移测显微镜十字叉丝定向器的研制和应用

梁小冲，朱　俊，饶大庆，汪仕元,李春秀，王海燕，樊　婷，谢程锋

(四川大学 a.物理科学与技术学院；b.材料工程学院,四川 成都 610064)

移测显微镜十字叉丝定向器的研制和应用

梁小冲a，朱俊a，饶大庆a，汪仕元a,李春秀b，王海燕b，樊婷b，谢程锋b

(四川大学 a.物理科学与技术学院；b.材料工程学院,四川 成都 610064)

摘要：分析了移测显微镜十字叉丝竖线与测量运动方向的不垂直度对测量精度的影响，设计了2种移测显微镜十字叉丝定向器. 用移测显微镜十字叉丝定向器精确调节十字叉丝竖线与测量运动方向的不垂直度，可以提高移测显微镜的测量精度，利用劈尖干涉原理制成的劈尖式移测显微镜十字叉丝定向器，因其干涉直条纹的粗细和疏密可以调节，使得十字叉丝定向调节效果更好，因而更有利于提高移测显微镜的测量精度.

关键词：移测显微镜；十字叉丝；定向器；叉丝竖线；不垂直度；测量精度

1引言

移测显微镜是精密的观察和测量仪器，应用广泛，如牛顿环直径、弦长的测量，劈尖干涉条纹以及双棱镜干涉条纹间距的测量等. 但是在测量圆环直径及平行线间距等参量时，却受到移测显微镜十字叉丝竖线与测量标尺不垂直度的影响. 由于在移测显微镜的设计制造时，测量标尺平行于测量运动导轨，也就是说测量标尺平行于测量运动方向，当十字叉丝竖线与测量标尺不垂直时，也就是当十字叉丝竖线与测量运动方向不垂直时，竖线与1个圆的2个切点之间的测量距离大于该圆实际直径. 在测量平行线间距时，当待测平行线与测量运动方向不垂直时，两平行线间的测量间距大于其实际间距. 现在的移测显微镜十字叉丝竖线与测量运动方向的垂直程度，也就是十字叉丝竖线与测量标尺的垂直程度是靠操作者目测调节的，因移测显微镜十字叉丝在镜筒内，测量标尺又在镜筒外，目测精度取决于操作者的感觉和经验，由此移测显微镜十字叉丝竖线与测量标尺不垂直度就会较大，导致测量精度降低[1].

2移测显微镜十字叉丝定向器的设计

2.1　移测显微镜十字叉丝定向器

移测显微镜十字叉丝定向器的结构如图1所示[2]. 在图1中，长方座的上下2个底面平整、粗糙、摩擦力大，相互平行，中心轴连接在长方座上并垂直于底面，中心轴上端面刻有细十字叉丝，交叉点在中心轴的圆心处，标线板材质为有机玻璃，一面为毛面，另一面光滑，一端有圆孔，另一端有条形孔，标线板的毛面与长方座的上端面贴合，标线板的圆孔与中心轴成滑动配合，可绕中心轴旋转，中心轴的上端面和标线板的光滑面平齐，标线板的光滑面上过圆孔中心和条形孔的中心刻1条细直线，可以扩展成1组平行细直线，也可以是1组以中心轴的轴心为圆心的放射线，压板跨于标线板的条形孔上，螺钉穿过压板和标线板的条形孔连接在长方座上. 使用时，将移测显微镜十字叉丝定向器放在移测显微镜的载物台上，长方座、标线板的长度方向经目测平行于标尺，物镜对准移测显微镜十字叉丝定向器中心轴的中央部位，调节移测显微镜目镜和物镜的焦距，看清中心轴上的刻线，移动长方座，使移测显微镜十字叉丝交点与移测显微镜十字叉丝定向器中心轴的细十字刻线交点重合，转动测量手轮将移测显微镜移动到标线板上，轻推标线板绕中心轴转动，使标线板上的细直线通过移测显微镜的十字叉丝交叉点，继续移动移测显微镜，仔细观察移测显微镜十字叉丝交叉点的运动轨迹与标线板细直线重合或平行的程度并不断转动标线板，直到移测显微镜十字叉丝交叉点的运动轨迹与标线板细直线重合或平行的程度满意了，用一只手按住压板，轻旋螺钉使压板将标线板固定，转动移测显微镜目镜筒，使移测显微镜目镜筒中分划板上的十字叉丝横线与标线板上的细直线重合或平行，然后固定移测显微镜目镜筒，这样就使移测显微镜的十字叉丝竖线垂直于测量运动方向了，即移测显微镜十字叉丝竖线垂直于测量标尺. 在测量圆环直径时，只要测出移测显微镜十字叉丝竖线与圆环的2个切点的坐标值就行了，因为这2个切点之间的距离就是该圆的直径，在测平行线间距时首先使1条平行线与移测显微镜十字叉丝的竖线重合或平行就可测量了.

