显微定位系统汇编

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1、第五章 显微定位系统 显微定位系统的主要功能是瞄准定位。在精密测量中， 瞄准、定位精度是影响测量精度的主要因素，因此要想办 法提高仪器的定位精度。 定位精度是指基准元件上的基准线(如分划板上刻线) 与被测物的边缘轮廓线的重合程度 用显微定位系统就可以避免人眼对准精度的限制，提 高仪器的定位精度。 5.1 概 述 按作用原理分两类： 5.2 显微定位系统的工作原理及组成 5.2.1 显微定位系统的工作原理 5.2.2 光学式显微定位系统的基本组成 1照明系统：保证被测物照明均匀 ，有足够的照度 2承物工作台：保证被测件处于正 确、稳定的测量位置。 3显微系统：有准确、足够的放大 率，成像清晰，且

2、有一定的分辨能 力。 4探测器：接收、处理信息。 5调焦机构：保证被测件清晰成像 在分划面上。 6导轨系统：保证被测件的运动平 稳、准确。 7制动、微动机构：精确定位。 5.3 光学式显微定位系统的总体考虑 功能：对被测对象精确定位。 其定位精度与仪器的总精度相匹配 特性： 1.显微镜的总放大率不高（10x100x） 2.物镜放大率不高，但对放大率的准确性要求高 3.物镜的数值孔径（D/f）小 4.显微物镜具有较长的工作距和较大的视场 5.多采用物方远心光路 5.3.1 显微定位系统的特性 5.3.2 系统的总体参数确定 （1）系统总放大率的确定 1. 系统放大倍率的确定 投影系统 由得 例5

3、-1：一台工具显微镜要求定位精度 对准方式为虚线对实线 则 1. 系统放大倍率的确定 v（2）放大率的分配 5.3.2 倍率分配时应考虑下列因素： 1)物镜倍率不宜过大 2)目镜的倍率可适当取大些 5.3.2 系统的总体参数确定 2. 物镜的数值孔径的选择 分辨率与数值孔径之关系 考虑物镜分辨率与人眼的分辨率相匹配，则 所以 人眼的分辨率在60240之间选取， 5.3.2 系统的总体参数确定 3. 视场的选择 根据系统的放大率和工件的形状决定。 物方视场增大会引起像质下降和结构增大，需采用更 复杂的物镜形式。 4. 工作距离的考虑 根据被测对象确定 5. 显微系统的像差要求及结构形式 显微系统

4、对像差特别严格，除校正轴上点像差(球差 ，色差、及近轴点慧差)外还要注意轴外点像差和放大率 误差（主要是畸变 ） 5.3.2 系统的总体参数确定 5. 显微系统的像差要求及结构形式 用于测量、比较的显微物镜的特点是：倍数低，数值孔 径较小而视场较大，远心光路，工作距较长，像质要求较高 。工具显微镜中几种物镜形式如图： 显微目镜，光学性能和望远镜中的目镜是完全一样 照明系统要满足下面两个原则：一为光孔转接原则（照 明系统的出瞳应与物镜的入瞳重合） ，二为照明系统的拉 氏不变量不小于物镜拉氏不变量。 照明系统的形式，在精密测量中，多数应用临界照明 和柯勒照明。 5.3.3 系统的景深与光阑位置 景

5、深是指光学系统能同时清晰成像的物空间沿光轴方向 的深度范围。 显微系统的总景深为 显微定位系统一般不考虑调节景深，景深为 景深产生调焦误差，从而产生定位误差。这种测量误 差与光阑位置有关 5.3.3 系统的景深与光阑位置 (1)当光阑在物镜框上时，产生定位误差 (2)当光阑在物镜 后 焦面上时，无论物体 怎么移动，物体在分 划面上的像光束的中 心位置不动，因此不 产生定位误差 5.3.3 系统的景深与光阑位置 孔径光阑放在物镜的后焦面上，其入瞳在无限远处，故 称作物方远心光路或焦阑光路。 但采用远心光路通光口径大 ，光组失去对称性，使光学 设计难度增加。且要求照明系统需采用远心照明系统。 采用

6、远心光路并不能完全消除由于景深而引起的定位误 差，只有在被测物很薄时才能消除景深的影响。当被测物有 一定厚度时，景深仍然引起定位误差。 5.3.4 照明光束的影响所引起的定位误差 当斜光束照明时，物体薄厚不同，成像的清晰度就会 有很大区别。 1被测物厚度相当薄时 斜光束对定位精度无影响 5.3.4 照明光束的影响所引起的定位误差 2被测物有一定厚度时 由于端面BC上的斜光束经BC面反射进入物镜成像，于是 在轮廓像的边缘增加一个半暗区，降低了对比度，使像的轮 廓边缘不清晰，造成定位困难，影响定位精度，产生测量误 差。 斜光束产生的定位误差 5.3.4 照明光束的影响所引起的定位误差 显微系统的定

