光学课程设计万工显3倍瞄准显微镜.docx

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光学课程设计万工显3倍瞄准显微镜

万工显3倍瞄准显微镜总体光学系统的设计

设计人：

学号：

院系：

指导教师：

2010年1月

一、概述

显微镜是一种精密的光学仪器，已有300多年的发展史。

自从有了显微镜，人们看到了过去看不到的许多微小生物和构成生物的基本单元——细胞。

目前，不仅有能放大千余倍的光学显微镜，而且有放大几十万倍的电子显微镜，使我们对生物体的生命活动规律有了更进一步的认识。

在普通中学生物教学大纲中规定的实验中，大部分要通过显微镜来完成，因此，显微镜性能的好坏是做好观察实验的关键。

　一、显微镜的光学系统

　　显微镜的光学系统主要包括物镜、目镜、反光镜和聚光器四个部件。

广义的说也包括照明光源、滤光器、盖玻片和载玻片等。

（一）、物镜

　　物镜是决定显微镜性能的最重要部件，安装在物镜转换器上，接近被观察的物体，故叫做物镜或接物镜。

　　1、物镜的分类

　　物镜根据使用条件的不同可分为干燥物镜和浸液物镜；其中浸液物镜又可分为水浸物镜和油浸物镜（常用放大倍数为90—100倍）。

　　根据放大倍数的不同可分为低倍物镜（10倍以下）、中倍物镜（20倍左右）高倍物镜（40—65倍）。

　　根据像差矫正情况，分为消色差物镜（常用，能矫正光谱中两种色光的色差的物镜）和复色差物镜（能矫正光谱中三种色光的色差的物镜，价格贵，使用少）。

　　2、物镜的主要参数：

　　物镜主要参数包括：

放大倍数、数值孔径和工作距离。

　　①、放大倍数是指眼睛看到像的大小与对应标本大小的比值。

它指的是长度的比值而不是面积的比值。

例：

放大倍数为100×，指的是长度是1μm的标本，放大后像的长度是100μm，要是以面积计算，则放大了10,000倍。

　　显微镜的总放大倍数等于物镜和目镜放大倍数的乘积。

　　②、数值孔径也叫镜口率，简写NA或A，是物镜和聚光器的主要参数，与显微镜的分辨力成正比。

干燥物镜的数值孔径为0.05-0.95，油浸物镜（香柏油）的数值孔径为1.25。

　　③、工作距离是指当所观察的标本最清楚时物镜的前端透镜下面到标本的盖玻片上面的距离。

物镜的工作距离与物镜的焦距有关，物镜的焦距越长，放大倍数越低，其工作距离越长。

例：

10倍物镜上标有10/0.25和160/0.17，其中10为物镜的放大倍数；0.25为数值孔径；160为镜筒长度（单位mm）；0.17为盖玻片的标准厚度（单位mm）。

