長度計量基礎知識講座(三十三)

顧耀宗/上海市計量測試技術研究院

第三十三講 光切顯微鏡

1 結構和工作原理

光切顯微鏡其外形結構如圖1所示，由基座、立柱、橫臂、移動工作臺、顯微鏡主體等組成。顯微鏡包括物鏡和測微目鏡。光切顯微鏡的物鏡可根據被測件表面粗糙度的高低可換。通常輪廓的深度在30～80 μm時，采用7倍物鏡；10～30 μm時，采用14倍物鏡； 2～10 μm時，采用30倍物鏡； 0.8～ 2 μm時，采用60倍物鏡。小于

0.8 μm時，該儀器無法測量。

圖1 光切顯微鏡外形結構圖

光切顯微鏡以光切法工作原理測量表面粗糙度的輪廓峰高和谷深，其測量范圍為

0.8 ～ 80 μm。所謂光切法，即以光帶剖切表面獲得截面輪廓曲線的方法。將一條細窄的光帶（狹縫）以45°傾斜角投影到被測表面上，光帶與表面相截的交線便反映出被測表面的微觀不平度輪廓形狀。這條光帶影像，可以從對應于投影光帶軸線的反射方向用顯微鏡觀察。圖2為光切顯微鏡工作原理示意圖。

從光源發出的光線經聚光鏡照亮狹縫，通過組合物鏡把狹縫成像于被測表面上，形成一條細窄光帶。投影狹縫像的顯微鏡光軸與被測表面法線成45°角，光帶由表面反射進入觀察鏡管。表面輪廓的波峰在S點反射，波谷在S′點反射，通過與投影鏡管相同的組合物鏡，分別成像于觀察顯微鏡的分劃板的a點和a′點，測出這兩點的距離N，便可求得峰谷深度h為

式中：M─ 顯微鏡放大倍率。

圖2 光切顯微鏡工作原理示意圖

圖2中：h為工作表面微觀不平度深度即峰谷深度；S1，S2為光帶照明在被測件工作表面的峰谷點；S′1、S′2是成像在分劃板上的S1、S2點；a為光帶投射工作表面的夾角；h″是在目鏡視場中經放大了的工件表面峰谷深度。

2 光切顯微鏡的定度

對應于不同放大倍率的各對物鏡，每臺光切顯微鏡的實際放大倍率是不完全相同的。因此在使用該類儀器時，先需用儀器附帶的0.01 mm線紋尺對光切顯微鏡的定度，即確定不同物鏡放大倍率時，測微目鏡鼓輪的實際分度值c。

在定度時，將0.01 mm線紋尺置于光切顯微鏡的平工作臺上，調節儀器使線紋尺分度線清晰地成像在視場中央，并使分度線與光帶垂直。再將測微目鏡分劃板中十字線交點的移動方向調節至與光帶平行。轉動測微目鏡鼓輪使十字線交點對準線紋尺某一分度線，如圖3中實線所示，在測微目鏡分劃板和鼓輪上讀數N1，然后移動十字線交點對準線紋尺另一分度線，如圖3中虛線所示，并讀取N2，則測微鼓輪測出線紋尺所選線段的長度L=N2-N1。取三次測量結果的平均值為L平均。由式（2）計算測微鼓輪的分度值：

式中：m─ 線紋尺所選線段包含的分度數；

z─ 線紋尺的分度值0.01 mm。

圖3 測微目鏡鼓輪分度值c的標定示意圖

3 光切顯微鏡示值誤差的校準方法

光切顯微鏡的示值誤差采用相對誤差表示。各倍物鏡相對示值誤差的要求和校準時使用的單分度線標準樣板的分度線深度規格見表1。

表1 光切顯微鏡示值誤差的要求和校準用標準樣板的深度

校準時，將單分度線標準樣板（以下簡稱樣板）置于工作臺上，調節儀器使樣板在視場內出現清晰的圖像。借助工作臺微分筒移動樣板，使樣板主分度線連同兩個記號一起，呈現在狹縫清晰圖像的一邊，并使樣板的分度線方向與狹縫圖像的長邊垂直。然后轉動測微目鏡鼓輪使水平線平行于狹縫圖像的邊緣，再次調節儀器，使分度線圖像清晰。轉動測微目鏡鼓輪使水平線與分度線表面的圖像重合，見圖4（a），測微鼓輪讀數a1。然后轉動測微目鏡鼓輪使水平線與分度線底部的圖像重合，見圖4（b），測微鼓輪讀數a2。在測量分度線深度h時應進行3次調焦，各次調焦要進行3次讀數，樣板的分度線深度取9次測得深度的平均值。

圖4 分度線深度測量示意圖

對于十字線分劃板的測微目鏡，樣板分度線Hc按式（3）計算：

對于水平線分劃板的測微目鏡，樣板分度線Hc按式（4）計算：

式中：c─ 在使用該對物鏡時測微目鏡鼓輪分度值（μm）。

儀器示值誤差δ由式（5）確定：

式中：Hs─ 單分度線標準樣板檢定證書上標明的分度線深度（μm）。