7、位精度应包括两部分 ： 一为人眼对准误差产生的对准定位误差 另一为斜光束照明引起的分辨误差 综合误差为 例如5-2：一台工具显微镜，=30， =0.05rad，用虚 线瞄准轮廓像， ，求端面定位精度。 解： 取 可见，分辨误差比对准误差大的多，定位精度主要决定于 分辨误差。 5.3.4 照明光束的影响所引起的定位误差 3被测物是曲面时 当被测表面是曲面时，斜光束照明会使 像的尺寸发生变化，这类误差跟被测物的直 径和孔径角的大有关。为了消除或减小这类 误差，可以调节照明系统的可变光阑，选择 最佳光阑直径，使误差为零或最小。 5.3.5 定位系统的机构考虑 1.调焦机构 5.3.5 定位系统的机构

8、考虑 2物镜筒结构 保证 更换物镜 时性能不 变和调整 放大倍率 在允差之 内 3制动、微动机构 4其他机构的考虑 对工作台制动、微动 5.4 光电对准技术 光学定位 光电定位 光电对准的实质在于将被对准的线纹或 轮廓和一个选定的测量基线（如显微镜的光 轴）之间的相对位置关系，通过光电转换系 统转化成电信号，然后以电信号的相位、幅 值或脉冲的宽度比例等作为对准的依据。 光电对准的优点(相对于光学对准而言) 1.可提高瞄准精度： 光学瞄准精度0.20.3 光电瞄准精度0.010.05 2.解放眼睛 3.测量、对准自动化 5.4.1 光电显微镜 1按工作状态可分为： 1)静态光电显微镜， 2)动态

9、光电显微镜。 3按用途分为： 1)线纹对准用光电显微镜， 2)轮廓对准用光电显微镜， 3)动态对准测量用光电显微 镜， 4)光电调焦用光电显微镜。 2按工作原理可分为： 1)光度式光电显微镜， 2)相位式光电显微镜。 5.4.2 光电显微镜的工作原理 下面按工作原理来讨论光电显微镜。 1. 光度式光电显微镜 如刻线像相对 狭缝的位置有变 化，则透过狭缝 达到光电元件7上 的光通量有变化 ，产生的光电流 也发生变化，经 放大、比较由表 头指示，电表指 针指零表示对准 刻线。 5.4.2 光电显微镜的工作原理 （1）单管光度式光电显微镜 1. 光度式光电显微镜 条件： b(狭缝宽)=a(刻线像宽)

10、 现象： 1)当两中心位置相同时，光通量最 小为 ，对应输出电压 2)当刻线像完全在狭缝之外时，光通量 最大为 ，对应电压 3)中间情况时，光通量记为 ， 对应输出电压 当电表指示 时，认为刻线像中 心与狭缝中心重合，即对准位置。 黑度中心原理，即把刻线中最黑的位置定义为刻线的中心位置。受刻 线质量、成像质量、电压的波动、电子元件的老化等因素影响，使得与光 通量 值相应的电压不稳定，因而导致对准误差。 很难达到较高的对准精度。 5.4.2 光电显微镜的工作原理 （2）双管差动式光电显微镜 1. 光度式光电显微镜 条件：b1=b2=a 刻线像未进入狭缝时，通过 两狭缝的光通量应相等，输出的 电压

11、相等：u1=u2,但要求两光电 管灵敏度要严格一致 当刻线的像进入狭缝，恰 好处于A、B的中间时， 表示已对准。 对准精度可达(O.010.02) 两支管子的灵敏度要求严格一致。两狭缝的重叠量应在 单狭缝宽度的( )之间选取 5.4.2 光电显微镜的工作原理 2. 相位式光电显微镜 在单管光度式光电显微镜的 基础上加入一个光学调制器。 条件：狭缝宽等于刻线像宽 原理：振动反射镜以一定的频率 振动时，刻线像也以同样的频率在 狭缝上振动，则进入狭缝的光通量就 以频率变化。该狭缝宽等于刻线像 宽。振动反射镜按正弦振动，所以进 入狭缝的光通量也以正弦规律变化。 当振动中心与狭缝中心重合时，输出 电信号

12、的上半周期和下半周期的时间 相等，即t1=t2 5.4.2 光电显微镜的工作原理 2. 相位式光电显微镜 狭缝中心O与振动中 心O重合 若两中心不重合， 两部分求差后，便有一电 压出现 相位脉冲法采用光学调制器，扫描振幅较大，约为线纹 宽度的57倍，利用相邻脉冲的相位差来确定瞄准状况。 当相邻脉冲间隔相等时，即为瞄准态。这种方法是以“边 缘中心”为依据。所谓边缘中心，就是将两个边缘线的中 点定义为刻线的中心位置。 对电子元件和光路无对称性要求，对被测件的刻线质量 要求较低。但对信号、振动、频率稳定性要求高。 静态光电显微镜工作原理图 1-光源 2-聚光镜 3-分光镜 4-物镜 5-刻线尺 6-

13、狭缝 7-光电检测器件 扫描调制式静态光电显微镜工作原理图 1-光源 2-聚光镜 3-分光镜 4-物镜 5-刻线 6-振动反射镜 7-狭缝 8-光电检测器件 5.4.3 动态光度式双管差动光电显微镜 动态测量：是指在被测件连续运动的情况下进行 定位和测量。 1光学系统的构造 （1)照明系统 （2)目视观察系统 （3)光电显微系统 2工作原理 5.4.3 动态光度式双管差动光电显微镜 3设计考虑 （1）光电显微系统的参数选择 1） 物镜之倍率的选择 越大则共轭距变大，结构变得庞大；愈小狭缝宽 度愈窄，信号愈弱 一刻线宽度，在光栅中 ， ， 为栅距 3设计考虑 2）物镜数值孔径NA选择 3）狭缝宽

14、度选择 不同的刻线宽度需用不同的狭缝宽度，本系统备有不 同宽度的狭缝供选用。 要求狭缝两边缘严格平行，表面光洁，无划痕、缺 口等。同时为保证两狭缝I、的宽度严格一致，相互平 行，狭缝宽度应可以调整，微调时要求其中心位置不变。 5.4.3 动态光度式双管差动光电显微镜 （1）光电显微系统的参数选择 5.4.3 动态光度式双管差动光电显微镜 4）狭缝的重叠量c的选择 3设计考虑 （1）光电显微系统的参数选择 两狭缝重叠部分将通过调整装 置来实现。两狭缝的重叠量的选 择将响过零点处的斜率，斜率愈 大，灵敏度愈高，对准愈有利。 重叠量c应在单狭缝宽度的(1223)之间选择。 （2）目视观察系统参数选择

15、 1）目视系统的总放大率选择 根据刻线像的大小和明视距离的视见宽度来确定目 视系统的总放大率。刻线像的宽度为0.064mm, ，人眼在 明视距离的视见宽度B，按读数要求B=(0.82)mm，观 察要求可低些，取B=0.6mm，则=10。 5.4.3 动态光度式双管差动光电显微镜 2）倍率分配 3设计考虑 （2）目视观察系统参数选择 =1， 。 （3） 照明系统设计考虑 1）光源与探测器选择 2）光学系统选择 临界照明 4电路考虑 （1)主电路的作用 （2)副电路作用 信号放大 消除错误信号 5.4.3 动态光度式双管差动光电显微镜 5离焦对测量的影响 （1) 引起刻线离焦的原因 1）标尺面不平

16、度 2）线纹尺自重引起尺面弯曲 3）工作台垂直方向的变动量 4）调焦误差 （2) 离焦的影响 1）对光路灵敏度的影响 2）对光电信号的影响 可采取提高工作台移动的平稳性，调节狭缝 宽度；正确调焦等措施减小影响。可采用自动调 焦提高效率。 自动调焦原理 差动共焦原理 5.5 轴向定位(调焦)法 自动调焦技术包括轴向定位(调焦)和伺服运动两 大部分，而轴向定位是核心。 5.5.1 轴向定位光指示器 当物面位于正确位置A时 ，视场上看到一个明亮居中 的十字线象(如视场图b)。如 果物面离焦，则十字线象变 模糊并且偏离视场中心(如视 场图a和c)。可以根据视场图 判别物面的轴向位置，从而 实现非接触式光学轴向定位 。 5.5 轴向定位(调焦)法 5.5.2 光学点位瞄准器 当显微镜与工件间距 离准确时(正焦)，目 镜分划板上可看见一 个清晰的十字线象。 如果调焦不准确，则 看到的是一个模糊的 象。借此可进行轴向 调焦。这种轴向