袖珍式简易显微镜光路的设计与实验

第29卷第11期2009年11月

物理实验

V01.29No.11

PHYSICSEXPERIMENTATl0N

NOV.,2009

袖珍式简易显微镜光路的设计与实验

金清理,陈

(温州大学物理与电子信息学院,浙江温州325035)

摘要:组织学生自行设计制作了袖珍式简易显微镜.该显微镜角放大率为100×,镜筒长度105mm,直径20mm,并给出目镜和物镜的结构、材料的选择和各透镜的加工参数.

关键词:袖珍式显微镜;冉斯登目镜;消色差物镜;放大倍数中图分类号:0435.2

文献标识码:A

文章编号:1005—4642(2009)1l一0024—03

引言

整体长度为105mm,调焦通过伸缩物镜来实现,物镜端镜筒的虚线部分为透明的有机玻璃,工作

时起采光和固定支架的作用.

显微镜是人类认识物质微观世界的重要工具,是现代科学研究工作中不可缺少的仪器之一,随着科学技术的发展,显微镜制造技术越来越成熟,显微镜的种类也不断增加,功能、结构逐步得到完善,在生物、医学、医药、科学研究、教育等领域都有广泛的应用[1-6].袖珍式显微镜,因其体积小,携带方便,在金融、集邮、珠宝与文物鉴定、野外工作等方面有着广泛的用途.本文基于基础物理实验的教学,用光学基础知识设计一款袖珍式简易显微镜,教学时数为36学时,以选修课的形式开设,学生自愿报名,在镜片与镜简的加工方面给予一定的经费支持,要求所设计的显微镜:筒长

105mm,直径20

}.————————一lmm—————————一

05

图1显微镜结构简易图

众所周知,显微镜的角放大率Ⅲ为

M一斧寿,

为物镜L。焦距,f目7为目镜L。焦距.3目镜与物镜的设计

3.1

式中,A为镜筒长度,s7为明视距离(25cm),几7

mm,放大倍数100×,并给出目

镜和物镜的结构、材质与加工参数等.镜片和镜筒各参数确定后,送眼镜厂加工,成品经检测符合设计要求给予2学分.通过袖珍式简易显微镜的设计教学,使学生掌握用基础知识理论对光学仪器进行设计的初步方法,既巩固了基础知识,也提高了学生应用基础知识理论解决实际问题的能力与方法,对培养和提高学生的综合素质与创新能力非常有益.

2显微镜的整体结构

如图1所示,显微镜由物镜L。和目镜Lz组

目镜的设计与加工图

目镜如图2所示,选冉斯登目镜结构,两透镜

间隔为18.0mm,根据冉斯登目镜的性质,其场

镜和视镜的焦距均为^,7=f2:7=27.0mm,其总

光焦度

西2=中21+西22--d西21垂222

五_十五7—7孺2两mm

】d36

一,

1‘

则目镜总焦距为

成,目镜为冉斯登目镜(Ramsdeneyepiece)结构,

物镜用消色差物镜(achromaticobjective),镜筒

f目7=÷=20.3目一石一’

mm.

(2)u’

收稿日期:2008一10—29;修改日期:2009-02—06

资助项目:温州大学重点教改项目(No.314040310635)

作者简介:金清理(1956一),男,浙江永嘉人,温州大学物理与电子信息学院高级实验师,主要从事光学信息处理和光

学精密测量的研究与教学工作.

万方数据 

第11期金清理,等:袖珍式简易显微镜光路的设计与实验

25

不难计算整个目镜的第一焦点F。与场镜间的距

离等于单个透镜焦距的1/4,即6.8mm.从物镜

射来的光束形成的实像A7(见图2)由场镜折射成虚像A,,,调节物镜的位置,使A,,恰好落在视镜的物方焦平面F:。上,经视镜折射后出射平行光束,看到清晰的放大的虚像A,,,此时物点的实像A7

正好落在整个目镜的物方焦平面F。上.

