2.1.2. Микроскопические измерения

Измерительный микроскоп и его характеристики

О птическая система измерительного микроскопа состоит из трех компонентов - объектива, окуляра и сетки (системы сеток) отсчетной системы. (рис.2.5.).

Предмет (шкала) находится перед объективом на расстоянии несколько большим, чем . Объектив образует действительное, увеличенное и перевернутое изображение предмета в передней фокальной плоскости окуляра. Это промежуточное изображение является предметом для окуляра. Окуляр дает мнимое увеличенное изображение предмета в бесконечности.

В передней фокальной плоскости окуляра расположена сетка, которая видна в окуляр одновременно с изображением объекта, что дает возможность по шкале сетки определить его размеры. При этом действительный размер объекта будет в раз меньше, измеренного по сетке ( - увеличение объектива).

Расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра  называется оптической длиной тубуса микроскопа (рис.2.6). Для каждого объектива величина  имеет свое значение в пределах 150-200 мм. Чтобы выдержать это расстояние, положение объектива при его установке в микроскоп фиксируется нижним срезом тубуса микроскопа, в который упирается оправа объектива. На верхний срез тубуса опирается оправа окуляра. Расстояние от нижнего до верхнего среза тубуса называется механической длиной тубуса. Она стандартизована (160-190 мм). Номиналы увеличений, указанные на оправе объектива, соответствуют реальным только при стандартной длине тубуса. Во всех других случаях увеличение объектива должно быть определено.

У объективов малых увеличений апертурной диафрагмой и входным зрачком служит оправа объектива. Ее изображение через окуляр получается за точкой и служит выходным зрачком всего микроскопа.

В сложных объективах апертурной диафрагмой является специальная диафрагма, установленная в задней фокальной плоскости объектива. При этом входной зрачок всей системы микроскопа лежит в бесконечности, а выходной - в задней фокальной плоскости микроскопа.

Линейное поле микроскопа резко ограничивается полевой диафрагмой, установленной в плоскости промежуточного изображения - передней фокальной плоскости окуляра, где находится сетка.

Основные характеристики микроскопа.

Видимое увеличение микроскопа определяется увеличением объектива и окуляр

, (2.2)

, (2.3)

. (2.4)

Линейное поле микроскопа (диапазон измерения) ограничивается диаметром полевой диафрагмы

С другой стороны диаметр полевой диафрагмы зависит от углового поля окуляра

,

(2.5)

Числовая апертура А характеризует светосилу микроскопа и разрешающую способность.

(2.6)

п -показатель преломления среды между объектом и объективом. Для измерительных микроскопов иммерсия не применяется и п =1.

Диаметр выходного зрачка определяется фокусом и апертурным углом окуляра.

(2.7)

Если диаметр выходного зрачка микроскопа значительно меньше диаметра зрачка глаза, то метрологические характеристики зрения полностью не используются, а для обеспечения достаточной освещенности изображения на сетчатке требуется интенсивное освещение объекта.

Разрешающая способность  .

Из дифракционной теории образования изображения в микроскопе:

(2.8)

В пространстве изображений расстояние между двумя разрешающими точками :

.

Для того, чтобы глаз видел раздельно две точки, находящиеся на расстоянии это расстояние должно быть согласовано с линейным пределом разрешения глаза :

Учитывая малый диаметр выходного зрачка микроскопа и низкую контрастность объектов, угловой предел разрешения глаза принимают

;

;

  0,290 мм ;

0,145  0,290 мм.

Минимальное видимое увеличение, при котором глаз полностью использует разрешающую способность микроскопа называют полезным;

при  = 0,55 мкм = 0,00055 мм

500А   1000А (2.9)

Микроскоп, увеличение которого меньше 500А не дает возможность различать те объекты, которые разрешает объектив с апертурой А. Увеличение, превышающее 1000А не обеспечивает выявление новых деталей предмета.

Глубина изображаемого пространства Т - должна обеспечивать одновременное наблюдение нескольких сеток и изображения объекта, а глубина изображаемого пространства микроскопа - измеряемого объекта и его элементов (рис.2.7).

Однако чрезмерное увеличение глубины изображаемого пространства в измерительном микроскопе может привести к тому, что одновременно будут наблюдаться "мешающие" элементы (дефекты в материале, на котором нанесена шкала и т.п.).

Для окуляра :

(2.10)

мм

Полная глубина изображаемого пространства микроскопа является суммой трех глубин аккомодационной , геометрической , дифракционной .

(2.11)

В микроскопах с сеткой глаз аккомодирован на изображение сетки и

(2.12)

(2.13)

Нередко микроскоп фокусируют на изображение объекта, построенное испытуемой оптической системой. При этом высокая точность установки может быть получена при условии, что числовая апертура объектива микроскопа равна или несколько больше апертуры испытуемого объектива.

В этом случае чувствительность поперечной наводки в линейной мере вычисляется по формуле Захарьевского

(2.14)

где а =0,05мкм,  - передний апертурный угол оптической системы (рад).

Точность продольной установки примерно в 15-40 раз меньше и составляет:

(2.15)

где b=0,2 мкм

1. А = 0,11 2. А = 0,11

мкм

С ростом апертуры отношение уменьшается

1. А = 0,3 2. А = 0,3

мкм.

Отсчетные системы измерительных микроскопов

Системы прямого отсчитывания

Под прямым отсчитыванием понимается снятие отсчета по шкалам без предварительного совмещения изображения штрихов. Оптические системы в таких устройствах предназначены только для увеличения видимых размеров делений шкал и объекта.

