜观测光斑大小的方法。显微镜观测光斑大小的方法 结合分析软件,可以测量和分析尺寸小、形状不规则、能量分布复杂 的单色光和复合光形成的光斑,为需要对光斑进行评估的各种应用领 域提供了实时、快速、有效的测量方法。通过该实验能了解到不同波 长的光斑大小,以及光斑大小与显微镜放大倍数和观测角度之间的关 系。

测量显微镜的光学系统形成物方远心光路 , 使被测工件的光学成 像落在仪器的分划板上 , 然后通过目镜使分划板上的标准刻线对工件 影像进行瞄准 , 以达到测量的目的。因此 , 影像法是测量显微镜的最常 用、最基本的测量方法。

关键词:测量显微镜,影像法,波长,观测角度,放大倍数

MICRORCOPY SPOT SIZE

ABSTRACT

Introduction spot size with a microscope observation method.Microscope observation method combined with spot size analysis software can measure and analyze small size,irregular in shape,monochromatic light energy distribution and the complex formation of composite beam of light for the spot to assess the need for a variety of applications provides real-time,fast effective measurement method.The experiment can be learned by different wavelengths of light spot size,and spot size and microscope magnification and viewing angle relationship. Measuring microscope optical system telecentric in object form,enabling the optical workpiece partition imaging instruments on-board fall, and then eyepiece so that the standard partition board groove on the workpiece image to aim to achieve the measurement purpose.Therefore,the image method is the most commonly used measuring microscope,the basic measurement method.

Key Word:measuring microscope,imaging method,wavelength,observation angle,magnification

目录

摘要 ...................................................................................................................................................... I ABSTRACT . ....................................................................................................................................... II 第一章 绪论 . ....................................................................................................................................... 1 1.1测量显微镜 . .............................................................................................................................. 1 1.1.1测量显微镜 107JA ......................................................................................................... 1 1.1.2测量显微镜的使用 ........................................................................................................ 1 1.1.3测量显微镜正常使用注意事项 .................................................................................... 2 1.2观测光斑 .................................................................................................................................. 3第二章 测量光斑的方法 . ................................................................................................................... 4 2.1观测光斑大小的方法 . .............................................................................................................. 4 2.1.1CCD 摄像法 . ........................................................................................................................ 4 2.1.2光纤探针扫描法 . .............................................................................................................. 5 2.1.3 测量大数值孔径光学系统小光斑 . ................................................................................. 6第三章 材料与方法 . ........................................................................................................................... 8 3.1实验材料 . .................................................................................................................................. 8 3.1.1显微镜 ............................................................................................................................ 8 3.1.2 滤光片、凸透镜、激光器 ......................................................................................... 10 3.2实验方法 ................................................................................................................................ 11 3.3实验步骤 ................................................................................................................................ 13 3.4实验测量方法 . ........................................................................................................................ 14第四章 实验的结论与分析 . ............................................................................................................. 16 4.1实验结论 . ................................................................................................................................ 16 4.1.1解决问题 ...................................................................................................................... 16 4.1.2实验结果 ...................................................................................................................... 16

4.2实验分析 . ................................................................................................................................ 20结论 .................................................................................................................................................... 21致谢 .................................................................................................................... 错 误!未定义书签。 参考文献 . ........................................................................................................................................... 22

第一章 绪论

1.1测量显微镜

测量显微镜是一种大型的精密测量仪器,具有准确度高、功能全等特点,是 生产企业长度计量工作中最常用的光学仪器之一。测量显微镜的光学系统形成物 方远心光路,使被测工件的光学成像落在仪器的分划板上,然后通过目镜使分划 板上的标准刻线对工件影像进行瞄准,以达到测量的目的。因此,影像法是测量 显微镜的最常用、最基本的测量方法。由于测量显微镜还配备了许多辅助设备, 所以除了最基本的影像法外,它还能实现轴切法、光学接触法、机械测量法、双 像法等测量手段,以达到不同的测量目的。

1.1.1测量显微镜 107JA

产品简介:

测量显微镜 107JA ,采用透、反射的方式对工件长度和角度作精密测量。特 别适用于录象磁头、大规模集成电路线宽以及其它精密零件的测试。广泛地适用 于计量室、生产作业线及科学研究等部门。

107J 为光栅数显的小型精密测量仪器。工作台除作 X 、 Y 坐标的移动外,还 可以作 360º的旋转,亦可以进行高度方向做 Z 坐标的测量;采用双筒目镜 观察。 照明系统除作透、 反射照明外还可以作斜光线照明。 仪器进一步可连接 CCD 电视摄像头,作工件的轮廓放大;亦可连接计算机进行数据处理等测量。是一种 理想的多用途的小型精密测量仪器。

1.1.2测量显微镜的使用

寻找像平面

(1)针尖试样应采用“光点找像法” 。

一般显微硬度计测量显微镜物方视场只有 0.25~0.35mm ,在此视场范围外区 域在测量显微镜目镜视场内, 眼睛是看不见的。 而针尖类试样顶尖往往小于 0.1mm ,

所以在安装调节试样时,很难把此顶尖调节在视场内;如果此顶尖在视场周围而 不在视场内,则在升降工作台进行调节时不小心就会把物镜镜片顶坏,即使不顶 坏物镜,找像也很困难为解决这个问题,提出“光点找像法”方法。

开启测量显微镜的照明灯泡,这时在物镜下面工作台上就有一个圆光斑,把 针尖试样垂直于工作台安装在此光斑的中心,升高工作台,使此针尖的顶尖离开 物镜约 1mm 这时眼睛观察顶尖部位,调节工作台上的两个测微丝杆。使物镜下照 明光点在前后左右对称分布在此顶尖上 (这一步骤必须仔细 ) 随后缓慢调节升降机 构,这时在目镜视场中即会看到一个光亮点。这就是此顶尖上的反射光点,再进 一步调节升降即可找到此针尖的像。

(2)表面光洁度很高的试样 (如显微硬度块 ) 应采用边缘找像法。

显微硬度试验中,试样表面光洁度一般都是很高的,往往是镜面表面上没有 明显观察特征,而显微硬度计中所有高倍测量显微镜的景深都是非常小的,只有 1~2mm 所以在调焦找像平面时, 对于缺乏经验的操作者是很困难的, 甚至会碰坏 物镜, 所以操作者有的留用表面残留痕迹来找像平面。 但有时往往无残留痕迹时, 建议采用边缘找像法。即按上述同样方法使用照明光点 (约为 0.5~1mm) 的中心对 准试样表面轮廓边缘,则在目镜视场内看到半亮半暗的交界处即为此轮廓边缘, 随后进一步调节升降即可找到此表面边缘的像。

调焦

为找到正确成像位置,应注意要调节使压痕边缘清晰而不是压痕对角线或对 角线交点清晰。我们需要测量的是这个四棱角锥体坑表面棱形的对角线长度。为 帮助操作者掌握这一步骤,这里提出“视差判别法” ,当用分划板刻线或十字交点 对准压痕对角线顶尖时,人眼相对于目镜左右移动,这时如调焦不正确,即压痕 边缘象不完全落在分划板上,则会发现此边缘相对于分划线会左右移动。这说明 调焦不正确,如人眼相对目镜的位置不一致,则一定存在测量误差,此时应进一 步调焦,直至此边缘相对分划线在人眼晃动时无相对位置才为正确。

1.1.3测量显微镜正常使用注意事项

① 用调焦手轮对被测件进行调焦时, 应先从外部观察, 使物镜镜筒下降接近 被测件,然后眼睛才能从镜中观察。旋转调焦手轮时,要由下向上移动镜筒; ② 防止空程误差。 在测量时应向同一方向转动测微鼓轮, 让十字叉丝垂线和

各目标对准。若移动叉丝超过了目标时,应多退回一些,再重新向同一方向移动 叉丝,完成测量。

③ 要正确读数。

1.2 观测光斑

观测光斑的技术在现在越来越全面,为观测光纤通信领域内的各种微小红外 光斑,研制了一种采用变象管的仪器。使用这种仪器比采用靶摄象管或、等其它 器件的观测设备具有更直观、方便和更经济的优点本仪器用于观测光斑模场的分 辫度高于协,而用于测量自聚焦透镜焦点位置参数的精度优于林可广泛应用于科 研和生产领域中。