场镜L2

l23

图2冉斯登目镜

场镜和视镜的材料都选用K9玻璃加工而成,其折射率,lD=1.51630,按要求单个透镜焦距

^。7一f2:7=27.0mm,则其加工的曲率半径:R一(押D一1)f2l7=0.51630×27mm=13.9mm,视

镜和场镜的加工尺寸如图3(a)和(b)所示.

mm

(a)视镜

T一

3.9mm、

6.omtB

(b)场镜

图3

目镜加工尺寸图

3.2

消色差物镜的设计与加工图

为使问题简化,消色差物镜主要考虑初级位置色差,根据(1)和(2)式,M=100×的显微镜,其消色差物镜焦距应为f物’=13.0mm,结构如图4所示.选用K9和F4两种不同的玻璃加工后胶

万 

方数据合组成消色差物镜,K9和F4玻璃对各色光的折射率‘83与阿贝数如表1所示,表中阿贝数由u=

(理D—1)/(nF一竹c)求得.

(a)(b)

图4物镜结构图

表1

K9和F4玻璃折射率表

物镜的总光焦度圣。一1/f目7,根据消色差的要求,L。。选F4玻璃,L。。选K9玻璃,双胶合镜组,根据消色差条件和总光焦度的2个方程有:

f虬+鲤:0,

<Vl

732

(3)

【西11+西12=妒1.

式中,垂.为物镜的总光焦度,磊。和空,z分别是L,,

和L,。透镜的光焦度.解得:

k。一土画,'Ul一耽

1函12=一—∑中1.I蛾。=一—坠甄.

(4)

各单透镜的光焦度与曲率半径的关系应满足Ⅲ:

f西-。=iVl+瓦①-=c挖伪一・,(击一击),

协一去卵(刀功-1)丽1Vl

,∞’

~oz

j‘3

【R.=R。.

将物镜的总光焦度和表1的各量代人(5)式,求解

得R1---R3=一6.1mm,R2=30.5mm,故物镜的加工如图5所示.

根据设计参数和材质的要求,通过眼镜生产公司加工,袖珍式简易显微镜样品剖面图如图6所示.用该样品显微镜分别进行放大倍数和分辨率的测试,结果放大倍数为M=98×,最小分辨角25.20”(能分辨3号鉴别率板的4号单元),符合设计要求.

26

物理实验第29卷

实践相结合,提高和培养了学生的综合素质与创

,.。忑

、~-一,,

新能力.一架成像清晰、分辩率高的显微镜除以上基本参数外,尚需考虑显微镜的入射光瞳、出射光瞳,目镜和物镜的其他各种像差:如球差、像散、横向色差等的像差校正或采用不同的结构等等众

(a)

多因素,本文基于实验教学只给出显微镜的基本参数予以设计,主要是让学生初步掌握基础知识在实际工程中的应用方法,其他因素另文再述.

,f

|R2=30

参考文献:

[1]董雷,戴志安,张懋植.显微镜下脑胶质瘤全切除术

的病理评定[J].中国冶金工业医学杂志,2007,24

(1):50—51.

02

、~一

[2]初梅,曹力.光学显微镜和尿液分析仪对儿童血尿

(b)

定位诊断作用的探讨[J].中国实用儿科杂志,

2007,22(2):114-117.

图5物镜加工图

[3]史旭斌,田俊成.计量传感器在万能工具显微镜中

的应用[J].机械工业标准化与质量,2007,5:34・

37.

[4]向东,王青玲,柳金凤,等.在扫描隧道显微镜实验

中开展研究性学习[J].实验室研究与探索,2007,

图6袖珍式显微镜剖面图

26(3):89-92.

[5]胡浩彬,雷霁远.偏光显微镜在中药鉴定中的应用[J].南京中医药大学学报.2007,23(4):268—269.

4结束语

本文结合基础光学实验的教学,利用光学基础知识设计了一款袖珍式显微镜,其角放大率为100×,分别给出了目镜和物镜的结构、选取材质、放大倍数与加工参数等.通过显微镜设计的教学,使学生巩固了基础知识理论,并将基础知识应用到解决实际问题中,用学到的基础理论知识与

[6]蒋永忠,梁一志,梁坚生.一种改进测量显微镜放大

倍数的方法[J].实验科学与技术,2007,5(4):23—

24.

