05 семестр / К экзамену-зачёту / Ответы на экзаменационные вопросы / отвыеты на вопросы / Компенсация децентрировок

Очевидно, что качество контроля будет зависеть от качества приборов, в том числе и от согласования элементов в приборе, а также от согласования системы элементов с этими приборами. Понятно, что это простые вещи, но в комплексе требования к линзе

(контролируемой), сеткам, тест-объектам и т.д. не рассматриваются, поэтому данный анализ весьма актуален.

Ниже показано, что точность процесса в основном зависит от точности наводки и считывания и приведено обоснование и выбор этих требований.

2.3. Требования к микроскопу

Основными оптическими характеристиками микроскопа являются: увеличение Гм ,

числовая апертура А, линейное поле 2y , вид иммерсии (для иммерсионных микроскопов), разрешающая способность.

Рассмотрим формирование изображения системой микроскопа, состоящей из объектива и окуляра (Рис. 9). Предмет расположен за передним фокусом объектива

(вблизи него), в передней фокальной плоскости микроскопа. Увеличенное изображение предмета строится объективом в передней фокальной плоскости окуляра (глаз работает без аккомодации).

Рис. 9. Оптическая схема отсчетного микроскопа.

Видимое увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива на увеличение окуляра:

-оптический интервал или оптическая длина тубуса.

Величина 160 200 мм в зависимости от фокусного расстояния объектива.

Тубус микроскопа (Рис. 10), в нижнюю часть которого ввертывается объектив, а в верхнюю окуляр, имеет согласованные посадочные размеры с оправами объективов и окуляров.

Рис. 10. Схема тубуса упрощенного микроскопа.

Положение объективов при установке на приборе фиксируется нижним срезом тубуса микроскопа. Оправа окуляра опирается на верхний срез тубуса. Расстояние от нижнего до верхнего среза тубуса, называется механической длиной тубуса, которая стандартизована и равна 160 мм для микроскопов, работающих в проходящем свете.

Остальные стандартные величины показаны на рисунке.

В комплект микроскопа входят наборы объективов и окуляров, позволяющие получать различные значения видимого увеличения микроскопа. На оправе объектива гравируется его линейное увеличение и числовая апертура, а на оправе окуляра – видимое увеличение.

Увеличения объективов изменяется в геометрической прогрессии со знаменателем

1,6. Это соответствует ряду Ra5 (ГОСТ 6636-69).

Номинальные значения видимых увеличений окуляров рекомендуется выбирать из ряда Ra10 и соответствуют кратности 4; 6,3; 10; 12,5; 16; 20; 25.

Ограничение пучка лучей зависит от вида микроскопа. В отсчетных микроскопах ограничение осуществляется апертурной диафрагмой, устанавливаемой в задней фокальной плоскости объектива (Рис. 9), что обеспечивает телецентрический ход главных лучей в пространстве предметов. Это ослабляет влияние параллакса на точность измерений.

Полевая диафрагма установлена в плоскости действительного изображения, т.е. в

передней фокальной плоскости окуляра. В отсчетном микроскопе там установлена измерительная шкала.

Диаметр полевой диафрагмы определяется величиной изображения, даваемого объективом:

Выходной зрачок микроскопа является изображением апертурной диафрагмы через окуляр. Его положение определяется отрезком z'p :

Если диаметр выходного зрачка микроскопа равен диаметру зрачка глаза наблюдателя, то субъективная яркость изображения глаза будет максимальной. В этом случае увеличение называется нормальным:

D' 2n1 fм' sin .

С учетом выполнения условия синусов из предыдущей формулы получим:

Применение микроскопов с увеличением больше полезного, не выявляет новых подробностей предмета, но при этом требуется более точная фокусировка, т.к. глубина

изображаемого пространства уменьшается.

Глубина резко изображаемого пространства складывается из аккомодационной,

При расчете величины z надо учитывать ряд особенностей:

1.Если в микроскопе применяется окуляр с сеткой, то za 0.

