2022年光学程设计--万工显倍瞄准显微镜2.docx

精品学习资源万工显 3 倍瞄准显微镜总体光学系统地设计设 计 人： 学 号：院 系：指导老师：2021 年 1 月一、概述显微镜是一种精密地光学仪器,已有 300 多年地进展史 .自从有了显微镜 , 人们看到了过去看不到地很多微小生物和构成生物地基本单元 细胞. 目前, 不仅有能放大千余倍地光学显微镜,而且有放大几十万倍地电子显微镜, 使我们对生物体地生命活动规律有了更进一步地熟悉.在一般中同学物教案大纲中 规定地试验中 , 大部分要通过显微镜来完成, 因此,显微镜性能地好坏是做好观察试验地关键 .一、显微镜地光学系统显微镜地光学系统主要包括物镜、目镜、反光镜和聚光器四个部件. 广义地说也包括照明光源、滤光器、盖玻片和载玻片等.（一）、物镜物镜是打算显微镜性能地最重要部件,安装在物镜转换器上 , 接近被观看地物体 , 故叫做物镜或接物镜 .1、物镜地分类物镜依据使用条件地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） .依据放大倍数地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） .欢迎下载精品学习资源依据像差矫正情形 ,分为消色差物镜（常用 ,能矫正光谱中两种色光地色差地物镜）和复色差物镜（能矫正光谱中三种色光地色差地物镜, 价格贵 ,使用少） .2、物镜地主要参数：物镜主要参数包括：放大倍数、数值孔径和工作距离.、放大倍数是指眼睛看到像地大小与对应标本大小地比值 . 它指地是长度地比值而不是面积地比值 .例：放大倍数为 100×, 指地是长度是 1m地标本 , 放大后像地长度是 100m,要是以面积运算 , 就放大了 10,000 倍.显微镜地总放大倍数等于物镜和目镜放大倍数地乘积 .、数值孔径也叫镜口率 , 简写 NA 或 A, 是物镜和聚光器地主要参数 , 与显微镜地辨论力成正比 . 干燥物镜地数值孔径为 0.05-0.95, 油浸物镜（香柏油）地数值孔径为 1.25.、工作距离是指当所观看地标本最清晰时物镜地前端透镜下面到标本地盖玻片上面地距离 .物镜地工作距离与物镜地焦距有关 , 物镜地焦距越长 , 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 为物镜地放大倍数； 0.25 为数值孔径； 160 为镜筒长度（单位 mm ）； 0.17 为盖玻片地标准厚度（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、物镜地作用是将标本作第一次放大, 它是打算显微镜性能地最重要地部件 辨论力地高低 .辨论力也叫辨论率或辨论本事.辨论力地大小是用辨论距离（所能辨论开 地两个物点间地最小距离）地数值来表示地.在明视距离（ 25cm ）之处 ,正常人眼所能看清相距 0.073mm地两个物点 , 这个 0.073mm地数值 ,即为正常人眼地辨论距离 . 显微镜地辨论距离越小 ,即表示它地辨论力越高 , 也就是表示它地性能越好 .显微镜地辨论力地大小由物镜地辨论力来打算地, 而物镜地辨论力又是由它地数值孔径和照明光线地波长打算地.当用一般地中心照明法（使光线匀称地透过标本地明视照明法）时, 显微镜地辨论距离为d=0.61/NA式中 d 物镜地辨论距离 ,单位 nm.照明光线波长 ,单位 nm.NA 物镜地数值孔径例如油浸物镜地数值孔径为1.25, 可见光波长范畴为 400 700nm , 取其平均波长 550 nm, 就 d=270 nm, 约等于照明光线波长一半 .一般地 ,用可见光照明地显微镜辨论力地极限是0.2 m.（二）、目镜由于它靠近观看者地眼睛 ,因此也叫接目镜 .安装在镜筒地上端 . 1、目镜地结构欢迎下载精品学习资源通常目镜由上下两组透镜组成,上面地透镜叫做接目透镜 ,下面地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（它地大小打算了 视场地大小） , 由于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 ,用来指示某个特点地目标 .也可在其上面放置目镜测微尺,用来测量所观看标本地大小 .目镜地长度越短 , 放大倍数越大（因目镜地放大倍数与目镜地焦距成反比） .2、目镜地作用是将已被物镜放大地 , 辨论清晰地实像进一步放大,达到人眼能简单辨论清晰地程度 .常用目镜地放大倍数为5 16 倍. 3、目镜与物镜地关系物镜已经辨论清晰地微小结构,假如没有经过目镜地再放大, 达不到人眼所能辨论地大小 ,那就看不清晰；但物镜所不能辨论地微小结构, 虽然经过高倍目镜地再放大 ,也仍是看不清晰 ,所以目镜只能起放大作用 ,不会提高显微镜地辨论率 .有时虽然物镜能辨论开两个靠得很近地物点,但由于这两个物点地 像地距离小于眼睛地辨论距离,仍是无法看清 .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 .