[7]姚启钧.光学教程[M].2版.北京:高等教育出版

社,2002:239—241.

[8]母国光,战元龄.光学[M].北京:人民教育出版

社,1978:112—116,653.

Designofthepocket・・sizemicroscopelighttrace

JINQing—li,CHENJie

(CollegeofPhysicsandElectronicInformation,WenzhouUniversity,Wenzhou325035,China)

Abstract:Thepocket—sizemicroscopeisdesignedandmadebystudents.Theanglemagnificationofthismicroscopeis100×,tubelengthis105mmanddiameteris20mm.Theandobiectivespectively.

Keywords:pocket—sizemicroscope;Ramsdeneyepiece;achromaticobjective;anglemagnification

are

structures

are

ofeyepiece

re-

shown。andthematerialselectionandlensprocessingparameters

presented

[责任编辑:郭伟]

万方数据 

袖珍式简易显微镜光路的设计与实验

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:

金清理, 陈杰, JIN Qing-li, CHEN Jie

温州大学,物理与电子信息学院,浙江,温州,325035物理实验

PHYSICS EXPERIMENTATION2009,29(11)1次

参考文献(8条)

1. 董雷;戴志安;张懋植 显微镜下脑胶质瘤全切除术的病理评定[期刊论文]-中国冶金工业医学杂志 2007(01)2. 初梅;曹力 光学显微镜和尿液分析仪对儿童血尿定位诊断作用的探讨[期刊论文]-中国实用儿科杂志 2007(02)3. 史旭斌;田俊成 计量传感器在万能工具显微镜中的应用[期刊论文]-机械工业标准化与质量 2007(05)4. 向东;王青玲;柳金凤 在扫描隧道显微镜实验中开展研究性学习[期刊论文]-实验室研究与探索 2007(03)5. 胡浩彬;雷霁远 偏光显微镜在中药鉴定中的应用[期刊论文]-南京中医药大学学报(自然科学版) 2007(04)6. 蒋永忠;梁一志;梁坚生 一种改进测量显微镜放大倍数的方法[期刊论文]-实验科学与技术 2007(04)7. 姚启钧 光学教程 20028. 母国光;战元龄 光学 1978

本文读者也读过(10条)

1. 刘春霞. LIU Chun-xia 空间遥感仪器卡塞格伦镜筒的设计及轻量化研究[期刊论文]-红外技术2006,28(5)2. 阮长久. 苏静. RUAN Chang-jiu. SU Jing 自制楞次定律演示仪[期刊论文]-物理实验2011,31(8)3. 袁青鑫. 吴鹏. 李学慧. YUAN Qing-xin. WU Peng. LI Xue-hui 磁性液体沉浮演示仪[期刊论文]-物理实验2011,31(1)

4. 沙育年. 钱学忠. SHA Yu-nian. QIAN Xue-zhong 流线演示仪的制作及应用[期刊论文]-物理实验2011,31(1)5. 王佑坤. WANG You-kun 自制角动量守恒演示仪[期刊论文]-物理实验2011,31(10)

6. 徐进. 倪旭翔. 曹向群. 陆祖康. XU Jin. NI Xu-xiang. CAO Xiang-qun. LU Zu-kang CMOS光栅图像纳米细分技术研究[期刊论文]-光学仪器2006,28(3)

7. 黄嘉成 液体浮力产生原因演示器[期刊论文]-物理实验2010,30(4)

8. 宦强. 崔璐. 栾丽. HUAN Qiang. CUI Lu. LUAN Li 平面镜演示实验仪器的研制和成像分析[期刊论文]-物理实验2010,30(6)

9. 陈若辉. 王海燕. CHEN Ruo-hui. WANG Hai-yan 激光干涉环干扰的排除方法及干涉环计数装置的设计[期刊论文]-物理实验2009,29(12)

10. 李明. 王叶. 耿在斌. LI Ming. WANG Ye. GENG Zai-bin 等离子体综合实验仪[期刊论文]-物理实验2009,29(11)

引证文献(1条)

1. 杨帆 《自组显微镜》实验的光路设计研究[期刊论文]-黑龙江科技信息 2011(35)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_wlsy200911008.aspx

第29卷第11期2009年11月

物理实验

V01.29No.11

PHYSICSEXPERIMENTATl0N

NOV.,2009

袖珍式简易显微镜光路的设计与实验

金清理,陈

(温州大学物理与电子信息学院,浙江温州325035)

摘要:组织学生自行设计制作了袖珍式简易显微镜.该显微镜角放大率为100×,镜筒长度105mm,直径20mm,并给出目镜和物镜的结构、材料的选择和各透镜的加工参数.