10倍物镜有效工作距离为6.5mm，40倍物镜有效工作距离为0.48mm。

　　3、物镜的作用是将标本作第一次放大，它是决定显微镜性能的最重要的部件——分辨力的高低。

　　分辨力也叫分辨率或分辨本领。

分辨力的大小是用分辨距离（所能分辨开的两个物点间的最小距离）的数值来表示的。

在明视距离（25cm）之处，正常人眼所能看清相距0.073mm的两个物点，这个0.073mm的数值，即为正常人眼的分辨距离。

显微镜的分辨距离越小，即表示它的分辨力越高，也就是表示它的性能越好。

　　显微镜的分辨力的大小由物镜的分辨力来决定的，而物镜的分辨力又是由它的数值孔径和照明光线的波长决定的。

　　当用普通的中央照明法（使光线均匀地透过标本的明视照明法）时，显微镜的分辨距离为d=0.61λ/NA

　　式中d——物镜的分辨距离，单位nm。

　　λ——照明光线波长，单位nm。

　　NA——物镜的数值孔径

　　例如油浸物镜的数值孔径为1.25，可见光波长范围为400—700nm，取其平均波长550nm，则d=270nm，约等于照明光线波长一半。

一般地，用可见光照明的显微镜分辨力的极限是0.2μm。

（二）、目镜

　　因为它靠近观察者的眼睛，因此也叫接目镜。

安装在镜筒的上端。

　　1、目镜的结构

　　通常目镜由上下两组透镜组成，上面的透镜叫做接目透镜，下面的透镜叫做会聚透镜或场镜。

上下透镜之间或场镜下面装有一个光阑（它的大小决定了视场的大小），因为标本正好在光阑面上成像，可在这个光阑上粘一小段毛发作为指针，用来指示某个特点的目标。

也可在其上面放置目镜测微尺，用来测量所观察标本的大小。

　　目镜的长度越短，放大倍数越大（因目镜的放大倍数与目镜的焦距成反比）。

　　2、目镜的作用

　　是将已被物镜放大的，分辨清晰的实像进一步放大，达到人眼能容易分辨清楚的程度。

　　常用目镜的放大倍数为5—16倍。

　　3、目镜与物镜的关系

物镜已经分辨清楚的细微结构，假如没有经过目镜的再放大，达不到人眼所能分辨的大小，那就看不清楚；但物镜所不能分辨的细微结构，虽然经过高倍目镜的再放大，也还是看不清楚，所以目镜只能起放大作用，不会提高显微镜的分辨率。

有时虽然物镜能分辨开两个靠得很近的物点，但由于这两个物点的像的距离小于眼睛的分辨距离，还是无法看清。

所以，目镜和物镜即相互联系，又彼此制约。

（三）、聚光器

　　聚光器也叫集光器。

位于标本下方的聚光器支架上。

它主要由聚光镜和可变光阑组成。

其中，聚光镜可分为明视场聚光镜（普通显微镜配置）和暗视场聚光镜。

　　1、光镜的主要参数

　　数值孔径（NA）是聚光镜的主要参数，最大数值孔径一般是1.2—1.4，数值孔径有一定的可变范围，通常刻在上方透镜边框上的数字是代表最大的数值孔径，通过调节下部可变光阑的开放程度，可得到此数字以下的各种不同的数值孔径，以适应不同物镜的需要。

有的聚光镜由几组透镜组成，最上面的一组透镜可以卸掉或移出光路，使聚光镜的数值孔径变小，以适应低倍物镜观察时的照明。

　　2、聚光镜的作用

　　聚光镜的作用相当于凸透镜，起会聚光线的作用，以增强标本的照明。

一般地把聚光镜的聚光焦点设计在它上端透镜平面上方约1.25mm处。

（聚光焦点正在所要观察的标本上，载玻片的厚度为1.1mm左右）

　　3、可变光阑

　　可变光阑也叫光圈，位于聚光镜的下方，由十几张金属薄片组成，中心部分形成圆孔。

其作用是调节光强度和使聚光镜的数值孔径与物镜的数值孔径相适应。

可变光阑开得越大，数值孔径越大（观察完毕后，应将光圈调至最大）。

　　在可变光阑下面，还有一个圆形的滤光片托架。

说明：

在中学实验室只有教师用显微镜（1600×或1500×）才配有聚光器，学生用显微镜（640×或500×）配的是旋转光栏。

紧贴在载物台下，能做圆周转动的圆盘，旋转光栏（也称为遮光器），光栏上有大小不等的圆孔，叫光圈直径分别为2、3、6、12、16mm,转动旋转光栏，光栏上每个光圈都可以对正通光孔，通过大小不等的光圈来调节光线的强弱。

