АВТОКОЛЛИМАЦИОННЫЙ МИКРОСКОП И ИЗМЕРЕНИЕ РАДИУСОВ КРИВИЗНЫ СФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА СФЕРОМЕТРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОКОЛЛИМАЦИОННОГО МИКРОСКОПА И ТЕЛЕСКОПА

Темы лекции

Автоколлимационный микроскоп

Если точка А’ смещена от точки С в поперечном направлении на расстояние то автоколлимационное изображение перекрестия в фокальной плоскости окуляра сместится относительно точки А на расстояние

где β — линейное увеличение объектива микроскопа.

изображение перекрестия в фокальной плоскости окуляра сместится тельно точки А на расстояние

• где β — линейное увеличение объектива микроскопа.

Точность фокусировки микроскопа на поверхность детали и в центр кривизны определяют в зависимости от чувствительности продольной наводки, т. е. от действующей числовой апертуры рабочего пучка лучей :

где D — диаметр измеряемой детали; r — радиус кривизны.

В целях повышения чувствительности наводки выбирают микрообъектив с апертурой, близкой к вычисленному значению.

Погрешность измерения радиуса, обусловленная только чувствительностью продольной наводки, принято определять по формуле

Точность измерений автоколлимационным методом в

основном зависит от точности фокусирования микроскопа на центр кривизны. Она составляет с учетом действия автоколлимации, мкм, Δr = 0,1/А, где А — действующая апертура микрообъектива микроскопа или апертура измеряемой поверхности (берется наименьшее значение А).

Измерение

Трубка ЮС-13 Трубка Забелина (изобретена в 1949 году)

Комбинированный прибор для измерений децентрированности

Динаметр

Оптические приборы для измерения размера и удаления выходных зрачков

В сущности – это просто лупа или микроскоп с увеличением х1 – х1,5, в который наблюдают выходной зрачок.

Нами предложена
и рассмотрена схема центрирования с
использованием автоколлимационного
микроскопа, а также схема измерительного
микроскопа с экраном.

В
автоколлимационном микроскопе (Рис. 13)
световой пучок от лампы накаливания 1,
пройдя конденсор 2, отразившись от
светоделительной пластины 3 и зеркала
4, освещает сетки 5 и 6, разнесенные вдоль
оси на глубину резкости объектива
коллиматора 7. Сетки 5 и 6 представляют
собой кресты: один – прозрачный на
темном фоне, другой – непрозрачный на
светлом фоне. Изображения этих сеток с
помощью объектива 7, призмы 8,
плоскопараллельной пластины 9 и
микрообъектива 10 проецируется в
предметную плоскость микроскопа, в
которую последовательно помещают либо
центр кривизны, либо вершину измеряемой
поверхности.

Отраженный
световой поток проходит через микрообъектив
10, отражается от пластины 9 и диагональной
грани призмы 11, проходит объектив 12,
призму-куб 13, призму 14 и попадает в окуляр
15, через который оператор видит
автоколлимационное изображение крестов
сеток 5 и 6. В передней фокальной плоскости
окуляра помещена сетка 16, на которую
нанесен отсчетный индекс в виде
горизонтальной линии и контрольная
окружность малых размеров, которая
выполняет функцию реперной точки для
центрирования измеряемой линзы.

Рис. 13. Схема
автоколлимационного микроскопа.

1 – осветитель, 2
– конденсор, 3 – светоделительная
пластина, 4 – зеркало, 5 и 6 – сетки, 7 –
объектив, 8 – призма, 9 – плоскопараллельной
пластины, 10 – микрообъектив, 11 – призма,
12 – объектив, 13 – куб-призма, 14 – призма,
15 – окуляр, 16 – сетка, 17 – центрируемая
линза, 18 – оправка.

Оптическая
схема экранного измерительного микроскопа
(Рис. 14) состоит из визирной и трех
отсчетных частей. Изображения измеряемого
объекта, а также основных и отсчетных
шкал проектируются на экраны. В отсчетных
системах используются оптические
микрометры.

Контуры
измеряемого объекта наблюдаются на
визирном экране (при нижнем освещении)
или рассматриваются через бинокулярную
насадку (при верхнем освещении). Отсчет
перемещения кареток производится по
изображению основных и отсчетных шкал.