关键词:袖珍式显微镜;冉斯登目镜;消色差物镜;放大倍数中图分类号:0435.2

文献标识码:A

文章编号:1005—4642(2009)1l一0024—03

引言

整体长度为105mm,调焦通过伸缩物镜来实现,物镜端镜筒的虚线部分为透明的有机玻璃,工作

时起采光和固定支架的作用.

显微镜是人类认识物质微观世界的重要工具,是现代科学研究工作中不可缺少的仪器之一,随着科学技术的发展,显微镜制造技术越来越成熟,显微镜的种类也不断增加,功能、结构逐步得到完善,在生物、医学、医药、科学研究、教育等领域都有广泛的应用[1-6].袖珍式显微镜,因其体积小,携带方便,在金融、集邮、珠宝与文物鉴定、野外工作等方面有着广泛的用途.本文基于基础物理实验的教学,用光学基础知识设计一款袖珍式简易显微镜,教学时数为36学时,以选修课的形式开设,学生自愿报名,在镜片与镜简的加工方面给予一定的经费支持,要求所设计的显微镜:筒长

105mm,直径20

}.————————一lmm—————————一

05

图1显微镜结构简易图

众所周知,显微镜的角放大率Ⅲ为

M一斧寿,

为物镜L。焦距,f目7为目镜L。焦距.3目镜与物镜的设计

3.1

式中,A为镜筒长度,s7为明视距离(25cm),几7

mm,放大倍数100×,并给出目

镜和物镜的结构、材质与加工参数等.镜片和镜筒各参数确定后,送眼镜厂加工,成品经检测符合设计要求给予2学分.通过袖珍式简易显微镜的设计教学,使学生掌握用基础知识理论对光学仪器进行设计的初步方法,既巩固了基础知识,也提高了学生应用基础知识理论解决实际问题的能力与方法,对培养和提高学生的综合素质与创新能力非常有益.

2显微镜的整体结构

如图1所示,显微镜由物镜L。和目镜Lz组

目镜的设计与加工图

目镜如图2所示,选冉斯登目镜结构,两透镜

间隔为18.0mm,根据冉斯登目镜的性质,其场

镜和视镜的焦距均为^,7=f2:7=27.0mm,其总

光焦度

西2=中21+西22--d西21垂222

五_十五7—7孺2两mm

】d36

一,

1‘

则目镜总焦距为

成,目镜为冉斯登目镜(Ramsdeneyepiece)结构,

物镜用消色差物镜(achromaticobjective),镜筒

f目7=÷=20.3目一石一’

mm.

(2)u’

收稿日期:2008一10—29;修改日期:2009-02—06

资助项目:温州大学重点教改项目(No.314040310635)

作者简介:金清理(1956一),男,浙江永嘉人,温州大学物理与电子信息学院高级实验师,主要从事光学信息处理和光

学精密测量的研究与教学工作.

万方数据 

第11期金清理,等:袖珍式简易显微镜光路的设计与实验

25

不难计算整个目镜的第一焦点F。与场镜间的距

离等于单个透镜焦距的1/4,即6.8mm.从物镜

射来的光束形成的实像A7(见图2)由场镜折射成虚像A,,,调节物镜的位置,使A,,恰好落在视镜的物方焦平面F:。上,经视镜折射后出射平行光束,看到清晰的放大的虚像A,,,此时物点的实像A7

正好落在整个目镜的物方焦平面F。上.

