显微镜望远镜的设计与组装

关于的设计与组装显微镜望远镜各兄弟院校都将本实验作为设计性实验。主要归于：本实验具有较好的知识性、科学性、趣味性和实用性，实验以后学生有一定的成就感（显微镜、望远镜具有一定的实用性），因此学生的兴趣浓厚。另一方面，一个实验室开设本实验，实验仪器是现成的光具座(每个实验室都有)，不需要专门购置其他仪器。另外，实验仪器与器材都经得起初学者折腾，因此各高校都有条件开设此实验。一句话，学生、教师以及实验组织者都乐于以本实验作为一个设计性实验。前言纵观各高校及我们中心，该实验存在如下问题:1.透镜品种太少（焦距f不同的透镜太少只有两三个），学生在实验中没有选择的自由度（选择余地），谈不上设计。2.实验后期没有引导学生把兴趣和热情升华为成果（论文）。3.国内实验教材仅对显微镜、望远镜的原理有所介绍，但对其实用性有关的工艺性设计却未提及，以致于学生设计组装出来的显微镜、望远镜不实用，导致学生的兴趣降低，也无形中导致了学生不求甚解，马马虎虎的不良作风。为了把该实验建设成一个真正的设计性实验，我建议从以下几个方面入手：1、建议该实验学时数定为6学时（课内3学时，课外3学时）。2、实验完成后不是提交实验报告而是小论文（提高小论文成绩的权重）。3、增加透镜的品种使学生有较大的选择自由度。为了保证本次实验的质量，授课老师应该：（1）提前告诉学生该实验的教学内容安排：时间安排教学内容安排最终提交小论文（2）提前告诉学生参考资料，透镜组装参数及建议选择参数。（3）为保证本实验的质量，学生在实验前应提交设计方案（含设计装置的放大倍数、透镜参数、出瞳位置、视窗大小、为作到实用采取的措施、应用前景、参考文献等）。（4）课堂中教师根据设计方案明白学生的设计意图，指标参数、因材施教地指导教学。（5）小论文的批改与给分（这是今天大家讨论内容之一）。望远镜当远处的物体对人眼的视角小于1‘时，人类必须借助望远镜进行观察才能分辨物体。望远镜有多种分类方式，如反射式与透射式望远镜，而透射式望远镜又分为两类：开普勒望远镜和伽利略望远镜。一.望远镜系统的原理A、开普勒望远镜系统物镜分划板目镜孔径光阑(入瞳)出瞳f’物F1F2-f’目-wW’W’DD’如图所示，开普勒望远镜是由正透镜的物镜和正透镜的目镜组成。无穷远物经望远镜的物镜后，在像方焦面（目镜的物方焦面）上成一实像，该实像再经目镜放大成像于无穷远。因此，用它观察物体时，正常人的眼睛无须调节，观察时亦不易疲劳。开普勒望远镜的物镜框就是孔径光阑（有效光阑），物镜框D按正向光路成的像就是出射光瞳，入射光瞳也是孔径光阑。为了计量，人们也可在目镜物方焦面放置分划板，这是它的一大优点，另一优点是没有渐晕现象，像质好。其缺点是呈倒像，在应用中应加转像系统。'DB、伽利略望远镜O1O’1O2F’1F2入射窗视场光阑出射窗孔径光阑（出瞳）入瞳O1O’1O2P’p如图所示，伽利略望远镜由正透镜的物镜和负透镜的目镜组成，物镜的像方焦点重合并位于望远镜的外部。当不考虑眼瞳的作用时，物镜框就是系统的入射光瞳，经目镜成的是虚像，位于目镜的前方，是系统的出瞳，眼睛无法与之重合。当考虑眼睛时，眼睛就是出射光瞳，出瞳经系统成的像就是入瞳。'1O'1O望远镜的放大率：三个等价的表达式。D:进入望远系统的轴向光束的直径D’:离开望远系统的轴向光束的直径tan'tanww'DD''ff物目伽利略望远镜的优点是镜筒短，光能损失小，结构简单便于携带。但它没有中间实像不能放置分划板。不能进行计量，另外有渐晕。因此只能作辅助性的观察，应用不及开普勒望远镜广泛。二、望远镜的主要指标参数：1、视角放大率2、出瞳直径出瞳直径是表示望远镜系统主观亮度的特征量。人眼通过望远镜观察的主观亮度与系统的出瞳直径的平方成正比。出瞳直径大，系统的像就亮，反之则暗。'D'D'tan'tan''fwDwfD物目3、出瞳距离出瞳距离是指目镜最后一表面至出瞳的距离，它的大小是由使用条件决定的。对于15-25mm的目镜来说，出瞳就在目镜的后焦点处，而对于长焦距的目镜则不然。4、分辨率Ψ望远系统对两个很近的物点仍旧能成两个分开的像点的能力叫望远系统的分辨率Ψ。'P望远物镜分辨率的理论值,D为物镜通光口径。由于人眼的分辨率为（）。为了保证物体经望远系统后仍被人眼分辨，物体的分辨率应有1'60''结合以上两者，系统有效放大率与分辨率的关系：''6043D.0D'140''60'''60应该指出，望远镜的分辨率与物镜的通光孔径有关，与目镜无关。