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1、 显微定位系统显微定位系统 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 5.1 概概 述述按作用原理分两类：按作用原理分两类：5.2 5.2 显微定位系统的工作原理及组成显微定位系统的工作原理及组成5.2.1 5.2.1 显微定位系统的工作原理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光学式显微定位系统的基本组成1 1照明系统：保证被测物照明均匀，照
2、明系统：保证被测物照明均匀，有足够的照度有足够的照度2 2承物工作台：保证被测件处于正承物工作台：保证被测件处于正确、稳定的测量位置。确、稳定的测量位置。3 3显微系统：有准确、足够的放大显微系统：有准确、足够的放大率，成像清晰，且有一定的分辨能率，成像清晰，且有一定的分辨能力。力。4 4探测器：接收、处理信息。探测器：接收、处理信息。5 5调焦机构：保证被测件清晰成像调焦机构：保证被测件清晰成像在分划面上。在分划面上。6 6导轨系统：保证被测件的运动平导轨系统：保证被测件的运动平稳、准确。稳、准确。7 7制动、微动机构：精确定位。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
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。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其定位精度与仪器的总精度相匹配特性：特性：1.显微镜的总放大率不高（显微镜的总放大率不高（10 x100 x）2.物镜放大率物镜放大率不高，但对放大率的准确性要求高不高，但对放大率的准确性要求高 3.物镜的数值孔径（物镜的数值孔径（D/f）小）小 4.显微物镜具有较长的工作距和较大的视场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多采用物方远心光路5.3.1 5.3.1 显微定位系统的特性显微定位系统的特性5.3.2 5.3.2 系统的总体参数确定系统的总体参数确定（1
4、 1）系统总放大率的确定）系统总放大率的确定 1.1.系统放大倍率的确定系统放大倍率的确定投影系统投影系统 由由得得例例5-15-1：一台工具显微镜要求定位精度：一台工具显微镜要求定位精度 对准方式为虚线对实线对准方式为虚线对实线 则则 1.系统放大倍率的确定系统放大倍率的确定v（2）放大率的分配）放大率的分配5.3.2倍率分配时应考虑下列因素：倍率分配时应考虑下列因素：1)1)物镜倍率不宜过大物镜倍率不宜过大 2)2)目镜的倍率可适当取大些目镜的倍率可适当取大些 5.3.2 5.3.2 系统的总体参数确定系统的总体参数确定2.物镜的数值孔径的选择物镜的数值孔径的选择分辨率与数值孔径之关系分辨
5、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，则考虑物镜分辨率与人眼的分辨率相匹配，则 所以所以 人眼的分辨率在人眼的分辨率在6060240240之间选取，之间选取，5.3.2 5.3.2 系统的总体参数确定系统的总体参数确定 3.视场的选择视场的选择 根据系统的放大率和工件的形状决定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。复杂的物镜形式。4.工作距离的考虑工作距离的考虑根据被测对象确定根据被测对象确定 5.显微系统的像差要求及结构形式显微系统的像差要求及结构形式 显微系统对像差特别
6、严格，除校正轴上点像差显微系统对像差特别严格，除校正轴上点像差(球差，球差，色差、及近轴点慧差色差、及近轴点慧差)外还要注意轴外点像差和放大率误外还要注意轴外点像差和放大率误差（主要是畸变差（主要是畸变）5.3.2 5.3.2 系统的总体参数确定系统的总体参数确定5.显微系统的像差要求及结构形式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。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：工具显微镜中几种物镜形式如图：显微目镜，
7、光学性能和望远镜中的目镜是完全一样显微目镜，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）明系统的出瞳应与物镜的入瞳重合），二为照明系统的拉，二为照明系统的拉氏不变量不小于物镜拉氏不变量。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。和柯勒照明。5.3.3 系统的景深与光阑位置系统的景深与光阑位置 景深景深是指光学系统能同时清晰成像的物空间沿光轴方向是指光学系统能同时清晰成像的物空间沿光轴方
8、向的深度范围。的深度范围。显微系统的总景深为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差与光阑位置有关 5.3.3 系统的景深与光阑位置系统的景深与光阑位置(1)(1)当光阑在物镜框上时，产生定位误差当光阑在物镜框上时，产生定位误差(2)(2)当光阑在物镜当光阑在物镜 后后焦面上时，无论物体焦面上时，无论物体怎么移动，物体在分怎么移动，物体在分划面上的像光束的中划面上的像光束的中心位置不动，因此不心位置不动，因此不产生定位误差产生定