位于标本下方地聚光器支架上.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（一般显微镜配置）和暗视场聚光镜 .1、光镜地主要参数数值孔径（ NA ）是聚光镜地主要参数 ,最大数值孔径一般是1.2 1.4, 数值孔径有肯定地可变范畴 , 通常刻在上方透镜边框上地数字是代表最大地数值孔径,通过调剂下部可变光阑地开放程度,可得到此数字以下地各种不同地数 值孔径 , 以适应不同物镜地需要 .有地聚光镜由几组透镜组成,最上面地一组透镜可以卸掉或移出光路 ,使聚光镜地数值孔径变小 ,以适应低倍物镜观看时地照明.2、聚光镜地作用聚光镜地作用相当于凸透镜,起会聚光线地作用 , 以增强标本地照明 .一般地把聚光镜地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看地标本上 ,载玻片地厚度为 1.1mm 左右）3、可变光阑可变光阑也叫光圈 ,位于聚光镜地下方 , 由十几张金属薄片组成 ,中心部分形成圆孔 .其作用是调剂光强度和使聚光镜地数值孔径与物镜地数值孔径相适应.可变光阑开得越大 ,数值孔径越大（观看完毕后,应将光圈调至最大） .在可变光阑下面 , 仍有一个圆形地滤光片托架.欢迎下载精品学习资源说明：在中学试验室只有老师用显微镜（1600× 或 1500× ）才配有聚光器,同学用显微镜（ 640×或 500×）配地是旋转光栏 .紧贴在载物台下 ,能做圆周转动地圆盘 , 旋转光栏（也称为遮光器）, 光栏上有大小不等地圆孔 , 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 ,通过大小不等地光圈来调剂光线地强弱.（四）滤光器安装在光源和聚光器之间 .作用是让所挑选地某一波段地光线通过, 而吸取掉其他地光线 ,即为了转变光线地光谱成分或减弱光地强度.分为两大类： 滤光片和液体滤光器 .历史上显微镜地创造和显微镜地每一次创新都给人类地认知带来了飞跃式地进展；给人类地生活带来了空前地拓展 . 在提倡科技创新地今日 , 显微镜地使用已经成为中同学地一项基本技能 , 把握结构 , 科学使用 , 良好爱护 , 使之成为广大青少年探究将来世界地一个窗口 .二、设计原理光路系统图：欢迎下载精品学习资源原理：精密测量用地显微系统略区分于一般观看显微镜 .力了使以后设计便利,有必要对测量鼠微系统有一个初步地完整概念 .在上图中画出了万能工具显微镜地光学系统图、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 地物方镜焦平面 k,因此自光源象上各点发出地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 ,透过爱护玻璃 7,照明工作台 8.这一部分便是显微镜地照明系统 .工作台上地被测物体（图中未画出）被照明系统照明后经物欢迎下载精品学习资源镜 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 .光路中地光阑 10 是显微镜地孔径光阑 ,它位于物镜象方焦平面上 ,因此物镜是物方远心光组 .斯 M 特棱镜 19 既使光路偏折 45,又使物镜正象 , 便于人眼观测 .爱护玻璃 17 爱护分划板 L 地刻线,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 型万能工具显微镜地物镜有四种放大倍率 ,1X,1.5X,3X 和 5x；目镜地放大率为 10x,井依据分划板地刻划和结构不同又有测角日镜、轮廓日镜和双象目镜等.上述物镜和日镜依据不同地测量对象予以更换.上图是 5x 物镜和测角目镜地组合 ,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 予以读数地 .三、设计运算已知条件： a物镜放大倍率 =-3,工作距： L=-76mm, 物方视场： 7mm,数值孔径 0.09b观看者从 45°方向观看c目镜视角放大率为 10d采纳远心柯勒透射照明 ,灯丝高 2mm光路绽开图：欢迎下载精品学习资源1.物镜通光口径D物D 物=2（lu+y ） =276x0.09+3.3=20.3mm2.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=10.1mm3.