工程光學(xué)望遠(yuǎn)鏡報(bào)告

1、工程光學(xué)討論課報(bào) 告 討論主題：典型顯微鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 陳 穎 成 績(jī)： 典型顯微鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析摘要：光學(xué)顯微鏡（Optical Microscope，簡(jiǎn)寫OM）是利用光學(xué)原理，把人眼所不能分辨的微小物體放大成像，以供人們提取微細(xì)結(jié)構(gòu)信息的光學(xué)儀器。光學(xué)顯微鏡的使用范圍非常的廣泛，發(fā)展至今，也衍生出了非常多的類型，本文結(jié)合光學(xué)顯微鏡的結(jié)構(gòu)組成，仔細(xì)探討了光學(xué)顯微鏡的性能參數(shù)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從像差等多方面進(jìn)行了光學(xué)顯微鏡的性能分析。關(guān)鍵詞：數(shù)值孔徑 分辨率 景深 工作距離 像差0 引言 顯微鏡是一種精密的光學(xué)儀器， 已有 300 多年的發(fā)展

2、史。 自從有了顯微鏡， 人們看到了 過(guò)去看不到的許多微小生物和構(gòu)成生物的基本單元細(xì)胞。 目前， 不僅有能放大千余倍的光學(xué)顯微鏡， 而且有放大幾十萬(wàn)倍的電子顯微鏡， 使我們對(duì)生物體的生命活動(dòng)規(guī)律有了 更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。 在普通中學(xué)生物教學(xué)大綱中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)中， 大部分要通過(guò)顯微鏡來(lái)完成， 因此，顯微鏡性能的好壞是最好觀察實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。1 工作原理物鏡是凸透鏡,物體在其焦點(diǎn)與二倍焦點(diǎn)之間,成倒立放大的實(shí)像；目鏡也是凸透鏡,物鏡所成的實(shí)像,剛好落在目鏡的焦點(diǎn)以內(nèi),成正立放大的虛像!物體經(jīng)兩次放大,擴(kuò)大了視角,使人看到了微小物體的細(xì)節(jié)顯微鏡的工作原理圖2 組成及結(jié)構(gòu)圖顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)主要包括物鏡、目鏡、反光

3、鏡和聚光器四個(gè)部件。廣義的說(shuō)也包括照明光源、濾光器、蓋玻片和載玻片等。（一）、物鏡 物鏡是決定顯微鏡性能的最重要部件，安裝在物鏡轉(zhuǎn)換器上，接近被觀察的物體，故叫做物鏡或接物鏡。1、物鏡的分類 物鏡根據(jù)使用條件的不同可分為干燥物鏡和浸液物鏡；其中浸液物鏡又可分為水浸物鏡和油浸物鏡（常用放大倍數(shù)為90100倍）。根據(jù)放大倍數(shù)的不同可分為 低倍物鏡（10倍以下）、中倍物鏡（20倍左右）高倍物鏡（4065倍）。根據(jù)像差矯正情況，分為消色差物鏡（常用，能矯正光譜中兩種色光的色差的物鏡）和復(fù)色差物鏡（能矯正光譜中三種色光的色差的物鏡，價(jià)格貴，使用少）。（所謂象差是指所成的像與原物在形狀上的差別；色差是指所

4、成的像與原物在顏色上的差別） （消除色差（當(dāng)不同波長(zhǎng)的光線通過(guò)透鏡的時(shí)候，它們折射的方向略有不同，這導(dǎo)致了成像質(zhì)量的下降）2、物鏡的主要參數(shù)： 物鏡主要參數(shù)包括：放大倍數(shù)、數(shù)值孔徑和工作距離。 、放大倍數(shù)是指眼睛看到像的大小與對(duì)應(yīng)標(biāo)本大小的比值。它指的是長(zhǎng)度的比值而不是面積的比值。例：放大倍數(shù)為100，指的是長(zhǎng)度是1m的標(biāo)本，放大后像的長(zhǎng)度是100m，要是以面積計(jì)算，則放大了10,000倍。顯微鏡的總放大倍數(shù)等于物鏡和目鏡放大倍數(shù)的乘積。 、數(shù)值孔徑也叫鏡口率，簡(jiǎn)寫NA 或A，是物鏡和聚光器的主要參數(shù)，與顯微鏡的分辨力成正比。干燥物鏡的數(shù)值孔徑為0.05-0.95，油浸物鏡（香柏油）的數(shù)值孔徑

5、為1.25。 、工作距離是指當(dāng)所觀察的標(biāo)本最清楚時(shí)物鏡的前端透鏡下面到標(biāo)本的蓋玻片上面的距離。物鏡的工作距離與物鏡的焦距有關(guān)，物鏡的焦距越長(zhǎng)，放大倍數(shù)越低，其工作距離越長(zhǎng)。例：10倍物鏡上標(biāo)有10/0.25和160/0.17，其中10為物鏡的放大倍數(shù)；0.25為數(shù)值孔徑；160為鏡筒長(zhǎng)度（單位mm）；0.17為蓋玻片的標(biāo)準(zhǔn)厚度（單位 mm）。10倍物鏡有效工作距離為6.5mm，40倍物鏡有效工作距離為0.48mm 。3、物鏡的作用是將標(biāo)本作第一次放大，它是決定顯微鏡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領(lǐng)。分辨力的大小是用分辨距離（所能分辨開(kāi)的兩個(gè)物點(diǎn)間的最小距離）的數(shù)值來(lái)

