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显微镜专栏

机械筒长仪工作原理

时间:2021/8/21 17:44:27   作者:郑士利   来源:正势利   阅读:41   评论:0
内容摘要:通用型精密机械筒长检查仪工作原理一.技术领域显微镜的国家标准和显微镜生产企业的企业标准均要求对机械筒长的误差进行控制(如国标中要求160mm的机械筒长允差为160±0.5mm)因此必须首先解决测量工具和提高测量精度。机械筒长检查仪正是在这样的背景下产生的,而且对于物镜光路系统中含有透镜的情形,我们也给予充分的考虑并采取...

通用型精密机械筒长检查仪工作原理

         

一.技术领域

显微镜的国家标准和显微镜生产企业的企业标准均要求对机械筒长的误差进行控制(如国标中要求160mm的机械筒长允差为160±0.5mm)因此必须首先解决测量工具和提高测量精度。机械筒长检查仪正是在这样的背景下产生的,而且对于物镜光路系统中含有透镜的情形,我们也给予充分的考虑并采取的相应的技术措施,这体现了本实用新型的通用性和实用性。

经过技术攻关,我们已经成功地制造出了通用型的精密机械筒长检查仪,可以方便、准确地测量各类生物显微镜的机械筒长的误差值,精度可达到

±0.05mm,并在本集团公司获得广泛应用。本文将在此介绍其基本工作原理。

二.背景技术

生物显微镜的机械筒长是指从转换器的物镜安装基面到目镜安装基面之间沿光轴方向的等效空气距离。

大多数现代生物显微镜的光学系统中,为了方便使用者,一般都设计有45°或30°的转向棱镜,而且有的还有附加1倍补偿(机械筒长)透镜,因此光轴不是直线而是折线,不能使用普通的量具如游标卡尺等直接测量。在采用本实用新型之前,虽然也有其它测量机械筒长的检具,但有以下缺点:

1.测量精确度不高,最高只能达到±0.2mm的水平,

2.对于含有透镜的情形,以往的检测工具没有能够解决,分两种情况

A.      于机械筒长为160㎜但物镜成像系统中有1×拉长系统的情形;

B.      对于无限远物镜的管镜组的机械筒长。

      3.不能通用。也就是说,对于同样是使用共轭距为195㎜物镜的生物显微镜,因其内部光学系统的差异就不能使用同一机械筒长检具来进行检测。

三.技术方案中的光学系统原理

该检查仪的光学原理如下图A所示:

机械筒长仪工作原理

A中的物镜1为正透镜,AB两点为物镜1的共轭点,当不考虑物镜的厚度时,根据高斯公式,有如下表达式

            1/ L+ 1/ L= 1/F-------------------------------------------1

 

式中,LA LB   分别是AB两点距物镜1的距离,F是其焦距(F0),AB两点互为物像。

对(1)式微分后有1/ L21/ L2= 0

或△LA=β2 LB-------------------------------------------------------2

此公式的含义为:当轴上物点B沿轴向位移△LB时,其共轭点A也将沿轴向同向位移△LA并且△LA是△LA的β2倍。β是物镜1的横向放大率,β2就是其轴向放大率。

例如,当物镜的放大倍率为3.5倍时,B点沿轴向位移0.2MM,根据公式(2),A点将沿轴向位移3.52×0.2=2.45MM。从后面的说明可以看到,这就是该检查仪具有较高测量精度的主要原因之一。

反射镜部份光学系统原理说明如下:

机械筒长仪工作原理

如图B所示,该系统实际上是一个1×反射系统,设其球面反光镜的半径为RO 点为球面反光镜的球心,轴上物点C经反光镜成像后位于D点,

当│OC│<<│R│,│OD│<<│R│时,仍然有高斯公式

             1/ LC+ 1/ LD=1/FR------------------------------------------------3

注:按几何光学的符号规则,LC LDFR均应取负值,因其同号,所以此处一律取正值,对分析结果没有影响。

式中LCLDCD两点相对于球面顶点的距离(此处取绝对值),FR是球面反光镜的焦距,且有FR=R/2,因此公式(3)也可变为,

            1/ LC+1/ LD= 2/R--------------------------------------------------4

LC =R时,代入(4)式,容易计算出LD=R,由此说明,

1.位于球心处的物和像是重合在一起的;