Свет от лампы 17
постоянным конденсором 16 и сменной
осветительной системой 18, 19 или 20
направляется на сменный объектив 10, 11,
12 или 13 (увеличения

соответственно), освещая измеряемый
объект П.

Рис. 14. Схема
экранного измерительного микроскопа.

Изображение
объекта проектируется объективом через
призму 3 и защитные стекла 9 в плоскость
стеклянной пластинки 5 со штриховыми
линиями. Пластинка может поворачиваться
маховиком в пределах

Свет от лампы
27 через конденсор 26, светофильтр 25 и
коллектив 24 направляется на стеклянный
лимб 4 (цена деления

)
штриховой угломерной головки. Лимб
жестко связан со штриховой сеткой и
поворачивается вместе с ней. Объектив
23 проектирует освещенный участок лимба
в плоскость неподвижной отсчетной
(минутной) шкалы. Совместное изображение
обеих шкал проектируется объективом
22, через призму 21 и зеркало 15 на отсчетный
угломерный экран 14.

Соседние файлы в папке отвыеты на вопросы

• Автоколлимационный микроскоп.
• Динаметр.
• Гониометр.

Если точка А’ смещена от точки С в поперечном направлении на расстояние Ау, то автоколлимационное изображение перекрестия
в фокальной плоскости окуляра сместится относительно точки А на расстояние
где β — линейное увеличение объектива микроскопа.

Если точка А’ смещена от точки С в поперечном направлении на
расстояние Ау, то автоколлимационное изображение перекрестия в
фокальной плоскости окуляра сместится относительно точки А на
расстояние
• где β — линейное увеличение объектива микроскопа.

• Точность фокусировки микроскопа на поверхность детали и в центр
кривизны определяют в зависимости от чувствительности продольной
наводки, т. е. от действующей числовой апертуры рабочего пучка
лучей :
• где D — диаметр измеряемой детали; r — радиус кривизны.
• В целях повышения чувствительности наводки выбирают
микрообъектив с апертурой, близкой к вычисленному значению.
• Погрешность измерения радиуса, обусловленная только
чувствительностью продольной наводки, принято определять по
формуле
• Точность измерений автоколлимационным методом в
основном зависит от точности фокусирования микроскопа на
центр кривизны. Она составляет с учетом действия
автоколлимации, мкм, Δr = 0,1/А2, где А — действующая
апертура микрообъектива микроскопа или апертура
измеряемой поверхности (берется наименьшее значение А).

Измерение децентрированности

Трубка ЮС-13
Трубка Забелина
(изобретена в 1949 году)

Оптические приборы для измерения размера и
удаления выходных зрачков
В сущности – это просто лупа или микроскоп с
увеличением х1 – х1,5, в который наблюдают
выходной зрачок.

Динаметр Чапского

• Отличие – для
измерения выходных
зрачков окуляра с
отрицательной линзой
(зрачок внутри трубы)
добавлен
положительный
объектив.

Гониометр

С помощью гониометра измеряют:
— углы призм — автоколлимационным
способом;
— пирамидальность призм автоколлимационным способом;
— углы отклонения призм — в проходящем
свете (с обычным окуляром).

Чтобы снять отсчет по лимбу, необходимо повернуть маховичок оптического
микрометра до совмещения верхних и нижних изображений штрихов лимба в
левом окне. Число градусов равно видимой ближайшей левой от вертикального
индекса цифре. Число десятков минут равно числу интервалов, заключенных между
верхним штрихом, который соответствует отсчитанному числу градусов и нижним
оцифрованным штрихом, отличающимся от верхнего на 180°. Число единиц минут
отсчитывается по шкале микрометра в правом окне по левому ряду чисел. Число
десятков секунд – в том же окне по правому ряду чисел. Число единиц секунд равно
числу делений между штрихами, соответствующими отсчету десятков секунд, и
неподвижным горизонтальным индексом. Положение, показанное на рисунке 4,
соответствует отсчету 0°15’57,5».