而在图像传感技术的许多应用中,例如光电几何量非接触测量、目标图像跟 踪和天文学测量等领域,经常需要用探测器 (如 CCD) 在像面上接收一个成像斑点 (称为像斑 ) ,以便从中提取空间深度和横向位置信息。而这些信息的估值精度除 依赖于许多技术上的因素外,最基本的物理限制来自对像斑位置估值精度。光斑 位置估值精度除了与图像噪声等外界因素有关外,还与光斑本身的大小 [ax, ay]有关。因此,如何设计合适的光斑和提高对像斑中心位置的检测精度一直是人们 关心的问题。

第二章 测量光斑的方法

2.1观测光斑大小的方法

微光斑的测量与分析对于评价光学系统成像质量、 激光光束等起着重要作用。 随着科学技术的发展,在微光成型、微细加工、光学存储、材料处理等应用领域, 对经过光学系统形成的光斑质量要求越来越高,因此需要对光斑进行精确的测量 和分析。目前国外已开发出一些商品化的光斑测量仪器,这些仪器大多用于测量 光束能量分布 (Profile), 且现有测量对象仅局限于激光光斑。 由于激光属单色光, 形成的光斑形状较规则,且能量分布为已知的高斯分布,因此其光斑的测量与分 析相对较易实现 ]1[。

2.1.1CCD 摄像法

CCD 是一种光谱响应宽、稳定性好、操作容易的图像传感器件。近年来, CCD 器件与 CCD 摄像机在现代光电子学和精密测量技术 (如尺寸测量、 定位检测、 天体 观测等 ) 中的应用日趋广泛。 用 CCD 测量光斑可及时获得光斑的二维扫描结果, 是 较理想的测量方法之一。彩色 CCD 摄像法不仅可测量单色光的光斑,而且还可以 测量复合光的光斑 。 CCD 传感器的像元尺寸小,几何精度高,配置适当的光学系 统,可以获得很高的空间分辨率;它以非接触方式进行测量,因而使用方便灵活, 适应性强;它的输出信号易于数字化处理,容易与计算机连接组成实时自动化测 量系统。这些优点使 CCD 摄像法近几年来被广泛地应用于各种加工件尺寸的高精 度、高速度的检测领域 。

利用 CCD 技术、图像处理技术和计算机技术对普通万能工具显微镜进行数码 改造,减少复杂的机械运动部件,从而减少误差的来源,提高了测量精度,实现 了孔心距的数字化测量和读数自动化 。 采用 CCD 摄像法的孔心距测量系统是用显 微镜图像分析法对孔心距进行精密自动测定,主要由工具显微镜、面阵 CCD 摄像

头、图像采集卡、 PC 机、数据分析软件等组成 。

光斑测量系统由光学系统、 显微物镜、 彩色 CCD 、 图像采集卡和计算机组成 (见 图 1— 1) 。被测光斑经显微物镜放大后在 CCD 光敏面上形成一个放大的光斑。 CCD 器件输出的图像视频信号传送到图像采集卡,经 A/D 转换为数字信号后输入计算 机供显示、存储和测量分析。显微物镜的放大倍率根据被测光斑和 CCD 光敏元的

大小而定。

图 2-1 CCD测量系统框图

CCD摄像头将工件轮廓拍摄下来后,通过图像采集卡将工件的数字化图像输 入到计算机。计算机对图像作二值化处理,得到工件的轮廓图像。显然,工件图 像的尺寸 (以像素点数量表示 ) 与工件的实际尺寸 (以厘米或毫米表示 ) 之间具有一 一对应的线性关系,即两者之间的测量比为常数 K ,由摄像物镜的放大比和 CCD 器件的放大比所决定。利用一尺寸已知的标准工件作为测量目标,对 CCD 摄像测 量系统的测量比 K 作精确标定。测量尺寸未知的工件时,只需测定其图像的边长 或直径所包含的像素点数量,除以 K ,即可获得工件的实际边长或直径。

被测光斑经显微物镜放大后在 CCD 光敏面上形成一个放大的光斑。 CCD 器件 输出的图像视频信号传送到图像采集卡,经 A/D转换为数字信号后输入计算机供 显示、存储和测量分析。显微物镜的放大倍率根据被测光斑和 CCD 光敏元的大小 而定。

2.1.2光纤探针扫描法

近年来,随着纳米科技的发展,扫描近场光学显微镜 (SNOM)发展很快,其应 用领域也日益广泛,其中最重要的原因是采用了光纤探针和探针—样品的切变力 间距调控两项先进技术。光纤探针作为 SNOM 的探测器,针尖直径仅 50nm 左右。 我们将光纤探针应用于微小光斑的测量中,可知光纤探针扫描法非常适合微小光 斑的测量,且测量分辨率很高。一般而言,为了提高 SNOM 系统的分辨率,需要探 针尖直径越小越好。然而,随着针尖直径的减小,探针的传输效率急剧下降。例 如,若偶合进光纤的激光功率为 1.0mw ,当光纤探针锥尖直径为 100nm 时,其输

出功率为 10nw ,衰减为 5

10-;当锥尖直径为 50nm 时。输出功率为 0.1nw ,衰减为 7

10-。

利用近场光学显微镜的光纤探针采样技术和压电陶瓷扫描技术,可对光学系 统小光斑的光强分布进行高空间分辨的测量。由于光纤探针采样点的大小为几十 纳米或更小,压电陶瓷扫描间距为几纳米或更小。因此该方法特别适合大数值孔 径光学系统小光斑的测量。 实验证明, 采用该方法测量的空间分辨率可达 50~100nm左右。

光学探针扫描测量系统主要由光学系统、光纤探针扫描器、光电倍增管 /A/D转换电路、计算机和其它驱动电路等组成 (见图 1-2) 。装在扫描器上的探针对光 斑进行扫描,光电倍增管将光信号转变为电信号输出,经过 A/D转换后输入计算 机。探针的扫描通过控制压电陶瓷在 X , Y 方向的伸缩而实现 ]2[

。

图 2-2 光纤探针扫描测量系统框图

为获得光斑的实际能量分布,必须对测得的能量分布进行修正。如不考虑金 属镀膜的影响,可将光纤探针简单地视为小孔。在此假设下,如果设光斑实际能 量分布函数为 E ,测得的能量分布为 ' E ,小孔函数为 )

(ρ

circ , 则存在如下关系 ()ρ

E c i r c

E =' (1-1) 因此,可根据上式进行能量分布修正以获得光斑的实际能量分布。

彩色 CCD 摄像法、光纤探针扫描法两种测量光斑的方法并结合分析软件,可 以测量和分析尺寸小、 形状不规则、 能量分布复杂的单色光和复合光形成的光斑, 为需要对光斑进行评估的各种应用领域提供了实时、快速、有效的测量方法。 2.1.3 测量大数值孔径光学系统小光斑

以测量大数值孔径显微镜物镜的点扩散函数为例, 其测量装置的原理如图 2-3

所示。

图 2-3 测量大数值孔径光学系统小光斑的系统

由半导体激光器发出的光经非球面透镜准直和普通扩束镜扩束后入射到大数 值孔径显微镜物镜上,在被测物镜焦面上形成一小光斑,即点扩散函数。前端有 一个小孔的镀金属膜锥形光纤探针置于小光斑处,对光场采集,并由光纤主体将 光传输至另一端的光电倍增管上进行光电转换;电信号经放大和模数转换后由计 算机处理。计算机通过数模转换控制高压放大器的输出,从而控制管状压电陶瓷 管的横向两维扫描和纵向位移 (用于调焦 ) 。压电陶瓷管带动光纤探针进行焦面上 的两维扫描,从而使计算机可给出小光斑的两维光强分布图,即点扩散函数,如 需要的话,由快速傅里叶变换给出被测物镜的光学传递函数。

实际装置中对光源进行了直接光强调制,电信号经过放大滤波后再解调,以 减小外界光及电路噪声的影响。

通过更换激光器和调制方式 (工作波长不同, 使用的激光器也不同; 激光器工 作方式不同, 光强调制方式也不同 ) , 该装置可以直接用于测量光盘驱动器与母盘 刻录机物镜的读写或刻录光斑的小光斑。实际上,所有大数值孔径光学系统的小 光斑都可以用类似方法测量。根据被测光学系统的不同,光源既可以是单色激光 器也可以是白光加小孔光阑 (小孔光阑不够小时可随后增加一个倒置的显微镜光 路 ) ;光路布置既可以是共轭距无穷远的,也可以是有限远的 ]3[。