场镜L2

l23

图2冉斯登目镜

场镜和视镜的材料都选用K9玻璃加工而成,其折射率,lD=1.51630,按要求单个透镜焦距

^。7一f2:7=27.0mm,则其加工的曲率半径:R一(押D一1)f2l7=0.51630×27mm=13.9mm,视

镜和场镜的加工尺寸如图3(a)和(b)所示.

mm

(a)视镜

T一

3.9mm、

6.omtB

(b)场镜

图3

目镜加工尺寸图

3.2

消色差物镜的设计与加工图

为使问题简化,消色差物镜主要考虑初级位置色差,根据(1)和(2)式,M=100×的显微镜,其消色差物镜焦距应为f物’=13.0mm,结构如图4所示.选用K9和F4两种不同的玻璃加工后胶

万 

方数据合组成消色差物镜,K9和F4玻璃对各色光的折射率‘83与阿贝数如表1所示,表中阿贝数由u=

(理D—1)/(nF一竹c)求得.

(a)(b)

图4物镜结构图

表1

K9和F4玻璃折射率表

物镜的总光焦度圣。一1/f目7,根据消色差的要求,L。。选F4玻璃,L。。选K9玻璃,双胶合镜组,根据消色差条件和总光焦度的2个方程有:

f虬+鲤:0,

<Vl

732

(3)

【西11+西12=妒1.

式中,垂.为物镜的总光焦度,磊。和空,z分别是L,,

和L,。透镜的光焦度.解得:

k。一土画,'Ul一耽

1函12=一—∑中1.I蛾。=一—坠甄.

(4)

各单透镜的光焦度与曲率半径的关系应满足Ⅲ:

f西-。=iVl+瓦①-=c挖伪一・,(击一击),

协一去卵(刀功-1)丽1Vl

,∞’

~oz

j‘3

【R.=R。.

将物镜的总光焦度和表1的各量代人(5)式,求解

得R1---R3=一6.1mm,R2=30.5mm,故物镜的加工如图5所示.

根据设计参数和材质的要求,通过眼镜生产公司加工,袖珍式简易显微镜样品剖面图如图6所示.用该样品显微镜分别进行放大倍数和分辨率的测试,结果放大倍数为M=98×,最小分辨角25.20”(能分辨3号鉴别率板的4号单元),符合设计要求.

26

物理实验第29卷

实践相结合,提高和培养了学生的综合素质与创

,.。忑

、~-一,,

新能力.一架成像清晰、分辩率高的显微镜除以上基本参数外,尚需考虑显微镜的入射光瞳、出射光瞳,目镜和物镜的其他各种像差:如球差、像散、横向色差等的像差校正或采用不同的结构等等众

(a)

多因素,本文基于实验教学只给出显微镜的基本参数予以设计,主要是让学生初步掌握基础知识在实际工程中的应用方法,其他因素另文再述.

,f

|R2=30

参考文献:

[1]董雷,戴志安,张懋植.显微镜下脑胶质瘤全切除术

的病理评定[J].中国冶金工业医学杂志,2007,24

(1):50—51.

02

、~一

[2]初梅,曹力.光学显微镜和尿液分析仪对儿童血尿

(b)

定位诊断作用的探讨[J].中国实用儿科杂志,

2007,22(2):114-117.

图5物镜加工图

[3]史旭斌,田俊成.计量传感器在万能工具显微镜中

的应用[J].机械工业标准化与质量,2007,5:34・

37.

[4]向东,王青玲,柳金凤,等.在扫描隧道显微镜实验

中开展研究性学习[J].实验室研究与探索,2007,

图6袖珍式显微镜剖面图

26(3):89-92.

[5]胡浩彬,雷霁远.偏光显微镜在中药鉴定中的应用[J].南京中医药大学学报.2007,23(4):268—269.

4结束语

本文结合基础光学实验的教学,利用光学基础知识设计了一款袖珍式显微镜,其角放大率为100×,分别给出了目镜和物镜的结构、选取材质、放大倍数与加工参数等.通过显微镜设计的教学,使学生巩固了基础知识理论,并将基础知识应用到解决实际问题中,用学到的基础理论知识与

[6]蒋永忠,梁一志,梁坚生.一种改进测量显微镜放大

倍数的方法[J].实验科学与技术,2007,5(4):23—

24.