Измерение углов призм

• С помощью наведения автоколлиматора
сначала на одну грань, а затем на другую
• (вращением автоколлиматора или призмы)
• С помощью измерения угла отклонения
призмы или клина

Специализированные гониометры

• Гониометр с фиксированными углами

• Гониометр с одним автоколлиматором

• Гониометр с цифровым отсчетом
1) Цифровой отсчет углов (энкодер)
2) Автоматическое наведение на грань (видеокамера
вместо окуляра)
3) Измерение по программе
Модель AMG 75
Точность в пределах одного
оборота:
22 бит (= 360/4,194,304)
(0,3 сек)

Рис. 3. Принцип измерений

2.12. рассчитать радиус кривизны пары пробных стекол для опорных колец и по формуле

2.13. рассчитать среднее взвешенное значение радиуса кривизны

где – значение, полученное с большим опорным кольцом, а – с меньшим.

Содержание контрольных вопросов

контактно-кольцевого метода измерения радиуса кривизны.

В чем особенность измерения на кольцевом сферометре пары пробных стекол?

Как производится отсчет по миллиметровой шкале с помощью микроскопа со спиральным микрометром?

Какова точность отсчета по шкале микрометра?

Зачем перед снятием отсчета на кольцевом сферометре деталь следует перемещать относительно кольца?

Каков предел допустимой основной погрешности сферометра ИЗС-7 и наибольшее численное значение поправок из-за неточности деления миллиметровой шкалы и разного веса измеряемой детали и пластины с образцовой плоской

Почему при экспериментальном определении погрешности визирования в процессе совмещения биштриха спирального микрометра с серединой штриха на миллиметровой шкале измерительный стержень не должен касаться поверхности детали?

Афанасьев В. А. Оптические измерения: Учебник для вузов. – М.:

Высшая школа, 1981. – C. 25, 52.

Лабораторная работа 2.4 ИЗМЕРЕНИЕ РАДИУСА КРИВИЗНЫ НА АВТО-

Задание для работы

Измерить радиус кривизны поверхности линзы.

Измерить радиус кривизны шарика автоколлимационным методом.

Рассчитать погрешности измерений.

Принцип и сущность метода

Метод основан на том, что изображение предмета, расположенного в центре кривизны сферической поверхности, совпадает с самим предметом. Следовательно, для измерения радиуса кривизны достаточно установить предметную точку автоколлимационного микроскопа в центре кривизны (рисунок, а), снять отсчет по шкале, а затем, передвигая микроскопом, совместить его

предметную точку с самой поверхностью (рисунок, б) и снять второй отсчет . Разность этих отсчетов равна радиусу

Рисунок. Принцип метода

Лабораторная установка представляет собой микроскоп с автоколлимационным окуляром и индикатором для линейных измерений. Роль предмета, автоколлимационное изображение которого формируется объективом микроскопа, играет нить низковольтной лампочки , уменьшенная с помощью конденсорной линзы Это уменьшенное изображение находится на таком расстоянии от точки на

светоделительной поверхности пластины , как и сетка окуляра Автоколлимационное изображение , полученное в обратном ходе

лучей, будет оптически сопряжено с плоскостью сетки окуляра, и при аккомадации глаза на плоскость сетки наблюдатель увидит резкое изображение предмета. Такое устройство окуляра позволяет

производить фокусировку при автоколлимации из центра кривизны и от элемента поверхности. Если же автоколлимационной маркой будет не точка , а перекрестье сетки окуляра, то фокусировка при

автоколлимации из центра кривизны по-прежнему будет обеспечена, однако автоколлимационного изображения от элемента испытуемой системы не будет видно, так как оно совпадает с самим предметом. В таких случаях вместо автоколлимационного изображения обычно наблюдают мелкие пылинки и царапины.

Лампочка микроскопа питается от сети переменного тока через трансформатор. Индикатор закреплен на тубусе микроскопа. Он имеет ограниченные пределы измерения (от 0 до 10 мм). Для увеличения пределов используются концевые меры. Они устанавливаются под щуп индикатора на базовую поверхность столика.

Погрешность измерения кривизны на лабораторной установке зависит от следующих причин:

Погрешности показаний индикатора; при нормальных условиях измерений эта погрешность не превышает предела допустимой основной погрешности, указанной в паспорте прибора.

Случайной погрешности фокусировки (наводки микроскопа и отсчитывания показаний); она зависит от инструментальных погрешностей микроскопа, индикатора, погрешностей, связанных со свойствами измеряемого объекта, а также погрешностей, допускаемых наблюдателем.

