移測顯微鏡十字叉絲定向器的研制和應用

梁小沖，朱　俊，饒大慶，汪仕元,李春秀，王海燕，樊　婷，謝程鋒

(四川大學 a.物理科學與技術學院；b.材料工程學院,四川 成都 610064)

移測顯微鏡十字叉絲定向器的研制和應用

梁小沖a，朱俊a，饒大慶a，汪仕元a,李春秀b，王海燕b，樊婷b，謝程鋒b

(四川大學 a.物理科學與技術學院；b.材料工程學院,四川 成都 610064)

摘要：分析了移測顯微鏡十字叉絲豎線與測量運動方向的不垂直度對測量精度的影響，設計了2種移測顯微鏡十字叉絲定向器. 用移測顯微鏡十字叉絲定向器精確調節十字叉絲豎線與測量運動方向的不垂直度，可以提高移測顯微鏡的測量精度，利用劈尖干涉原理制成的劈尖式移測顯微鏡十字叉絲定向器，因其干涉直條紋的粗細和疏密可以調節，使得十字叉絲定向調節效果更好，因而更有利于提高移測顯微鏡的測量精度.

關鍵詞：移測顯微鏡；十字叉絲；定向器；叉絲豎線；不垂直度；測量精度

1引言

移測顯微鏡是精密的觀察和測量儀器，應用廣泛，如牛頓環直徑、弦長的測量，劈尖干涉條紋以及雙棱鏡干涉條紋間距的測量等. 但是在測量圓環直徑及平行線間距等參量時，卻受到移測顯微鏡十字叉絲豎線與測量標尺不垂直度的影響. 由于在移測顯微鏡的設計制造時，測量標尺平行于測量運動導軌，也就是說測量標尺平行于測量運動方向，當十字叉絲豎線與測量標尺不垂直時，也就是當十字叉絲豎線與測量運動方向不垂直時，豎線與1個圓的2個切點之間的測量距離大于該圓實際直徑. 在測量平行線間距時，當待測平行線與測量運動方向不垂直時，兩平行線間的測量間距大于其實際間距. 現在的移測顯微鏡十字叉絲豎線與測量運動方向的垂直程度，也就是十字叉絲豎線與測量標尺的垂直程度是靠操作者目測調節的，因移測顯微鏡十字叉絲在鏡筒內，測量標尺又在鏡筒外，目測精度取決于操作者的感覺和經驗，由此移測顯微鏡十字叉絲豎線與測量標尺不垂直度就會較大，導致測量精度降低[1].

2移測顯微鏡十字叉絲定向器的設計

2.1　移測顯微鏡十字叉絲定向器

移測顯微鏡十字叉絲定向器的結構如圖1所示[2]. 在圖1中，長方座的上下2個底面平整、粗糙、摩擦力大，相互平行，中心軸連接在長方座上并垂直于底面，中心軸上端面刻有細十字叉絲，交叉點在中心軸的圓心處，標線板材質為有機玻璃，一面為毛面，另一面光滑，一端有圓孔，另一端有條形孔，標線板的毛面與長方座的上端面貼合，標線板的圓孔與中心軸成滑動配合，可繞中心軸旋轉，中心軸的上端面和標線板的光滑面平齊，標線板的光滑面上過圓孔中心和條形孔的中心刻1條細直線，可以擴展成1組平行細直線，也可以是1組以中心軸的軸心為圓心的放射線，壓板跨于標線板的條形孔上，螺釘穿過壓板和標線板的條形孔連接在長方座上. 使用時，將移測顯微鏡十字叉絲定向器放在移測顯微鏡的載物臺上，長方座、標線板的長度方向經目測平行于標尺，物鏡對準移測顯微鏡十字叉絲定向器中心軸的中央部位，調節移測顯微鏡目鏡和物鏡的焦距，看清中心軸上的刻線，移動長方座，使移測顯微鏡十字叉絲交點與移測顯微鏡十字叉絲定向器中心軸的細十字刻線交點重合，轉動測量手輪將移測顯微鏡移動到標線板上，輕推標線板繞中心軸轉動，使標線板上的細直線通過移測顯微鏡的十字叉絲交叉點，繼續移動移測顯微鏡，仔細觀察移測顯微鏡十字叉絲交叉點的運動軌跡與標線板細直線重合或平行的程度并不斷轉動標線板，直到移測顯微鏡十字叉絲交叉點的運動軌跡與標線板細直線重合或平行的程度滿意了，用一只手按住壓板，輕旋螺釘使壓板將標線板固定，轉動移測顯微鏡目鏡筒，使移測顯微鏡目鏡筒中分劃板上的十字叉絲橫線與標線板上的細直線重合或平行，然后固定移測顯微鏡目鏡筒，這樣就使移測顯微鏡的十字叉絲豎線垂直于測量運動方向了，即移測顯微鏡十字叉絲豎線垂直于測量標尺. 在測量圓環直徑時，只要測出移測顯微鏡十字叉絲豎線與圓環的2個切點的坐標值就行了，因為這2個切點之間的距離就是該圓的直徑，在測平行線間距時首先使1條平行線與移測顯微鏡十字叉絲的豎線重合或平行就可測量了.