[7]姚启钧.光学教程[M].2版.北京:高等教育出版

社,2002:239—241.

[8]母国光,战元龄.光学[M].北京:人民教育出版

社,1978:112—116,653.

Designofthepocket・・sizemicroscopelighttrace

JINQing—li,CHENJie

(CollegeofPhysicsandElectronicInformation,WenzhouUniversity,Wenzhou325035,China)

Abstract:Thepocket—sizemicroscopeisdesignedandmadebystudents.Theanglemagnificationofthismicroscopeis100×,tubelengthis105mmanddiameteris20mm.Theandobiectivespectively.

Keywords:pocket—sizemicroscope;Ramsdeneyepiece;achromaticobjective;anglemagnification

are

structures

are

ofeyepiece

re-

shown。andthematerialselectionandlensprocessingparameters

presented

[责任编辑:郭伟]

万方数据 

袖珍式简易显微镜光路的设计与实验

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:

金清理, 陈杰, JIN Qing-li, CHEN Jie

温州大学,物理与电子信息学院,浙江,温州,325035物理实验

PHYSICS EXPERIMENTATION2009,29(11)1次

参考文献(8条)

1. 董雷;戴志安;张懋植 显微镜下脑胶质瘤全切除术的病理评定[期刊论文]-中国冶金工业医学杂志 2007(01)2. 初梅;曹力 光学显微镜和尿液分析仪对儿童血尿定位诊断作用的探讨[期刊论文]-中国实用儿科杂志 2007(02)3. 史旭斌;田俊成 计量传感器在万能工具显微镜中的应用[期刊论文]-机械工业标准化与质量 2007(05)4. 向东;王青玲;柳金凤 在扫描隧道显微镜实验中开展研究性学习[期刊论文]-实验室研究与探索 2007(03)5. 胡浩彬;雷霁远 偏光显微镜在中药鉴定中的应用[期刊论文]-南京中医药大学学报(自然科学版) 2007(04)6. 蒋永忠;梁一志;梁坚生 一种改进测量显微镜放大倍数的方法[期刊论文]-实验科学与技术 2007(04)7. 姚启钧 光学教程 20028. 母国光;战元龄 光学 1978

本文读者也读过(10条)

1. 刘春霞. LIU Chun-xia 空间遥感仪器卡塞格伦镜筒的设计及轻量化研究[期刊论文]-红外技术2006,28(5)2. 阮长久. 苏静. RUAN Chang-jiu. SU Jing 自制楞次定律演示仪[期刊论文]-物理实验2011,31(8)3. 袁青鑫. 吴鹏. 李学慧. YUAN Qing-xin. WU Peng. LI Xue-hui 磁性液体沉浮演示仪[期刊论文]-物理实验2011,31(1)

4. 沙育年. 钱学忠. SHA Yu-nian. QIAN Xue-zhong 流线演示仪的制作及应用[期刊论文]-物理实验2011,31(1)5. 王佑坤. WANG You-kun 自制角动量守恒演示仪[期刊论文]-物理实验2011,31(10)

6. 徐进. 倪旭翔. 曹向群. 陆祖康. XU Jin. NI Xu-xiang. CAO Xiang-qun. LU Zu-kang CMOS光栅图像纳米细分技术研究[期刊论文]-光学仪器2006,28(3)

7. 黄嘉成 液体浮力产生原因演示器[期刊论文]-物理实验2010,30(4)

8. 宦强. 崔璐. 栾丽. HUAN Qiang. CUI Lu. LUAN Li 平面镜演示实验仪器的研制和成像分析[期刊论文]-物理实验2010,30(6)

9. 陈若辉. 王海燕. CHEN Ruo-hui. WANG Hai-yan 激光干涉环干扰的排除方法及干涉环计数装置的设计[期刊论文]-物理实验2009,29(12)

10. 李明. 王叶. 耿在斌. LI Ming. WANG Ye. GENG Zai-bin 等离子体综合实验仪[期刊论文]-物理实验2009,29(11)

引证文献(1条)

1. 杨帆 《自组显微镜》实验的光路设计研究[期刊论文]-黑龙江科技信息 2011(35)

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