（四）滤光器

　　安装在光源和聚光器之间。

作用是让所选择的某一波段的光线通过，而吸收掉其他的光线，即为了改变光线的光谱成分或削弱光的强度。

分为两大类：

滤光片和液体滤光器。

历史上显微镜的发明和显微镜的每一次创新都给人类的认知带来了飞跃式的发展；给人类的生活带来了空前的拓展。

在提倡科技创新的今天，显微镜的使用已经成为中学生的一项基本技能，掌握结构，科学使用，良好维护，使之成为广大青少年探索未来世界的一个窗口。

二、设计原理

光路系统图：

原理：

精密测量用的显微系统略区别于一般观察显微镜。

力了使以后设计方便，有必要对测量鼠微系统有一个初步的完整概念。

在上图中画出了万能工具显微镜的光学系统图、照明光源1经过集光2，滤色片3成象在可变光阑4处，而可变光阑位于聚光镜6的物方镜焦平面k，因此自光源象上各点发出的光束先经平面反射镜6转向，再经聚光镜6后成为平行光束，透过保护玻璃7，照明工作台8。

这一部分便是显微镜的照明系统。

工作台上的被测物体（图中未画出）被照明系统照明后经物镜9成象在分划板15上，然后经目镜14成一放大虚象，供人眼观测。

光路中的光阑10是显微镜的孔径光阑，它位于物镜象方焦平面上，因此物镜是物方远心光组。

斯米特棱镜19既使光路偏折45，又使物镜正象，便于人眼观测。

保护玻璃17保护分划板L的刻线，而18是为了密封物镜筒免于在更换目镜头时灰尘进入镜筒。

19JA型万能工具显微镜的物镜有四种放大倍率，1X，1.5X,3X和5x；目镜的放大率为10x，井根据分划板的刻划和结构不同又有测角日镜、轮廓日镜和双象目镜等。

上述物镜和日镜根据不同的测量对象予以更换。

上图是5x物镜和测角目镜的组合，测角分划板16是由光源11（小灯泡），经滤色片12而照亮，并用读数显微镜13予以读数的。

三、设计计算

已知条件：

a物镜放大倍率β=-3，工作距：

L=-76mm,物方视场：

7mm，数值孔径0.09

b观察者从45°方向观察

c目镜视角放大率为10

d采用远心柯勒透射照明，灯丝高2mm

光路展开图：

1.物镜通光口径D物D物=2（lu+y）=2（76x0.09+3.3）=20.3mm

2.孔径光阑直径D孔在物镜像方焦面上设孔径光阑以构成物方远心光路，其直径大小应保证u=0.09

所以D孔=2f’u=2x56x0.09=10.1mm

3.斯米特棱镜尺寸为了观察者从45度方向观察和正象，在物镜和成象平面之间装有斯米特棱镜

（1）棱镜通光口径先将棱镜展开成等效空气平板，考虑轴上轴外光束都能通过，分别计算入射面和出射面的口径，取大者为D棱，同时考虑三种放大率所需的最大通光口径小于或等于D棱，由图可知，最大通光口径在出射面上，有

D棱/2=y’-kα式中y’为视场光阑口径一半，y’=10mm

K为棱镜出射面至分划板面距离

根据结构要求取k=35mm

α=（y’-D孔/2）/△=（10-5.1）/（225-56）=0.29

代入上式得D棱=2（y’-kα）=2（10-35*0.029）=18mm

考虑安装余量2.5mm取D棱=20.5mm

（2）通光口径决定后，即可求出斯米特棱镜棱镜结构尺寸

斯米特棱镜的正象作用与组合棱镜相似，相当于下图中画阴影线的两个面合成一个面（即图中c中画阴影线的面），该面既是入射面又是第四次反射面。

由于屋脊面倾泻了一个角度（67.5度，见图b），从而使出射光轴倾泻45度便于观察者观察。

下面作偏轴入射斯米特棱镜展开图，以求结构尺寸

由前已知，D棱=20.5mm，保证该口径的棱镜所需最小尺寸参数为

tgθ1=sin67.5°/cos45°=1.3065θ1=52°34’

tgθ2=cos22.5°=0.9239θ2=42°44’

