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
杰
(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
1
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
㈣
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
L
(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:
l
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
上
、~-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
杰
(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
1
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
㈣
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
L
(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:
l
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
上
、~-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
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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