畢業(yè)設(shè)計（論文）顯微鏡觀測光斑大小

1、寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 顯微鏡觀測光斑大小 摘要 介紹用顯微鏡觀測光斑大小的方法。顯微鏡觀測光斑大小的方法 結(jié)合分析軟件，可以測量和分析尺寸小、形狀不規(guī)則、能量分布復(fù)雜 的單色光和復(fù)合光形成的光斑，為需要對光斑進(jìn)行評估的各種應(yīng)用領(lǐng) 域提供了實(shí)時、快速、有效的測量方法。通過該實(shí)驗?zāi)芰私獾讲煌?長的光斑大小，以及光斑大小與顯微鏡放大倍數(shù)和觀測角度之間的關(guān) 系。 測量顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)形成物方遠(yuǎn)心光路,使被測工件的光學(xué)成 像落在儀器的分劃板上,然后通過目鏡使分劃板上的標(biāo)準(zhǔn)刻線對工件 影像進(jìn)行瞄準(zhǔn),以達(dá)到測量的目的。因此,影像法是測量顯微鏡的最常 用、最基本的測量方法。 關(guān)鍵詞：測量顯微鏡，影像

2、法，波長，觀測角度，放大倍數(shù) 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 i 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 comp

3、lex 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 relations

4、hip. 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 i

5、s the most commonly used measuring microscope,the basic measurement method. key word:measuring microscope,imaging method,wavelength,observation angle,magnification 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 ii 目錄 摘要.i abstract.ii 第一章 緒論 .1 1.1 測量顯微鏡 .1 1.1.1 測量顯微鏡 107ja.1 1.1.2 測量顯微鏡的使用.1 1.1.3 測量顯微鏡正常使用注意事項.2 1.2 觀測光斑.3 第二章 測

6、量光斑的方法 .4 2.1 觀測光斑大小的方法 .4 2.1.1ccd 攝像法 .4 2.1.2 光纖探針掃描法 .5 2.1.3 測量大數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng)小光斑 .6 第三章 材料與方法 .8 3.1 實(shí)驗材料 .8 3.1.1 顯微鏡.8 3.1.2 濾光片、凸透鏡、激光器.10 3.2 實(shí)驗方法.11 3.3 實(shí)驗步驟.13 3.4 實(shí)驗測量方法 .14 第四章 實(shí)驗的結(jié)論與分析 .16 4.1 實(shí)驗結(jié)論 .16 4.1.1 解決問題.16 4.1.2 實(shí)驗結(jié)果.16 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 iii 4.2 實(shí)驗分析 .20 結(jié)論 .21 致謝 .22 參考文獻(xiàn) .23 寧波工程學(xué)院

7、本科畢業(yè)設(shè)計論文 0 第一章 緒論 1.1 測量顯微鏡 測量顯微鏡是一種大型的精密測量儀器，具有準(zhǔn)確度高、功能全等特點(diǎn)，是 生產(chǎn)企業(yè)長度計量工作中最常用的光學(xué)儀器之一。測量顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)形成物 方遠(yuǎn)心光路，使被測工件的光學(xué)成像落在儀器的分劃板上，然后通過目鏡使分劃 板上的標(biāo)準(zhǔn)刻線對工件影像進(jìn)行瞄準(zhǔn)，以達(dá)到測量的目的。因此，影像法是測量 顯微鏡的最常用、最基本的測量方法。由于測量顯微鏡還配備了許多輔助設(shè)備， 所以除了最基本的影像法外，它還能實(shí)現(xiàn)軸切法、光學(xué)接觸法、機(jī)械測量法、雙 像法等測量手段，以達(dá)到不同的測量目的。 1.1.1 測量顯微鏡 107ja 產(chǎn)品簡介： 測量顯微鏡 107ja，采用

8、透、反射的方式對工件長度和角度作精密測量。特 別適用于錄象磁頭、大規(guī)模集成電路線寬以及其它精密零件的測試。廣泛地適用 于計量室、生產(chǎn)作業(yè)線及科學(xué)研究等部門。 107j 為光柵數(shù)顯的小型精密測量儀器。工作臺除作 x、y 坐標(biāo)的移動外，還 可以作 360的旋轉(zhuǎn)，亦可以進(jìn)行高度方向做 z 坐標(biāo)的測量；采用雙筒目鏡 觀察。照明系統(tǒng)除作透、反射照明外還可以作斜光線照明。儀器進(jìn)一步可連接 ccd 電視攝像頭，作工件的輪廓放大；亦可連接計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等測量。是 一種理想的多用途的小型精密測量儀器。 1.1.2 測量顯微鏡的使用 尋找像平面 (1)針尖試樣應(yīng)采用“光點(diǎn)找像法” 。 一般顯微硬度計測量顯微鏡