(a)

(b)1.长方座　2.标线板　3.中心轴　4.十字刻线　5.细直线　6.压板　7.螺钉.图1　移测显微镜十字叉丝定向器结构示意图

移测显微镜十字叉丝定向器可以帮助操作者准确调节十字叉丝的方向，提高测量精度. 但是，实际使用中发现还存在问题，就是标线板上的细直线虽然做得尽可能细，但是在显微镜中看起来仍然不够细，使得十字叉丝的重合状态不好观察和准确判定.

为了克服移测显微镜十字叉丝定向器细直线在移测显微镜视场中看起来不够细，应该设计出直线足够细的十字叉丝定向器.

2.2　劈尖型移测显微镜十字叉丝定向器[3]

劈尖干涉产生平行直条纹，只要劈尖的夹角大些，干涉暗条纹就足够细. 利用劈尖干涉产生的平行细直条纹代替实际加工的实体细直线，设计劈尖型移测显微镜十字叉丝定向器.

图2是劈尖型移测显微镜十字叉丝定向器的构造图. 劈尖型移测显微镜十字叉丝定向器主要由玻片、劈尖座、调节杆、顶杆和底座组成，下玻片放在玻片槽的底部，上玻片左端在下玻片左上，右端在顶杆之上，劈尖座在底座之上，调节杆固定在劈尖座的调节杆槽中，调节杆的右端穿在顶杆的矩形孔中，左端连接在调节螺钉上，由限位螺母限位，调节螺钉下部拧在底座螺孔中，上部处于劈尖座左端的转动中心孔中，弹簧的一端在底座的弹簧孔中，另一端接触劈尖座的侧面，水平螺钉拧在底座的水平螺钉孔中， 水平螺钉端面接触劈尖座的另一侧面. 在牛顿环和劈尖等干涉图像参量的测量中，借助反光镜将单色光从玻片上方反射到上下玻片上，在移测显微镜中调节出清晰的劈尖干涉图像，转动底座，目测使干涉条纹平行于测量运动方向，转动移测显微镜的转动轮，观察十字叉丝交叉点的运动方向，调节水平螺钉使劈尖座通过左端的转动中心孔绕着调节螺钉在水平方向转动，可以使干涉条纹平行于十字叉丝交叉点的运动轨迹，再缓慢转动调节螺钉，通过调节杆推动上玻片顶杆上升，使上玻片右端缓慢升高，干涉条纹逐渐变细变密，当干涉暗条纹的宽度足够细和十字叉丝交叉点与某条干涉暗条纹重合时，推动十字叉丝交叉点运动，仔细观察十字叉丝交叉点的运动轨迹是否完全与干涉暗条纹重合，如此反复交替缓慢地转动十字叉丝定向器的调节螺钉、水平螺钉和移测显微镜的测量转轮，直到十字叉丝交叉点的运动轨迹和某条干涉暗条纹完全重合. 最后松开移测显微镜目镜筒的锁紧螺钉，转动目镜筒使十字叉丝横线与该条干涉暗条纹重合，锁紧目镜筒，这时的十字叉丝竖线垂直于移测显微镜的测量运动方向. 可以直接转动底座90°，让干涉暗条纹与十字叉丝竖线重合，转动调节螺钉使上玻片右端降低，干涉条纹间距加大，可准确地测出干涉条纹的间距，移开移测显微镜十字叉丝定向器，换上牛顿环装置，调节出牛顿环的干涉图像，可以用十字叉丝竖线与干涉图像圆环相切的方式来测量圆环的直径[4-5].

(a)纵剖面图

(c)A-A结构1.劈尖座　2.上玻片　3.玻片槽　4.下玻片　5.调节螺钉　6.底座螺孔　7.底座　8.限位螺母　9.调节杆　10.球面垫　11.定位螺钉　12.调节杆槽13.上玻片顶杆　14.水平螺孔　15.弹簧孔16.弹簧　17.水平螺钉　18.转动中心孔图2　劈尖型移测显微镜十字叉丝定向器的构造图

3测量牛顿环直径和劈尖干涉条纹间距

用十字叉丝定向器调节十字叉丝方向后对牛顿环直径和劈尖干涉条纹间距作多次测量，数据见表1～3. 表中“精确竖直”指移测显微镜十字叉丝竖线经过十字叉丝定向器精心调节成垂直于测量运动方向，“略有倾斜”和“明显倾斜”都是指十字叉丝竖线不垂直于测量运动方向的程度，仅为测量者的主观感觉.

