1、顯微定位系統(tǒng),顯微定位系統(tǒng)的主要功能是瞄準(zhǔn)定位。在精密測量中，瞄準(zhǔn)、定位精度是影響測量精度的主要因素，因此要想辦法提高儀器的定位精度。 定位精度是指基準(zhǔn)元件上的基準(zhǔn)線(如分劃板上刻線)與被測物的邊緣輪廓線的重合程度 用顯微定位系統(tǒng)就可以避免人眼對(duì)準(zhǔn)精度的限制，提高儀器的定位精度。,5.1 概 述,按作用原理分兩類：,5.2 顯微定位系統(tǒng)的工作原理及組成,5.2.1 顯微定位系統(tǒng)的工作原理,5.2.2 光學(xué)式顯微定位系統(tǒng)的基本組成,1照明系統(tǒng)：保證被測物照明均勻，有足夠的照度 2承物工作臺(tái)：保證被測件處于正確、穩(wěn)定的測量位置。 3顯微系統(tǒng)：有準(zhǔn)確、足夠的放大率，成像清晰，且有一定的分辨能力。 4

2、探測器：接收、處理信息。 5調(diào)焦機(jī)構(gòu)：保證被測件清晰成像在分劃面上。 6導(dǎo)軌系統(tǒng)：保證被測件的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、準(zhǔn)確。 7制動(dòng)、微動(dòng)機(jī)構(gòu)：精確定位。,5.3 光學(xué)式顯微定位系統(tǒng)的總體考慮,功能：對(duì)被測對(duì)象精確定位。 其定位精度與儀器的總精度相匹配 特性： 1.顯微鏡的總放大率不高（10 x100 x） 2.物鏡放大率不高，但對(duì)放大率的準(zhǔn)確性要求高 3.物鏡的數(shù)值孔徑（D/f）小 4.顯微物鏡具有較長的工作距和較大的視場 5.多采用物方遠(yuǎn)心光路,5.3.1 顯微定位系統(tǒng)的特性,5.3.2 系統(tǒng)的總體參數(shù)確定,（1）系統(tǒng)總放大率的確定,1. 系統(tǒng)放大倍率的確定,投影系統(tǒng),由,得,1. 系統(tǒng)放大倍率的確定,

3、（2）放大率的分配,5.3.2,倍率分配時(shí)應(yīng)考慮下列因素：,1)物鏡倍率不宜過大,2)目鏡的倍率可適當(dāng)取大些,5.3.2 系統(tǒng)的總體參數(shù)確定,2. 物鏡的數(shù)值孔徑的選擇,5.3.2 系統(tǒng)的總體參數(shù)確定,3. 視場的選擇 根據(jù)系統(tǒng)的放大率和工件的形狀決定。 物方視場增大會(huì)引起像質(zhì)下降和結(jié)構(gòu)增大，需采用更復(fù)雜的物鏡形式。,4. 工作距離的考慮,根據(jù)被測對(duì)象確定,5. 顯微系統(tǒng)的像差要求及結(jié)構(gòu)形式,顯微系統(tǒng)對(duì)像差特別嚴(yán)格，除校正軸上點(diǎn)像差(球差，色差、及近軸點(diǎn)慧差)外還要注意軸外點(diǎn)像差和放大率誤差（主要是畸變 ）,5.3.2 系統(tǒng)的總體參數(shù)確定,5. 顯微系統(tǒng)的像差要求及結(jié)構(gòu)形式,用于測量、比較的顯

4、微物鏡的特點(diǎn)是：倍數(shù)低，數(shù)值孔徑較小而視場較大，遠(yuǎn)心光路，工作距較長，像質(zhì)要求較高。工具顯微鏡中幾種物鏡形式如圖：,顯微目鏡，光學(xué)性能和望遠(yuǎn)鏡中的目鏡是完全一樣,照明系統(tǒng)要滿足下面兩個(gè)原則：一為光孔轉(zhuǎn)接原則（照明系統(tǒng)的出瞳應(yīng)與物鏡的入瞳重合） ，二為照明系統(tǒng)的拉氏不變量不小于物鏡拉氏不變量。 照明系統(tǒng)的形式，在精密測量中，多數(shù)應(yīng)用臨界照明和柯勒照明。,5.3.3 系統(tǒng)的景深與光闌位置,景深是指光學(xué)系統(tǒng)能同時(shí)清晰成像的物空間沿光軸方向的深度范圍。,顯微系統(tǒng)的總景深為,顯微定位系統(tǒng)一般不考慮調(diào)節(jié)景深，景深為,景深產(chǎn)生調(diào)焦誤差，從而產(chǎn)生定位誤差。這種測量誤差與光闌位置有關(guān),5.3.3 系統(tǒng)的景深與光