9、物方視場只有 0.250.35mm，在此視場范圍外 區(qū) 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 1 域在測量顯微鏡目鏡視場內(nèi)，眼睛是看不見的。而針尖類試樣頂尖往往小于 0.1mm，所以在安裝調(diào)節(jié)試樣時，很難把此頂尖調(diào)節(jié)在視場內(nèi)；如果此頂尖在視 場周圍而不在視場內(nèi)，則在升降工作臺進(jìn)行調(diào)節(jié)時不小心就會把物鏡鏡片頂壞， 即使不頂壞物鏡，找像也很困難為解決這個問題，提出“光點(diǎn)找像法”方法。 開啟測量顯微鏡的照明燈泡，這時在物鏡下面工作臺上就有一個圓光斑，把 針尖試樣垂直于工作臺安裝在此光斑的中心，升高工作臺，使此針尖的頂尖離開 物鏡約 1mm 這時眼睛觀察頂尖部位，調(diào)節(jié)工作臺上的兩個測微絲桿。使物鏡下照 明光點(diǎn)

10、在前后左右對稱分布在此頂尖上(這一步驟必須仔細(xì))隨后緩慢調(diào)節(jié)升降機(jī) 構(gòu)，這時在目鏡視場中即會看到一個光亮點(diǎn)。這就是此頂尖上的反射光點(diǎn)，再進(jìn) 一步調(diào)節(jié)升降即可找到此針尖的像。 (2)表面光潔度很高的試樣(如顯微硬度塊)應(yīng)采用邊緣找像法。 顯微硬度試驗中，試樣表面光潔度一般都是很高的，往往是鏡面表面上沒有 明顯觀察特征，而顯微硬度計中所有高倍測量顯微鏡的景深都是非常小的，只有 12mm 所以在調(diào)焦找像平面時，對于缺乏經(jīng)驗的操作者是很困難的，甚至?xí)?壞物鏡，所以操作者有的留用表面殘留痕跡來找像平面。但有時往往無殘留痕跡 時，建議采用邊緣找像法。即按上述同樣方法使用照明光點(diǎn)(約為 0.51mm)的

11、中心對準(zhǔn)試樣表面輪廓邊緣，則在目鏡視場內(nèi)看到半亮半暗的交界處即為此輪廓 邊緣，隨后進(jìn)一步調(diào)節(jié)升降即可找到此表面邊緣的像。 調(diào)焦 為找到正確成像位置，應(yīng)注意要調(diào)節(jié)使壓痕邊緣清晰而不是壓痕對角線或?qū)?角線交點(diǎn)清晰。我們需要測量的是這個四棱角錐體坑表面棱形的對角線長度。為 幫助操作者掌握這一步驟，這里提出“視差判別法” ，當(dāng)用分劃板刻線或十字交 點(diǎn)對準(zhǔn)壓痕對角線頂尖時，人眼相對于目鏡左右移動，這時如調(diào)焦不正確，即壓 痕邊緣象不完全落在分劃板上，則會發(fā)現(xiàn)此邊緣相對于分劃線會左右移動。這說 明調(diào)焦不正確，如人眼相對目鏡的位置不一致，則一定存在測量誤差，此時應(yīng)進(jìn) 一步調(diào)焦，直至此邊緣相對分劃線在人眼晃動時

12、無相對位置才為正確。 1.1.3 測量顯微鏡正常使用注意事項 用調(diào)焦手輪對被測件進(jìn)行調(diào)焦時，應(yīng)先從外部觀察，使物鏡鏡筒下降接 近被測件，然后眼睛才能從鏡中觀察。旋轉(zhuǎn)調(diào)焦手輪時，要由下向上移動鏡筒； 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 2 防止空程誤差。在測量時應(yīng)向同一方向轉(zhuǎn)動測微鼓輪，讓十字叉絲垂線 和各目標(biāo)對準(zhǔn)。若移動叉絲超過了目標(biāo)時，應(yīng)多退回一些，再重新向同一方向移 動叉絲，完成測量。 要正確讀數(shù)。 1.2 觀測光斑 觀測光斑的技術(shù)在現(xiàn)在越來越全面，為觀測光纖通信領(lǐng)域內(nèi)的各種微小紅外 光斑，研制了一種采用變象管的儀器。使用這種儀器比采用靶攝象管或、等其它 器件的觀測設(shè)備具有更直觀、方便和更經(jīng)濟(jì)的

13、優(yōu)點(diǎn)本儀器用于觀測光斑模場的分 辮度高于協(xié)，而用于測量自聚焦透鏡焦點(diǎn)位置參數(shù)的精度優(yōu)于林可廣泛應(yīng)用于科 研和生產(chǎn)領(lǐng)域中。 而在圖像傳感技術(shù)的許多應(yīng)用中，例如光電幾何量非接觸測量、目標(biāo)圖像跟 蹤和天文學(xué)測量等領(lǐng)域，經(jīng)常需要用探測器(如 ccd)在像面上接收一個成像斑點(diǎn) (稱為像斑)，以便從中提取空間深度和橫向位置信息。而這些信息的估值精度除 依賴于許多技術(shù)上的因素外，最基本的物理限制來自對像斑位置估值精度。光斑 位置估值精度除了與圖像噪聲等外界因素有關(guān)外，還與光斑本身的大小ax，ay 有關(guān)。因此，如何設(shè)計合適的光斑和提高對像斑中心位置的檢測精度一直是人們 關(guān)心的問題。 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論