2.При максимальном использовании увеличения микроскопа допустимое снижение качества изображения определяется в основном волновой аберрацией децентрировки.

3.При наблюдении грубых объектов волновую глубину zв можно не учитывать.

2.4.Окулярные сетки

Сетки, применяемые в большинстве оптико-механических измерительных приборах, устанавливаются в плоскости изображения и играют существенную роль в процессе измерения. Толщина штриха, форма и направление штрихов, их количество,

точность расчета шкалы сетки, точность определения цены деления и т.п. влияют на точность наводки и отсчета, а, следовательно, на точность всего процесса измерения. К

сетке предъявляются строгие требования в отношении чистоты стекла (отсутствие свилей,

пузырей) и чистоты обработки (отсутствие царапин и выколок), поскольку дефекты будут видны наблюдателю, что ухудшит условие измерения.

По назначению сетки делят на три группы:

1.визирные, для наведения прибора на измеряемый объект или марку, а также для ориентирования визирной линии прибора по определенному направлению;

2.измерительные, со шкалами или марками, по которым непосредственно производится измерение;

3.комбинированные, выполняющие функции обеих перечисленных групп.

Визирные сетки применяются в коллиматорах, зрительных трубах, визирных микроскопах. При выборе толщины штриха нужно учитывать следующие обстоятельства.

Толщина штриха должна быть достаточно велика, чтобы его было хорошо видно при наведении на объект или марку. С другой стороны, чем тоньше штрих, тем наводка будет более точной. При этом надо учитывать условия, по которому видимая ширина штриха должна быть не меньше разрешающей силы глаза (0,075 мм), так как иначе будет плохо виден. И, наконец, надо иметь ввиду, что для изготовления тонкого штриха порядка

2-4 мкм необходимо прецизионное оборудование. Наиболее употребительная ширина

штриха 5-10 мкм.

Расчет толщины штриха сетки коллиматора при наблюдении через микроскоп производится следующим образом:

Угловой размер толщины штриха S определяется из выражения:

наводится на деления шкалы точнее, чем сетка с одиночным штрихом.

Погрешность наведения по одиночному штриху методом наложения соответствуют примерно половине толщины штриха. Погрешность наведения двойного штриха на

одиночный не превышает 13 толщины штриха при оптимальном подборе элементов штрихов. Оптимальными соотношениями размеров могут считаться следующие:

S S' ,

3

причем обычно 0,006 S 0,015 мм, где 0,006 – технологически минимальная толщина штриха.

2.5. Точность наведения и считывания

Из погрешностей, присущих процессу измерения, следует выделить две группы погрешностей, характерных для работы с оптико-механическими измерительными приборами. Это погрешности наведения (визирования) и погрешности отсчета

(считывания).

На точность наведения влияет характер объекта (четкость контуров и штрихов,

качество поверхности), качество оптики и сетки визирного микроскопа и пр. Кроме того,

важную роль играет характер освещения объекта.

Современное состояние отечественного оптико-механического приборостроения позволяет получать весьма высокую точность отсчитывания долей интервала шкалы. Эта точность настолько высока, что удовлетворяет самым высоким требованиям измерительной техники. Ограничением является точность самого интервала, нанесенного на основную шкалу – линейную или круговую (лимб).

Отсчетное устройство, как было указано, служит для точного определения части интервала основной шкалы. Нецелесообразно добиваться чрезмерной точности отсчета,

поскольку сам интервал имеет погрешность, обусловленную несовершенством технологии нанесения шкал.

Технология нанесения шкал (на стекле или металле) позволяет в настоящее время получать линейные миллиметровые шкалы с точностью до 0,5-1 мк и круговые с точностью до 1 2''. Чем больше диаметр лимба, тем точнее могут быть нанесены на нем деления. При необходимости производить точные измерения эти шкалы компарируются и снабжаются аттестатами для введения поправок по каждому измеряемому интервалу.