9、位误差 5.3.3 系统的景深与光阑位置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。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但采用远心光路通光口径大，光组失去对称性，使光学，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。设计难度增加。且要求照明系统需采用远心照明系统。采用远心光路并不能完全消除由于景深而引起的定位误采用远心光路并不能完全消除由于景深而引起的定位误差，只有在差，只有在被测物很薄被测物很薄时才能消除景深的影响。当被测物有时才能消除景深的影响。当被
10、测物有一定厚度时，景深仍然引起定位误差。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。有很大区别。1 1被测物厚度相当薄时被测物厚度相当薄时 斜光束对定位精度无影响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照明光束的影响所引起的定位误差2 2被测物有一定厚度时被测物有一定厚度时 由于端面由于端面BCBC上的斜光束经上的斜光束经BCBC面反射进入物镜成像，于是面反射进入物镜成像，于是在轮廓像的边缘增加一个半暗
11、区，降低了对比度，使像的轮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，产生测量误廓边缘不清晰，造成定位困难，影响定位精度，产生测量误差。差。斜光束产生的定位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照明光束的影响所引起的定位误差显微系统的定位精度应包括两部分显微系统的定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另一为斜光束照明引起的分辨误差 综合误差为综合误差为 例如例如5-25-2：一台工具显微镜，：一台工具显微镜，=30=30，=0.05
12、rad，用虚，用虚线瞄准轮廓像，线瞄准轮廓像，求端面定位精度。，求端面定位精度。解：解：取取 可见，分辨误差比对准误差大的多，定位精度主要决定于可见，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。分辨误差。5.3.4 照明光束的影响所引起的定位误差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定位系统的机构考虑1.调焦机构调焦机构5.3.5 5.3.5 定位系统的机构考虑定位
13、系统的机构考虑2 2物镜筒结构物镜筒结构 保证保证更换物镜更换物镜时性能不时性能不变和调整变和调整放大倍率放大倍率在允差之在允差之内内 3 3制动、微动机构制动、微动机构 4 4其他机构的考虑其他机构的考虑 对工作台制动、微动对工作台制动、微动 5.4 光电对准技术光电对准技术光学定位光学定位 光电定位光电定位 光电对准的实质在于将被对准的线纹或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、幅统转化成电信号，然后以电信号
14、的相位、幅值或脉冲的宽度比例等作为对准的依据。值或脉冲的宽度比例等作为对准的依据。光电对准的光电对准的优点优点(相对于光学对准而言相对于光学对准而言)1.1.可提高瞄准精度：可提高瞄准精度：光学瞄准精度光学瞄准精度0.20.20.30.3 光电瞄准精度光电瞄准精度0.010.010.050.052.2.解放眼睛解放眼睛3.3.测量、对准自动化测量、对准自动化 5.4.1 光电显微镜光电显微镜1按工作状态可分为按工作状态可分为：1)1)静态光电显微镜，静态光电显微镜，2)2)动态光电显微镜。动态光电显微镜。3按用途分为：按用途分为：1)1)线纹对准用光电显微镜，线纹对准用光电显微镜，2)2)轮廓
15、对准用光电显微镜，轮廓对准用光电显微镜，3)3)动态对准测量用光电显微动态对准测量用光电显微镜，镜，4)4)光电调焦用光电显微镜。光电调焦用光电显微镜。2按工作原理可分为：按工作原理可分为：1)1)光度式光电显微镜，光度式光电显微镜，2)2)相位式光电显微镜。相位式光电显微镜。5.4.2 光电显微镜的工作原理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下面按工作原理来讨论光电显微镜。1.1.光度式光电显微镜光度式光电显微镜 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
16、光电显微镜的工作原理光电显微镜的工作原理（1）单管光度式光电显微镜1.光度式光电显微镜光度式光电显微镜条件条件：b(狭缝宽狭缝宽)=a(刻线像宽刻线像宽)现象现象：1)1)当两中心位置相同时，光通量最当两中心位置相同时，光通量最小为小为 ，对应输出电压，对应输出电压 2)2)当刻线像完全在狭缝之外时，光通量当刻线像完全在狭缝之外时，光通量最大为最大为 ，对应电压，对应电压 3)3)中间情况时，光通量记为中间情况时，光通量记为 ，对应输出电压对应输出电压 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
17、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.光度式光电显微镜光度式光电显微镜条件：条件：b b1 1=b=b2 2=a=a 刻线像未进入狭缝时，通过刻线像未进入狭缝时，通过两狭缝的光通量应相等，输出的两狭缝的光通量应相等，输出的电压相等：电压相等：u1=u2,但要求两光电但要求两光电管灵敏度要严格一致管灵敏度要严格一致 当当刻线的像进入狭缝，刻线的像进入狭缝，恰恰好处于好处于A A、B B的中间时，的中间时，表表示已对准。示已对准。对准精度可达(O.
