20倍物面到出瞳距离400MM显微镜设计 >48Y-w
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摘要:一个完整的显微镜系统设计是十分复杂的,涉及到光学设计、机械设计、电路设计等多方面知识;现代显微镜大多数与计算机技术和自动控制技术相结合,是光机电算相结合的高科技产品。本课程设计为工厂设计一有效视放大率为20的显微镜。在设计过程要根据显微镜的使用要求来进行显微镜选型设计,选好形式之后,初步选择它的外形尺寸和放大倍率、分辨率等主要参数,基于理想光学系统的有关计算公式,例如高斯公式、牛顿公式,对显微镜的初始外形尺寸的计算,得到所需的物镜、目镜和有关的各种参数;详细设计物镜、目镜以及其它附属结构的光学系统;软件设计,在ZEMAX软件中进行优化,得到符合要求的物镜、目镜和有关的像质评判图,组装显微镜系统,并进行优化;接着,又对显微镜进行了简单的照明系统,对照明系统的选用提出了技术方面的要求;设计中充分考虑到了经济性。 E ..[F<5
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1概述 #UIg<:
显微镜是指为提高人们获得微笑细节信息能力的光学仪器,显微镜由物镜和目镜组合而成的,其作用是把被观察的物体放大为一个实象位在目镜的焦面上,然后通过目镜成像在无限远供人观察。只有当物体对人眼的张角不小于某一值时,肉眼才能区别其各个细部,该量称为目视分辨率ε。在最佳条件下,即物体的照度为50~70lx及其对比度较大时,可达到1'。为易于观测,一般将该量加大到2',并取此为平均目镜分辨率。物体视角的大小与该物体的长度尺寸和物体至眼睛的距离有关。最佳的视距规定为250mm(明视距离)。这意味着,在没有仪器的条件下,目视分辨率ε=2'的眼睛,能清楚地区分大小为0.15mm的物体细节。 iqYc&}k,
Z1.1 放大镜的成像原理`Gc v-qS 'N4
表面为曲面的玻璃或其他透明材料制成的光学透镜可以使物体放大成像,光路图如图-1所示。位于物方焦点F以内的物AB,其大小为y,它被放大镜成一大小为y'的虚像A'B'。放大镜的放大率WΓ=250/f' 式中250--明视距离,单位为mm,f'为放大镜焦距,单位为mm该放大率是指在250mm的距离内用放大镜观察到的物体像的视角同没有放大镜观察到的物体视角的比值。 QB>e(j%
1.2 显微镜的成像原理sW /@e\I0P^
图1.1被显微镜成像的原理图。图中为方便计,把物镜L1和目镜L2均以单块透镜表示。物体AB位于物镜前方,离开物镜的距离大于物镜的焦距,但小于两倍物镜焦距。所以,它经物镜以后,必然形成一个倒立的放大的实像A'B'。 A'B'位于目镜的物方焦点F2上,或者在很*近F2的位置上。再经目镜放大为虚像A''B''后供眼睛观察。虚像A''B''的位置取决于F2和A'B'之间的距离,可以在无限远处(当A'B'位于F2上时),也可以在观察者的明视距离处(当A'B'在图中焦点F2之右边时)。 9X~^w_cdk
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图1.1 显微镜系统原理图 W`
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1.3显微镜的重要光学技术参数W 2o;M:+KQ)
显微镜的光学技术参数包括:数值孔径、分辨率、放大率、焦深、视场宽度、覆盖差、工作距离等等。这些参数并不都是越高越好,它们之间是相互联系又相互制约的,在使用时,应根据镜检的目的和实际情况来协调参数间的关系,但应以保证分辨率为准。8© &0`L; 1R
1.3.1 数值孔径*XQ `,O^=HBM
数值孔径简写NA,数值孔径是物镜和聚光镜的主要技术参数,是判断两者(尤其对物镜而言)性能高低的重要标志。其数值的大小,分别标刻在物镜和聚光镜的外壳上。* %/y/,yd