Погрешности набора концевых мер, составляющих требуемый размер; она в основном определяется степенью точности используемых мер и температурой; длина концевых мер изменяется на 1 мкм на каждые 100 мм при изменении температуры на 1°С, поэтому при точных измерениях меру не следует брать голыми руками, а если

этого не избежать, то нужно дать время отстояться.

4. Погрешности вследствие несоблюдения принципа компарирования приборов для линейных измерений (принцип Аббе); причина – в несовпадении оси измерительного штока индикатора с осью измеряемого изделия; эта погрешность возникает при зазоре в направляющих микроскопа, а величина ее зависит от предельно возможного перекоса направляющих относительно трех взаимно-перпендикуляр- ных осей.

Перед началом работы окуляр устанавливается на резкость изображения сетки. Измеряемая деталь в оправе (шарик, линза) устанавливается на столике микроскопа соосно микрообъективу. Грубую центрировку производят от руки, а точную – винтами столика. В процессе центрировки шарика микроскоп перемещают в продольном направлении, последовательно наблюдая два автоколлимационных изображения из центра кривизны и от элемента поверхности. Их легко отличить друг от друга, так как при поперечном смещении шарика первое перемещается в поле изображения, а второе остается неподвижным. Шарик центрируют, наблюдая изображение из центра кривизны. Его нужно привести в центральную зону сетки, добиваясь того, чтобы при повороте столика микроскопа это изображение оставалось неподвижным. В результате центрировки автоколлимационное изображение от элемента поверхности будет иметь максимальную интенсивность, так как одновременно с центрировкой устраняется виньетирование отраженного пучка лучей.

При измерении радиуса шарика микроскоп точно устанавливают на резкое изображение, наблюдаемое в плоскости сетки окуляра. Отсчеты положения тубуса микроскопа производятся по индикатору и концевым мерам. Набор мер следует подобрать так, чтобы можно было обойтись их минимальным количеством. Радиус шарика вы-

числяется на основании результатов однократных наблюдений.

С учетом длины и наборов концевых мер при наводках на поверхность и на центр кривизны и соответствующих отсчетов и по шкале индикатора радиус вычисляется по формуле

B B C C

При опускании тубуса микроскопа щуп индикатора будет упираться на концевую меру. Если при этом щуп дойдет до предела, то может произойти поломка прибора. Поэтому рекомендуется вставлять меру в момент снятия отсчетов и сразу же убирать ее со столика микроскопа.

При измерении линзы ее центрировка производится аналогичным образом. Отличие состоит лишь в том, что при продольном перемещении тубуса микроскопа будут последовательно наблюдаться не два, а четыре автоколлимационных изображения – два от верхней поверхности и два от нижней. Радиус кривизны нижней поверхности измерять не следует, так как измерительное перемещение микроскопа не будет совпадать с числовым значением радиуса кривизны из-за влияния оптической силы линзы. Поэтому перед измерением следует выбрать автоколлимационное изображение, относящееся к верхней поверхности. Отсчеты при измерении линзы снимаются не менее восьми раз. Результаты заносятся в таблицу.

Таблица. Результаты наблюдений

На чем основан принцип автоколлимационного измерения радиуса кривизны?

Привести выражение, характеризующее погрешность фокусировки микроскопа. Как изменится погрешность фокусировки при переходе к автоколлимационному методу измерений?

В чем отличие между погрешностью измерений при наводке автоколлимационного микроскопа на элемент поверхности и в центр кривизны?

Перечислить доминирующие погрешности измерений и указать причины их возникновения.

Указать предел местной ошибки измеряемой сферической

поверхности, которую можно выявить, анализируя результаты двух групп наблюдений – при автоколлимации от элемента поверхности и из центра кривизны?

Почему центрировку измеряемой детали на столике микроскопа контролируют автоколлимацией из центра кривизны, а не от элемента поверхности?

При каком условии погрешность вследствие перекоса направляющей микроскопа будет оказывать наименьшее влияние на результат измерений?

Какие измерения – обыкновенные, статистические или технические – следует проводить при выполнении лабораторной работы

9. Почему характеристика точности фокусировки выражается генеральным средним квадратическим отклонением? Зачем в этом случае отыскивается среднее квадратическое отклонение различных групп наблюдений?

Лабораторная работа 3.1 ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВ НА АВТОКОЛЛИМАТОРЕ

Измерить угол клина между поверхностями прозрачной пластины в направлении главного сечения и оценить погрешность измерений.