14、文 3 第二章 測量光斑的方法 2.1 觀測光斑大小的方法 微光斑的測量與分析對于評價光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量、激光光束等起著重要作用。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在微光成型、微細(xì)加工、光學(xué)存儲、材料處理等應(yīng)用領(lǐng)域， 對經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)形成的光斑質(zhì)量要求越來越高，因此需要對光斑進(jìn)行精確的測量 和分析。目前國外已開發(fā)出一些商品化的光斑測量儀器，這些儀器大多用于測量 光束能量分布(profile)，且現(xiàn)有測量對象僅局限于激光光斑。由于激光屬單色 光，形成的光斑形狀較規(guī)則，且能量分布為已知的高斯分布，因此其光斑的測量 與分析相對較易實(shí)現(xiàn)。 1 2.1.1ccd 攝像法 ccd 是一種光譜響應(yīng)寬、穩(wěn)定性好、操作容易的圖

15、像傳感器件。近年來， ccd 器件與 ccd 攝像機(jī)在現(xiàn)代光電子學(xué)和精密測量技術(shù)(如尺寸測量、定位檢測、 天體觀測等)中的應(yīng)用日趨廣泛。用 ccd 測量光斑可及時獲得光斑的二維掃描結(jié) 果，是較理想的測量方法之一。彩色 ccd 攝像法不僅可測量單色光的光斑，而且 還可以測量復(fù)合光的光斑。ccd 傳感器的像元尺寸小，幾何精度高，配置適當(dāng)?shù)?光學(xué)系統(tǒng)，可以獲得很高的空間分辨率；它以非接觸方式進(jìn)行測量，因而使用方 便靈活，適應(yīng)性強(qiáng)；它的輸出信號易于數(shù)字化處理，容易與計算機(jī)連接組成實(shí)時 自動化測量系統(tǒng)。這些優(yōu)點(diǎn)使 ccd 攝像法近幾年來被廣泛地應(yīng)用于各種加工件尺 寸的高精度、高速度的檢測領(lǐng)域。 利用 c

16、cd 技術(shù)、圖像處理技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)對普通萬能工具顯微鏡進(jìn)行數(shù)碼 改造，減少復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動部件，從而減少誤差的來源，提高了測量精度，實(shí)現(xiàn) 了孔心距的數(shù)字化測量和讀數(shù)自動化。采用 ccd 攝像法的孔心距測量系統(tǒng)是用顯 微鏡圖像分析法對孔心距進(jìn)行精密自動測定，主要由工具顯微鏡、面陣 ccd 攝像 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 4 頭、圖像采集卡、pc 機(jī)、數(shù)據(jù)分析軟件等組成。 光斑測量系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、顯微物鏡、彩色 ccd、圖像采集卡和計算機(jī)組成 (見圖 11)。被測光斑經(jīng)顯微物鏡放大后在 ccd 光敏面上形成一個放大的光斑。 ccd 器件輸出的圖像視頻信號傳送到圖像采集卡，經(jīng) a/d 轉(zhuǎn)換為數(shù)字

17、信號后輸入 計算機(jī)供顯示、存儲和測量分析。顯微物鏡的放大倍率根據(jù)被測光斑和 ccd 光敏 元的大小而定。 圖 2-1 ccd 測量系統(tǒng)框圖 ccd 攝像頭將工件輪廓拍攝下來后，通過圖像采集卡將工件的數(shù)字化圖像輸 入到計算機(jī)。計算機(jī)對圖像作二值化處理，得到工件的輪廓圖像。顯然，工件圖 像的尺寸(以像素點(diǎn)數(shù)量表示)與工件的實(shí)際尺寸(以厘米或毫米表示)之間具有一 一對應(yīng)的線性關(guān)系，即兩者之間的測量比為常數(shù) k，由攝像物鏡的放大比和 ccd 器件的放大比所決定。利用一尺寸已知的標(biāo)準(zhǔn)工件作為測量目標(biāo)，對 ccd 攝像測 量系統(tǒng)的測量比 k 作精確標(biāo)定。測量尺寸未知的工件時，只需測定其圖像的邊長 或直徑所

18、包含的像素點(diǎn)數(shù)量，除以 k，即可獲得工件的實(shí)際邊長或直徑。 被測光斑經(jīng)顯微物鏡放大后在 ccd 光敏面上形成一個放大的光斑。ccd 器件 輸出的圖像視頻信號傳送到圖像采集卡，經(jīng) a/d 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入計算機(jī)供 顯示、存儲和測量分析。顯微物鏡的放大倍率根據(jù)被測光斑和 ccd 光敏元的大小 而定。 2.1.2 光纖探針掃描法 近年來，隨著納米科技的發(fā)展，掃描近場光學(xué)顯微鏡(snom)發(fā)展很快，其應(yīng) 用領(lǐng)域也日益廣泛，其中最重要的原因是采用了光纖探針和探針樣品的切變力 間距調(diào)控兩項先進(jìn)技術(shù)。光纖探針作為 snom 的探測器，針尖直徑僅 50nm 左右。 我們將光纖探針應(yīng)用于微小光斑的測量中，可

19、知光纖探針掃描法非常適合微小光 斑的測量，且測量分辨率很高。一般而言，為了提高 snom 系統(tǒng)的分辨率，需要 探針尖直徑越小越好。然而，隨著針尖直徑的減小，探針的傳輸效率急劇下降。 例如，若偶合進(jìn)光纖的激光功率為 1.0mw，當(dāng)光纖探針錐尖直徑為 100nm 時，其 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 5 輸出功率為 10nw，衰減為；當(dāng)錐尖直徑為 50nm 時。輸出功率為 0.1nw，衰 5 10 減為。 7 10 利用近場光學(xué)顯微鏡的光纖探針采樣技術(shù)和壓電陶瓷掃描技術(shù)，可對光學(xué)系 統(tǒng)小光斑的光強(qiáng)分布進(jìn)行高空間分辨的測量。由于光纖探針采樣點(diǎn)的大小為幾十 納米或更小，壓電陶瓷掃描間距為幾納米或更小。

20、因此該方法特別適合大數(shù)值孔 徑光學(xué)系統(tǒng)小光斑的測量。實(shí)驗證明，采用該方法測量的空間分辨率可達(dá) 50100nm 左右。 光學(xué)探針掃描測量系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、光纖探針掃描器、光電倍增管/a/d 轉(zhuǎn)換電路、計算機(jī)和其它驅(qū)動電路等組成(見圖 1-2)。裝在掃描器上的探針對光 斑進(jìn)行掃描，光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵?，?jīng)過 a/d 轉(zhuǎn)換后輸入計算 機(jī)。探針的掃描通過控制壓電陶瓷在 x，y 方向的伸縮而實(shí)現(xiàn)。 2 圖 2-2 光纖探針掃描測量系統(tǒng)框圖 為獲得光斑的實(shí)際能量分布，必須對測得的能量分布進(jìn)行修正。如不考慮金 屬鍍膜的影響，可將光纖探針簡單地視為小孔。在此假設(shè)下，如果設(shè)光斑實(shí)際能 量分布函數(shù)

21、為 e，測得的能量分布為，小孔函數(shù)為 ，則存在如下關(guān)系 e)(circ （1-1） ecirce 因此，可根據(jù)上式進(jìn)行能量分布修正以獲得光斑的實(shí)際能量分布。 彩色 ccd 攝像法、光纖探針掃描法兩種測量光斑的方法并結(jié)合分析軟件，可 以測量和分析尺寸小、形狀不規(guī)則、能量分布復(fù)雜的單色光和復(fù)合光形成的光斑， 為需要對光斑進(jìn)行評估的各種應(yīng)用領(lǐng)域提供了實(shí)時、快速、有效的測量方法。 2.1.3 測量大數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng)小光斑 以測量大數(shù)值孔徑顯微鏡物鏡的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)為例，其測量裝置的原理如圖 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 6 2-3 所示。 圖 2-3 測量大數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng)小光斑的系統(tǒng) 由半導(dǎo)體激光器發(fā)出

22、的光經(jīng)非球面透鏡準(zhǔn)直和普通擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后入射到大數(shù) 值孔徑顯微鏡物鏡上，在被測物鏡焦面上形成一小光斑，即點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。前端有 一個小孔的鍍金屬膜錐形光纖探針置于小光斑處，對光場采集，并由光纖主體將 光傳輸至另一端的光電倍增管上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；電信號經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后由計 算機(jī)處理。計算機(jī)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換控制高壓放大器的輸出，從而控制管狀壓電陶瓷 管的橫向兩維掃描和縱向位移(用于調(diào)焦)。壓電陶瓷管帶動光纖探針進(jìn)行焦面上 的兩維掃描，從而使計算機(jī)可給出小光斑的兩維光強(qiáng)分布圖，即點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，如 需要的話，由快速傅里葉變換給出被測物鏡的光學(xué)傳遞函數(shù)。 實(shí)際裝置中對光源進(jìn)行了直接光強(qiáng)調(diào)制，電信號經(jīng)過放大濾波后再解

23、調(diào)，以 減小外界光及電路噪聲的影響。 通過更換激光器和調(diào)制方式(工作波長不同，使用的激光器也不同；激光器 工作方式不同，光強(qiáng)調(diào)制方式也不同)，該裝置可以直接用于測量光盤驅(qū)動器與 母盤刻錄機(jī)物鏡的讀寫或刻錄光斑的小光斑。實(shí)際上，所有大數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng) 的小光斑都可以用類似方法測量。根據(jù)被測光學(xué)系統(tǒng)的不同，光源既可以是單色 激光器也可以是白光加小孔光闌(小孔光闌不夠小時可隨后增加一個倒置的顯微 鏡光路)；光路布置既可以是共軛距無窮遠(yuǎn)的，也可以是有限遠(yuǎn)的。 3 第三章 材料與方法 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 7 3.1 實(shí)驗材料 3.1.1 顯微鏡 正如上一章提到的，實(shí)驗首要采用測量顯微鏡。測量顯