5、闌位置,(1)當(dāng)光闌在物鏡框上時(shí)，產(chǎn)生定位誤差,(2)當(dāng)光闌在物鏡 后焦面上時(shí)，無論物體怎么移動(dòng)，物體在分劃面上的像光束的中心位置不動(dòng)，因此不產(chǎn)生定位誤差,5.3.3 系統(tǒng)的景深與光闌位置,孔徑光闌放在物鏡的后焦面上，其入瞳在無限遠(yuǎn)處，故稱作物方遠(yuǎn)心光路或焦闌光路。 但采用遠(yuǎn)心光路通光口徑大 ，光組失去對(duì)稱性，使光學(xué)設(shè)計(jì)難度增加。且要求照明系統(tǒng)需采用遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)。,采用遠(yuǎn)心光路并不能完全消除由于景深而引起的定位誤差，只有在被測物很薄時(shí)才能消除景深的影響。當(dāng)被測物有一定厚度時(shí)，景深仍然引起定位誤差。,5.3.4 照明光束的影響所引起的定位誤差,當(dāng)斜光束照明時(shí)，物體薄厚不同，成像的清晰度就會(huì)有很大

6、區(qū)別。,1被測物厚度相當(dāng)薄時(shí),斜光束對(duì)定位精度無影響,5.3.4 照明光束的影響所引起的定位誤差,2被測物有一定厚度時(shí),由于端面BC上的斜光束經(jīng)BC面反射進(jìn)入物鏡成像，于是在輪廓像的邊緣增加一個(gè)半暗區(qū)，降低了對(duì)比度，使像的輪廓邊緣不清晰，造成定位困難，影響定位精度，產(chǎn)生測量誤差。,斜光束產(chǎn)生的定位誤差,5.3.4 照明光束的影響所引起的定位誤差,顯微系統(tǒng)的定位精度應(yīng)包括兩部分 ： 一為人眼對(duì)準(zhǔn)誤差產(chǎn)生的對(duì)準(zhǔn)定位誤差 另一為斜光束照明引起的分辨誤差,5.3.4 照明光束的影響所引起的定位誤差,3被測物是曲面時(shí) 當(dāng)被測表面是曲面時(shí)，斜光束照明會(huì)使像的尺寸發(fā)生變化，這類誤差跟被測物的直徑和孔徑角的大

7、有關(guān)。為了消除或減小這類誤差，可以調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)的可變光闌，選擇最佳光闌直徑，使誤差為零或最小。,5.3.5 定位系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)考慮,1.調(diào)焦機(jī)構(gòu),5.3.5 定位系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)考慮,2物鏡筒結(jié)構(gòu),保證更換物鏡時(shí)性能不變和調(diào)整放大倍率在允差之內(nèi),3制動(dòng)、微動(dòng)機(jī)構(gòu),4其他機(jī)構(gòu)的考慮,對(duì)工作臺(tái)制動(dòng)、微動(dòng),5.4 光電對(duì)準(zhǔn)技術(shù),光學(xué)定位,光電定位,光電對(duì)準(zhǔn)的實(shí)質(zhì)在于將被對(duì)準(zhǔn)的線紋或輪廓和一個(gè)選定的測量基線（如顯微鏡的光軸）之間的相對(duì)位置關(guān)系，通過光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，然后以電信號(hào)的相位、幅值或脈沖的寬度比例等作為對(duì)準(zhǔn)的依據(jù)。,光電對(duì)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)(相對(duì)于光學(xué)對(duì)準(zhǔn)而言) 1.可提高瞄準(zhǔn)精度： 光學(xué)瞄準(zhǔn)精度0.20

8、.3,光電瞄準(zhǔn)精度0.010.05,2.解放眼睛 3.測量、對(duì)準(zhǔn)自動(dòng)化,5.4.1 光電顯微鏡,1按工作狀態(tài)可分為：,1)靜態(tài)光電顯微鏡， 2)動(dòng)態(tài)光電顯微鏡。,3按用途分為： 1)線紋對(duì)準(zhǔn)用光電顯微鏡， 2)輪廓對(duì)準(zhǔn)用光電顯微鏡， 3)動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)測量用光電顯微鏡， 4)光電調(diào)焦用光電顯微鏡。,2按工作原理可分為： 1)光度式光電顯微鏡， 2)相位式光電顯微鏡。,5.4.2 光電顯微鏡的工作原理,下面按工作原理來討論光電顯微鏡。,1. 光度式光電顯微鏡,如刻線像相對(duì)狹縫的位置有變化，則透過狹縫達(dá)到光電元件7上的光通量有變化，產(chǎn)生的光電流也發(fā)生變化，經(jīng)放大、比較由表頭指示，電表指針指零表示對(duì)準(zhǔn)刻線