斯 M 特棱镜尺寸为了观看者从 45 度方向观看和正象 ,在物镜和成象平面之间装有斯 M 特棱镜（1） ）棱镜通光口径 先将棱镜绽开成等效空气平板 ,考虑轴上轴外光束都能通过 ,分别运算入射面和出射面地口径 ,取大者为 D 棱,同时考虑三种放大率所需地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-k 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依据结构要求取 k=35mm=y-D 孔/2/=10-5.1/225-56=0.29代入上式得 D 棱=2（ y-k） =210-35*0.029=18mm考虑安装余量 2.5mm 取 D 棱=20.5mm欢迎下载精品学习资源（2） ）通光口径打算后 ,即可求出斯 M 特棱镜棱镜结构尺寸斯 M 特棱镜地正象作用与组合棱镜相像 ,相当于下图中画阴影线地两个面合成一个面（即图中c 中画阴影线地面） ,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 度便于观看者观看 .下面作偏轴入射斯 M 特棱镜绽开图 ,以求结构尺寸由前已知 ,D 棱=20.5mm,保证该口径地棱镜所需最小尺寸参数为tg 1=sin67.5° /cos45° =1.3065 1=52°34tg 2=cos22.5° =0.92392=42° 44入射光束中心位置 t=l/2,就 l=D/tg 1/2=2.02D=41.4mm欢迎下载精品学习资源b=2D=41mmAB=l/cos45°=2.864D=58.4mm BC=l/cos22.5°=2.179D=44.7mm h=ABcos22.5°=2.644D=53.9mm绽开平行板厚度 L=AB （ 1+cos45°） =4.89D=100.5mm由于棱镜地加入 ,使象面产生位移 ,其后移量 L=Ll-l/n=38.5mm所以 3x 主显微镜地实际共轭距离应为L 共=L+L+ L=339.5mm4.10x 目镜地形状尺寸运算依据使用要求采纳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 f 1=1.8f=45mm目镜地视场角为 tg =y /f 目=0.4,=22°2=44°出瞳距离 t=（ D/2- a）tg=17.6m5.主显微镜照明系统地设计当物镜地基本参数确定之后 ,对比明系统便可提出详细地要求. 1.匀称照明被测物体(2) 照明孔径角布满物镜数值孔径(3) 使人眼得到适于观看地主观亮度(4) 测量工作面上下变动转变了聚光镜与物镜之间地距离时,仍要满意以上条件 .聚光照明系统采纳远心柯勒照明 ,光路绽开图如下：欢迎下载精品学习资源由图可知 ,测量面位置变化应始终包含在CMD 中,为此聚光镜必需有足够大地通光口径 .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 L min =110mm,Lmax 为被测面离聚光镜 最 远 位置 EkGk 时地 距 离 , 即能测 量 地 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匀称照明地聚光镜地通光孔径D 聚=2（ EG/2+Lmaxu） =EG+2Lmaxu=43mm聚光镜地相对孔径一般取 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由结构尺寸打算 -l1+l1 500mm,灯丝高 2mm,D 变=32mm,运算时取 40mm,就集光镜地放大率 =-40/2=-20由 -l1+l1 =500 l1/l1=-20求得 l1=-24mm,l1 =476mm.由高斯公式得 f 集=22.8mm集光镜地通光口径由满意拉赫不变量地连接要求来运算u0yu/y0=0.297考虑到毛玻璃散射光能缺失 ,实际取 u0=0.6 即 U0=36° 54故 D 集=2l1tgU0=2*20*tg36 ° 54=36mm欢迎下载精品学习资源四、设计误差分析显微镜系统地对准误差和调焦误差(1) 对准误差：设显微镜总放大率为 ,物镜垂轴放大率 ,通过显微镜观看时物方地对准扩展不确定度为 y,就 y=f 目,即 /由于=*250/ f 目 ,故 y=250/ 实行夹线对准 =10”=10/206265y=250*10/30/206265=0.404um(2) 调焦误差出瞳直径 D 出=500NA/ =2.5mm 2mm 选用消视差法设被调焦地分划板刻线刻有直线 线宽 0.01mm显微镜分划板上可有叉线 =10”=0.17 设眼瞳直径De=2mm就调焦不确定度 x=1x0.17x250x1000/0.15x30x3438x2.5/2.5-1=4.6um以上即为万工显 3 倍瞄准显微镜总体光学系统地设计五、设计总结课程设计是检验课程所学学问地一个很好地途径,特别是对我们工科生来说 ,更是一次难得地历练 .通过这次光学课程设计 ,我们可以把课堂上地所学和生产生活实践有机地结合,这是平常在书本上学不到地.“书到用时方恨少”这话说地果真不错,平常认为对书中地学问把握不错 ,但在课程设计地过程中才明白自己对学问地把握程度远没达到运用自如地程度 ,以后要更加虚心地对待学问 ,做到学以致用 .综合来说 ,本次光学课程设计难度并不高,在同组同学地努力下 ,经过大家地多次争论 ,我们确定了自己地设计方案 ,证明白团队协作力欢迎下载精品学习资源量地庞大 .总之 ,通过这次课程设计 ,做到了实践与课堂学问地互补,达到了肯定地成效 .欢迎下载