6、表示的。在明視距離（25cm）之處，正常人眼所能看清相距0.073mm的兩個(gè)物點(diǎn)，這個(gè)0.073mm的數(shù)值，即為正常人眼的分辨距離。顯微鏡的分辨距離越小，即表示它的分辨力越高，也就是表示它的性能越好。 顯微鏡的分辨力的大小由物鏡的分辨力來(lái)決定的，而物鏡的分辨力又是由它的數(shù)值孔徑和照明光線的波長(zhǎng)決定的。 當(dāng)用普通的中央照明法（使光線均勻地透過(guò)標(biāo)本的明視照明法）時(shí)，顯微鏡的分辨距離為 d=0.61/NA 式中d物鏡的分辨距離，單位 nm。 照明光線波長(zhǎng)，單位 nm。 NA 物鏡的數(shù)值孔徑 例如油浸物鏡的數(shù)值孔徑為1.25，可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍為400700nm ，取其平均波長(zhǎng)550 nm，則d=270

7、nm，約等于照明光線波長(zhǎng)一半。一般地，用可見(jiàn)光照明的顯微鏡分辨力的極限是0.2m。（二）、目鏡 因?yàn)樗拷^察者的眼睛，因此也叫接目鏡。安裝在鏡筒的上端。 1、目鏡的結(jié)構(gòu) 通常目鏡由上下兩組透鏡組成，上面的透鏡叫做接目透鏡，下面的透鏡叫做會(huì)聚透鏡或場(chǎng)鏡。上下透鏡之間或場(chǎng)鏡下面裝有一個(gè)光闌（它的大小決定了視場(chǎng)的大?。?，因?yàn)闃?biāo)本正好在光闌面上成像，可在這個(gè)光闌上粘一小段毛發(fā)作為指針，用來(lái)指示某個(gè)特點(diǎn)的目標(biāo)。也可在其上面放置目鏡測(cè)微尺，用來(lái)測(cè)量所觀察標(biāo)本的大小。目鏡的長(zhǎng)度越短，放大倍數(shù)越大（因目鏡的放大倍數(shù)與目鏡的焦距成反比）。 2、目鏡的作用是將已被物鏡放大的，分辨清晰的實(shí)像進(jìn)一步放大，達(dá)到人眼能

8、容易分辨清楚的程度。常用目鏡的放大倍數(shù)為516倍。 3、目鏡與物鏡的關(guān)系物鏡已經(jīng)分辨清楚的細(xì)微結(jié)構(gòu)，假如沒(méi)有經(jīng)過(guò)目鏡的再放大，達(dá)不到人眼所能分辨的大小，那就看不清楚；但物鏡所不能分辨的細(xì)微結(jié)構(gòu)，雖然經(jīng)過(guò)高倍目鏡的再放大，也還是看不清楚，所以目鏡只能起放大作用，不會(huì)提高顯微鏡的分辨率。有時(shí)雖然物鏡能分辨開(kāi)兩個(gè)靠得很近的物點(diǎn)，但由于這兩個(gè)物點(diǎn)的像的距離小于眼睛的分辨距離，還是無(wú)法看清。所以，目鏡和物鏡即相互聯(lián)系，又彼此制約。（三）、聚光器 聚光器也叫集光器。位于標(biāo)本下方的聚光器支架上。它主要由聚光鏡和可變光闌組成。其中，聚光鏡可分為明視場(chǎng)聚光鏡（普通顯微鏡配置）和暗視場(chǎng)聚光鏡。 1、聚光鏡的主要參

9、數(shù) 數(shù)值孔徑（NA ）是聚光鏡的主要參數(shù)，最大數(shù)值孔徑一般是1.21.4，數(shù)值孔徑有一定的可變范圍，通常刻在上方透鏡邊框上的數(shù)字是代表最大的數(shù)值孔徑，通過(guò)調(diào)節(jié)下部可變光闌的開(kāi)放程度，可得到此數(shù)字以下的各種不同的數(shù)值孔徑，以適應(yīng)不同物鏡的需要。有的聚光鏡由幾組透鏡組成，最上面的一組透鏡可以卸掉或移出光路，使聚光鏡的數(shù)值孔徑變小，以適應(yīng)低倍物鏡觀察時(shí)的照明。 2、聚光鏡的作用 聚光鏡的作用相當(dāng)于凸透鏡，起會(huì)聚光線的作用，以增強(qiáng)標(biāo)本的照明。一般地把聚光鏡的聚光焦點(diǎn)設(shè)計(jì)在它上端透鏡平面上方約1.25mm處。（聚光焦點(diǎn)正在所要觀察的標(biāo)本上，載玻片的厚度為1.1mm左右） 3、可變光闌 可變光闌也叫光圈，