9、。,5.4.2 光電顯微鏡的工作原理,（1）單管光度式光電顯微鏡,1. 光度式光電顯微鏡,條件： b(狹縫寬)=a(刻線像寬),現(xiàn)象：,當(dāng)電表指示 時(shí)，認(rèn)為刻線像中心與狹縫中心重合，即對(duì)準(zhǔn)位置。,黑度中心原理，即把刻線中最黑的位置定義為刻線的中心位置。受刻線質(zhì)量、成像質(zhì)量、電壓的波動(dòng)、電子元件的老化等因素影響，使得與光通量 值相應(yīng)的電壓不穩(wěn)定，因而導(dǎo)致對(duì)準(zhǔn)誤差。 很難達(dá)到較高的對(duì)準(zhǔn)精度。,5.4.2 光電顯微鏡的工作原理,（2）雙管差動(dòng)式光電顯微鏡,1. 光度式光電顯微鏡,5.4.2 光電顯微鏡的工作原理,2. 相位式光電顯微鏡,在單管光度式光電顯微鏡的基礎(chǔ)上加入一個(gè)光學(xué)調(diào)制器。,條件：狹縫寬

10、等于刻線像寬,原理：振動(dòng)反射鏡以一定的頻率振動(dòng)時(shí)，刻線像也以同樣的頻率在狹縫上振動(dòng)，則進(jìn)入狹縫的光通量就以頻率變化。該狹縫寬等于刻線像寬。振動(dòng)反射鏡按正弦振動(dòng)，所以進(jìn)入狹縫的光通量也以正弦規(guī)律變化。當(dāng)振動(dòng)中心與狹縫中心重合時(shí)，輸出電信號(hào)的上半周期和下半周期的時(shí)間相等，即t1=t2,5.4.2 光電顯微鏡的工作原理,2. 相位式光電顯微鏡,相位脈沖法采用光學(xué)調(diào)制器，掃描振幅較大，約為線紋寬度的57倍，利用相鄰脈沖的相位差來確定瞄準(zhǔn)狀況。當(dāng)相鄰脈沖間隔相等時(shí)，即為瞄準(zhǔn)態(tài)。這種方法是以“邊緣中心”為依據(jù)。所謂邊緣中心，就是將兩個(gè)邊緣線的中點(diǎn)定義為刻線的中心位置。,對(duì)電子元件和光路無對(duì)稱性要求，對(duì)被測

11、件的刻線質(zhì)量要求較低。但對(duì)信號(hào)、振動(dòng)、頻率穩(wěn)定性要求高。,靜態(tài)光電顯微鏡工作原理圖 1-光源 2-聚光鏡 3-分光鏡 4-物鏡 5-刻線尺 6-狹縫 7-光電檢測器件,掃描調(diào)制式靜態(tài)光電顯微鏡工作原理圖 1-光源 2-聚光鏡 3-分光鏡 4-物鏡 5-刻線 6-振動(dòng)反射鏡 7-狹縫 8-光電檢測器件,5.4.3 動(dòng)態(tài)光度式雙管差動(dòng)光電顯微鏡,動(dòng)態(tài)測量：是指在被測件連續(xù)運(yùn)動(dòng)的情況下進(jìn)行定位和測量。,1光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造,2工作原理,5.4.3 動(dòng)態(tài)光度式雙管差動(dòng)光電顯微鏡,3設(shè)計(jì)考慮,（1）光電顯微系統(tǒng)的參數(shù)選擇,1） 物鏡之倍率的選擇,越大則共軛距變大，結(jié)構(gòu)變得龐大；愈小狹縫寬度愈窄，信號(hào)愈弱,一