2.LC =R+LC时,也就是说当物点偏离球心的距离为△LC时,同样代入(4)式并注意到│OD│<<│R│,就有

LD = -△LC

也就是说,当物点偏离球心一个微小距离△LC时,其像点将沿轴上相反方向偏离相同量△LC,但物像点将不再重合,而是产生2LC的距离。

现在我们又回到图A,此处略去目镜不画出,对分析结果没有影响。见下图。

机械筒长仪工作原理


通过移动物镜1,总可以找到一个距离L0,使得A点的像点B与反射镜的球心O相重合,此时,就会发生下列现象。

1. A点发出的光经物镜1后必成像于B点。

2. B点发出的光经反射镜2后必然成像于O点并与B点重合。

3. O点发出的光再经物镜1后必然成像于A点。

经过上述过程后,从A点发出的轴上光线经物镜1和反射镜2后将再次回到A点,而且可以证明,这也是一个负1倍系统(证明略)。

当物镜1与反射镜2之间的距离变为L0+L时,出现下列现象:

机械筒长仪工作原理


A物点经物镜1后仍成像于B点,而反射镜的球心将移动到O 1点且

BO 1 =L,根据前面的分析,当物点B不在球心时,将成像于B 1点,且若

BO1<<R时,

O 1 B 1=B O 1= L

B 1B是点经反射镜所成的像,同时又成为物镜1的物点(根据光路可逆原理),且经该物镜后成像于A1点。

现在相对物镜有两对共轭点:(AB),(A1B1 ,根据公式(2)有

AA 1=β2×│B B1=2β2L------------------------------------------------(5)

 

现在说明一下利用该光学系统来进行机械筒长测量的实际过程

机械筒长仪工作原理


B-1是已知筒长为160MM的金属筒①,我们将物镜和反光镜分别固定于其两端,并使它们之间的距离满足图C所示的情况,即保证从A点发出的光点经成像系统后又回到A点,此时将读数值定为“0”,

当我们将上述系统同样放置在另一支长度为160+L另一支金属筒两端时,就会出现图B的情况,即从轴上点A处发出的光线经成像系统后将位移至A1点,通过目镜观察时将发现图像变得不再清晰(假设两筒长度的差值大于系统景深),于是我们调节物镜与反光镜之间的距离,使其也位移△L ,这时,整个系统又满足图C的情形,观察者会发现图像又变得清楚了,我们测量出所移动的这个距离△L,也就测量出了金属筒②相对于160MM之间的误差值。因此也可以说上述测量过程就是调焦过程。



四.实用化方案 详见附图

机械筒长仪工作原理

机械筒长仪工作原理

如附图F所示,通过光源和集光镜照亮分划板并通过分光棱镜和物镜组后,成像于反光镜的球心附近,再被反光镜组,将图像反射到该位置附近。第2次被物镜成像到目镜视场光栏位置,使用者通过该目镜即可观察到分划板的刻划像(十字亮线像)。当使用者发现返回的图像不清晰时,则转动调节微分筒8直到清晰为止。此处所说的分划板就相当于前述的A点的物点,只不过该物点被分光棱镜转折90°而已。

本装置采用相对测量的办法来读出误差值。首先,将该检具装在一台已知筒长为160±0.02mm的显微镜机架上,即把主体Ⅰ的前端插入到显微镜目镜筒中,将反射镜组旋在转换器螺孔上,将分划板十字像调节清楚(这就相当于前述例子中将物镜和反射镜分别置于160mm的金属筒①两端一样),这时将读数值标定为“0”,并将微分筒相对于转动套固定下来。

接下来在实际测量时(如图E),当检测具的定位端面A与反光镜6之间的距离不是160mm而是160+δ时(δ即为机械筒长误差并且可正可负),就会使分划板的第一次成像面偏离反光镜球心,因此,经过反射镜反射后观察者就会看到图像变得模糊。这时操作者就会转动微分筒以改变物镜反射镜之间的距离并使之满足图C的情况,当观察者再次观察到清晰的分划板像时,微分筒会记录这一调节的实际距离,就将机械筒长的误差δ测量出来。这一原理在前面已经说明,此处就不再赘述。

为了实现通用性和实用性,本检查仪在测量机械筒长时充分考虑到以下三种情况:

1.显微镜物镜光路中只有折光棱镜和空气;

2.显微镜物镜光路中除了有折光棱镜和空气外还有透镜(一般是1倍拉长的正负透镜组和场镜等);