(a)

(b)1.長方座　2.標線板　3.中心軸　4.十字刻線　5.細直線　6.壓板　7.螺釘.圖1　移測顯微鏡十字叉絲定向器結構示意圖

移測顯微鏡十字叉絲定向器可以幫助操作者準確調節十字叉絲的方向，提高測量精度. 但是，實際使用中發現還存在問題，就是標線板上的細直線雖然做得盡可能細，但是在顯微鏡中看起來仍然不夠細，使得十字叉絲的重合狀態不好觀察和準確判定.

為了克服移測顯微鏡十字叉絲定向器細直線在移測顯微鏡視場中看起來不夠細，應該設計出直線足夠細的十字叉絲定向器.

2.2　劈尖型移測顯微鏡十字叉絲定向器[3]

劈尖干涉產生平行直條紋，只要劈尖的夾角大些，干涉暗條紋就足夠細. 利用劈尖干涉產生的平行細直條紋代替實際加工的實體細直線，設計劈尖型移測顯微鏡十字叉絲定向器.

圖2是劈尖型移測顯微鏡十字叉絲定向器的構造圖. 劈尖型移測顯微鏡十字叉絲定向器主要由玻片、劈尖座、調節桿、頂桿和底座組成，下玻片放在玻片槽的底部，上玻片左端在下玻片左上，右端在頂桿之上，劈尖座在底座之上，調節桿固定在劈尖座的調節桿槽中，調節桿的右端穿在頂桿的矩形孔中，左端連接在調節螺釘上，由限位螺母限位，調節螺釘下部擰在底座螺孔中，上部處于劈尖座左端的轉動中心孔中，彈簧的一端在底座的彈簧孔中，另一端接觸劈尖座的側面，水平螺釘擰在底座的水平螺釘孔中， 水平螺釘端面接觸劈尖座的另一側面. 在牛頓環和劈尖等干涉圖像參量的測量中，借助反光鏡將單色光從玻片上方反射到上下玻片上，在移測顯微鏡中調節出清晰的劈尖干涉圖像，轉動底座，目測使干涉條紋平行于測量運動方向，轉動移測顯微鏡的轉動輪，觀察十字叉絲交叉點的運動方向，調節水平螺釘使劈尖座通過左端的轉動中心孔繞著調節螺釘在水平方向轉動，可以使干涉條紋平行于十字叉絲交叉點的運動軌跡，再緩慢轉動調節螺釘，通過調節桿推動上玻片頂桿上升，使上玻片右端緩慢升高，干涉條紋逐漸變細變密，當干涉暗條紋的寬度足夠細和十字叉絲交叉點與某條干涉暗條紋重合時，推動十字叉絲交叉點運動，仔細觀察十字叉絲交叉點的運動軌跡是否完全與干涉暗條紋重合，如此反復交替緩慢地轉動十字叉絲定向器的調節螺釘、水平螺釘和移測顯微鏡的測量轉輪，直到十字叉絲交叉點的運動軌跡和某條干涉暗條紋完全重合. 最后松開移測顯微鏡目鏡筒的鎖緊螺釘，轉動目鏡筒使十字叉絲橫線與該條干涉暗條紋重合，鎖緊目鏡筒，這時的十字叉絲豎線垂直于移測顯微鏡的測量運動方向. 可以直接轉動底座90°，讓干涉暗條紋與十字叉絲豎線重合，轉動調節螺釘使上玻片右端降低，干涉條紋間距加大，可準確地測出干涉條紋的間距，移開移測顯微鏡十字叉絲定向器，換上牛頓環裝置，調節出牛頓環的干涉圖像，可以用十字叉絲豎線與干涉圖像圓環相切的方式來測量圓環的直徑[4-5].

(a)縱剖面圖

(c)A-A結構1.劈尖座　2.上玻片　3.玻片槽　4.下玻片　5.調節螺釘　6.底座螺孔　7.底座　8.限位螺母　9.調節桿　10.球面墊　11.定位螺釘　12.調節桿槽13.上玻片頂桿　14.水平螺孔　15.彈簧孔16.彈簧　17.水平螺釘　18.轉動中心孔圖2　劈尖型移測顯微鏡十字叉絲定向器的構造圖

3測量牛頓環直徑和劈尖干涉條紋間距

用十字叉絲定向器調節十字叉絲方向后對牛頓環直徑和劈尖干涉條紋間距作多次測量，數據見表1～3. 表中“精確豎直”指移測顯微鏡十字叉絲豎線經過十字叉絲定向器精心調節成垂直于測量運動方向，“略有傾斜”和“明顯傾斜”都是指十字叉絲豎線不垂直于測量運動方向的程度，僅為測量者的主觀感覺.

