工程光學望遠鏡報告

1、工程光學討論課報 告 討論主題：典型顯微鏡的結構設計與性能分析 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 陳 穎 成 績： 典型顯微鏡的結構設計與性能分析摘要：光學顯微鏡（Optical Microscope，簡寫OM）是利用光學原理，把人眼所不能分辨的微小物體放大成像，以供人們提取微細結構信息的光學儀器。光學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，本文結合光學顯微鏡的結構組成，仔細探討了光學顯微鏡的性能參數以及結構設計，從像差等多方面進行了光學顯微鏡的性能分析。關鍵詞：數值孔徑 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 過去看不到的許多微小生物和構成生物的基本單元細胞。 目前， 不僅有能放大千余倍的光學顯微鏡， 而且有放大幾十萬倍的電子顯微鏡， 使我們對生物體的生命活動規(guī)律有了 更進一步的認識。 在普通中學生物教學大綱中規(guī)定的實驗中， 大部分要通過顯微鏡來完成， 因此，顯微鏡性能的好壞是最好觀察實驗的關鍵。1 工作原理物鏡是凸透鏡,物體在其焦點與二倍焦點之間,成倒立放大的實像；目鏡也是凸透鏡,物鏡所成的實像,剛好落在目鏡的焦點以內,成正立放大的虛像!物體經兩次放大,擴大了視角,使人看到了微小物體的細節(jié)顯微鏡的工作原理圖2 組成及結構圖顯微鏡的光學系統主要包括物鏡、目鏡、反光

3、鏡和聚光器四個部件。廣義的說也包括照明光源、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（常用放大倍數為90100倍）。根據放大倍數的不同可分為 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）和復色差物鏡（能矯正光譜中三種色光的色差的物鏡，價格貴，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（當不同波長的光線通過透鏡的時候，它們折射的方向略有不同，這導致了成像質量的下降）2、物鏡的主要參數： 物鏡主要參數包括：放大倍數、數值孔徑和工作距離。 、放大倍數是指眼睛看到像的大小與對應標本大小的比值。它指的是長度的比值而不是面積的比值。例：放大倍數為100，指的是長度是1m的標本，放大后像的長度是100m，要是以面積計算，則放大了10,000倍。顯微鏡的總放大倍數等于物鏡和目鏡放大倍數的乘積。 、數值孔徑也叫鏡口率，簡寫NA 或A，是物鏡和聚光器的主要參數，與顯微鏡的分辨力成正比。干燥物鏡的數值孔徑為0.05-0.95，油浸物鏡（香柏油）的數值孔徑

5、為1.25。 、工作距離是指當所觀察的標本最清楚時物鏡的前端透鏡下面到標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，物鏡的焦距越長，放大倍數越低，其工作距離越長。例：10倍物鏡上標有10/0.25和160/0.17，其中10為物鏡的放大倍數；0.25為數值孔徑；160為鏡筒長度（單位mm）；0.17為蓋玻片的標準厚度（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。分辨力的大小是用分辨距離（所能分辨開的兩個物點間的最小距離）的數值來

6、表示的。在明視距離（25cm）之處，正常人眼所能看清相距0.073mm的兩個物點，這個0.073mm的數值，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決定的，而物鏡的分辨力又是由它的數值孔徑和照明光線的波長決定的。 當用普通的中央照明法（使光線均勻地透過標本的明視照明法）時，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，單位 nm。 NA 物鏡的數值孔徑 例如油浸物鏡的數值孔徑為1.25，可見光波長范圍為400700nm ，取其平均波長550 nm，則d=270

7、nm，約等于照明光線波長一半。一般地，用可見光照明的顯微鏡分辨力的極限是0.2m。（二）、目鏡 因為它靠近觀察者的眼睛，因此也叫接目鏡。安裝在鏡筒的上端。 1、目鏡的結構 通常目鏡由上下兩組透鏡組成，上面的透鏡叫做接目透鏡，下面的透鏡叫做會聚透鏡或場鏡。上下透鏡之間或場鏡下面裝有一個光闌（它的大小決定了視場的大?。?，因為標本正好在光闌面上成像，可在這個光闌上粘一小段毛發(fā)作為指針，用來指示某個特點的目標。也可在其上面放置目鏡測微尺，用來測量所觀察標本的大小。目鏡的長度越短，放大倍數越大（因目鏡的放大倍數與目鏡的焦距成反比）。 2、目鏡的作用是將已被物鏡放大的，分辨清晰的實像進一步放大，達到人眼能