3.无限远物镜的管镜组(含有棱镜、空气和管镜)。

.光学系统参数进行特殊设置

为了使我们的装置能够通用于上述三种情况,我们特意将图A中的物点A的像面B设置于被测显微镜目镜安装基面下方正好10mm的地方。

对于情况12,反光系统均采用球面反射镜并使其球心正好位于物镜定位基面(即转换器与物镜的接触面)以上150mm的位置,之所以这样做是基于显微镜的基本原理和国际标准的相关规定。

对于情况3(无限远成像系统的管镜组),其反射系统采用平面反射镜(这是球面反光镜的曲率半径1/R=0的特殊情况),光路原理如下图G所示,在这种情况下,由管镜8和平面反射镜6所组成的反光系统等价于R=F管镜的球面反光镜(F管镜是管镜的焦距),因此前面关于其测量原理的分析完全可以照搬球面反射系统的原理,不再赘述。

 

 

 

 

Ⅱ、从结构设计上进行创新

本设计的另一项重要的技术措施,是从机械结构上进行改进,将读数机构设置在与被测显微镜的目镜筒相接触的转动套上,这样的设计不仅大大减小了反光镜的体积,而且进一步从结构设计上解决了测量上述三类显微镜机械筒长的通用性问题,尤其是当测量无限远物镜的管镜组的机械筒长时,只有采用这样的结构才能实现。这些措施是本检查仪在结构设计上的一大创新。

五.测量精度分析

根据本检查仪的光学原理,其测量误差主要受到物镜的物理景深和几何

景深的影响,类似显微镜物镜,本检查仪的景深的表达式为

 η= λ/2NA2+1/7ΓNA     -------------------------------------------(6)

式中η是该装置的物理景深和几何景深值,λ是最灵敏可见光波长,我们取λ=0.5μmNA是系统的数值孔径,在我们的上述系统中,NA的大小由反光镜的有效口径所决定,一般为0.06, Γ是显微系统的总放大倍率

Γ=β×Γ,--------------------------------------------------------7

其我们取实际值为52.5,将这三个数代入(5)式中可求得

          η=0.083mm

又由于该装置的光学系统的轴向放大率是物镜的轴向放大率的2倍,也就是说,当系统发生δL的轴向位移量时,将引起测量信号产生2δL的轴向位移,(详见公式(6)

2δL≥η= λ/2NA2+1/7ΓNA)时,成为人眼所能感知的图像清晰度变化,所以,检查仪所能检测到的最小机械筒长误差即为

δlmin=1/2η= 1/2(λ/2NA2+1/7ΓNA))    

因此其实际景深将缩小为1/2η=0.041 mm,这就是我们认定该装置的测量精度能达到±0.05mm的原因。实际检测数据也与此理论值相符。

补充:其我们取实际值为10,将这三个数代入(6)式中可求得

          η=0.51mm

六.目镜放大倍数的选择

在公式(7)中,β=物镜的横向放大率;Γ=目镜放大倍数,

因此,关于目镜对测量的影响已经体现在第2项的几何景深这一项中。

从公式(7)容易看出,Γ越大,其几何景深越小,这对于降低测量景深、提高测量精度和灵敏度是有利的,但当Γ太大时,观察视场将变得很小,不便于搜索分划像。实践证明,Γ1015倍时较为实用。

七.总结

 通过以上对通用型精密机械筒长检查仪的工作原理的分析,证明该检查仪确实能够实现对各类生物显微镜的机械筒长的测量,而且其测量精度可以达到

±0.05,是目前国家标准所规定的生物显微镜机械筒长允差(±0.5㎜)的十分之一,因此有足够的检测精度和实用价值。


    补充:由机械筒长检查仪精度为±0.05mm,所以若排除机械筒长检查仪精度的干扰,那么最终相对机械参考平面成像距离(机械筒长)公差定为:0.5-0.1=0.4=±0.2(mm)

                

 

         

 

1.《计量工程光学》河肥工业大学  徐家骅主编  19804

30页、第50页、第77~78页、第255~257页。

2.《光学》上册 ,赵凯华 、钟锡华主编   北京大学出版社  

           59~60页。

        3.《中华人民共和国机械行业标准》 JB/T 7398.2-94  2页。



补充:

关于有限远机械筒长为160,使用物镜螺纹直径为20.32时,其反光镜尺寸如下图:


机械筒长仪工作原理









标签:机械 工作 原理 











 




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