10、位于聚光鏡的下方，由十幾張金屬薄片組成，中心部分形成圓孔。其作用是調(diào)節(jié)光強(qiáng)度和使聚光鏡的數(shù)值孔徑與物鏡的數(shù)值孔徑相適應(yīng)?？勺児怅@開(kāi)得越大，數(shù)值孔徑越大（觀察完畢后，應(yīng)將光圈調(diào)至最大）。 在可變光闌下面，還有一個(gè)圓形的濾光片托架。（四）反光鏡反光鏡是一個(gè)可以隨意轉(zhuǎn)動(dòng)的雙面鏡，直徑為50mm，一面為平面，一面為凹面，其作用是將從任何方向射來(lái)的光線經(jīng)通光孔反射上來(lái)。平面鏡反射光線的能力較弱，是在光線較強(qiáng)時(shí)使用，凹面鏡反射光線的能力較強(qiáng)，是在光線較弱時(shí)使用。反光鏡通常一面是平面鏡，另一面是凹面鏡，裝在聚光器下面，可以在水平與垂直兩個(gè)方向上任意旋轉(zhuǎn)。反光鏡的作用是使由光源發(fā)出的光線或天然光射向聚光器。當(dāng)

11、用聚光器時(shí)一般用平面鏡，不用時(shí)用凹面鏡；當(dāng)光線強(qiáng)時(shí)用平面鏡，弱時(shí)用凹面鏡。觀察完畢后，應(yīng)將反光鏡垂直放置。 顯微鏡結(jié)構(gòu)圖3 數(shù)學(xué)模型將顯微鏡中圖像的形成看作是一個(gè)線性過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，樣品上的每一點(diǎn)與物鏡的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行卷積，從而獲得一幅觀察圖像。公式描述：公式中x(t)和h(t)函數(shù)是卷積的變量，p是積分變量，t是使函數(shù)h(-p)位移的量，星號(hào)*表示卷積。光學(xué)顯微鏡呈像的數(shù)學(xué)模型圖4 影響成像因素影響顯微鏡的關(guān)鍵因素像差1.色差 色差是透鏡成像的一個(gè)嚴(yán)重缺陷，發(fā)生在多色光為光源的情況下，單色光不產(chǎn)生色差。白光由紅 橙 黃 綠 青 藍(lán) 紫 七種組成，各種光的波長(zhǎng)不同 ，所以在通過(guò)透鏡時(shí)的折射

12、率也不同，這樣物方一個(gè)點(diǎn)，在像方則可能形成一個(gè)色斑。 色差一般有位置色差，放大率色差。位置色差使像在任何位置觀察，都帶有色斑或暈環(huán)，使像模糊不清。而放大率色差使像帶有彩色邊緣。2. 球差 球差是軸上點(diǎn)的單色相差，是由于透鏡的球形表面造成的。球差造成的結(jié)果是，一個(gè)點(diǎn)成像后，不在是個(gè)亮點(diǎn)，而是一個(gè)中間亮、邊緣逐漸模糊的亮斑。從而影響成像質(zhì)量。球差的矯正常利用透鏡組合來(lái)消除，由于凸、凹透鏡的球差是相反的，可選配不同材料的凸凹透鏡膠合起來(lái)給予消除。舊型號(hào)顯微鏡，物鏡的球差沒(méi)有完全矯正，應(yīng)與相應(yīng)的補(bǔ)償目鏡配合，才能達(dá)到糾正效果。一般新型顯微鏡的球差完全由物鏡消除。3. 慧差 慧差屬軸外點(diǎn)的單色相差。軸外

13、物點(diǎn)以大孔徑光束成像時(shí)，發(fā)出的光束通過(guò)透鏡后，不再相交一點(diǎn)，則一光點(diǎn)的像便會(huì)得到一逗點(diǎn)狀，型如慧星，故稱“慧差”。4. 像散 像散也是影響清晰度的軸外點(diǎn)單色相差。當(dāng)視場(chǎng)很大時(shí)，邊緣上的物點(diǎn)離光軸遠(yuǎn)，光束傾斜大，經(jīng)透鏡后則引起像散。像散使原來(lái)的物點(diǎn)在成像后變成兩個(gè)分離并且相互垂直的短線，在理想像平面上綜合后，形成一個(gè)橢圓形的斑點(diǎn)。像散是通過(guò)復(fù)雜的透鏡組合來(lái)消除。5 結(jié)論在此次項(xiàng)目中我們小組完成了典型顯微鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析，目的是觀察近距離的微小物體，這就要求光學(xué)系統(tǒng)具有較高的視覺(jué)放大率，必須采用復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。因此我們?cè)谟绊懝鈱W(xué)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)及其影響成像因素方面做了深入研究，但是只提出了光學(xué)系統(tǒng)成像受色散等因素的影響，而沒(méi)有更好的提供避免和消除的辦法。所以下一步工作應(yīng)當(dāng)主要放在消除各種干擾因素對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的成像方面。通過(guò)此次三級(jí)項(xiàng)目的研究學(xué)習(xí)，讓我們對(duì)典型的光學(xué)系統(tǒng)有了更深入的學(xué)習(xí)和了