顧耀宗/上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

第三十三講 光切顯微鏡

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

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

0.8 μm時(shí)，該儀器無法測(cè)量。

圖1 光切顯微鏡外形結(jié)構(gòu)圖

光切顯微鏡以光切法工作原理測(cè)量表面粗糙度的輪廓峰高和谷深，其測(cè)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(xì)窄的光帶（狹縫）以45°傾斜角投影到被測(cè)表面上，光帶與表面相截的交線便反映出被測(cè)表面的微觀不平度輪廓形狀。這條光帶影像，可以從對(duì)應(yīng)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(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡照亮狹縫，通過組合物鏡把狹縫成像于被測(cè)表面上，形成一條細(xì)窄光帶。投影狹縫像的顯微鏡光軸與被測(cè)表面法線成45°角，光帶由表面反射進(jìn)入觀察鏡管。表面輪廓的波峰在S點(diǎn)反射，波谷在S′點(diǎn)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(diǎn)和a′點(diǎn)，測(cè)出這兩點(diǎn)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(cè)件工作表面的峰谷點(diǎn)；S′1、S′2是成像在分劃板上的S1、S2點(diǎn)；a為光帶投射工作表面的夾角；h″是在目鏡視場(chǎng)中經(jīng)放大了的工件表面峰谷深度。

2 光切顯微鏡的定度

對(duì)應(yīng)于不同放大倍率的各對(duì)物鏡，每臺(tái)光切顯微鏡的實(shí)際放大倍率是不完全相同的。因此在使用該類儀器時(shí)，先需用儀器附帶的0.01 mm線紋尺對(duì)光切顯微鏡的定度，即確定不同物鏡放大倍率時(shí)，測(cè)微目鏡鼓輪的實(shí)際分度值c。

在定度時(shí)，將0.01 mm線紋尺置于光切顯微鏡的平工作臺(tái)上，調(diào)節(jié)儀器使線紋尺分度線清晰地成像在視場(chǎng)中央，并使分度線與光帶垂直。再將測(cè)微目鏡分劃板中十字線交點(diǎn)的移動(dòng)方向調(diào)節(jié)至與光帶平行。轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微目鏡鼓輪使十字線交點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)線紋尺某一分度線，如圖3中實(shí)線所示，在測(cè)微目鏡分劃板和鼓輪上讀數(shù)N1，然后移動(dòng)十字線交點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)線紋尺另一分度線，如圖3中虛線所示，并讀取N2，則測(cè)微鼓輪測(cè)出線紋尺所選線段的長(zhǎng)度L=N2-N1。取三次測(cè)量結(jié)果的平均值為L(zhǎng)平均。由式（2）計(jì)算測(cè)微鼓輪的分度值：

式中：m─ 線紋尺所選線段包含的分度數(shù)；

z─ 線紋尺的分度值0.01 mm。

圖3 測(cè)微目鏡鼓輪分度值c的標(biāo)定示意圖

3 光切顯微鏡示值誤差的校準(zhǔn)方法

光切顯微鏡的示值誤差采用相對(duì)誤差表示。各倍物鏡相對(duì)示值誤差的要求和校準(zhǔn)時(shí)使用的單分度線標(biāo)準(zhǔn)樣板的分度線深度規(guī)格見表1。

表1 光切顯微鏡示值誤差的要求和校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)樣板的深度

校準(zhǔn)時(shí)，將單分度線標(biāo)準(zhǔn)樣板（以下簡(jiǎn)稱樣板）置于工作臺(tái)上，調(diào)節(jié)儀器使樣板在視場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)清晰的圖像。借助工作臺(tái)微分筒移動(dòng)樣板，使樣板主分度線連同兩個(gè)記號(hào)一起，呈現(xiàn)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(zhǎng)邊垂直。然后轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微目鏡鼓輪使水平線平行于狹縫圖像的邊緣，再次調(diào)節(jié)儀器，使分度線圖像清晰。轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)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(cè)微鼓輪讀數(shù)a1。然后轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)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(cè)微鼓輪讀數(shù)a2。在測(cè)量分度線深度h時(shí)應(yīng)進(jìn)行3次調(diào)焦，各次調(diào)焦要進(jìn)行3次讀數(shù)，樣板的分度線深度取9次測(cè)得深度的平均值。

圖4 分度線深度測(cè)量示意圖

對(duì)于十字線分劃板的測(cè)微目鏡，樣板分度線Hc按式（3）計(jì)算：

對(duì)于水平線分劃板的測(cè)微目鏡，樣板分度線Hc按式（4）計(jì)算：

式中：c─ 在使用該對(duì)物鏡時(shí)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)樣板檢定證書上標(biāo)明的分度線深度（μm）。