表1　牛顿环直径测量数据1

表2　牛顿环直径测量数据2

表3　劈尖间距测量

4结果分析

4.1　牛顿环直径的测量

表1~表2给出了牛顿环直径测量值，D5和D15分别是从牛顿环干涉图像中部第一清晰暗圆环开始向外数的暗圆环数所对应的圆直径. 对比这些直径可以看到，当移测显微镜十字叉丝竖线用十字叉丝定向器调整成精确垂直于测量运动方向时，所测圆环直径最小；当十字叉丝竖线相对于运动方向略有倾斜时，所测直径有所增大；当十字叉丝竖线相对于运动方向有明显倾斜时，所测直径最大. 这说明十字叉丝竖线相对于测量运动方向的倾斜程度对圆环直径的测量是有明显影响的，而且其倾斜程度越大，所测直径误差越大.D5数据表明也有这种现象，但没有大直径D15的趋势明显. 经观察和分析得知，干涉级次较低的D5圆环较小，其直径也较小，其暗条纹却较宽，边界不清晰，相反圆环干涉级次较高的D15圆环较大，其直径也较大，暗条纹却较窄，边界较清晰，所以D15的数据能明显地说明十字叉丝竖线倾斜度与圆环直径大小的关系.

4.2　劈尖干涉条纹间距的测量

表3中记录了不同劈尖的相同条纹数之间的距离，这些数据表明，十字叉丝竖线经过十字叉丝定向器调整后与测量运动方向成精确垂直状态、干涉条纹平行于十字叉丝竖线时，所测条纹间距最短，干涉条纹相对于测量运动方向倾斜了，条纹间距就增大，这种倾斜度越大，所测条纹间距也越大. 在实际测量平行条纹间距时，条纹与测量运动方向是否相互垂直只有2种判断标准：1)和十字叉丝竖线重合或平行；2)操作者凭经验目测. 显然，目测的精度是靠不住的. 如果十字叉丝竖线与测量运动方向的垂直度都是目测的，其测量结果的精度也就难以保障.

5结束语

根据以上理论探讨和实际测量结果分析，可以得出移测显微镜十字叉丝竖线与测量运动方向不垂直对测量精度有影响，不垂直度越大，测量精度越差；移测显微镜十字叉丝定向器有助于调节十字叉丝竖线与测量运动方向的垂直度，劈尖型十字叉丝定向器的调节效果更好. 随着科学技术不断深入发展，对测量技术及其测量精度的要求不断提高，移测显微镜十字叉丝定向器的重要性将会更加明显.

参考文献：

[1]王植恒,何原,朱俊. 大学物理实验[M]. 北京：高等教育出版社,2008：209-212.

[2]汪仕元,夏莹,梁冰. 移测显微镜十字叉丝定向器：中国,ZL201110068438.X [P]. 2013-3-20.

[3]朱俊,汪仕元，张礼元，等. 新型移测显微镜十字叉丝定向器：中国,ZL201320679568.1[P]. 2014-4-9.

[4]王道光,孙镭,周红生. 双棱镜牛顿环干涉法测曲率半径[J]. 物理与工程，2010,20(3):33-36.

[5]吕林霞,宋金蟠,张鸿军,等. 厚干涉实验的研究探索[J]. 实验室科学，2010,13(4):108-110.

[6]宋金蟠, 张萍,仲志国. 将牛顿环实验改造为综合性实验[J]. 实验技术与管理，2010,27(12):58-65.

[责任编辑：郭伟]

Development and application of directional apparatus of reading microscope crosshairs

LIANG Xiao-chonga, ZHU Juna, RAO Da-qinga, WANG Shi-yuana,

LI Chun-xiub, WANG Hai-yanb, FAN Tingb, XIE Cheng-fengb

(a.College of Physical Science and Technology Sichuan University;

b.College of Material Science and Engineering， Sichuan University, Chengdu 610064, China)

Abstract:The influence of the non-perpendicularity between the crosshairs vertical line of reading microscope and the direction of movement on the measuring accuracy was analyzed. And two directional apparatus of reading microscope crosshairs were designed. The non-perpendicularity between the crosshairs vertical line of reading microscope and the direction of movement to the measuring accuracy can be adjusted by the directional apparatus, therefore the measuring accuracy could be improved. The directional apparatus of crosshairs was made of the wedge based on the principle of the wedge interference. The fact that the thickness and density of interfering fringes can be adjusted makes the crosshairs to have better directional adjustment, and makes it more possible to improve the measuring accuracy of the reading microscope.

Key words:reading microscope; crosshairs; directional apparatus; crosshairs vertical line; non-perpendicularity; measuring accuracy

中图分类号：O435.1;TH742

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)03-0028-05

通讯作者：朱俊(1962-),男,四川渠县人,四川大学物理科学与技术学院教授,研究方向为纳米物理与新材料的原子分子设计与合成、光与原子分子相互作用等.

作者简介：梁小冲(1986-)，男，辽宁鞍山人，四川大学物理科学与技术学院实验师，硕士，从事大学物理实验教学.

收稿日期：2014-06-25；修改日期：2014-08-24

“第8届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

资助项目：四川大学新世纪教改项目六期(No.SCUY044)