前言
读本篇文章之前,也可以回顾文章《自准直仪原理》
光学自准直种类:
1、高斯型自准直仪;
2、阿贝型自准直仪;
3、双分划板型自准直仪。
测定零件角度的仪器
比较测角仪是利用自准直仪和外部角度基准,以测量角度微差的方法测定零件角度的仪器
2.1 自准直法测量原理
自准直法就是用一个带有自准直目镜的自准直望远镜来测量的方法,是测量楔形平板玻璃的楔角的一种最基本的方法,广泛使用于光学车间中。
图2.1是测量原理图。被测的楔形平板玻璃放置在自准直望远镜的物镜前面,并使其前表面与自准直望远镜的光轴垂直(实际上不一定要严格垂直)。自准直望远镜的分划板位于物镜的焦平面上。由光源发出的光通过半透半反镜后照亮分划板,从分划板上的每一点发出的光经过物镜后成为平行光,投射在被测的楔形平板玻璃上。
根据物理光学,当一束光垂直或接近垂直地投射在一块没有镀膜的玻璃表面时,光能将有一部分被反射回来,另一部分则透过玻璃的表面。被反射回来的光能量Wρ与透射在玻璃表面的光能量W之间的关系如下式:
ρ=(Wρ)/W=[(n-1)*(n-1)]/[(n+1)*(n+1)]
其中ρ为反射系数,n为玻璃的折射率。如果假定n=1.5,代入上式后可推算出:
ρ=(Wρ)/W=[(1.5-1)*(1.5-1)]/[(1.5+1)*(1.5+1)]=4%
因此,从物镜出来的透射在被测楔形平板玻璃表面的平行光,将有约4%的光能量被反射回来。反射回来的光能量较少,所以在目镜视场中看到的反射回来的分划板的像的亮度较弱。
如果平行光垂直入射在楔形平板玻璃的前表面上,则这部分光按原路返回。其余的光进入玻璃后,透射在楔形平板的后表面上,根据同样的道理,又有其中的一部分光被反射回来。这样,由楔形平板玻璃的前后两个表面反射回来的两部分光,经过物镜后在分划板上形成两个像。如果楔形平板玻璃的前后两表面是严格平行的,那么反射回来的两个像将是互相重合的。如果楔形平板玻璃的前后两个表面不平行,即存在一个小楔角,那么从目镜中可以观察到反射回来的两个像在分划板上分开一定的距离。根据分划板上两上像分开的距离φ,就可以计算出被测楔形平板玻璃的楔角θ。
如图2.2,假定由物镜射出的平行光是垂直透射在被测楔形平板玻璃的前表面上。这样由前表面①反射的光将按原路返回,图中用光线1表示。如果被测楔形平板玻璃存在一个楔角θ,则进入玻璃的光在后表面②上的入射角为θ,光在后表面②上反射后,射到前表面①上的入射角为2θ,然后在前表面①上折射,沿总图中光线2的方向射出。此时在前面①上根据折射定律可以写出:
n*sin2θ=sinφ
其中n为玻璃的折射率。由于楔形平板玻璃的平行性误差即楔角θ通常都很小。所以φ角也很小。因此可以认为:sinφ=φ,sin2θ=2θ,代入上式后可得:
θ=φ/(2n)
这就是自准直法测量楔形平板玻璃的楔角关系式。从图2.2可以看出,φ是被测楔形平板玻璃前后两个表面反射回来的两部分光之间的夹角,也就是自准直望远镜分划板上两个反射像所分开的角距离,可以直接在分划板上读出。
在上面的叙述中假定了从自准直望远镜出射的平行光是垂直被测楔形平板玻璃的前表面的,其实该光束不垂直楔形平板玻璃前表面,而是构成了一个比较小的入射角时,结论还是成立的。当然这个角度不能太大。
2.2 光学自准直比较测角仪的构造原理
光学自准直比较测角仪是利用光学自准直原理进行角度测量的光学测量仪器。比较测角仪除了用来测量楔形平板玻璃的楔角之外,还可以用来测量棱镜的角度。
图2.4为光学自准直比较测角仪的外形图。它是由自准直望远镜2和工作平台1组成。机型手柄3,可以使支架4在工作台两边摆动。松开手柄5,可以使弯臂6在支架的直槽中带动自准直望远镜上下移动和转动。松开手柄7,可以使镜管上下滑动。为了保证自准直望远镜能稳定地固定在任意位置上,工作台1也是整个仪器的沉重基座。同时,工作台1的表面是磨光的,需要时也可以作为一个反射面。
图2.5是光学自准直比较测角仪的光学结构示意图,自准直望远镜采用了阿贝式的自准直目镜,由目镜、保护玻璃、分划板、物镜、光源和照明棱镜组成。
分划板的刻线情况如图2.6所示。分划板上有两组刻线,一组是透明的水平刻线。另一组是不透明的垂直刻线。
其工作原理是:
光源通过照明棱镜的斜面反射,把分划板上的透明水平刻线照亮,由水平刻线发出的光束经过物镜后变成平行光,由被测件的前后表面反射回来,再经过物镜后在分划板上形成水平刻线的像。反射回来的像和分划板上不透过的垂直刻线相交。最后在目镜中看到的视场情况如图2.7所示。
这个光学系统的目镜光轴和物镜光轴并不是在同一直线上的,这样水平刻线经过被测件表面反射回来的像正好位于目镜的视场中央,所以能够在目镜视场中清晰地看到水平刻线的反射像和垂直刻线。在分划板附近有一个光阑限制了目镜中所看到的视场大小。
需要特别指出的是,前面已经提到测量楔形平板玻璃的楔角θ是应用公式θ=φ/(2n)来计算的,就是说通过测量被测楔形平板玻璃前后两个表面反射回来的像的角距离φ来计算θ的。而在制造这种光学自准直比较测角时,为了计算方便,分划板上的刻线间隔是按照φ/2来标注的。也就是说,从分划板上读得的角度值比实际的已经缩小了一半。因此,当用这种光学自准直比较测角仪进行测量时,从分划板上读出两个反射像分开的角度值φ后,只要直接除以折射率n,就是被测楔形平板玻璃的楔角θ了。
2.3 光学自准直比较测角仪的测量方法
测量时,首先要调整自准直望远镜,使它的光轴和工作台表面垂直。此时,通过目镜可以看到,由工作台表面直接反射回来的水平刻线的像。使水平刻线的反射像对准在垂直刻线的“0”刻度线位置。
将被测楔形平板玻璃放置在工作台上。为了防止从工作台表面反射回来的像在视场中干扰,可以在工作台上垫一张干净的白纸。这时,从目镜中可以看到被测楔形平板玻璃的前后两个表面反射回来的两个水平刻线的像。当转动被测件时,可以发现这两个反射像在相对地移动,而且间隔也在变化。这是由于楔形平板玻璃的楔角方向随着零件转动而变化的缘故。当零件转动到这样一个位置:视场中看见到的两个水平刻线的反射像与垂直刻线相交在同一个数值的刻线上,即如图2.7所示,这时就表明楔形平板玻璃的楔角方向已经在垂直刻线的方向上。这时也是两个水平刻线的反射像在垂直方向分开的距离最大的时候。此时从垂直刻线上可以读出两个反射像分开的角距离φ。
另外,除了测量楔形平板玻璃的楔角大小之外,有时还需要区分出被测楔形平板玻璃的厚薄端。这只需要判断出两个反射像中哪一个是由被测楔形平板玻璃的后表面返回来的。从图2.2和图2.3中可以看出,从后表面反射回来的像和楔形平板玻璃较厚的一端是在同一侧的。为此,可以在被测件的后表面哈口气,立刻放到工作台上,这时从目镜中可以观察到两个反射像中有一个像变模糊了,变模糊的反射像就是从被测件的后表面反射回来的像,而没有受到影响的反射像就是从被测件的前表面直接反射回来的像。所以,变模糊的像所在的一边就是被测楔形平板玻璃较厚的一端。
2.4 光学自准直比较测角仪的改造需求
本课题中要改造的光学自准直比较测角仪如图2.8,为JJC型1'比较测角仪,表2.1为其具体参数。分划板视场如图2.9,测量数度为1',量程范围为50'x50'。
表2.1 JJC型1'比较测角仪参数
型号
JJC-1'
测量范围
50'x50'
最小分度值
1'
读数方式
直读
仪器倍数
14倍
物镜焦距
280mm
市场售价
4500元
在光学加工企业,对于精度要求为1'以上的楔形镜、棱镜等光学零件,在加工过程中和加工完成后,都需要用到1'光学自准直比较测角仪来检验零件的角度,以保证产品的质量,所以该仪器在光学加工企业中的使用频率很高。测量人员长时间使用比较测角仪,通过单眼从狭窄且较暗的目镜视场中观测,眼睛很容易疲劳,检测效率降低,也可能会增大读数误差;当测量口径较小的光学零件时,由于反射的光强较弱,所以在目镜视场中的反射像很淡,不易分辨,测量人员很容易眼睛模糊;另外在调整比较测角仪时,需要一边观察目镜视场中分划板刻线的反射像,一边调整测角仪镜筒的俯仰和高低,注意镜筒是否接触到光学零件,无法同时看到目镜与镜筒的情况,操作比较不方便。所以迫切需要对光学自准比较测角仪进行视频化及数字化的改造。
比较测角仪的视频化,就是将图2.9的目镜视场成像在显示器上,使测量人员可以通过显示器直观的进行观测和判读。比较测角仪的数字化,就是通过计算机编程,识别图2.9中的分划刻尺,自动判读出测量结果。
根据1'光学自准直比较测角仪目前的使用情况,对其视频化及数字化的改造至少应该满足以下要求:
1)不降低测量精度;
2)不缩小量程范围;
3)不缩小能够测量的零件范围;
4)尽量不破坏仪器自身的结构;
5)方便测量人员的观测和操作。