第三章 材料与方法

3.1实验材料

3.1.1显微镜

正如上一章提到的,实验首要采用测量显微镜。测量显微镜的准确度高以及 功能晚上等特点都有利于得到准确的数据并且有利于测量,测出所需的数据。而 影像法测量显微镜的最常用、最基本的测量方法。

以显微镜观察钢珠为例。显微镜观察光亮体表面是比较困难的,因为会 有光斑而影响观察。而通过摄像显微镜独特的光路大范围调节功能,改变照 明光路中心,利用弱光照明、优化光路等技术手段,解决了光斑问题,获得

了良好的图像效果。

图 3-1 照相机拍摄的钢珠照片

正常观察光路是由于存在反光则会得到如下图片

图 3-2 正常照明光路观察时出现的光斑

通过优化调节可以得到钢珠磨痕最佳照片从而得出相对清晰的照片

图 3-3 正常照明光路通过优化调节得到的钢珠磨痕最佳照片

接下来通过改变光路中心,消弱反光,并且利用弱光照明可以得到清晰的钢珠磨 痕最佳照片。

图 3-4 改变光路中心利用弱光照明得到的钢珠磨痕最佳照片

当然光学显微镜也是精确度高的一种显微镜。

表面为曲面的玻璃或其他透明材料制成的光学透镜可以使物体放大成像,光 学显微镜就是利用这一原理把微小物体放大到人眼足以观察的尺寸。近代的光学 显微镜通常采用两级放大, 分别由物镜和目镜完成。 被观察物体位于物镜的前方, 被物镜作第一级放大后成一倒立的实象,然后此实像再被目镜作第二级放大。成 一虚象,人眼看到的就是虚像。而显微镜的总放大倍率就是物镜放大倍率和目镜 放大倍率的乘积。放大倍率是指直线尺寸的放大比,而不是面积比 。

光学显微镜的组成结构

光学显微镜一般由载物台、聚光照明系统、物镜,目镜和调焦机构组成。载 物台用于承放被观察的物体。利用调焦旋钮可以驱动调焦机构,使载物台作粗调 和微调的升降运动,使被观察物体调焦清晰成象。它的上层可以在水平面内沿作 精密移动和转动,一般都把被观察的部位调放到视场中心 ]4[。

3.1.2 滤光片、凸透镜、激光器

发射的光束可由激光器或者手电筒发出的光,但由于光束中可能存在不只一 种波长,因此需要用滤光片过滤掉不需要的波长光,然后通过凸透镜聚焦。 滤光片原理:滤光鏡是摄影中不可缺少的光学器件,它能按照规定的需要改

变入射光的光谱强度分布或使其偏振状态发生变化。就光学行为而言,主要是透 射、反射、偏振和密度衰減、散射等。

实际在滤光镜两个表面处都同时发生透射和反射。从能量角度看,常以反射率、 透射率及吸收率表示能量的分配状态, 根据不同的需要令它们有不同的分配情况。 滤光镜的材料吸收的辐射通常是以热、荧光或在材料中进行的光化学反应的形式 释放出来。

激光器则可由手电筒等代替。同样的凸透镜也可用不同的透镜来代替。

3.2 实验方法

影像法测量

万能测量显微镜的光学系统形成物方远心光路,使被测工件的光学成像落在 仪器的分划板上,然后通过目镜使分划板上的标准刻线对工件影像进行瞄准,以 达到测量的目的。因此,影像法是万能测量显微镜的最常用、最基本的测量方法。 因此,在此以影响法测量螺纹为例来解释实验的方法。

1. 调光圈

用影像法测量时,理想照明光线是一束平行于光轴的平行光。这样,工件的 光学成像失真最小。但实际照明光束中往往包含斜照平行光,这样的光束用作边 缘比较薄的工件成像,影响不大,可以忽略;但对于曲面轮廓的测量,如圆柱直 径、螺纹和曲面样板等,成像光束不平行将给测量带来误差。为了尽可能地消除 这种影响,通常需要调整可变光圈。缩小光圈能够控制斜光束,但如果光圈太小, 由于光线绕射,又会产生相反的后果。所以,在万能测量显微镜上测量曲面轮廓, 必须按照被测工件的曲率半径调整光圈,这样才能减小成像误差。光圈直径可通 过实验近似公式来计算,在测量螺纹时,最佳光圈直径的数值方程为:

) sin(18. 0d

f D *?= (3-1) 式中:f ——准直透镜焦距; 2d ——螺纹中径; α——螺纹牙型半角。

通常,最佳光圈的大小可在仪器说明书中直接查得 ]5[。 2.调焦

影像法测量时需要正确地调焦。首先根据测量者的视力调节目镜视度旋钮。使之 能看清分划板上的刻线。然后上下移动中央显微镜悬臂,使工件的像清晰地成在 分划板上。只有在二者都清晰的情况下才能瞄准,否则将产生瞄准误差。调焦也 可采用焦距规。 即先使焦距规上刀刃的像清晰地成在分划板上。 然后换上被测件。 同样可实现在工件的轴截面内测量。

3. 调中央显微镜的立柱倾斜角

测量螺纹时,调整好焦距和光圈后,还需把显微镜立柱倾斜一个角,倾斜方 向视螺纹左旋还是右旋而定。目的是使平行光向上通过螺纹牙槽时与牙侧螺旋面 相切,得到一个真实而清晰的牙型轮廓, Ψ值按公式 (2-2)求得: 2tan d ψ= (3-2)

4.中径测量

使目镜米字线的中心虚线和牙型边缘相压, 记下横向读数, 再移动显微镜到 螺纹的另一侧.并使立柱反向倾斜 角,在视场内引入另一面影像,使其边缘与米 字线的中心相压,记下第二次横向读数 (如图 2-5所示 ) ]6[。

图 2-5影像法测量螺纹中径 测量中工作台不许有纵向移动, 此时两次横向读数之差即为被测螺纹的中径。 为消除螺纹定位时被测件轴线和横向导轨不垂直产生的误差 ]7[,可以在牙型左、 右两侧面各测一次,取其算术平均值作为中径的测量值,即:

2222右 左 d d d += (3-3)

5. 螺距测量

将米字线的中心线压在牙型轮廓的边缘, 记下纵向读数, 然后移动纵向滑板, 使米字线的中心线与相邻的同名牙型边缘相压,记下第二次纵向读数,两次读数 之差即为螺距的实测值。测量过程中横向不许移动 ]8[。为消除螺纹的轴线和测量 线不平行引起的系统误差。应将左右牙廓上的螺距分别测出,取其算术平均值作 为测量结果,即:

2) (右 左 p p p += (3-4)

6. 牙型半角的测量

使目镜米字线的中心虚线与牙型轮廓影像边缘相靠,如图 2-6所示。在角度 目镜内读取角度值 ) 2, 2(IIIαα。 为消除由于螺纹轴线与测量线不平行所引起的测

量误差 ]9[,还需在螺纹另一侧进行测量,读取角度值 ) 2, 2(V IIIIαα,并取算术平

均值作为测量结果,即:

(2222IV I ααα+=左 (3-5) (2222III II ααα+=右 (3-6) 测出左、右牙型半角后.与牙型半角的公称值进行比较,得出牙型半角的偏 差 左 2α?和 右 2α?]10[。

3.3 实验步骤

1. 检查实验仪器是否齐全。显微镜,激光器,滤光片,凸透镜,笔,纸(如 果显微镜不带测量功能,自带测量工具)

2.调节显微镜

(1) . 显微镜的取送:①右手握镜臂;②左手托镜座;③置于胸前。

(2) . 显微镜的旋转:①镜筒朝前,镜臂朝后;②置于观察者座位前的桌子 上,偏向身体左侧,便于左眼向目镜内观察;③置于桌子内侧,距桌沿 5cm 左右。

(3) . 对光:①转动粗准焦螺旋,使镜筒徐徐上升,然后转动转换器,使低 倍物镜对准通光孔; ②用手指转动遮光器 (或片状光圈) , 使最大光圈对准通光孔, 左眼向目镜内注视,同时转动反光镜,使其朝向光源,使视野内亮度均匀合适。

(4) . 低倍物镜的使用:①用手转动粗准焦螺旋,使镜筒徐徐下降,同时两 眼从侧面注视物镜镜头, 当物镜镜头与载物台的玻片相距 2~3mm 时停止。 ②用左 眼向目镜内注视 (注意右眼应该同时睁着) , 并转动粗准焦螺旋, 使镜筒徐徐上升, 直到看清物象为止。如果不清楚,可调节细准焦螺旋,至清楚为止。