24、微鏡的準(zhǔn)確度高以及 功能晚上等特點(diǎn)都有利于得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)并且有利于測量，測出所需的數(shù)據(jù)。而 影像法測量顯微鏡的最常用、最基本的測量方法 。 以顯微鏡觀察鋼珠為例。顯微鏡觀察光亮體表面是比較困難的，因為會有 光斑而影響觀察。而通過攝像顯微鏡獨(dú)特的光路大范圍調(diào)節(jié)功能，改變照明光 路中心，利用弱光照明、優(yōu)化光路等技術(shù)手段，解決了光斑問題，獲得了良好 的圖像效果。 圖3-1 照相機(jī)拍攝的鋼珠照片 正常觀察光路是由于存在反光則會得到如下圖片 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 8 圖 3-2 正常照明光路觀察時出現(xiàn)的光斑 通過優(yōu)化調(diào)節(jié)可以得到鋼珠磨痕最佳照片從而得出相對清晰的照片 圖 3-3 正常照明光路通過

25、優(yōu)化調(diào)節(jié)得到的鋼珠磨痕最佳照片 接下來通過改變光路中心，消弱反光，并且利用弱光照明可以得到清晰的鋼珠磨 痕最佳照片。 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 9 圖 3-4 改變光路中心利用弱光照明得到的鋼珠磨痕最佳照片 當(dāng)然光學(xué)顯微鏡也是精確度高的一種顯微鏡。 表面為曲面的玻璃或其他透明材料制成的光學(xué)透鏡可以使物體放大成像，光 學(xué)顯微鏡就是利用這一原理把微小物體放大到人眼足以觀察的尺寸。近代的光學(xué) 顯微鏡通常采用兩級放大，分別由物鏡和目鏡完成。被觀察物體位于物鏡的前方， 被物鏡作第一級放大后成一倒立的實(shí)象，然后此實(shí)像再被目鏡作第二級放大。成 一虛象，人眼看到的就是虛像。而顯微鏡的總放大倍率就是物鏡放大

26、倍率和目鏡 放大倍率的乘積。放大倍率是指直線尺寸的放大比，而不是面積比。 光學(xué)顯微鏡的組成結(jié)構(gòu) 光學(xué)顯微鏡一般由載物臺、聚光照明系統(tǒng)、物鏡，目鏡和調(diào)焦機(jī)構(gòu)組成。載 物臺用于承放被觀察的物體。利用調(diào)焦旋鈕可以驅(qū)動調(diào)焦機(jī)構(gòu)，使載物臺作粗調(diào) 和微調(diào)的升降運(yùn)動，使被觀察物體調(diào)焦清晰成象。它的上層可以在水平面內(nèi)沿作 精密移動和轉(zhuǎn)動，一般都把被觀察的部位調(diào)放到視場中心。 4 3.1.2 濾光片、凸透鏡、激光器 發(fā)射的光束可由激光器或者手電筒發(fā)出的光，但由于光束中可能存在不只一 種波長，因此需要用濾光片過濾掉不需要的波長光，然后通過凸透鏡聚焦。 濾光片原理：濾光鏡是攝影中不可缺少的光學(xué)器件，它能按照規(guī)定的需

27、要改 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 10 變?nèi)肷涔獾墓庾V強(qiáng)度分布或使其偏振狀態(tài)發(fā)生變化。就光學(xué)行為而言，主要是透 射、反射、偏振和密度衰減、散射等。 實(shí)際在濾光鏡兩個表面處都同時發(fā)生透射和反射。從能量角度看，常以反射率、 透射率及吸收率表示能量的分配狀態(tài)，根據(jù)不同的需要令它們有不同的分配情況。 濾光鏡的材料吸收的輻射通常是以熱、熒光或在材料中進(jìn)行的光化學(xué)反應(yīng)的形式 釋放出來。 激光器則可由手電筒等代替。同樣的凸透鏡也可用不同的透鏡來代替。 3.2 實(shí)驗方法 影像法測量 萬能測量顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)形成物方遠(yuǎn)心光路，使被測工件的光學(xué)成像落在 儀器的分劃板上，然后通過目鏡使分劃板上的標(biāo)準(zhǔn)刻線對工件影像

28、進(jìn)行瞄準(zhǔn)，以 達(dá)到測量的目的。因此，影像法是萬能測量顯微鏡的最常用、最基本的測量方法。 因此，在此以影響法測量螺紋為例來解釋實(shí)驗的方法。 1.調(diào)光圈 用影像法測量時，理想照明光線是一束平行于光軸的平行光。這樣，工件的 光學(xué)成像失真最小。但實(shí)際照明光束中往往包含斜照平行光，這樣的光束用作邊 緣比較薄的工件成像，影響不大，可以忽略；但對于曲面輪廓的測量，如圓柱直 徑、螺紋和曲面樣板等，成像光束不平行將給測量帶來誤差。為了盡可能地消除 這種影響，通常需要調(diào)整可變光圈?？s小光圈能夠控制斜光束，但如果光圈太小， 由于光線繞射，又會產(chǎn)生相反的后果。所以，在萬能測量顯微鏡上測量曲面輪廓， 必須按照被測工件的