18、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光电显微镜的工作原理2.相位式光电显微镜相位式光电显微镜 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：条件：狭缝宽等于刻线像宽 原理：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光电显微镜的工作原理2.相位式光电
19、显微镜相位式光电显微镜 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“边边缘中心缘中心”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-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
20、-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工作原理工作原理 5.4.3 动态光度式双管差动光电显微镜动态光度式双管差动光电显微镜3设计考虑设计考虑（1 1）光电显微系统的参数选择）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，信号愈弱度愈窄，信号愈弱 一刻线宽度，在光栅中 ，为栅距
21、3设计考虑设计考虑2）物镜数值孔径NA选择3）狭缝宽度选择 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。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动态光度式双管差动光电显微镜（1 1）光电显微系统的参数选择）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设计考虑设计考虑（1 1）光电显微系统的参数选择
22、）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 2）目视观察系统参数选择）目视观察系统参数选择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动态光度式双管差动光电显微镜2）倍率分配3设计考虑设计考虑（2 2）目视观察系统参数选择）目视观察系
23、统参数选择=1，。（3 3）照明系统设计考虑照明系统设计考虑1）光源与探测器选择2）光学系统选择临界照明 4电路考虑电路考虑（1)1)主电路的作用主电路的作用（2)2)副电路作用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动态光度式双管差动光电显微镜5离焦对测量的影响离焦对测量的影响（1)1)引起刻线离焦的原因引起刻线离焦的原因1）标尺面不平度 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)2)离焦的影响离焦的影响 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，调节狭缝可采取提高工作台移动的平稳性，调节狭缝宽
24、度；正确调焦等措施减小影响。可采用自动调宽度；正确调焦等措施减小影响。可采用自动调焦提高效率焦提高效率。自动调焦原理自动调焦原理差动共焦原理差动共焦原理5.5 轴向定位轴向定位(调焦调焦)法法 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 轴向定位轴向定位(调焦调焦)法法5.5.2 光学点位瞄准器光学点位瞄准器当显微镜
25、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。这种轴向调焦方法测量精度较好，即使在工件表面倾斜情况下，分散值仍可保持在 之间 5.5 轴向定位轴向定位(调焦调焦)法法 5.5.3 光度式自动调焦系统光度式自动调焦系统5.6 主显微定位系统的总体设计主显微定位系统的总体设计5.6.1 主显微系统的基本参数选择主显微系统的基本参数选择1 1按对准精度决定系统的总放大率按对准精度决定系统的总放大率=0.5、0.8、2m 则 2 2倍率分配倍率分配m=10，物镜放大率为1；3；5。3 3物镜数值孔径物镜数值孔径NANA的决
26、定的决定5.6 主显微定位系统的总体设计主显微定位系统的总体设计4物方视场的决定物方视场的决定5.6.1 主显微系统的基本参数选择主显微系统的基本参数选择表表5.1 视场尺寸视场尺寸 物镜倍率物方视场(mm)像方视场(mm)12l21372154.2215工作距离工作距离1时为78mm；3时为75mm；5时为48mm。6物镜焦距物镜焦距1为42mm；3为56mm；5为40mm。5.6 主显微定位系统的总体设计主显微定位系统的总体设计7物镜和目镜选型物镜和目镜选型5.6.1 主显微系统的基本参数选择主显微系统的基本参数选择物镜选型考虑以下几个因素：（1)物镜均采用物方远心光路（2)为此3和5物镜
27、采用反远距型物镜。而1物镜需采用双组远离的结构形式。（3）物镜需专门设计。目镜的选型主要按所要求的视场、出瞳距、工作距(或镜板距)来选择。一般采用肯涅尔型或对称型目镜。5.6 主显微定位系统的总体设计主显微定位系统的总体设计5.6.2 主显微镜照明系统的设计主显微镜照明系统的设计要求要求 (1)均匀照明被测物体；(2)照明孔径角充满物镜数值孔径；(3)使人眼得到适于观察的主观亮度；(4)当测量工作面上下变动，使聚光镜与物镜之间的距离改变时，仍要满足以上条件。采用远心柯勒照明 可分两部分计算。第一部分，根据物镜提出的孔径及光阑要求，计算聚光镜6的口径、焦距和可变光阑大小。第二部分，根据光阑尺寸计算聚光镜2的口径和焦距。聚光镜2的任务是将灯丝成一放大的像照明毛玻璃板4。end