目镜只能把像放大，不能增加系统的分辨率。DDarctg14022.1三、结构尺寸问题1、长度问题A、出瞳距离例：利用下列两组透镜，设计一个放大率为100倍的望远镜物镜f物200f物1000目镜f目2f目10'P按理说利用以上两组透镜都可以获得放大率为100X的望远镜。但实际上，这只是理论上的。实际中第一组透镜行不通，为什么呢？答案是：望远镜是目视光学仪器，它是通过人眼来观察的，应充分考虑人眼的结构问题。人眼眼瞳到角膜顶点约为4mm，因此目视光学仪器的瞳孔距一定要大于此值。再加上眼瞳到睫毛距约为8mm，因此，目镜焦距应不小于10mm（一般推荐的是12.5~25mm）。因此，上述两组透镜组合，选取后一组才是合理的。B、关于长度问题中的第二个问题：由于人眼的缺陷（正常眼，近视眼，老花眼），我们在设计望远镜时必须考虑这个问题。因此目镜机构在望远镜轴线方向上一定留有一个调节自由度，才能使望远镜能适合不同的使用者。2、横向尺寸（孔径尺寸）A、出瞳直径由于望远镜的出瞳直径与像主观亮度有关，因此针对不同的使用者和使用条件之中，设计合符要求的出瞳直径。人眼瞳孔和环境的亮度是密切相关的，它能自动调节。一般地：白天眼瞳孔直径2mm黄昏眼瞳孔直径4mm夜间眼瞳孔直径8mmB、场镜在望远镜物镜的像方焦平面（或附近）加入一个场镜（正透镜）可以减小系统的外形尺寸（主要是目镜部分）。显微镜人眼的极限分辨角约为（角分辨本领）。当人眼观察物体的细节时，该细节对人眼的视角大于，人才能看清楚这一细节。物体对人眼的视角取决于物体的大小和该物到人眼的距离。对于一个特定的物体来说这个距离越近，视角越大。但人眼的调节能力有限，物体不能无限地靠近眼睛，物体必须位于人眼的近点之外。1'1'当物体移到近点但视觉任小于，则人们必须借助目视光学仪器将物体放大，放大的像对人的视角大于，人们就看清这个物体了。对于近物放大的目视仪器，常用的有放大镜（15X以下）及显微镜。1'1'显微镜由物镜和目镜两部分组成，物镜像方焦点到目镜物方焦点之间的距离∆称为光学间隔（∆=160~190mm）。物镜的放大倍率目镜的放大倍率显微镜的总放大率为即显微镜放大率与∆成正比，与物镜，目镜焦距成反比。''yMyf物物250'Mf目目250''MMff目物目物一、显微镜的工作原理yy’物镜目镜f’物F’物f目∆二、显微镜的分辨率与NA（数字孔径）显微物镜的NA被称为物镜的数字孔径（NA=nu）。显微镜对一定波长的分辨率(=0.61/NA)完全取决于物镜的数字孔径NA，NA越大显微镜的分辨率越高。为了充分利用显微镜的分辨率，使显微镜分辨出的细节能同时被眼睛分辨，显微镜必须有足够大的放大率。满足于500NA被称为显微镜的有效放大率。当显微镜的分辨率或数字孔径确定后，放大率取小了则不能看清物镜已分辨出的物体细节，取大了则造成无谓的放大，给设计与加工带来困难，对于一般情况，取=500NA。三、显微镜的光束限制与光阑光学系统除应满足物象共轭和成像放大率的要求外，还要有一定的成像范围。为了在像平面上获得一定的光能和反映物面细节的能力。在设计光学系统时必须按其用途、要求和成像范围，对通过显微镜的成像光束提出合理的要求，这就是显微镜的光束限制问题。必须指出，显微镜、望远镜等目视光学系统一定要把眼睛的瞳孔作为整个系统的一个光阑来考虑才能得到理想的效果。孔径光阑视场光阑出瞳目镜物镜物F目在单透镜情况下，显微镜中成像光束的口径是由物镜边框限制的，物镜框就是孔径光阑。物镜框经目镜所成的像就是显微镜的出瞳。测量显微镜往往在物镜的像方焦平面上专门设置一个光阑作孔径光阑，这时系统的入瞳位于物方无穷远外，出瞳在整个显微镜的像方焦面上。人眼瞳孔就置于此处。另外，限制成像范围大小的光阑称为视场光阑，显微镜的视场光阑在目镜的物方焦面上。显示器控制与数码显示CCD摄像机镜体图1DRMS-I数字读数显微镜•引言•实验原理•设计简单方案及参数•实验装置•实验内容及效果•结束语•参考文献[1]王之江著，光学设计理论基础，科学出版社（第二版）1985年，北京[2]张以谟主编，应用光学，机械工业出版社，1982年，[3]高凤武，李继祥主编，应用光学，解放军出版社，1986年，北京[4][苏]В.А.帕诺夫，显微镜的光学设计与计算，1982年09月第1版[5][英]D.F.霍勒，光学仪器及其应用，1988年08月第1版要求：１、文章用手写２、文章字数1500——2500小论文格式