Использование аттестата позволяет производить измерение с точностью, превышающей точность изготовления шкалы.

В механических регистраторах основная шкала и отсчетное устройство (индекс,

нониус и т.д.) находятся, как правило, в одной плоскости и наблюдатель определяет их относительное смещение невооруженным глазом или через оптическую систему (лупу,

микроскоп). Например, микрометренные пары в инструментальном микроскопе, лимб и нониус2 в гониометре с металлическим лимбом.

Воптических и оптико-механических регистраторах шкала и отсчетное устройство обычно находятся в разных плоскостях и сводятся в одну при помощи оптической системы (например, отсчетным микроскопом). Оптическая система при этом дает увеличенное изображение основной шкалы, что позволяет более точно и удобно (более простыми средствами) определять доли интервалов.

Всубъективных отсчетных системах в процессе измерения участвует глаз наблюдателя. Конечная измерительная операция в этих системах определяет точность отсчета (но не всего измерения).

Определение величины смещения штрихов (марок) при отсчете или совмещении их

могут производиться следующими способами:

1.наложением штрихов индекса или отсчетной шкалы на штрихи основной шкалы;

2.отсчетом десятых долей интервала между штрихом-индексом и штрихами основной шкалы;

3.совмещением штриха-индекса и штриха основной шкалы, смещенных вдоль штриха (так называемое нониальное совмещение);

4.симметричным расположением штриха-индекса между двумя штриховыми

(биссекторами) основной шкалы, или наоборот.

При выборе того или иного способа совмещения штрихов и отсчета необходимо

учитывать оптические свойства глаза, играющие существенную роль в процессе

углом, при котором объект становится видимым невооруженным глазом. Этот угол зависит и от освещенности объекта. Яркая точка, излучающая направленный пучок света

(звезда, нить накаливания и т.д.), видна под весьма малым углом 15 100''. При рассматривании тонких штрихов необходимо принимать во внимание явление иррадиации, заключающееся в том, что светлые объекты на темном фоне кажутся увеличенными, а темные на светлом – уменьшенными по сравнению с их фактическими размерами.

Черный штрих на светлом поле виден при толщине не менее 0,004-0,005 мм

(угловая величина при наблюдении с расстояния 250 мм – 4''). Светлый штрих на темном фоне виден и при меньшей ширине. Глаз обнаруживает излом линии, если стрела прогиба достигает величины 6-10 мк; несимметричное расположение точки между двумя другими замечается глазом с расстояния наилучшего видения при величине нессиметрии (разности интервалов) порядка 0,055 мм и расстоянии между крайними точками 0,65 мм.

Опытный наблюдатель при благоприятных условиях может уверенно отсчитывать по индексу с точностью до двадцатой доли интервала. Оценка же десятых долей интервала достигается легко. Однако точность оценки десятых долей интервала снижается за счет субъективной избирательности. Эта избирательность в той или другой степени присуща всем наблюдателям. При оценке наблюдатель отдает предпочтение одному числу десятых интервала за счет других. Погрешность, вносимая наблюдателем благодаря указанному свойству, является практически величиной постоянной для него. Это обстоятельство заставляет иногда предпочитать метод совмещения штрихов, вместо глазомерной оценки. В случае применения метода совмещения штрихов возникает своя субъективная ошибка, заключающаяся в том, что одни наблюдатели прекращают совмещение штрихов преждевременно (до того, как они полностью совпали), другие,

наоборот, прекращают совмещение с запозданием (когда совмещаемые штрихи несколько переходят через положение совмещения). Для исключения этой погрешности следует производить наводку штрихов с одной стороны, затем с другой и брать среднее.

Точность наведения в значительной степени зависит и от освещенности и от контрастности объекта. Острота зрения наблюдателя увеличивается пропорционально освещенности изображения, но только до определенного предела; контрастность определяется отношением разности освещенностей двух смежных частей объекта

(например, штрих и интервал) к большей освещенности. Чем эта разность больше, тем контрастность выше.