29、曲率半徑調(diào)整光圈，這樣才能減小成像誤差。光圈直徑可通 過實(shí)驗近似公式來計算，在測量螺紋時，最佳光圈直徑的數(shù)值方程為： （3-1） 3 ) 2 sin( 18 . 0 d fd 式中：f準(zhǔn)直透鏡焦距；螺紋中徑；螺紋牙型半角。 2 d 2 通常，最佳光圈的大小可在儀器說明書中直接查得。 5 2.調(diào)焦 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 11 影像法測量時需要正確地調(diào)焦。首先根據(jù)測量者的視力調(diào)節(jié)目鏡視度旋鈕。使之 能看清分劃板上的刻線。然后上下移動中央顯微鏡懸臂，使工件的像清晰地成在 分劃板上。只有在二者都清晰的情況下才能瞄準(zhǔn)，否則將產(chǎn)生瞄準(zhǔn)誤差。調(diào)焦也 可采用焦距規(guī)。即先使焦距規(guī)上刀刃的像清晰地成在分劃

30、板上。然后換上被測件。 同樣可實(shí)現(xiàn)在工件的軸截面內(nèi)測量。 3.調(diào)中央顯微鏡的立柱傾斜角 測量螺紋時，調(diào)整好焦距和光圈后，還需把顯微鏡立柱傾斜一個角，傾斜方 向視螺紋左旋還是右旋而定。目的是使平行光向上通過螺紋牙槽時與牙側(cè)螺旋面 相切，得到一個真實(shí)而清晰的牙型輪廓， 值按公式(2-2)求得： （3- 2 tandnp 2） 4.中徑測量 使目鏡米字線的中心虛線和牙型邊緣相壓，記下橫向讀數(shù)，再移動顯微鏡 到螺紋的另一側(cè)并使立柱反向傾斜 角，在視場內(nèi)引入另一面影像，使其邊緣 與米字線的中心相壓，記下第二次橫向讀數(shù)(如圖 2-5 所示)。 6 圖 2-5 影像法測量螺紋中徑 測量中工作臺不許有縱向移動

31、，此時兩次橫向讀數(shù)之差即為被測螺紋的中徑。 為消除螺紋定位時被測件軸線和橫向?qū)к壊淮怪碑a(chǎn)生的誤差，可以在牙型左、 7 右兩側(cè)面各測一次，取其算術(shù)平均值作為中徑的測量值，即： （3-3） 2 22 2 右左 dd d 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 12 5.螺距測量 將米字線的中心線壓在牙型輪廓的邊緣，記下縱向讀數(shù)，然后移動縱向滑板， 使米字線的中心線與相鄰的同名牙型邊緣相壓，記下第二次縱向讀數(shù)，兩次讀數(shù) 之差即為螺距的實(shí)測值。測量過程中橫向不許移動。為消除螺紋的軸線和測量 8 線不平行引起的系統(tǒng)誤差。應(yīng)將左右牙廓上的螺距分別測出，取其算術(shù)平均值作 為測量結(jié)果，即： （3-4） 2)( 右左 p

32、pp 6.牙型半角的測量 使目鏡米字線的中心虛線與牙型輪廓影像邊緣相靠，如圖 2-6 所示。在角度 目鏡內(nèi)讀取角度值。為消除由于螺紋軸線與測量線不平行所引起的)2,2( 測量誤差，還需在螺紋另一側(cè)進(jìn)行測量，讀取角度值，并取算術(shù) 9 )2,2( v 平均值作為測量結(jié)果，即： （3-5） 2222 ivi 左 （3-6） 2222 iiiii 右 測出左、右牙型半角后與牙型半角的公稱值進(jìn)行比較，得出牙型半角的偏 差和。 左 2 右 2 10 3.3 實(shí)驗步驟 1.檢查實(shí)驗儀器是否齊全。顯微鏡，激光器，濾光片，凸透鏡，筆，紙 （如果顯微鏡不帶測量功能，自帶測量工具） 2.調(diào)節(jié)顯微鏡 （1）.顯微鏡的

33、取送：右手握鏡臂；左手托鏡座；置于胸前。 （2）.顯微鏡的旋轉(zhuǎn)：鏡筒朝前，鏡臂朝后；置于觀察者座位前的桌 子上，偏向身體左側(cè)，便于左眼向目鏡內(nèi)觀察；置于桌子內(nèi)側(cè)，距桌沿 5cm 左 右。 （3）.對光：轉(zhuǎn)動粗準(zhǔn)焦螺旋，使鏡筒徐徐上升，然后轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換器，使 低倍物鏡對準(zhǔn)通光孔；用手指轉(zhuǎn)動遮光器（或片狀光圈） ，使最大光圈對準(zhǔn)通 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 13 光孔，左眼向目鏡內(nèi)注視，同時轉(zhuǎn)動反光鏡，使其朝向光源，使視野內(nèi)亮度均勻 合適。 （4）.低倍物鏡的使用：用手轉(zhuǎn)動粗準(zhǔn)焦螺旋，使鏡筒徐徐下降，同時 兩眼從側(cè)面注視物鏡鏡頭，當(dāng)物鏡鏡頭與載物臺的玻片相距 23mm 時停止。 用左眼向目鏡內(nèi)注視