(5) . 高倍物镜的使用:使用高倍物镜之前,必须先用低倍物镜找到观察的 物象,并调到视野的正中央,然后转动转换器再换高倍镜。换用高倍镜后,视野 内亮度变暗,因此一般选用较大的光圈并使用反光镜的凹面,然后调节细准焦螺 旋。观看的物体数目变少,但是体积变大。

(6) . 反光镜的使用:反光镜通常与遮光器(或光圈)配合使用,以调节视 野内的亮度。反光镜有平面和凹面。对光时,如果视野光线太强,则使用反光镜 的平面,如果光线仍旧太强,则同时使用较小的光圈;反之,如果视野内光线较 弱,则使用较大的光圈或使用反光镜的凹面。

(7) . 镜头的擦拭:①用专门的擦镜纸;②擦镜头时,先将擦镜纸折叠几次, 然后朝一个方向擦,不可来回擦或转动擦;③如果镜头被油污污染,则可在擦镜 纸上滴几滴二甲苯,然后按上述方法擦拭。

(8) . 显微镜的放大对象:是物体的长和宽,不是面积,更不是体积。

(9) . 显微镜的焦距问题:物镜离装片的远近,准焦螺旋的使用。

(10) . 显微镜使用时物象移动方向:相反,即物象在视野何方,则装片即向 该方向移动。

调节好显微镜,使观察的视线清晰,亮度便于观测。

3.调节好显微镜后,按激光器,滤光片,凸透镜,显微镜摆放实验仪器,并 且要使激光器,滤光片,凸透镜处于同一直线上,焦点同时也在同一直线上。调 整角度使最后的光源聚焦到显微镜的观测面上,平行光束通过透镜后,会聚与焦 平面上,相互加强成一亮点。

4. 调节显微镜的物镜与目镜,得出清晰的光源光斑。

5. 要是使用测量显微镜则可用显微镜的测量功能直接得出观测到的光斑的大 小。多次重复以上的操作,也可改变入射光源,从而可以得出不同波长的光斑大 小,为实验增加准确度。

3.4实验测量方法

对于一个光学仪器来说,如果一个点光源的衍射图样的中央最亮处刚好与另 一个点光源的衍射图样的第一个最暗处重合,这时两衍射图样光强度约为单个衍 射图样的中央最大光强的 80%,一般人眼睛刚能够判断出这是两个光点的像,这 一条件称为瑞利准则。以圆孔形物镜为例, “恰能分辨”的两点光源的两衍射图样 的中心之间的距离,应等于爱里斑的半径 ]11[。此时,两点光源在透镜处所张的角 称为最小分辨角, 用 R θ表示。 对于直径为 d 的圆孔衍射图样来说, 爱里斑半径 1θ由 下式给出: d λ

θ22. 1sin 1= (3-7)

即最小分辨角的大小由仪器的孔径 d 和光波的波长 λ决定。光学仪器的分辨本领 都与仪器的孔径成正比,与所用的光波的波长成反比

]11[。

第四章 实验的结论与分析

4.1实验结论

4.1.1解决问题

1. 实验仪器的摆放问题, 正如上面步骤里说的四个仪器必须处于同一直线上, 并且滤光片,激光器,凸透镜的焦点也要处于同一直线上,这是重中之重。 2. 显微镜调试好,并且使用得出数据后要记下当时使用的放大倍数,放大倍 数不同得出的结果也不同。这是容易忽视的问题。

3. 这是本实验的最大问题,就是从显微镜上的得出的数据并不是光斑原来的 大小, 由于显微镜存在一定的角度, 我们观察时会使得出的数据不是原来的大小, 因此需要根据实验时偏转的角度将得出的光斑大小还原成原来大小。

4.1.2实验结果

根据 3.3的实验步骤进行实验,调整好激光器,滤光片,凸透镜以及显微镜 的位置,使其平行入射并且最终是光源聚焦到显微镜的观测面上,通过显微镜的 调节从而得到相对清晰的光斑大小, 大概如下图 4-1所以是一个相对椭圆的光斑。 然而光斑是圆形的,原因即为上述需解决问题中的第三点,由于观测角度的问题 使原本为圆的光斑呈现出了实验得到的椭圆光斑,因此我们可以通过实验得出的 椭圆的大小以及观测的角度,从而得出光斑原来的大小。

图 4-1 有角度观测时的效果图

从图 4-1中可以得出在角度观测时得到的光斑大小为一个椭圆,即

图 4-2 有角度观测时得到的光斑大小

根据实际观测光斑的大小可以得出光斑原来的大小,如下图 4-2所示

图 4-3正面观测光斑大小的实际效果图

以上面三个效果图为基础可以通过观测到的光斑大小以及观测时的角度可 以得出实际光斑大小,并且能得到三者之间的关系。

在实际计算时,我们可以先设定放大倍数为 1,从而消除放大倍数的影响。 因为放大倍数的影响不仅针对观测到的光斑大小,也针对实际的光斑大小。

根据我们直接观测以及有角度观测的存在,可以得到图 4-4的计算方式,从 而得在该情况下的所要的使用数据。

图 4-4 数据观测图

设得到的椭圆光斑的长半轴为 a ,观测的夹角为 α。

根据图 4-1,4-2可知,实际光斑的半径等于测得的椭圆光斑的长半轴,即 r=a (4-1) 为了方便计算假设观测到的光斑的短半轴为 b ,根据图 4-4可以得出

r b

r b ==22cos α (4-2)

从而得出

ααcos cos a r b == (4-3)

有椭圆公式 b a S

??=π得到

观测得到的光斑大小为 απcos 21a S = (4-4)

由圆的公式 2r S

π=得到

实际光斑大小为 222

a r S ππ== (4-5)

通过上面的计算可以得出,实际光斑大小与观测得到的光斑大小存在一定的 联系,即为

12cos 1

S S α

= (4-6)

从公式 4-3

我们可以得出短半轴与观测角度存在的关系图

图 4-5 短半轴与观测角度的关系图

同理,如果入射的光斑呈现三角形时,我们也可以根据上面的原理来求出三 角形光斑的大小。

设观测光斑的高为 h ,边为 a ,那么实际光斑的高即为

α

cos '

h h = (4-7)

根据三角形面积公式 高 底 ??=

2

1

S , 我们可以求出观测光斑以及实际光斑的

大小和它们两者之间的联系。

观测得到的光斑大小:ha S 2

1

1= (4-8)

实际的光斑大小:ah S α

cos 21

2= (4-9)

通过计算我们可以得到如圆光斑时一样的两者之间的关系式

12cos 1S S α

=

(4-10)

4.2实验分析

通过这次实验首先了解了光学显微镜,测量显微镜的一些原理以及它们的基 本使用。实验方面由于观测角度的不确定性可能会存在一定误差,以及在没有精 确显微镜的前提下通过不十分精确的仪器得出的数据也存在相当的误差。从上面 我们可以得出由于角度存在的问题,以及观测距离和光斑波长的问题都是影响观 测值大小的重要因素。

类似的要是在光源入射到显微镜上时,改变一下光斑的呈现的方式,例如在 凸透镜后加一个有正方形的小隔离板,就能在显微镜上呈现一个不同于圆点的光 斑。当然由于影响上述实验的因素的存在,我想观测到的光斑应该是不是正方形 而是以个长方形的光斑。并且我们从上述两个例子中可以看出无论光源在怎么变 化, 实际光斑的大小永远与观测得到的光斑大小成正比, 与角度的余弦值成反比。

结论

通过实验的研究知道了一些测量显微镜的使用方法以及一些常见的光斑测量 方法。但是由于没有精密的测量仪器,无法得到实际的使用数据。在此次的实验 研究中我得到了通过显微镜来观测光斑大小不仅与观测时的观测角度有关,而且 实验时观测的距离也有关系。这次的实验让我更进一步的了解了显微镜的使用, 以及光斑的测量方式,例如 CCD 显微摄像法,光纤探针技术测量等。

参考文献

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【 2】 徐文东,干福熹 测量大数值孔径光学系统小光斑的方法 [M],上海 中国激 光 2003

【 3】 林晓峰,石少莉 CCD摄像法在工件尺寸测量中的应用 [M],浙江 杭州 光邪 恶仪器 2002

【 4】 苏波,王纪龙,王云才 CCD高精度测径系统的研究 [A],太原 太原理工大学 学报 2002

【 5】 赵庶娴,卢景芳,谭秀华,李效伟 万能测量显微镜的基本原理及测量方法 [M],现代计量仪器与技术之技术篇 2006

【 6】 周锐,房建成,祝世平 图像测量中光斑尺寸优化及性能分析 [M],北京 仪 器仪表学报 2000

【 7】 赵荣华,李国瑞 红外光斑观测仪及其应用 [M],北京邮电学院学报 [R] 【 8】 糜长稳,王克逸,李明,章荣平 基于光探针技术的自聚焦透镜光斑测量方 法 [A],合肥 光子学报 2004

【 9】 Eric Brtzig. Jay K. Trautman. Near-field optics: microscopy. spectroscope. and surface modificationg beyond the diffraction limit [J]. science.