数值孔径(NA)是物镜前透镜与被检物体之间介质的折射率(n)和孔径角(u)半数的正弦之乘积。用公式表示如下:NA=nsinu/2|< K||85l?<
1.3.2 分辨率OO t30V_`eQ
显微镜的分辨率是指能被显微镜清晰区分的两个物点的最小间距,又称"鉴别率"。其计算公式是σ=λ/NA% 式中σ为最小分辨距离;λ为光线的波长;NA为物镜的数值孔径。可见物镜的分辨率是由物镜的NA值与照明光源的波长两个因素决定。NA值越大,照明光线波长越短,则σ值越小,分辨率就越高坛 ?{'Q}%
1.3.3 放大率和有效放大率 )_uK(UNZ5
由于经过物镜和目镜的两次放大,所以显微镜总的放大率Γ应该是物镜放大率β和目镜放大率Γ1的乘积:V6 H#D=vx'
Γ=βΓ1*Y分辨率和放大倍率是两个不同的但又互有联系的概念。有关系式:500NA<Γ<1000NA}6 O%I'
1.3.4 焦深 w;"'l]W
(1) 焦深与总放大倍数及物镜的数值孔径成反比。 *V/SI E*8
(2) 焦深大,分辨率降低 zob-z=='
1.3.5 视场直径L`/ zc"eSy< w$
观察显微镜时,所看到的明亮的圆形范围叫视场,它的大小是由目镜里的视场光阑决定的视场直径愈大,愈便于观察。有公式 F=FN/β1<! n3w2&
式中F: 视场直径,FN:视场数 Sn]A0J_
1.3.6 工作距离WD% 5`J.
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工作距离也叫物距,即指物镜前透镜的表面到被检物体之间的距离。镜检时,被检物体应处在物镜的一倍至二倍焦距之间。在物镜数值孔径一定的情况下,工作距离短孔径角则大。数值孔径大的高倍物镜,其工作距离小。*Eo >=bO@)[
2设计要求 Vz^:|qON
某玻璃工厂需对玻璃气泡、划伤、砂粒、疙瘩、麻点、线道进行检验,在生产和检验时需要有放大系统。为此,厂方提出为它设计一使用工具显微镜或放大倍数为20倍、分度值为0.01mm的读数显微镜系统进行检定。要求设计一分辨率σ为3.6微米的显微镜,有效视放大率为20倍。显微镜有关外形要求:由于生产时人不能靠的过近,其出瞳离开显微镜底座距离为400MM左右,初步提出物面到出瞳距离为L=400MM且有60°折转角,与国标的不一致。考虑设计的经济性,即能以最低的成本生产出好产品来。. 9}-,dgAB
3光学系统总体设计 <fxYTd<#D[
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已知条件为:分辨率б、物面至出瞳距L=400MM,Γ=20,折转角60°。 |v+b?@
设计过程如图3.1 LYKepk
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图3.1系统设计 qxq ~9\My
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3.1物镜目镜放大率配置 )wC>Hq[mhW
按500NA<=Г<=1000NA(设所选光线为λ=0.00055MM)选择物镜放大率β。可选择4X(NA=0.1),4X消色差物镜;Γ目=Γ/β,所以目镜选用5X惠更斯目镜;主要技术参数为D=2.5mm,f´=50.47mm,y´0=6.55mm,入瞳距为168mm,2ω′=14.8°,光路转折60°,可在光路中加一平面反射镜或反射棱镜。 'ySWf,Q^
opBvx>S
3.2外型尺寸计算 "371`!%
计算步骤如下 r8qee$^M
3.2.1计算物镜的放大率数值孔径 czj[U|eB}=
NA=0.61λ/σ=0.61X0.5893/3.6=0.1 Z?~7#F~Z`
取标准数值孔径NA=0.1 Z^sO`C
3.2.2分配物镜和目镜的放大率 sx9N8T3n
按数值孔径0.1可选择消色差显微物镜。取β=-4。 UuN(+&oD-