34、（注意右眼應(yīng)該同時睜著） ，并轉(zhuǎn)動粗準(zhǔn)焦螺旋，使鏡筒徐 徐上升，直到看清物象為止。如果不清楚，可調(diào)節(jié)細(xì)準(zhǔn)焦螺旋，至清楚為止。 （5）.高倍物鏡的使用：使用高倍物鏡之前，必須先用低倍物鏡找到觀察的 物象，并調(diào)到視野的正中央，然后轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換器再換高倍鏡。換用高倍鏡后，視野 內(nèi)亮度變暗，因此一般選用較大的光圈并使用反光鏡的凹面，然后調(diào)節(jié)細(xì)準(zhǔn)焦螺 旋。觀看的物體數(shù)目變少，但是體積變大。 （6）.反光鏡的使用：反光鏡通常與遮光器（或光圈）配合使用，以調(diào)節(jié)視 野內(nèi)的亮度。反光鏡有平面和凹面。對光時，如果視野光線太強(qiáng)，則使用反光鏡 的平面，如果光線仍舊太強(qiáng)，則同時使用較小的光圈；反之，如果視野內(nèi)光線較 弱，則

35、使用較大的光圈或使用反光鏡的凹面。 （7）.鏡頭的擦拭：用專門的擦鏡紙；擦鏡頭時，先將擦鏡紙折疊幾次， 然后朝一個方向擦，不可來回擦或轉(zhuǎn)動擦；如果鏡頭被油污污染，則可在擦鏡 紙上滴幾滴二甲苯，然后按上述方法擦拭。 （8）.顯微鏡的放大對象：是物體的長和寬，不是面積，更不是體積。 （9）.顯微鏡的焦距問題：物鏡離裝片的遠(yuǎn)近，準(zhǔn)焦螺旋的使用。 （10）.顯微鏡使用時物象移動方向：相反，即物象在視野何方，則裝片即 向該方向移動。 調(diào)節(jié)好顯微鏡，使觀察的視線清晰，亮度便于觀測。 3.調(diào)節(jié)好顯微鏡后，按激光器，濾光片，凸透鏡，顯微鏡擺放實(shí)驗儀器，并 且要使激光器，濾光片，凸透鏡處于同一直線上，焦點(diǎn)同時也

36、在同一直線上。調(diào) 整角度使最后的光源聚焦到顯微鏡的觀測面上，平行光束通過透鏡后，會聚與焦 平面上，相互加強(qiáng)成一亮點(diǎn)。 4.調(diào)節(jié)顯微鏡的物鏡與目鏡，得出清晰的光源光斑。 5.要是使用測量顯微鏡則可用顯微鏡的測量功能直接得出觀測到的光斑的大 小。多次重復(fù)以上的操作，也可改變?nèi)肷涔庠?，從而可以得出不同波長的光斑大 小，為實(shí)驗增加準(zhǔn)確度。 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 14 3.4 實(shí)驗測量方法 對于一個光學(xué)儀器來說，如果一個點(diǎn)光源的衍射圖樣的中央最亮處剛好與另 一個點(diǎn)光源的衍射圖樣的第一個最暗處重合，這時兩衍射圖樣光強(qiáng)度約為單個衍 射圖樣的中央最大光強(qiáng)的 80%，一般人眼睛剛能夠判斷出這是兩個光點(diǎn)的

37、像，這 一條件稱為瑞利準(zhǔn)則。以圓孔形物鏡為例， “恰能分辨”的兩點(diǎn)光源的兩衍射圖 樣的中心之間的距離，應(yīng)等于愛里斑的半徑。此時，兩點(diǎn)光源在透鏡處所張 11 的角稱為最小分辨角，用表示。對于直徑為 d 的圓孔衍射圖樣來說，愛里斑半 r 徑由下式給出： 1 （3- d 22. 1sin 1 7） 即最小分辨角的大小由儀器的孔徑 d 和光波的波長 決定。光學(xué)儀器的分辨本 領(lǐng)都與儀器的孔徑成正比，與所用的光波的波長成反比。 11 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 15 第四章 實(shí)驗的結(jié)論與分析 4.1 實(shí)驗結(jié)論 4.1.1 解決問題 1.實(shí)驗儀器的擺放問題，正如上面步驟里說的四個儀器必須處于同一直線上，