1992,257(5067);189~195[1] Eric Brtzig. Jay K. Trautman. Near-field optics: microscopy. spectroscope. andsurface modificationg beyond the diffraction limit [J]. science. 1992,257(5067);189~195

【 10】 Raoul Stockl,Christian Fokas,Volker Deckert,Renato Zenobi. High2quality near2field optical probes by tube etching. App. Phys. Lett. , 1992,75(12):160~162【 11】王友文,谭吉春,梁晶 高功率激光系统中离轴鬼光束光斑大小与光强的 计算 2005年第 18卷

范文二：万能工具显微镜的光圈调整

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般 城 I耗纛 千

2 . ∞31 2

鳓

摘

关 键 词 : 圈 ; 测 量 误 差 ; 系统 误 差 光

碗鲍鹦画

刘 国瑞

( 西利群 机械 厂 , 江 江西 抚 州 3 4 0 4 0 0)

要 : 绍在 万 能工 具显微 镜 及 同类 型 工具显 微镜 上 测量各 种样 板和 工件 时 , 介 如何 正确 调整 光 圈.

0 1) o15" 1 - 类号 : H 4 . T 7 18

文 献标 识码 : B

文章 编号 :0 2 2 3 ( 0 3) 2 0 8 — 3 10 — 3 3 2 0 1 — 0 2 0

1 前

言

在万 能 工 具显 微 镜 上 测 量工 件 时 ,物 像 放 大倍 数

的准确 度 主要决 定 于光 圈直 径 . 即使在 万 能 工 具显 微 镜 上采 用 计 算机 辅 助 测试 软 件 时 , 要 正确 调 整 光 圈 . 也

光 圈 的调 整 有一 定 的规 律 ,当光 圈 直径 小 于应 选 择 的 合适 光 圈直径 时 , 物像 尺 寸 增 大 ; 当光 圈直 径 大 于应 选 择 的合 适 光 圈直 径 时 , 像 尺 寸缩 小 .掌 握这 一 规律 , 物 就可 以把 握测 量过 程 , 总 系统误 差趋 近于 零 . 使

2 查 表选 择光 圈

在 万 能 工具 显 微镜 说 明书 上有 光 圈直 径表 ,当测 量光 滑 圆柱 体工 件 及 螺纹 中径 时 ,必 须 按此 表 选择 光

圈, 否则 会 引 起较 大 测 量误 差 .这是 由 于 : 然 仪 器采 虽

用 了远 心 照 明 , 实 际光 源 不 可 能是 点 光 源 , 丝 总有 但 灯 定 的 尺寸 .因此 , 只有 在光轴 上 的部 分灯 丝所 发 出 的

一

22 螺 纹 中径 的 测 量 .

光 线 经 聚光 镜 后 才是 平 行 于光 轴 的 ,而不 在 光轴 上 的 部 分 发 出 的光 线 , 聚 光 镜 后 , 是平 行 光 束 , 却 相 经 虽 但

一

在 测 量螺 纹 中径 时 ,光 圈的大 小 不但 与螺 纹 名 义

中径 有关 , 而且 与螺 纹 半角也 有 关 系 .因为螺 纹表 面是 个 大 曲面 ,此 曲 面上 的 曲率 变 化情 况 与 半角 变 化 有

对 光 轴 成一 交 角 . 因而通 过 被 测 件表 面 的光 线并 不 全 是 平行 于光轴 的光 线 , 就会对 成像 质 量造 成 影 响. 这

2 J 光 滑 圆柱 面 工 件 的 测 量 .

关. 计量研 究 人员 曾作 过试 验 , 用影 像法 测 量 M4 x 5 5的

螺 纹 中径 , 用 不 同直 径 的光 圈 D, 出 的数 值 也 不 采 测 同 , 如 图 3曲线 所 示 ,其 误 差 △d 的 变 化 范 围 为 2

在测 量光 滑 圆柱 面 工 件 时 ,因斜 光 线 在 圆柱 面 上 反 射 , 使工 件 的半 径 影 像 尺寸 减 小 , 生 较 大测 量误 而 产 差 .从 图 1 看 出 , 圈增 大 ( / 变大 ) 则半 径 影 可 光 即 / , 角 , 像 的 尺寸 减小 的 幅度更 大 , 测量 误 差就越 大 .如将 光 圈 调 小 , 斜 光线 与光 轴 的夹 角 变 小 到 /, 半径 影像 使 ~则 1 的尺寸 减 小 的数值 就 由 a 减 小 到 a - z .因此 , 圈 调得 小 光 些 , 般 来说 有 利些 .但

如果 光 圈 调 得 太小 , 会 因光 一 就 线 绕射 的影 响而 使 被 测件 影 像 的 尺寸 增 大 .对 于 小 工

件 , 于 尺小 , 由 曲率 大 , A: 光 线 不 易 起 作 用 , A, 斜 因此

光 圈可 以取 得大 一些 . 以直 径 为 7 . nm 的光 滑 圆柱 工件 为例 ,在 不 同 02 l 的光 圈下 测得 结 果 可得 到 不 同数值 , 图 2所示 , 误 如 其

差 范 围为 + - 7 I. 6 一 2 n

固

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城 乒 拄

2∞ 3. 2 1

4 平面 样板 类 工件 的测 量

对 于平 面样 板 测量 时 的 光 圈调 整 ,没 有现 成 的表

格 可 查 .通过 下 面的叙 述 就 可以 掌握 光 圈的调 整 问题 . 我 们 知道 , 万 能 工具 显 微 镜 上进 行 测 量 时 , 在 成像 光 线 由仪 器本 身 所装 置 的灯 泡供 给 ,灯 泡 的灯 丝 一般 落在

聚光 透 镜 的焦平 面上 .这样灯 丝 各 点 的光线 , 经过 聚光 透镜 各 自成 一 束平 行 光 线 , 交 而 成 为总 光 束 , 经 过 汇 再

一

组 透镜 , 后 经 9 . 射 后 , 射 被测 物 体 , 然 O反 照 并进 行 成

像 .这 时光 束 不是完 全 和光 轴平 行 , 是 和它成 一定 的 而 角 度 .这 样 的光 束 如果 测 量 刀 口样 板 或 轮廓 边 缘 比较 薄 的样 板成 像 时 , 因为 光 的反 射 和 绕射 的影 响 , 像 的 对

+ 2 m- 1 0 m, 1 -7 这是 绝 不允许 的 . 失 真影 响不 大 ( 图 4所 示 ) 如 .

因此 在 测 量 光 滑 圆柱 体 工 件和 螺 纹 中径 时 ,必 须 按 照仪 器说 明 书 的光 圈 表 来选 择 合适 的光 圈 ,但 是 由

于光 轴 位 置等 因素 的影 响 ,即使按 照 仪 器说 明书 选 用

合 适 的光 圈 , 每边 测 量 时仍会 引 入 1 - . m 的误 差 . . 25 5

3 经 验公 式 -

在测 量 光 滑 圆 柱体 工 件 或 螺纹 中径 时 ,若 一时 无 光 圈表 可 查 ,可通 过 下 列 经验 公 式 计算 出合适 的光 圈

直径 :

在测 量 光 滑 圆柱 体 工件 时 ,光 圈 直径 D可 用 下列

公 式 计算 :

1

但 被 测量 的样 板是 有 一定 厚 度 的 ,由于 成像 光 线

不 是平 行光 ,就会 造 成 一 定 的影 响 .如 图 5 示 的样 所

厂 —

板 ,其 厚 度 为 h ,焦平 面 为 d d 当 下 面 的 一 束光 线 -.

D 0 8 ÷ = . n7 1

Y 0

() 1

A C D上来 时 ,会 有 一 部分 光线 在 被 测样 板表 面反 射 , B

然 后一 起进 入物 镜成 像 .这 时 问题 就产 生 了 , 图 5 从 看

在测 量 螺纹 工 件 时 , 圈 直径 可 用下 式计 算 : 光

D 08' a I.F/ =1 ~ V 旱

2

() 2

出,C B D光 线 在被 测 样板 反 射后 进 行 物镜 成 像 , 我们 使 在 视野 内观察 到的 物像 除 了明 暗程 度 冲淡外 ,观察 到

的像 不是 0边缘 的 轮廓 , 而是 0 边 缘 的轮廓 , 就是说 也 使被 测样 板 的尺寸 缩小 .在 这 里

必 须说 明 , 我们 测量 的 样 板 厚 度 绝 大 多数 在 3m 以 上 , 样 在 测量 时 , m 这 就不

式 中 : D一 测 量所 选 用 的光 圈直径 ; D, -

一

万 能工具 显 微镜 照 明光 源准 直透 镜焦 距 ;

d 被测 光 滑 圆柱 体 工件 的直 径 ; 一

d 被 测 螺纹 的 中径 : 广 ,一 被测 螺纹 轮 廓半 角 . 2

一

能在 d 的边缘 对 准 焦平 面 ,而 只 能把 焦平 面落 在靠

近 物镜 的这 一平 面上 , 样才 能得 到 清 晰的物像 .这时 这 所 得像 的轮 廓基 本可 靠 , 因为这 时 C D光线 不起 造像 作

般说 来 ,不 同 型式 的万 能工 具 显微 镜 照 明光 源

的准 直透 镜 焦 距是 不 相 同的 , 因此 , 个 同样 轮 廓形 状 一

用 , 给物像 旁边 添一 点光 辉 而 已 ( 图 6所 示 ) 只 如 .

的工 件在 不 同仪器 上 测 量 时 ,其 所 对应 的最 合适 的光

圈 直径 也有 所 不 同.

如 德 国蔡 司万 能工 具 显微 镜 F 1 5 则 上 述公 式 可 =7 ,

以相 应转 化 为 :

心

( 3)

( 4)

n

353i 2 L, s / /n /

1 c ^

利 上 公 根 被 工 曲 半 r ) 用 面 式 据 测 件 率 径(f 即 =

可求 出最 合 适 的光 圈 .

5 结 论

为 厂在 光 圈使 用 中更 明确误 差 产生 的规 律性 和更

回

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成 戏 乒程

好 地 掌握 光 圈 的使用 ,我 们把 测 量 的样 板 或 工 件 分 为

三类 :

( 属 于 外 尺 寸 测 量 的 样 板 或 工 件 (图 7 a和 1) ( ) () 这 类样 板 或 工 件其 误 差 和光 圈 变化 规 律 按 图 7b c) () 所 示 的 曲线 变 化 ; ( 属 于 内 尺 寸 测 量 的 样 板 或 工 件 (图 8a和 2) ( )

() , c ) 这类 样 板 或工 件 误 差 和光 圈 变化 规 律 如 图 8b所 ( ) 示 , 圈缩 小其 误 差 向负 方 向移 动 , 光 圈 增 大 时 , 光 当 误 差 向正 方 向变化 ; 虑 与光 圈 的关 系 ,测 量 者 可根 据 视 场 的照 度 来调 整 光 圈 .测 量 两孔 距 的 方 法很 多 , 如果 选 择 如 图 1 0的方 法 测 量 , 误差 就 会 受 光 圈 的影 响 , 其 如果 按 照 图 9c所 示 ( )

的测量 方 法就 与光 圈大 小无 关 了 .

( 单 向测 量 的 样 板 或 工 件 ( 9a和() , 类 3) 图 () c ) 这 样 板 或 工件 的特 点是 光 圈 的改 变 对 样板 或 工 件 不 引入 成 像 误差 , 图 9b 示 .即在 不 同的 光 圈下 其 误差 变 如 () 所 化 为一 条水 平 直线 .测 量这 类样 板 或工件 时 , 以不 考 可

正确 的光 圈调 整 方 法是 ,必 须 先把 光 圈值 调 回到

零 位 ,然 后 从零 位 旋 转来 调 整 到本 次 测 量所 需 要 的位

|

.圈径 光直

\ \ \

- - 1

I

/\ 士 ,

丫 d

—l

置 ,这样 才 能保 证 光 圈 的正 确 使用 .而且 在 调 整光 圈

时, 应保 持立 柱垂 直 . ( 编辑 昊 天)

I

\

r

厂

L

,

,

作 者 简介 : 国端 , 工程 师 , 刘 男, 主要从 事 产品 质量检 验和 精 密测 量 工 作 , 表论 文和 科普 文章 2 0 篇 , 机械 工程 师 > 志通 发 0余 《 杂

讯 员.

收 稿 日期 : 0 3 0 - 0 20 - 3 1

L

一

/

u ～ 卜 ( f —l b )

( c)

图 7

国 首 电 磁 系 合 具 内 创 永 孔 组 夹

一

利 用于数 控机 床 ,加 工 中心和柔 性 生产线 的新 型工 具 一电

永磁 孔 系组合 夹具 ,在 天津 组合 夹具厂 和天 津 市机 电工业 科技 信 息研 究所 的共 同努 力下 问世 , 日前通过 鉴定 . 自清 华大学 , 来 天津 大

D j 圈 直 至 七 ll

学 的 专 家认 为 , 一 居 国 内领 先 地 位 的 高 新 技 术 产 品 , 仅 填 补 了 这 不 国内空白 , 是世 界 夹具发展 吏的大创新 . 也

r= =] ±

L_ 厂 .

L ·— —. ·一 —

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l 厂

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目前全球 只有 美 国沃克 一海 高公 司, 国布 莱隆公 司 , 大利 法 意

泰 磋公 司研发 的 电永磁吸 盘是磁 力夹 紧机 具 . 国内 夹具 水 平落后

于 机 床 发 展 的 现 状 , 让 天 津 市组 合 夹 具 厂 和 机 电工 业 科 技 信 息 研 究 所 科 研 人 员 萌 生 了挑 战 传 统 , 将 电 永 磁 技 术 运 用 于 孔 系 组合 夹

( a )

一¨

虬 十 : 6 广 1

具 这 一 构 想 . 天 津 市 组 合 夹 具 厂 研 制 的 孔 系 组 合 夹 具 , 已 成 为 名 早

( b )

图 8

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牌 产品 .而作 为 国 内率先 进入 电永磁技 术研 究领 域 的天 津 市机 电

工 业 科 技 信 息 研 究 所 , 借 人 才优 势 , 多年 来 , 后 研 发 出 电 永 磁 凭 十 先

()

强 力吸盘 , 电永磁起 重 器等 4 0多种 产品. 为早 日实现 电永磁技 术与 组合 夹具 的完美结合 , 两家携手共进 , 利用各 自优势 , 终于成就 了此 举 .这一拥 有 自主知 识产权 的 电永磁 孔 系组合 夹具 , 既发挥 了组合 夹具定位精度 高 , 刚性 好 , 组装 方便 的特点 , 又发挥 了电永磁 快速 夹

紧 的优 势 , 能在 一 秒 钟 内将 工 件 夹 紧 , 夹 紧后 无 需 通 电 , 省 了 大 且 节

I 『『 Il I l I II

D圈径 光直

L一 量

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_ ￡ . { }

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量 能 源 , 免 了 工 件 发 热 变形 , 高 了加 工 精 度 . 避 提 电气 控 制 方 面也 创 造 性 地 摆 脱 了 国 外 单 一 用 可控 硅 控 制 模 式 , 利 用 相 位 组 合 技 术 解 决 了 对 电源 的 干 扰 , 为 名 副 其 实的 环 保 型 产 品 . 成

￡

1人 l

据 业 内权 成人 士 分析 , 电永磁孔 系组 合 夹具将 V 其 安全 可靠 , 3 ,

使 用方 便 , 节约 能源 , 高效率 , 高精 度 , 价格 适 宜等优 势 , 为代替 传 成

0 舭 ' f ? , 匠

统 夹具 的理想 机具 , 着 广泛 的市场前 景.一旦

电永磁孔 系组合 夹 有

具 实现 系列 化 , 业 化 , 提 高我 国机 械 加 工 水 平 和 自动 化 程 度 , 产 对 对

加速我 国机 床 工业的 发展 将 产生极大 作用

( 光法 ) 靳

圜

范文三：万能工具显微镜的光圈调整

万 能 工 具 显 微 镜 的 光 圈 调 整

刘国瑞

(江西利群机械厂，江西 抚州 ""###) !