По шкале визирного микроскопа МИР-2 производят непосредственное измерение объектов небольшого размера, изображение которых не превышает длины шкалы (диапазон измерений). Реальный размер объекта будет в раз меньше, где - увеличение объектива микроскопа (рис.2.8а).

В оптической делительной головке ОДГ-60 используются две шкалы - подвижная градусная, расположенная на месте объекта (С ) и неподвижная окулярная ( ), имеющая 60 малых делений, т.е. цена одного деления равна 1 (рис.2.8б).

В шкалах поперечного масштаба используются две сетки - подвижная миллиметровая ( ) и неподвижная окулярная (рис.2.9). Большой миллиметровый интервал окулярной шкалы ( ) разделен биссекторами по горизонтали на десять частей с ценой деления 0,1 мм. В свою очередь, каждый малый интервал с ценой деления 0,1 мм разделен также на десять частей с помощью одиннадцати биссекторов, разнесенных по вертикали и сдвинутых по горизонтали на одинаковую величину - 0,01 мм. Т.о. миллиметровая шкала оказывается интерполированной на 100 делений.

При высоком качестве изображения возможна оценка "на глаз" тысячных долей миллиметра.

Отсчетные системы с микрометрами

Оптико-механические микрометры - это отсчетные устройства, содержащие оптически сопряженные подвижные и неподвижные шкалы, причем цена деления подвижной шкалы в несколько раз меньше цены деления неподвижной шкалы за счет чего происходит ее интерполяция.

Перемещение подвижной шкалы производится механическим способом.

Оптико-механические микрометры предназначены для непосредственных линейных измерений объектов, изображение которых, даваемое оптической системой, не превышают предела перемещения шкалы микрометра.

Оптико-механические микрометры называют окулярными, если они установлены в плоскости сетки окуляра, экранными, если они установлены в плоскости экрана, на который проектируется изображение объекта и объектными, если они устанавливаются в плоскости измеряемого объекта.

Винтовой окулярный микрометр МОВ-1-15

В фокальной плоскости окуляра находится неподвижная сетка с миллиметровыми делениями ( ) и почти вплотную к ней - подвижная сетка ( ), на которой нанесены перекрестие и биштрих (рис.2.10). Перемещение этой сетки осуществляется вращением барабана микрометрического винта с шагом 1 мм. Барабан имеет 100 делений, следовательно миллиметровая шкала интерполируется на 100 делений, т.е. цена деления барабанной шкалы составляет 0,01 мм.

В окуляр одновременно видны три изображения - сеток и и измеряемого объекта, причем изображение объекта располагается между сетками.

Отсчет берется по шкале (относительно индекса ) и по шкале барабана после наведения перекрестия на край измеряемого объекта.

Спиральный окулярный микрометр ОМС.

Микрометр является частью отсчетных микроскопов и служит для точного отсчета по линейным шкалам в длинномерах, компараторах, сферометрах и т.п.

Миллиметровая шкала ( ) проецируется объективом в плоскость между неподвижной ( ) и поворотной ( ) сетками. На неподвижной окулярной сетке нанесена линейная шкала (10 делений) и индекс (рис.2.11). На сетке, поворачиваемой от маховичка, нанесены одиннадцать витков двойной спирали Архимеда и круговая шкала, разделенная на 100 частей.

В поле зрения видны три шкалы: (один штрих в зоне неподвижной сетки ), неподвижная ( ), десять интервалов которой соответствуют одному интервалу и поворотная круговая шкала ( ), которая интерполирует неподвижную шкалу на 100 делений. Т.о. цена деления микрометра составляет 0,001 мм.

Для проведения отсчета необходимо поворотом маховичка установить поворотную шкалу так, чтобы штрих миллиметровой шкалы , находящийся в зоне витков спирали Архимеда, оказался точно посередине между линиями ближайшего витка спирали (биссекторная установка). Индексом для отсчета миллиметров служит нулевой штрих сетки . По этой же шкале отсчитываются десятые доли миллиметров (отрезок от нулевого штриха до видимого штриха миллиметровой шкалы ). Сотые и тысячные доли миллиметров отсчитываются по круговой шкале .

Оптические компенсаторы.

В оптических компенсаторах изображение основной "грубой" шкалы (линейной или круговой) перемещается в небольших пределах относительно неподвижной окулярной шкалы. Такое перемещение изображения осуществляется оптическим способом, т.е. изменением положения оптических деталей. Смещение оптической детали связано с перемещением точной шкалы, которая осуществляет интерполирование "грубой".

Во всех оптических компенсаторах малой величине смещения изображения основной шкалы соответствует большое смещение подвижной шкалы, чем и достигается высокая точность отсчета (рис.2.12).

В оптико-механических измерительных приборах применяют, в основном три типа компенсаторов:

• с плоскопараллельной пластиной;

• с подвижными клиньями;

• линзовые компенсаторы.

Компенсатор с плоскопараллельной пластинкой использует свойство наклонной пластинки смещать прошедший через нее луч.

В оптической делительной головке ОДГ-1 пластина компенсатора жестко связана с подвижной сеткой окуляра отсчетного микроскопа ( ). При повороте на угол  происходит смещение изображений градусных делений лимба на величину C относительно неподвижной окулярной шкалы с ценой деления 10 ( ) и одновременно смещение подвижной сетки на величину l относительно индекса. При смещении изображения лимба на 10 подвижная сетка смещается на 60 делений. Таким образом, цена одного деления подвижной сетки равна 10 (рис.2.13).