表1　牛頓環直徑測量數據1

表2　牛頓環直徑測量數據2

表3　劈尖間距測量

4結果分析

4.1　牛頓環直徑的測量

表1~表2給出了牛頓環直徑測量值，D5和D15分別是從牛頓環干涉圖像中部第一清晰暗圓環開始向外數的暗圓環數所對應的圓直徑. 對比這些直徑可以看到，當移測顯微鏡十字叉絲豎線用十字叉絲定向器調整成精確垂直于測量運動方向時，所測圓環直徑最小；當十字叉絲豎線相對于運動方向略有傾斜時，所測直徑有所增大；當十字叉絲豎線相對于運動方向有明顯傾斜時，所測直徑最大. 這說明十字叉絲豎線相對于測量運動方向的傾斜程度對圓環直徑的測量是有明顯影響的，而且其傾斜程度越大，所測直徑誤差越大.D5數據表明也有這種現象，但沒有大直徑D15的趨勢明顯. 經觀察和分析得知，干涉級次較低的D5圓環較小，其直徑也較小，其暗條紋卻較寬，邊界不清晰，相反圓環干涉級次較高的D15圓環較大，其直徑也較大，暗條紋卻較窄，邊界較清晰，所以D15的數據能明顯地說明十字叉絲豎線傾斜度與圓環直徑大小的關系.

4.2　劈尖干涉條紋間距的測量

表3中記錄了不同劈尖的相同條紋數之間的距離，這些數據表明，十字叉絲豎線經過十字叉絲定向器調整后與測量運動方向成精確垂直狀態、干涉條紋平行于十字叉絲豎線時，所測條紋間距最短，干涉條紋相對于測量運動方向傾斜了，條紋間距就增大，這種傾斜度越大，所測條紋間距也越大. 在實際測量平行條紋間距時，條紋與測量運動方向是否相互垂直只有2種判斷標準：1)和十字叉絲豎線重合或平行；2)操作者憑經驗目測. 顯然，目測的精度是靠不住的. 如果十字叉絲豎線與測量運動方向的垂直度都是目測的，其測量結果的精度也就難以保障.

5結束語

根據以上理論探討和實際測量結果分析，可以得出移測顯微鏡十字叉絲豎線與測量運動方向不垂直對測量精度有影響，不垂直度越大，測量精度越差；移測顯微鏡十字叉絲定向器有助于調節十字叉絲豎線與測量運動方向的垂直度，劈尖型十字叉絲定向器的調節效果更好. 隨著科學技術不斷深入發展，對測量技術及其測量精度的要求不斷提高，移測顯微鏡十字叉絲定向器的重要性將會更加明顯.

參考文獻：

[1]王植恒,何原,朱俊. 大學物理實驗[M]. 北京：高等教育出版社,2008：209-212.

[2]汪仕元,夏瑩,梁冰. 移測顯微鏡十字叉絲定向器：中國,ZL201110068438.X [P]. 2013-3-20.

[3]朱俊,汪仕元，張禮元，等. 新型移測顯微鏡十字叉絲定向器：中國,ZL201320679568.1[P]. 2014-4-9.

[4]王道光,孫鐳,周紅生. 雙棱鏡牛頓環干涉法測曲率半徑[J]. 物理與工程，2010,20(3):33-36.

[5]呂林霞,宋金蟠,張鴻軍,等. 厚干涉實驗的研究探索[J]. 實驗室科學，2010,13(4):108-110.

[6]宋金蟠, 張萍,仲志國. 將牛頓環實驗改造為綜合性實驗[J]. 實驗技術與管理，2010,27(12):58-65.

[責任編輯：郭偉]

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

中圖分類號：O435.1;TH742

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)03-0028-05

通訊作者：朱俊(1962-),男,四川渠縣人,四川大學物理科學與技術學院教授,研究方向為納米物理與新材料的原子分子設計與合成、光與原子分子相互作用等.

作者簡介：梁小沖(1986-)，男，遼寧鞍山人，四川大學物理科學與技術學院實驗師，碩士，從事大學物理實驗教學.

收稿日期：2014-06-25；修改日期：2014-08-24

“第8屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

資助項目：四川大學新世紀教改項目六期(No.SCUY044)