12、刻線寬度，在光柵中 ，,，,為柵距,3設(shè)計(jì)考慮,2）物鏡數(shù)值孔徑NA選擇,3）狹縫寬度選擇,不同的刻線寬度需用不同的狹縫寬度，本系統(tǒng)備有不同寬度的狹縫供選用。,要求狹縫兩邊緣嚴(yán)格平行，表面光潔，無劃痕、缺口等。同時(shí)為保證兩狹縫I、的寬度嚴(yán)格一致，相互平行，狹縫寬度應(yīng)可以調(diào)整，微調(diào)時(shí)要求其中心位置不變。,5.4.3 動(dòng)態(tài)光度式雙管差動(dòng)光電顯微鏡,（1）光電顯微系統(tǒng)的參數(shù)選擇,5.4.3 動(dòng)態(tài)光度式雙管差動(dòng)光電顯微鏡,4）狹縫的重疊量c的選擇,3設(shè)計(jì)考慮,（1）光電顯微系統(tǒng)的參數(shù)選擇,兩狹縫重疊部分將通過調(diào)整裝置來實(shí)現(xiàn)。兩狹縫的重疊量的選擇將響過零點(diǎn)處的斜率，斜率愈大，靈敏度愈高，對(duì)準(zhǔn)愈有利。,重

13、疊量c應(yīng)在單狹縫寬度的(1223)之間選擇。,（2）目視觀察系統(tǒng)參數(shù)選擇,1）目視系統(tǒng)的總放大率選擇,根據(jù)刻線像的大小和明視距離的視見寬度來確定目視系統(tǒng)的總放大率。刻線像的寬度為0.064mm, ，人眼在明視距離的視見寬度B，按讀數(shù)要求B=(0.82)mm，觀察要求可低些，取B=0.6mm，則=10。,5.4.3 動(dòng)態(tài)光度式雙管差動(dòng)光電顯微鏡,2）倍率分配,3設(shè)計(jì)考慮,（2）目視觀察系統(tǒng)參數(shù)選擇,=1，,。,（3） 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮,1）光源與探測器選擇,2）光學(xué)系統(tǒng)選擇,臨界照明,4電路考慮,（1)主電路的作用,（2)副電路作用,信號(hào)放大,消除錯(cuò)誤信號(hào),5.4.3 動(dòng)態(tài)光度式雙管差動(dòng)光電顯微

14、鏡,5離焦對(duì)測量的影響,（1) 引起刻線離焦的原因,1）標(biāo)尺面不平度,2）線紋尺自重引起尺面彎曲,3）工作臺(tái)垂直方向的變動(dòng)量,4）調(diào)焦誤差,（2) 離焦的影響,1）對(duì)光路靈敏度的影響,2）對(duì)光電信號(hào)的影響,可采取提高工作臺(tái)移動(dòng)的平穩(wěn)性，調(diào)節(jié)狹縫寬度；正確調(diào)焦等措施減小影響?？刹捎米詣?dòng)調(diào)焦提高效率。,自動(dòng)調(diào)焦原理,差動(dòng)共焦原理,5.5 軸向定位(調(diào)焦)法,自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)包括軸向定位(調(diào)焦)和伺服運(yùn)動(dòng)兩大部分，而軸向定位是核心。,5.5.1 軸向定位光指示器,當(dāng)物面位于正確位置A時(shí)，視場上看到一個(gè)明亮居中的十字線象(如視場圖b)。如果物面離焦，則十字線象變模糊并且偏離視場中心(如視場圖a和c)?？梢?/p>

15、根據(jù)視場圖判別物面的軸向位置，從而實(shí)現(xiàn)非接觸式光學(xué)軸向定位。,5.5 軸向定位(調(diào)焦)法,5.5.2 光學(xué)點(diǎn)位瞄準(zhǔn)器,5.5 軸向定位(調(diào)焦)法,5.5.3 光度式自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng),5.6 主顯微定位系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì),5.6.1 主顯微系統(tǒng)的基本參數(shù)選擇,1按對(duì)準(zhǔn)精度決定系統(tǒng)的總放大率,=0.5、0.8、2m,則,2倍率分配,m=10，物鏡放大率為1；3；5。,3物鏡數(shù)值孔徑NA的決定,5.6 主顯微定位系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì),4物方視場的決定,5.6.1 主顯微系統(tǒng)的基本參數(shù)選擇,表5.1 視場尺寸,5工作距離,1時(shí)為78mm；3時(shí)為75mm；5時(shí)為48mm。,6物鏡焦距,1為42mm；3為56mm；5為40mm。,5.6 主顯微定位系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì),7物鏡和目鏡選型,5.6.1 主顯微系統(tǒng)的基本參數(shù)選擇,物鏡選型考慮以下幾個(gè)因素：,（1) 物鏡均采用物方遠(yuǎn)心光路,（2)為此3和5物鏡采用反遠(yuǎn)距型物鏡。而1物鏡需采用雙組遠(yuǎn)離的結(jié)構(gòu)形式。,（3）物鏡需專門設(shè)計(jì)。,目鏡的選型主要按所要求的視場、出瞳距、工作距(或鏡板距)來選擇。一般采用肯涅爾型或?qū)?/p>