改善傳統幾何量光學測量儀器照明問題

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一、傳統光路特點

目前，市場上在用的傳統幾何量光學測量儀器主要有萬能工具顯微鏡、測長機、光學分度頭等，一般都包括瞄準測量光路和讀數系統光路兩部分。隨著技術的不斷更新，儀器的讀數系統逐漸被光柵和數顯系統所替代，但測量瞄準系統仍然未變，這類測量瞄準系統均采用物方無窮遠光路，由放置在聚光鏡物方焦點上的光源提供照明，經聚光鏡后形成一束平行光照射被測件，由顯微瞄準系統進行定位并測量。因此，整個光路的光照質量對測量瞄準有著重要影響（讀數系統則關系到刻線的清晰度），但由于整個光學系統在使用過程中受到空氣中酸性物質的長期侵蝕，其光學零件表面的鍍膜層發生退化或消失，都將影響光能傳輸，從而降低光學系統的光通量。影響光學系統質量的另一個因素是照明光源，理論上該光源應為點光源，以保證經聚光鏡出射的是平行光。但實際所用的光源通常是由專用的照明燈泡來提供，需要將燈絲（并非真正意義的點光源）的位置調整到聚光鏡的焦點上（如果更換照明燈泡，還需要進行再次調整）。但由于各種市場因素的影響，目前能購置到的這種專用燈泡的質量已大不如前，主要是其燈絲不一定就位于燈泡的軸線上，因此在調整時很難將燈絲精準定位于聚光鏡的焦點上，造成經聚光鏡出射的光束不是平行光，從而影響了測量的質量。另外，有些照明燈泡的功率較大，長期使用后，其發熱也會影響到光學零件的壽命和形狀，也是造成這類儀器長期使用后性能下降的原因之一。基于以上諸多因素的影響，造成這類光學儀器出現視場亮度低、分劃板對比度差、刻線目力不易分辨、瞄不準等現象，直接加大了操作人員的工作難度，并且容易出現錯誤的測量結果。因此，改善光路系統的亮度和清晰度就成為使用這類光學測量儀器的基本要求。

二、改善方法和效果

LED燈具有其亮度高、發熱低、壽命長等優點，特別是其結構特點，與筆者所要求的點光源十分接近，因此嘗試使用LED燈替代原有的專用燈泡照明，是一個較為理想的選擇。筆者單位在用的投影測長機和光學分度頭（投影窗瞄準讀數）都是前述傳統的光路照明方式，儀器使用已近20年，其中所用的專用燈泡也已經購置過無數次。筆者就嘗試用LED燈照明來替代現有的傳統照明。由于LED照明配有專門的驅動器，致使其電氣部分的連接和安裝相當簡單。本次選擇了3W的LED燈泡，其亮度會隨供電電流的變化而改變。經過安裝并實際調試實驗后，發現電流增加亮度提高后，視場內的亮度并沒有發生明顯的改變，也未造成LED燈發熱，因此就將其工作電流確定在300mA左右，供電電壓在（4~6）V之間，通過計算，LED燈的功率在1.5W左右。接下來就是將LED燈固定在儀器燈座上，此時需要根據儀器燈座的具體結構進行改造。對于投影測長機，筆者選擇了對原有專用燈泡座進行改造，將玻璃泡去掉，用玻璃膠將LED燈粘接在這個位置的中心處，然后將改裝的LED燈裝到投影測長機的尾座燈座位置（頭座的光學計光源也按此方法進行改造）。經過簡單調整LED燈的位置后，在分米讀數窗中即可看到較為清晰的分米和毫米刻線，相比未改造之前的視窗亮度有了很大的提高和改善。此外，LED燈的耗電量低、發熱低，經過近半年的使用，效果穩定。采取同樣的方法對光學分度頭的照明進行改造后，也達到了很好的效果，相比于原來的傳統照明，LED燈的照明使視窗中的刻線清晰了很多，基本滿足了測量瞄準和讀數的需要。需要注意的是，LED燈的亮度與其功率有關，一般情況下，其與傳統照明的功率比值大致在1:8左右，對于投影測長機的光源功率是12W，所配LED燈的有效功率約為1.5W，而萬能工具顯微鏡中主光路的光源功率為36W，選擇的LED燈的有用功率則約為5W，相較傳統的照明光源也有很多優點。

作者：常晟 常青 張輝 單位：西安賽寶工業技術研究院有限公司