Измерить углы и пирамидальность прямоугольной призмы АР-90°, и оценить погрешность измерений.

Метод основан на том, что при наличии клина пластина, помещенная перед объективом автоколлимационной трубы, дает два автоколлимационных изображения вследствие отражения некоторой части пучка лучей от ее первой и второй поверхности. Эти изображения расходятся в поле зрения вдоль главного сечения клина на некоторую величину пропорциональную углу между отраженными пучками

лучей 1 и 2 (рис. 1). Главное сечение клина показано совмещенным с плоскостью рисунка.

Рис. 1. Принципиальная оптическая схема измерения клина пластины

Если угол измеряемого клина мал, а пучок параллельных лучей, выходящих из автоколлиматора, составляет с нормалью к первой поверхности конечный угол , то величина достаточно точно

При нормальном падении лучей на первую поверхность пластины второе слагаемое подкоренного выражения формулы становится равным нулю и

Автоколлимационный метод позволяет измерять углы и пирамидальность призм, развертка которых должна представлять собой плоскопараллельную пластину. К ним относится большинство призм, применяемых в оптических приборах. Если такую призму поставить перед автоколлиматором, то ее входная и выходная грани дадут совпадающие автоколлимационные изображения, а в случае погрешности изготовления углов – расходящиеся изображения. Расхождение в главном сечении (рис. 2) объясняется клиновидностью развертки призмы, которая обусловлена погрешностью углов , и , а в перпендикулярном направлении – клиновидностью, возникающей из-за пирамидальности призмы. По величине расхождения изображений можно определить погрешность углов призмы. Для этого необходимо построить развертки призмы и составить систему уравнений, связывающих погрешности изготовления углов с клиновидностью полученных разверток. Если малый угол клина измерять даже с невысокой точностью (3–5%), то относительная погрешность определения самих углов окажется достаточно малой.

Рис. 2. Метод измерения угла призмы

Рассмотрим метод определения углов и пирамидальности прямоугольной призмы. Если катетная грань обращена к автоколлиматору, (рис. 2), то при равенстве углов и развертка призмы эквивалента плоскопараллельной пластине, а при – оптическому клину. Обозначим , тогда при малой величине имеем

Для определения знака угла развертки осуществляется последовательный переход от направления к направлению . Сначала отрезок нужно повернуть на угол до направления , а затем на угол +до направления (по принятому в геометрической оптике правилу знаков поворот на данный угол по часовой стрелке считается положительным, а против часовой – отрицательным).

Тогда при : , а при , соответственно

Таким образом, если прямой угол расположен слева, а угол

имеет отрицательное значение, то вершина клина, образованного при развертке, находится справа. Тогда пучок лучей 2, выходящий из призмы, отклонится влево от пучка 1, отраженного первой гранью (рис. 2, а). Если же угол будет положительным, то пучок, выходя-

щий из призмы, отклонится вправо (рис. 2, б).

При ошибке пирамидальности испытуемой призмы, которая характеризуется углом , рефлекс от задней грани сместится перпенди-

кулярно плоскости главного сечения призмы на величину (рис. 3)

Рис. 3. Ошибка пирамидальности призмы

Измерение радиусов кривизны сферических
поверхностей на сферометре, с помощью
автоколлимационных микроскопа и
зрительной трубы, интерференционными
методами.

Для чего нужно измерять радиусы кривизны сферических поверхностей?

—
Для чего нужно измерять радиусы
кривизны сферических
поверхностей?
Для контроля качества изготовления деталей
линз,
зеркал,
контроля плоскопараллельных пластин (R=∞)
Для точной настройки некоторых приборов
(подбора эталонных зеркал
интерферометров, резонаторов лазеров)

Линзы и зеркала с большой кривизной (R<0. 5 м)

Линзы и зеркала с большой
кривизной (R<0.5 м)
• Стрелка прогиба
• Измерение фокусного расстояния зеркала
или линзы
• Нахождение центра кривизны сферической
поверхности
• Пробное стекло

Линзы и зеркала с малой кривизной (R>=0. 5 м)

1 полоса (кольцо) – отклонение в λ/2 (0,55 мкм / 2 = 0,28 мкм)

Контроль кривизны плоских поверхностей

• Измерение толщины в центре и по краям
• Интерференционные методы