38、并且濾光片，激光器，凸透鏡的焦點(diǎn)也要處于同一直線上，這是重中之重。 2.顯微鏡調(diào)試好，并且使用得出數(shù)據(jù)后要記下當(dāng)時使用的放大倍數(shù)，放大倍 數(shù)不同得出的結(jié)果也不同。這是容易忽視的問題。 3.這是本實(shí)驗的最大問題，就是從顯微鏡上的得出的數(shù)據(jù)并不是光斑原來的 大小，由于顯微鏡存在一定的角度，我們觀察時會使得出的數(shù)據(jù)不是原來的大小， 因此需要根據(jù)實(shí)驗時偏轉(zhuǎn)的角度將得出的光斑大小還原成原來大小。 4.1.2 實(shí)驗結(jié)果 根據(jù) 3.3 的實(shí)驗步驟進(jìn)行實(shí)驗，調(diào)整好激光器，濾光片，凸透鏡以及顯微鏡 的位置，使其平行入射并且最終是光源聚焦到顯微鏡的觀測面上，通過顯微鏡的 調(diào)節(jié)從而得到相對清晰的光斑大小，大概如下圖

39、 4-1 所以是一個相對橢圓的光斑。 然而光斑是圓形的，原因即為上述需解決問題中的第三點(diǎn)，由于觀測角度的問題 使原本為圓的光斑呈現(xiàn)出了實(shí)驗得到的橢圓光斑，因此我們可以通過實(shí)驗得出的 橢圓的大小以及觀測的角度，從而得出光斑原來的大小。 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 16 圖 4-1 有角度觀測時的效果圖 從圖 4-1 中可以得出在角度觀測時得到的光斑大小為一個橢圓，即 圖 4-2 有角度觀測時得到的光斑大小 根據(jù)實(shí)際觀測光斑的大小可以得出光斑原來的大小，如下圖 4-2 所示 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 17 圖 4-3 正面觀測光斑大小的實(shí)際效果圖 以上面三個效果圖為基礎(chǔ)可以通過觀測到的光斑大

40、小以及觀測時的角度可 以得出實(shí)際光斑大小，并且能得到三者之間的關(guān)系。 在實(shí)際計算時，我們可以先設(shè)定放大倍數(shù)為 1，從而消除放大倍數(shù)的影響。 因為放大倍數(shù)的影響不僅針對觀測到的光斑大小，也針對實(shí)際的光斑大小。 根據(jù)我們直接觀測以及有角度觀測的存在，可以得到圖 4-4 的計算方式，從 而得在該情況下的所要的使用數(shù)據(jù)。 圖 4-4 數(shù)據(jù)觀測圖 設(shè)得到的橢圓光斑的長半軸為 a，觀測的夾角為。 根據(jù)圖 4-1,4-2 可知，實(shí)際光斑的半徑等于測得的橢圓光斑的長半軸，即 r=a （4- 1） 為了方便計算假設(shè)觀測到的光斑的短半軸為 b，根據(jù)圖 4-4 可以得出 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 18 （4-

41、r b r b 2 2 cos 2） 從而得出 （4- coscosarb 3） 有橢圓公式得到bas 觀測得到的光斑大小為 （4-cos 2 1 as 4） 由圓的公式得到 2 rs 實(shí)際光斑大小為 （4- 22 2 ars 5） 通過上面的計算可以得出，實(shí)際光斑大小與觀測得到的光斑大小存在一定的 聯(lián)系，即為 （4- 12 cos 1 ss 6） 從公式 4-3 我們可以得出短半軸與觀測角度存在的關(guān)系圖 圖 4-5 短半軸與觀測角度的關(guān)系圖 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 19 同理，如果入射的光斑呈現(xiàn)三角形時，我們也可以根據(jù)上面的原理來求出三 角形光斑的大小。 設(shè)觀測光斑的高為 h，邊為 a

42、，那么實(shí)際光斑的高即為 （4-7） cos h h 根據(jù)三角形面積公式，我們可以求出觀測光斑以及實(shí)際光斑高底 2 1 s 的大小和它們兩者之間的聯(lián)系。 觀測得到的光斑大?。?（4- has 2 1 1 8） 實(shí)際的光斑大?。?（4- ahs cos2 1 2 9） 通過計算我們可以得到如圓光斑時一樣的兩者之間的關(guān)系式 （4- 12 cos 1 ss 10） 4.2 實(shí)驗分析 通過這次實(shí)驗首先了解了光學(xué)顯微鏡，測量顯微鏡的一些原理以及它們的基 本使用。實(shí)驗方面由于觀測角度的不確定性可能會存在一定誤差，以及在沒有精 確顯微鏡的前提下通過不十分精確的儀器得出的數(shù)據(jù)也存在相當(dāng)?shù)恼`差。從上面 我們可以得出由于角度存在的問題，以及觀測距離和光斑波長的問題都是影響觀 測值大小的重要因素。 類似的要是在光源入射到顯微鏡上時，改變一下光斑的呈現(xiàn)的方式，例如在 凸透鏡后加一個有正方形的小隔離板，就能在顯微鏡上呈現(xiàn)一個不同于圓點(diǎn)的光 斑。當(dāng)然由于影響上述實(shí)驗的因素的存在，我想觀測到的光斑應(yīng)該是不是正方形 而是以個