目视光学细分系统

PAGEPAGE13光电读数及细分§7-1几种常用的目视光学细分系统一.概述工件测量就是将标准器与被测对象比较。测量中，测得量是标准器最小档量（分划值）的整数倍，可立即读出读数，不足一个分化值部分，可估读；要确切知道更详细，则必须对小数部分细分。细分也就是有限度的，如1mm，0.1mm（低精度）。“丝”0.01mm（中），0.001mm（高），0.00001mm（更高）。并不是数字上的无限细分。工件钢尺钢尺读数与细分系统可分为：瞄准瞄准机械式——丝杆测微，游标卡尺瞄准瞄准图7—1—图7—1—1光电式——计量光栅，光电码盘，光信号→电信号→电信号细分解释：1.直接细分：用一把分化值更小的尺子测量小数部分，通常用光学显微的方法把主尺一格放大到分划板上进行细分，见带尺读数测量部分）。2.螺旋测微：螺旋/分度数＝0.1mm/100＝0.001mm鼓轮上每格代表1um例：丝杆式目镜测微器。3.游标细分原理：已知：主尺上（n－1）个分度长度尺寸与游标尺上n个分度长度相等。（n－1）∆l=n∆l’………(1)则：读数＝主尺读数+——与主尺标线重合的游标标线序号——游标读数值证：由（1）式主尺分度尺寸与游标分度尺度之差两边同乘以放大倍数K换算成分度值 为分度值，机械游标012345678910012345678910012345678910主尺主尺9格长度等于游标10格长度游标尺图7—1—2小数部分被测量值012345678910012345678910主尺游标尺012345678910瞄准X(X’)图中：X=7*0.1=0.7mm图7—1—3n=10～50，不能太大为了获得更小的细分，可用光学游标装置，游标分划值可达5um游标卡尺，二.光学机械式读数细分装置1光源2滤光片1光源2滤光片3度盘（标尺）4物镜5分划板6目镜显微系统视场120度盘上分划板上图7—1—4①度盘(直接细分法)②.直分尺读数显微镜(直接细分法)图7图7—1—5⒉丝杆式目镜测微器（千分尺）图7—1—6丝杆式目镜测微器读数原理图7—1—6丝杆式目镜测微器读数原理5.6540mm5.6540mm图7图7—1—6丝杆式目镜测微器读数原理解释固定分划板（上有1/10分度值）活动分划板（上有11对双刻线）原理：鼓轮转一圈,活动分划板移动一个分度(0.1mm),鼓轮上等分100格,故每格的分度值0.1mm/100＝0.001mm＝1um；读数鼓轮为0值时，双刻线瞄准0.1mm标线。读数时，转动测微螺杆，使双刻线夹住（瞄准）主尺标线象，就可在读数鼓轮上得到不足0.1mm的小数部分。（见下图）6X6X5小数部分实际是两次瞄准：5瞄准刻线“6”，鼓轮读数为“0”瞄准刻线“5”，鼓轮读数为“54”两者之差54um即为小数部分习题1：丝杆式目镜测微器读数为8.7650mm,画出读数视场图及螺旋测微图。9图79图7—1—7平板摆动测微器活动分划板上固定分划板上主尺像（在固定分划板上）读数7.1630mm5－端面凸轮6－杠杆7－平板玻璃8－活动分划板5－端面凸轮6－杠杆7－平板玻璃8－活动分划板9－主尺1－目镜2－固定分划板（主尺像成在上面）3－手轮4－锥齿轮副与测微目镜比较,平板摆动测微器主尺像相对运动方式有所不同:从测微目镜中的“双刻线对准主尺像”－>变成平板摆动测微器中的“主尺像对准双刻线”优点：一个视场中读出所有读数。读数原理：11对双刻线及圆分划板指标（“”）固定不动；调手轮3，通过锥齿轮副、端面凸轮及正切机构驱动平板玻璃摆动；使主尺像对准双刻线，则小数部分在活动分划板上读出。一个式子的证明：主尺像的位移量与平板玻璃参数（n,d）.及其转角的关系。证明：由《应用光学》P864－6式知：平板转角与像位移Z的关系为NdβαNNdβαNN’N’ZDGE图7-1-8（解释：空气入射角：，折射角：，（折射定律） ＝把代入上式得＝＝＝把代入上式得z＝泰勒展开有：以线性函数代替，有上式的近似误差可认为是第二项相对误差当n＝1.52(k9玻璃)；当时,，当时，,偏大了。将（2）式中的代换，以补偿（1）式中的余项（还原一部分），并且是以相对误差作对比为衡量标准。令＝（4）式与（2）式的相对误差令（3）式＝（5）式即（有相同的相对误差则认为(1)与（4）更贴近了。取选用K9（n＝1.52），在采用正切机构的情况下，可用以下近似公式来描述影像摆动量＝刻画都可以采用线性，得证。平板玻璃端面凸轮S（）平板玻璃端面凸轮S（）r图7-1-9图7-1-9例：已知：凸轮半径r＝15mm，升程，当凸轮转角时，平板转角由下式决定：r＝任一点位移量，，正反向，Z与还是线性关系。注：如果不用正切机构，而改用齿轮机构，则与手轮转角是线性关系，没有修正。与手轮转角成线性关系。与手轮转角不成线性关系。习题2：平板摆动测微器中，平板厚度d=10mm,选用K9玻璃；凸轮半径r＝15mm，升程，当凸轮转角时，求刻线像的位移量。现在位置分划板4.透镜测微器现在位置分划板h物hO’O’现光轴F’AO’O’现光轴F’A’OOS物方主光线原光轴FAOOS物方主光线原光轴FA原来位置原来位置f’f’图7-1-10图7-1-10透镜原来光轴，移动h后，透镜光轴为；物体（主尺）不动，物体的像（主尺像）从A移到，则根据∽，得，即（）长焦距越大，灵敏度越高(dh/dZ越高)。主尺（物）0.1mm（主尺像移动，在固定分划板上1格，在活动分划板上100格,M为总放大倍率）。图7-1-10透镜测微器的思想可用于微透镜激光扫描器。主尺像在活动分划板上在固定分划板上图7-1-11主尺像在活动分划板上在固定分划板上图7-1-11图7-1-12图7-1-12习题3：已知图7-1-11中鼓轮2的螺距为1mm,分划板6到透镜4的距离S=20mm，透镜焦距f’=100mm。求：当鼓轮旋转300，主尺像在分划板上移动距离。习题4：如图所示微透镜阵列线性扫描器。L1、L2微透镜阵列对组成伽俐略型望远系统，L2作横向微位移x,可使聚焦光斑在L3的后焦面上实现线性扫描S,L1、L2、L3的焦距分别为f1、f2、f3。（1）．证明：S=f3x/f2(2).若f3=1000mm,f2=1mm,求扫描的灵敏度。xx当L2相对于L1做一维横向位移△X时，输出光束的偏转角为：（1）此时，偏转光束经L3聚焦后，光斑在L3的焦平面上的位移量为：S=f3△X（2）图3:扫描系统光学原理图f3当L2图3:扫描系统光学原理图f3（1）此时，偏转光束经L3聚焦后，光斑在L3的焦平面上的位移量为：图3:扫描系统光学原理图f3图3: