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

Толщина штрихадолжна 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 которомувидимая ширина штрихадолжна 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 штрихаSопределяется из выражения:

,

где - фокусное расстояние объектива коллиматора,

с другой стороны ,

где – толщина изображения штриха на сетке микроскопа,– фокусное расстояние объектива микроскопа.

Приравняв эти выражения, получим ,

откуда .

Видимая через окуляр толщина штриха составит

, (11)

где – увеличение окуляра,.

Фокусное расстояние окуляра определяется из формулы

,

откуда ,

где – видимое увеличение объектива микроскопа, тогда

.

Подставив найденные значения ив формулу (11), получим

.

Визирные сетки измерительных микроскопов служат для наводки на измерительные шкалы или измеряемые объекты. Сетка с двойными штрихами 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 наодиночный не превышает толщины штриха при оптимальном подборе элементов штрихов. Оптимальными соотношениями размеров могут считаться следующие:

,

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

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 . 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 нониус²в гониометре с металлическим лимбом.

В оптических 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.

В субъективных 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 измерения. При диаметре зрачка глаза 2 мм и угле разрешающей силы глубина резкости составляет ~0.6 диоптрии. С увеличением зрачка глубина резкости уменьшается, с уменьшением зрачка глубина увеличивается. В линейной мере эта величина будет различной для разных расстояний от глаза до наблюдаемого объекта.

Глубина уменьшается, если глаз будет вооружен лупой и микроскопом.

Этим определяется чувствительность по направлению линии наблюдения. Чувствительность в плоскости, перпендикулярной этому направлению, определяется разрешающей силой глаза. При определении разрешающей силы глаза необходимо учитывать освещение объекта наблюдения. При недостаточном освещении разрешающая сила падает. Избыточное освещение не дает заметного улучшения разрешения, но вызывает быстрое утомление глаза. Для отсчитывания по мелкой шкале достаточно освещение в 50-75 лк.

Применив для глаза формулу, определяющую предельный угол разрешающей силы зрительной трубы

,

где D– диаметр зрачка глаза, и приняв диаметр глаза равным 2 мм, получим уже знакомую нам величину предельного угла разрешения для глаза

.

Как показали экспериментальные данные, увеличение зрачка глаза, которое происходит непроизвольно при уменьшении освещенности, не превышает разрешающую силу глаза, что объясняется особенностью его строения. Так, например, с увеличением зрачка увеличиваются оптические аберрации глаза. При несоблюденииштрихов, марок и других элементов, применяющихся в отсчетных системах, разрешающая сила глаза может меняться в зависимости от условий, при которых производятся наблюдения.

Рассмотрим некоторые случаи совмещения штрихов и наводки на объект. Наложение штриха-индекса на штрихи основной шкалы производится с точностью, соответствующей разрешающей силе глаза ().

При наведении на край контура объекта точность наведения лежит тоже в пределах разрешающей силы глаза. Точность может быть повышена в несколько раз, если контур прямолинеен, а наводимый штрих пунктирный (подобно сетке штриховой головки инструментального микроскопа). Наводка производится таким образом, чтобы половина толщины каждого пунктирного штриха была внутри контура, а половина вне его. Отсчет долей интервала между штрихом-индексом и штрихом основной шкалы производится с точностью одной десятой интервала. Наилучшая точность оценки доли интервала производится при угловой величине интервала порядка , что соответствует 1,5 мм при наблюдении на расстоянии 250 мм.Практически хорошие результаты дают шкалы с интервалом 1-2  мм. Применение интервала более 2 мм приводит к увеличению габаритов отсчетной системы, что почти всегда нежелательно.

а) б) в)

Рис. 11. Совмещение штрихов индекса и штриха основной шкалы.

а) Наведение пунктирного штриха на изображение контура объекта;

б) нониальное совмещение штрихов;

в) биссекториальное совмещение штрихов.

Видимая толщина штрихов шкалы и индекса должна быть порядка 0,1 интервала (т.е. от 0,1 до 0,2 мм), длина штриха порядка 0,6 интервала. Опытный наблюдатель может отсчитать долю интервала даже несколько точнее, чем 0,1. При этом толщина штриха указателя не должна превышать 0,1-0,12 величины интервала. Нониальное совмещение штрихов индекса и штриха основной шкалы (Рис. 11,б) позволяет повысить точность измерения по сравнению с предыдущими случаями в 5-6 раз (т.е. вместо). В линейной мере при наблюдении с расстояния 250 мм точность совмещения будет порядка 0,012 мм (). Торцы штрихов должны быть четкими и ровными. Нониальное совмещение штрихов применяется в отсчетных системах с нониусами (штангенинструмент, механические угломеры, теодолиты с механическим лимбом и др.).

Биссекториальное совмещение штрихов (Рис. 11, в) дает тоже хорошую точность. При правильном подборе толщины штрихов и интервала биссектора точность отсчета будет больше, чем при нониальном совмещении. Штрих-индекс выполняется в виде биссектора, а ближайший штрих шкалы вводится в этот биссектор³. Видимая ширина штриха при этом должна быть не менее 0,25 мм, а длина – не менее 3-4  мм.

Для обеспечения видимости объект измерения (штрих, точка) должен наблюдаться под углом, большим порога видимости. Порог видимости характеризуется наименьшим 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 . 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 – ).Светлый штрих на темном фоне виден и применьшей 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.

Следует иметь ввиду, что ни одна оптическая система не может повысить освещенность и улучшить контрастность изображения по сравнению с освещенностью объекта.

Большое влияние на ухудшение контрастности изображения оказывают наличие рассеянного (паразитного) света, образованного лучами, отраженными от оправ, стенок и поверхностей оптических деталей. Поэтому при проектировании оптических приборов принимают меры, уменьшающие количество рассеянного света: устанавливают специальные диафрагмы, улавливающие рассеянные лучи, окрашивают в черный цвет глубокоматовой эмалью У-411 внутренние полости и фаски оптических деталей, наносят специальные риски на внутренние поверхности и т.п.

В последнее время широко применяется «просветление оптики» (нанесение тонких пленок на поверхности оптических деталей), уменьшающее отражательную способность поверхностей оптических деталей, что ведет к уменьшению рассеянного света.

Точность измерения зависит также и от условий адаптации глаза. Если глазу приходится часто приспособляться к различной яркости, то он быстро утомляется и начинает плохо различать мелкие детали изображения. Рекомендуется применять освещенность бумаги для записи отсчетов, близкую по величине к освещенности изображения, а не большую, как это часто имеет место. Еще лучше, если запись будет вестись вторым наблюдателем, чтобы первый только производил отсчеты, не отрывая глаз от наблюдения за изображением.

Для меньшей утомляемости глаза желательно при освещении объекта и отсчетных шкал применять негустые зеленые светофильтры. Эти фильтры в значительной мере устраняют вторичный спектр, окрашивающий изображение в голубоватый цвет.

Величина освещенности поля зрения не должна быть ни чрезмерно большой, ни очень малой. Наблюдатель должен выбрать такую величину освещенности, чтобы изображение было отчетливо видно, но чтобы чрезмерная яркость его не утомляла и не раздражала глаз.

Для изменения освещенности изображения современные оптико-механические измерительные приборы снабжаются реостатами, с помощью которых можно менять световой поток ламп накаливания, применяемых для освещения объектов и отсчетных устройств.

Увеличение отсчетной системы для оценки долей интервала по индексу, как было указано, должно быть достаточно большим, чтобы видимый интервал в последнем звене отсчетной системы был не менее 1 мм. С другой стороны, необходимо учитывать, что минимальная толщина штриха tпри современной технологии ограничена величиной 2 мк. Но такую толщину трудно получить, поэтому целесообразнее при расчетах исходить из величины 3-4 мк. При видимом интервале 2 мм видимая толщина штрихамм.

Поэтому увеличение оптической системы не следует делать больше, чем

.

Обычно увеличение отсчетной системы не превышает .

Если в оптическую отсчетную систему входит микроскоп, то погрешность отсчета будет зависеть от точности наводки микроскопа на штрих в продольном относительно его оси (точность фокусировки) и поперечном направлениях. Точность эта будет зависеть в основном от апертурного угла uобъектива микроскопа.

Для длины волны мм эти точности могут быть определены по следующим формулам:

для продольной наводки чувствительность определяется из соотношения

мк,

а для поперечной наводки

мк⁴.

В следующей таблице (Таблица 1) приведены некоторые числовые значения чувствительности микроскопа.

Таблица 1.

	0,05	0,10	0,20
мк	80	20	5
мк	1	0,5	0,25

Применяемые в настоящее время измерительные лупы позволяют измерять интервалы шкал с точностью до нескольких микрон. С помощью микроскопов интервалы измеряются с точностью до десятых долей микрона. Увеличение измерительных луп колеблется в пределах , а измерительных микроскопов.

В приборах с возможностью поворота на 90используются сетки со шкалами. Правильное положение штрихов шкалы зависит от рабочего положения прибора (рисунок 25), т.е. от того, какое положение (вертикальное или горизонтальное) он принимает.

Рисунок 25 –Положение сетки окуляра в зависимости от положения прибора

Сетки с перекрестием

Применения:

• юстировка зеркал и оптических систем;

• точное измерение углов в комбинации с окулярным микрометром;

• измерение радиусов цилиндрических поверхностей;

• измерение ошибки центрирования;

• идеальны для измерений углов при использовании ПК.

Рекомендации:

• окулярные сетки – двойное перекрестие;

• коллиматорные сетки – одиночное перекрестие.

Рисунок 26 –Виды сеток:

А – темное перекрестие на светлом фоне

Б – светлое перекрестие на темном фоне

В – двойное перекрестие

Размеры:

• для сеток с одиночным перекрестием при диаметре 12 мм толщина штриха 0,01 мм, 0,02 мм и 0,04 мм; при диаметре 25 мм – 0,02 мм и 0,05 мм;

• для двойного перекрестия при диаметре 12 мм ширина прозрачного промежутка между линиями 0,02 мм, 0,04 мм и 0,06 мм.

Сетки с градуированной угловой шкалой

Рисунок 27 –Окулярные сетки

Рисунок 28 –Коллиматорные сетки

Применения:

• измерения углов наклона с использованием зеркал, прикладываемых к объекту измерений;

• измерение углов оптических компонентов, таких как призмы, окна и пр.

Рекомендации:

• окулярные сетки – сетки с градуированной угловой шкалой;

• коллиматорные сетки – одиночное перекрестие.

Сетки с градуированной угловой шкалой рассчитываются под конкретные условия измерений (фокусное расстояние прибора и отклонение зеркала будут влиять на градуирование шкалы).

Смещение изображения на сетке на 10 мкм соответствует углу:

Таблица 4

Фокусное расстояние	Угол наклона
50 мм	21
90 мм	11
140 мм	7,4
200 мм	5,2
300 мм	3,4
500 мм	2,1
600 мм	1,7
1100 мм	0,9

Сетки с угловыми допусками

Рисунок 29 – Сетка с угловыми допусками

Применения:

• быстрая проверка клиньев и плоскопараллельных пластин;

• юстировка оптических систем;

• измерение радиусов кривизны.

Рекомендации:

• окулярные сетки – сетки с концентрическими окружностями;

• коллиматорные сетки – отверстие (диафрагма) с перекрестием.