摘 要:介绍在万能工具显微镜及同类型工具显微镜上测量各种样板和工件时，如何正确调整光圈。

关键词:光圈;测量误差;系统误差

中图分类号:$%&( 文献标识码: 文章编号:##++(+##)+##+# ")*,!!!!,),!’’’! 前 言

在万能工具显微镜上测量工件时，物像放大倍数

的准确度主要决定于光圈直径。即使在万能工具显微

镜上采用计算机辅助测试软件时，也要正确调整光圈。

光圈的调整有一定的规律，当光圈直径小于应选择的

合适光圈直径时，物像尺寸增大;当光圈直径大于应选

择的合适光圈直径时，物像尺寸缩小。掌握这一规律，

就可以把握测量过程，使总系统误差趋近于零。

" 查表选择光圈

在万能工具显微镜说明书上有光圈直径表，当测

量光滑圆柱体工件及螺纹中径时，必须按此表选择光

圈，否则会引起较大测量误差。这是由于:虽然仪器采

用了远心照明，但实际光源不可能是点光源，灯丝总有

一定的尺寸。因此，只有在光轴上的部分灯丝所发出的

光线经聚光镜后才是平行于光轴的，而不在光轴上的 " 螺纹中径的测量 !!部分发出的光线，经聚光镜后，虽是平行光束，但却相 在测量螺纹中径时，光圈的大小不但与螺纹名义 对光轴成一交角。因而通过被测件表面的光线并不全 中径有关，而且与螺纹半角也有关系。因为螺纹表面是 是平行于光轴的光线，这就会对成像质量造成影响。 一个大曲面，此曲面上的曲率变化情况与半角变化有 "# 光滑圆柱面工件的测量 !关。计量研究人员曾作过试验，用影像法测量 +,/, 的 .

在测量光滑圆柱面工件时，因斜光线在圆柱面上 螺纹中径 (，采用不同直径的光圈 )，测出的数值也不 "

反射，而使工件的半径影像尺寸减小，产生较大测量误 同 ， 如 图 - 曲 线 所 示 ， 其 误 差 " (的 变 化 范 围 为 " 差。从图 可看出，光圈增大(即 $ 角变大)，则半径影 !

像的尺寸减小的幅度更大，测量误差就越大。如将光圈

调小，使斜光线与光轴的夹角 $变小到 $，则半径影像 "!

的尺寸减小的数值就由 %减小到 %。因此，光圈调得小 ! "

些，一般来说有利些。但如果光圈调得太小，就会因光

线绕射的影响而使被测件影像的尺寸增大。对于小工

件，由于 & 小，曲率大，’ 、’ 斜光线不易起作用，因此 !"

光圈可以取得大一些。

以直径为 #$%" 的光滑圆柱工件为例，在不同 ’’

的光圈下测得结果可得到不同数值，如图 " 所示，其误

差范围为 -*#" 。 ()! ’

)+

机械工程师!""#$%!

" 平面样板类工件的测量

对于平面样板测量时的光圈调整，没有现成的表

格可查。通过下面的叙述就可以掌握光圈的调整问题。

我们知道，在万能工具显微镜上进行测量时，成像光线

由仪器本身所装置的灯泡供给，灯泡的灯丝一般落在

聚光透镜的焦平面上。这样灯丝各点的光线，经过聚光

透镜各自成一束平行光线，汇交而成为总光束，再经过

一组透镜，然后经 2’#反射后，照射被测物体，并进行成

像。这时光束不是完全和光轴平行，而是和它成一定的

角度。这样的光束如果测量刀口样板或轮廓边缘比较

薄的样板成像时，因为光的反射和绕射的影响，对像的

失真影响不大(如图 $ 所示)。

# %"&’ ，这是绝不允许的。 !"$!$!!

因此在测量光滑圆柱体工件和螺纹中径时，必须

按照仪器说明书的光圈表来选择合适的光圈，但是由

于光轴位置等因素的影响，即使按照仪器说明书选用

合适的光圈，每边测量时仍会引入 "()!#()! $ 的误差。

! 经验公式

在测量光滑圆柱体工件或螺纹中径时，若一时无

光圈表可查，可通过下列经验公式计算出合适的光圈

直径:

在测量光滑圆柱体工件时，光圈直径 可用下列 ! 但被测量的样板是有一定厚度的，由于成像光线 公式计算: 不是平行光，就会造成一定的影响。如图 %所 示的样

板，其厚度为 %，焦平面为 #&#。当下面的一束光线 0 "("+!*’"(") 上来时，会有一部分光线在被测样板表面反射， ’()!# !然后一起进入物镜成像。这时问题就产生了，从图 %看 !可用下式计算:在测量螺纹工件时，光圈直径 " 出， 光线在被测样板反射后进行物镜成像，使我们 ()!0 ,-." /# 在视野内观察到的物像除了明暗程度冲淡外，观察到 (#) !*’("+" "# #!的像不是 边缘的轮廓，而是 &边缘的轮廓，也就是说 * *式中:!、!—测量所选用的光圈直径; "使被测样板的尺寸缩小。在这里必须说明，我们测量的

—万能工具显微镜照明光源准直透镜焦距; "样板厚度绝大多数在 ’ (( 以上，这样在测量时，就不

#—被测光滑圆柱体工件的直径; 能在 #&# 的边缘对准焦平面，而只能把焦平面落在靠

#—被测螺纹的中径; #近物镜的这一平面上，这样才能得到清晰的物像。这时

—被测螺纹轮廓半角。 " /#所得像的轮廓基本可靠，因为这时 )! 光线不起造像作

一般说来，不同型式的万能工具显微镜照明光源 用，只给物像旁边添一点光辉而已(如图 所示)。 ) 的准直透镜焦距是不相同的，因此，一个同样轮廓形状

的工件在不同仪器上测量时，其所对应的最合适的光

圈直径也有所不同。

如德国蔡司万能工具显微镜 "*"&)，则上述公式可

以相应转化为:

0 " !*0"()(0) #! 0 - /# ,."!*0"()(1) # !

# 利用上面公式根据被测工件曲率半径 ()即 $ *"

# 结 论 可求出最合适的光圈。 为了在光圈使用中更明确误差产生的规律性和更

*’

机械工程师!""#$%!

好地掌握光圈的使用，我们把测量的样板或工件分为

三类:

()属 于 外 尺 寸 测 量 的 样 板 或 工 件( 图 #$% 和 !"

#&%)，这类样板或工件其误差和光圈变化规律按图 "#% ’

所示的曲线变化;

(()属 于 内 尺 寸 测 量 的 样 板 或 工 件( 图 ) #$% 和

#&%)，这类样板或工件误差和光圈变化规律如图 )#%所 ’

示，光圈缩小其误差向负方向移动，当光圈增大时，误

差向正方向变化;

(*)单向测量的样板或工件(图 +#$%和#&%)，这类 虑与光圈的关系，测量者可根据视场的照度来调整光 样板或工件的特点是光圈的改变对样板或工件不引入 圈。测量两孔距的方法很多，如果选择如图 !, 的方法 成像误差，如图 +#%所示。即在不同的光圈下其误差变 ’测量，其误差就会受光圈的影响，如果按照图 +#&%所示 化为一条水平直线。测量这类样板或工件时，可以不考 的测量方法就与光圈大小无关了。

正确的光圈调整方法是，必须先把光圈值调回到

零位，然后从零位旋转来调整到本次测量所需要的位

置，这样才能保证光圈的正确使用。而且在调整光圈

时，应保持立柱垂直。 (编辑 昊 天)

!!!!!!!!!! 作者简介:刘国端，男，工程师，主要从事产品质量检验和精密测量工

作，发表论文和科普文章 (,, 余篇，《机械工程师》杂志通

讯员。

收稿日期:(,,*-,*-!,

国内首创电永磁孔系组合夹具

一利用于数控机床、加工中心和柔性生产线的新型工具 ! 电

永磁孔系组合夹具，在天津组合夹具厂和天津市机电工业科技信

息研究所的共同努力下问世，日前通过鉴定。来自清华大学、天津大

学的专家认为，这一居国内领先地位的高新技术产品，不仅填补了

国内空白，也是世界夹具发展史的大创新。

目前全球只有美国沃克 ! 海高公司、法国布莱隆公司、意大利

泰磁公司研发的电永磁吸盘是磁力夹紧机具。国内夹具水平落后

于机床发展的现状，让天津市组合夹具厂和机电工业科技信息研

究所科研人员萌生了挑战传统，将电永磁技术运用于孔系组合夹

具这一构想。天津市组合夹具厂研制的孔系组合夹具，早已成为名

牌产品。而作为国内率先进入电永磁技术研究领域的天津市机电

工业科技信息研究所，凭借人才优势，十多年来，先后研发出电永磁 强力吸盘、电永磁起重器等 # 多种产品。为早日实现电永磁技术与 "

组合夹具的完美结合，两家携手共进，利用各自优势，终于成就了此

举。这一拥有自主知识产权的电永磁孔系组合夹具，既发挥了组合

夹具定位精度高、刚性好、组装方便的特点，又发挥了电永磁快速夹

紧的优势，能在一秒钟内将工件夹紧，且夹紧后无需通电，节省了大

量能源，避免了工件发热变形，提高了加工精度。电气控制方面也创

造性地摆脱了国外单一用可控硅控制模式，利用相位组合技术解 决了对电源的干扰，成为名副其实的环保型产品。据业内权威人士分析，电永磁孔系组合夹具将以其安全可靠、

使用方便、节约能源、高效率、高精度、价格适宜等优势，成为代替传

统夹具的理想机具，有着广泛的市场前景。一旦电永磁孔系组合夹

具实现系列化、产业化，对提高我国机械加工水平和自动化程度、对

(靳光法) 加速我国机床工业的发展将产生极大作用。

).

范文四：信用卡大小的便携显微镜

信用卡大小的便携显微镜

发表时间：2008-07-07 22:28:44 资讯来源:互联网 作者:罗马纽约 点击: 616

摘要：不用怀疑，这种信用卡大小的显微镜已经批量生产，网上已经有销售。它的放大倍数可以达到500～1000倍，使用的时候只要把镜头靠近眼睛就可以。这款显微镜对于那些对于微观世界好奇的人当然是有用的，因为用它可以观察到很多肉眼看不到的微生物，其实这款显微镜对于日常家...请阅读下面的全文。

信用卡大小的便携显微镜

不用怀疑，这种信用卡大小的显微镜已经批量生产，网上已经有销售。它的放大倍数可以达到500～1000倍，使用的时候只要把镜头靠近眼睛就可以。这款显微镜对于那些对于微观世界好奇的人当然是有用的，因为用它可以观察到很多肉眼看不到的微生物，其实这款显微镜对于日常家庭医疗卫生更有意义，如观察血液中红血球的数量；观察精液中精子的数量，查看头发的干燥程度……

该款便携显微镜的网上售价为：$89.00

范文五：显微镜下物体大小的测量

显微镜下物体大小的测量

胡嗣基

(宁波大学生物科学与生物工程学院浙江宁波315211)

　　人类对微观世界的认识与光学显微镜的发明是分不开的, 随之而产生的光学显微镜技术是我们进一步认识微观世界的重要手段。尽管在近代科技突飞猛进的今天, 人们已能利用电子显微镜对更细微的结构进行观察, 但光学显微镜仍然是当前生物学研究的重要的基本工具, 光学显微镜技术还是生物学教学和研究的重要手段。虽然光学显微镜分辩二点间的距离不能小于照明光波波长的一半, 一般大于0. 2 m, 但在分辩范围内, 我们利用它可以观察到肉眼看不见的物体, 如微生物、动植物的组织、细胞, 部分细胞器和诸如纤维之类非细胞形态结构等。由于光学显微镜的应用, 使人们对生物体的宏观结构与超微结构的认识有机地联系起来, 这是其他手段无法替代的。

显微镜技术涉及面很广, 在显微镜下对生物体及某些器官、组织、细胞等结构大小的测量就是其中的一项内容。客观地量度所观察研究对象的大小在生物学研究中具有重要的意义。如微生物的大小, 它是分类的依据之一; 动植物细胞的大小不仅是细胞的种类特征, 也反映组织、细胞当时的生理功能状态; 而一些附属器官如体表的刚毛长短、距离, 气门的大小等则是昆虫、蛛形动物等的重要种族特征……

常见的测量显微镜下物体大小的方法有以下几种:1　传统方法

是将物镜测微尺和目镜测微尺配合使用。物镜测微尺是在中央部分刻划有精确的等分线的载玻片, 一般将1mm 均分为10大格、每大格又分10小格, 即每小格为0. 01mm, 物镜测微尺是量度的基准。目镜测微尺是中央刻有等分线的圆形玻片, 置于目镜隔板上。测量前先将物镜测微尺置于载物台上, 然后以物镜测微尺去校正目镜测微尺中每小格所代表的实际长度。例如在某显微镜光学系统下, 目镜测微尺25小格相当于物镜测微尺的1大格(0. 1mm ) , 则目镜测微尺每小格的实际长度相当于0. 004mm 。测量时, 如果某物体在目镜下长度为18小格, 经换算, 实际长度为0. 072mm 。由于图像随显微镜的放大倍数变化而不同, 所以用目镜测微尺观测时, 每更换光学系统时, 都要先以物镜测微尺进行校正。该方法设备要求简单, 广为适用; 但由于在显微镜下测量的物像相对较小, 有一定的误差, 且长时间操作很容易引起眼疲劳。

2　显微镜与显微描绘器组合方法

该方法也可以用于微小物体大小的测量。显微描绘器安装在镜筒与物镜之间, 光通过描绘器的折射, 在描

绘器窗口下一定平面上可看到待测量物体的物像投影

(窗口到投影平面距离可以调节) 。测量时, 先以物镜测微尺为基准, 在成像平面上测得测微尺投影图像的大小, 以求得放大倍数; 然后在相同条件下, 通过对所观测对象图像的量度, 除以放大倍数, 就可得知所测对象的实际大小。例如物镜测微尺每小格长度为0. 01mm , 量得投影图像长为1. 8mm, 即放大了180倍。然后将欲测对象置于显微镜物镜下, 准确地量得对象的图像尺寸; 通过计算就很方便得出物体的实际大小。如测得某物图像长为10. 8mm , 除以放大倍数180, 即实际长度为0. 06mm 。该方法操作比较简单, 但准确度不很高, 适用于同时有多项指标的测量, 在原生动物分类、螨类分类鉴定等项研究中常采用此法。3　显微镜与电子技术结合的方法

近些年来, 电子技术的飞速发展, 在各个领域都被广泛应用。在光学显微镜技术上也不例外, 在原有设备的基础上, 在显微镜上附加一摄像头, 并与电视机相接, 利用电子成像原理, 将显微镜下图像投影到电视屏幕上, 由于图像经充分放大和处理, 为显微镜下物体大小的测量提供了良好的条件。图像放大倍数与显微镜的物镜、摄像头规格、电视屏幕大小等有关。操作方法与2类似, 即先以显微测微尺为基准, 求得图像放大倍数, 然后在屏幕上量得图像大小, 除以放大倍数即可得出实际尺寸。这种方法使用非常简便, 可操作性强。由于屏幕上的图像是被充分放大的, 故准确性也比较高。该方法也可以将图像显示在计算机显示屏上, 图像大小还与计算机图像撷取格式与显视的格式密切相关。若利用计算机剪贴板技术, 先选取屏幕上的物镜测微尺图像的一部分(最好能将其进行适当处理) 作成剪贴板, 粘贴到所要测量对象图像上, 这样将更加直观。要注意的是图像和标尺两者必需在相同的系统(显微镜放大倍数、图像撷取和显视格式等) 下采集和显视。利用计算机还可以将图像进一步加工、保存、打印, 或制作成幻灯片。

摄像头有多种型号, 有的可通过“变换接头”安装在显微镜摄像孔上, 也有的可直接安装在显微镜的目镜中, 都要求有较高的分辨力, 否则将影响测量的精确度。以电视屏幕显视, 摄像头的输出线与电视机的A V 输入接口直接相连; 若采用的是计算机, 摄像头的输出线则与视频卡输入接口相连。有关计算机对图像的处理等技术请参看有关书籍。

(BZ ) 　　

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