8、容易分辨清楚的程度。常用目鏡的放大倍數為516倍。 3、目鏡與物鏡的關系物鏡已經分辨清楚的細微結構，假如沒有經過目鏡的再放大，達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微結構，雖然經過高倍目鏡的再放大，也還是看不清楚，所以目鏡只能起放大作用，不會提高顯微鏡的分辨率。有時雖然物鏡能分辨開兩個靠得很近的物點，但由于這兩個物點的像的距離小于眼睛的分辨距離，還是無法看清。所以，目鏡和物鏡即相互聯系，又彼此制約。（三）、聚光器 聚光器也叫集光器。位于標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聚光鏡（普通顯微鏡配置）和暗視場聚光鏡。 1、聚光鏡的主要參

9、數 數值孔徑（NA ）是聚光鏡的主要參數，最大數值孔徑一般是1.21.4，數值孔徑有一定的可變范圍，通?？淘谏戏酵哥R邊框上的數字是代表最大的數值孔徑，通過調節(jié)下部可變光闌的開放程度，可得到此數字以下的各種不同的數值孔徑，以適應不同物鏡的需要。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，使聚光鏡的數值孔徑變小，以適應低倍物鏡觀察時的照明。 2、聚光鏡的作用 聚光鏡的作用相當于凸透鏡，起會聚光線的作用，以增強標本的照明。一般地把聚光鏡的聚光焦點設計在它上端透鏡平面上方約1.25mm處。（聚光焦點正在所要觀察的標本上，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。其作用是調節(jié)光強度和使聚光鏡的數值孔徑與物鏡的數值孔徑相適應?？勺児怅@開得越大，數值孔徑越大（觀察完畢后，應將光圈調至最大）。 在可變光闌下面，還有一個圓形的濾光片托架。（四）反光鏡反光鏡是一個可以隨意轉動的雙面鏡，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的光線經通光孔反射上來。平面鏡反射光線的能力較弱，是在光線較強時使用，凹面鏡反射光線的能力較強，是在光線較弱時使用。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方向上任意旋轉。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

11、用聚光器時一般用平面鏡，不用時用凹面鏡；當光線強時用平面鏡，弱時用凹面鏡。觀察完畢后，應將反光鏡垂直放置。 顯微鏡結構圖3 數學模型將顯微鏡中圖像的形成看作是一個線性過程，在這個過程中，樣品上的每一點與物鏡的點擴散函數進行卷積，從而獲得一幅觀察圖像。公式描述：公式中x(t)和h(t)函數是卷積的變量，p是積分變量，t是使函數h(-p)位移的量，星號*表示卷積。光學顯微鏡呈像的數學模型圖4 影響成像因素影響顯微鏡的關鍵因素像差1.色差 色差是透鏡成像的一個嚴重缺陷，發(fā)生在多色光為光源的情況下，單色光不產生色差。白光由紅 橙 黃 綠 青 藍 紫 七種組成，各種光的波長不同 ，所以在通過透鏡時的折射

12、率也不同，這樣物方一個點，在像方則可能形成一個色斑。 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 球差是軸上點的單色相差，是由于透鏡的球形表面造成的。球差造成的結果是，一個點成像后，不在是個亮點，而是一個中間亮、邊緣逐漸模糊的亮斑。從而影響成像質量。球差的矯正常利用透鏡組合來消除，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給予消除。舊型號顯微鏡，物鏡的球差沒有完全矯正，應與相應的補償目鏡配合，才能達到糾正效果。一般新型顯微鏡的球差完全由物鏡消除。3. 慧差 慧差屬軸外點的單色相差。軸外

13、物點以大孔徑光束成像時，發(fā)出的光束通過透鏡后，不再相交一點，則一光點的像便會得到一逗點狀，型如慧星，故稱“慧差”。4. 像散 像散也是影響清晰度的軸外點單色相差。當視場很大時，邊緣上的物點離光軸遠，光束傾斜大，經透鏡后則引起像散。像散使原來的物點在成像后變成兩個分離并且相互垂直的短線，在理想像平面上綜合后，形成一個橢圓形的斑點。像散是通過復雜的透鏡組合來消除。5 結論在此次項目中我們小組完成了典型顯微鏡的結構設計與性能分析，目的是觀察近距離的微小物體，這就要求光學系統具有較高的視覺放大率，必須采用復雜的光學系統。因此我們在影響光學系統的參數設計及其影響成像因素方面做了深入研究，但是只提出了光學系統成像受色散等因素的影響，而沒有更好的提供避免和消除的辦法。所以下一步工作應當主要放在消除各種干擾因素對光學系統的成像方面。通過此次三級項目的研究學習，讓我們對典型的光學系統有了更深入的學習和了