入射光束中心位置t=l/2,则l=D/（tgθ1/2）=2.02D=41.4mm

b=2D=41mmAB=l/cos45°=2.864D=58.4mm

BC=l/cos22.5°=2.179D=44.7mmh=ABcos22.5°=2.644D=53.9mm

展开平行板厚度L=AB（1+cos45°）=4.89D=100.5mm

由于棱镜的加入，使象面产生位移，其后移量

△L=L（l-l/n）=38.5mm

所以3x主显微镜的实际共轭距离应为

L共=L’+L+△L=339.5mm

4.10x目镜的外形尺寸计算

根据使用要求采用10x目镜凯尔纳望远镜，焦距f’=25mm，其镜板距p=0.4f’=10mm，向场焦距f1’=1.8f’=45mm

目镜的视场角为tgψ’=y’/f’目=0.4，ψ=22°2ψ=44°

出瞳距离t=（D/2-a）tgω=17.6m

5.主显微镜照明系统的设计

当物镜的基本参数确定之后，对照明系统便可提出具体的要求。

（1）.均匀照明被测物体

（2）照明孔径角充满物镜数值孔径

（3）使人眼得到适于观察的主观亮度

（4）测量工作面上下变动改变了聚光镜与物镜之间的距离时，仍要满足以上条件。

聚光照明系统采用远心柯勒照明，光路展开图如下：

由图可知，测量面位置变化应始终包含在△CMD中，为此聚光镜必须有足够大的通光口径。

工作台面离聚光镜最近距离不应小于Lmin，即载物玻璃台面为E0G0,从结构上需要取Lmin=110mm，Lmax为被测面离聚光镜最远位置EkGk时的距离，即能测量的最高物面位置。

取Lmax=200mm，EG为物镜物方最大线视场，这时要保证视场边缘Ek，Gk以全孔径工作，即在全视场内都能获得均匀照明的聚光镜的通光孔径D聚=2（EG/2+Lmaxu）=EG+2Lmaxu=43mm

聚光镜的相对孔径一般取D聚/f’=1/4,故f’聚=4D聚=172mm

可变光阑直径为AB=D变=2f’聚u=31mm

由结构尺寸决定-l1+l1’≈500mm,灯丝高2mm，D变=32mm，计算时取40mm，则集光镜的放大率β=-40/2=-20

由-l1+l1’=500l1’/l1=-20

求得l1=-24mm，l1’=476mm。

由高斯公式得f’集=22.8mm

集光镜的通光口径由满足拉赫不变量的衔接要求来计算

u0≥yu/y0=0.297

考虑到毛玻璃散射光能损失，实际取u0=0.6即U0=36°54’

故D集=2l1tgU0=2*20*tg36°54’=36mm

四、设计误差分析

显微镜系统的对准误差和调焦误差

（1）对准误差：

设显微镜总放大率为г，物镜垂轴放大率β，通过显微镜观察时物方的对准扩展不确定度为△y，则△y=f’目，即δ/β

因为г=β*250/f’目，故△y=250δ/г采取夹线对准δ=10”=10/206265△y=250*10/30/206265=0.404um

（2）调焦误差

出瞳直径D出=500NA/г=2.5mm＞2mm选用消视差法

设被调焦的分划板刻线刻有直线（线宽0.01mm）显微镜分划板上可有叉线δ=10”=0.17’设眼瞳直径De=2mm则调焦不确定度△x=1x0.17x250x1000/（0.15x30x3438）x2.5/（2.5-1）=4.6um

以上即为万工显3倍瞄准显微镜总体光学系统的设计

五、设计总结

课程设计是检验课程所学知识的一个很好的途径，尤其是对我们工科生来说，更是一次难得的历练。

通过这次光学课程设计，我们可以把课堂上的所学和生产生活实践有机的结合，这是平时在书本上学不到的。

“书到用时方恨少”这话说的果然不错，平时认为对书中的知识掌握不错，但在课程设计的过程中才明白自己对知识的掌握程度远没达到运用自如的程度，以后要更加虚心的对待知识，做到学以致用。

综合来说，本次光学课程设计难度并不高，在同组同学的努力下，经过大家的多次讨论，我们确定了自己的设计方案，证明了团队协作力量的巨大。

总之，通过这次课程设计，做到了实践与课堂知识的互补，达到了一定的效果。