改善传统几何量光学测量仪器照明问题

一、传统光路特点

目前，市场上在用的传统几何量光学测量仪器主要有万能工具显微镜、测长机、光学分度头等，一般都包括瞄准测量光路和读数系统光路两部分。随着技术的不断更新，仪器的读数系统逐渐被光栅和数显系统所替代，但测量瞄准系统仍然未变，这类测量瞄准系统均采用物方无穷远光路，由放置在聚光镜物方焦点上的光源提供照明，经聚光镜后形成一束平行光照射被测件，由显微瞄准系统进行定位并测量。因此，整个光路的光照质量对测量瞄准有着重要影响（读数系统则关系到刻线的清晰度），但由于整个光学系统在使用过程中受到空气中酸性物质的长期侵蚀，其光学零件表面的镀膜层发生退化或消失，都将影响光能传输，从而降低光学系统的光通量。影响光学系统质量的另一个因素是照明光源，理论上该光源应为点光源，以保证经聚光镜出射的是平行光。但实际所用的光源通常是由专用的照明灯泡来提供，需要将灯丝（并非真正意义的点光源）的位置调整到聚光镜的焦点上（如果更换照明灯泡，还需要进行再次调整）。但由于各种市场因素的影响，目前能购置到的这种专用灯泡的质量已大不如前，主要是其灯丝不一定就位于灯泡的轴线上，因此在调整时很难将灯丝精准定位于聚光镜的焦点上，造成经聚光镜出射的光束不是平行光，从而影响了测量的质量。另外，有些照明灯泡的功率较大，长期使用后，其发热也会影响到光学零件的寿命和形状，也是造成这类仪器长期使用后性能下降的原因之一。基于以上诸多因素的影响，造成这类光学仪器出现视场亮度低、分划板对比度差、刻线目力不易分辨、瞄不准等现象，直接加大了操作人员的工作难度，并且容易出现错误的测量结果。因此，改善光路系统的亮度和清晰度就成为使用这类光学测量仪器的基本要求。

二、改善方法和效果

LED灯具有其亮度高、发热低、寿命长等优点，特别是其结构特点，与笔者所要求的点光源十分接近，因此尝试使用LED灯替代原有的专用灯泡照明，是一个较为理想的选择。笔者单位在用的投影测长机和光学分度头（投影窗瞄准读数）都是前述传统的光路照明方式，仪器使用已近20年，其中所用的专用灯泡也已经购置过无数次。笔者就尝试用LED灯照明来替代现有的传统照明。由于LED照明配有专门的驱动器，致使其电气部分的连接和安装相当简单。本次选择了3W的LED灯泡，其亮度会随供电电流的变化而改变。经过安装并实际调试实验后，发现电流增加亮度提高后，视场内的亮度并没有发生明显的改变，也未造成LED灯发热，因此就将其工作电流确定在300mA左右，供电电压在（4~6）V之间，通过计算，LED灯的功率在1.5W左右。接下来就是将LED灯固定在仪器灯座上，此时需要根据仪器灯座的具体结构进行改造。对于投影测长机，笔者选择了对原有专用灯泡座进行改造，将玻璃泡去掉，用玻璃胶将LED灯粘接在这个位置的中心处，然后将改装的LED灯装到投影测长机的尾座灯座位置（头座的光学计光源也按此方法进行改造）。经过简单调整LED灯的位置后，在分米读数窗中即可看到较为清晰的分米和毫米刻线，相比未改造之前的视窗亮度有了很大的提高和改善。此外，LED灯的耗电量低、发热低，经过近半年的使用，效果稳定。采取同样的方法对光学分度头的照明进行改造后，也达到了很好的效果，相比于原来的传统照明，LED灯的照明使视窗中的刻线清晰了很多，基本满足了测量瞄准和读数的需要。需要注意的是，LED灯的亮度与其功率有关，一般情况下，其与传统照明的功率比值大致在1:8左右，对于投影测长机的光源功率是12W，所配LED灯的有效功率约为1.5W，而万能工具显微镜中主光路的光源功率为36W，选择的LED灯的有用功率则约为5W，相较传统的照明光源也有很多优点。

作者：常晟 常青 张辉 单位：西安赛宝工业技术研究院有限公司