Γ目=Γ/β=20/4=5。因为生物显微镜主要用于观察,所以一般选用惠更斯目镜,其主要技术参数为f'=50.47mm,2ω=14.8°,l'F2=11.56mm. MRs8l
3.2.3计算物镜目镜焦距 T+\BX$w/4e
f'物由于物镜的共轭距 和放大率 已知,由高斯公式 、 及 可得以下式子,得到物镜焦距 。 9i"3R0HN
f¹物=-Lβ/(1-β)2=-195X(-4)/25=31.2mm '=oV
目镜焦距f'目; \"5 \hX~dS
f'目=250/5=50mm D%Wr/6X
3.2.4计算显微镜焦距 *e^ZH
由人的明视距离250mm、显微镜的有效放大率Γ 5~qr+la
f'=250/Γ=250/20=12.5mm ]xuq2MU,l
3.2.5计算目镜的线视场 {#7t(:x
目镜结构选好后,视场角2ω'是已知的,,因而,可知其线视场 为 ALFw[1X
2y'=2f'目tanω′=2X50Xtan7.4°=12.98mm fx*Swv%r
计算物镜线视场2y. 由物方视场和像方视场的关系,可知:物方线视场为 ,计算得: [ML4<Eb+x
2y=2y'/β=12.98/4=3.245mm ohwQ%NDl
3.2.6计算出瞳距l´z A/'G.H
对一般显微光路来说,物镜的出瞳和目镜的入瞳相接,而目镜的出瞳要和人眼的瞳孔相 -wY6da*.W
接。因此,计算出目镜的出瞳,对目镜的外形尺寸很重要。 '0[l'Dt'
由式 可得 __zsrIUJ
l′z =l'F2+(-f′22/xz)=16.99+(-50)2/369 =10.21mm R (6Jvub"I
其中: 为目镜的像方顶焦距,大小为16.99 ; 表示孔径光阑到目镜前焦点的距离); #0weN%
3.2.7计算显微镜的景深 7UMsKE-
2dx=250nε/(Г*NA)=250X1X0.0008/(250X0.1)=0.008mm p.zU9rID
3.2.8计算物镜通光口径 : ieObo foD
根据公式D1=2l1tanu1=2X37.42Xtanu1=7.48 mm ~Su>^T(?-
其中:l1表示物距,大小为37.42mm. R(csJ4F
u1为物方孔径角,大小为 K\ZKVn
3.2.9计算目镜通光口径 ;R/=9l
D2¹=2(y'- D1/2) (l¹1 –l¹F2)/ l¹1+D1=12.37 mm _I2AJn`#
l´1为物体经物镜成像后的像距,大小为152.65 mm %F03cI,
l´F2为目镜的物方顶焦距,大小为16.99mm D@mDhhK_
3.2.10平行玻璃版(反射棱镜等效)的外形尺寸 O^LzS&I*
其中反射棱镜所用玻璃为BK7,折射率为1.5168,通光口径为12 mm,60˚的等边梯形反射棱镜d=30.5D,可得展开长度d为: keX0br7u_
d=30.5D=30.5X12=20.78mm ak<?Eu9rV
光路轴向偏移量ΔL=d(1-1/n)=7.08mm '?#e$<uS-
4部件设计 K~[/n<ks
4.1物镜设计 SMnbI.0
物镜是显微镜最重要的光学部件,利用光线使被检物体第一次成象,因而直接关系和影响成象的质量和各项光学技术参数,是衡量一台显微镜质量的首要标准. Hd4&"oeY
数值孔径为0.1~0.15的低倍消色差物镜一般由两片透镜胶合在一起的双胶物镜构成。数值孔径至0.2的消色差物镜由两组双胶透镜构成。当数值孔径增大到0.3时,再加入一平凸透镜,该平凸透镜决定着物镜的焦距,而其它透镜则补偿由其平面与球面产生的象差。 I 5
本设计选用4X长工作距离平场物镜 x*(pr5k
物镜的主要参数kA2vr Dtn|$g,
(1) 放大率β=4eap u'}DG#@ -
(2) 数值孔径NA=0.1 _))_mxV{
(3) 工作距离WD=37.42hI" R D)dw
f'=30.992mm bE0cW'6r
L=195mm xJ,V!N
具体参数如表-1 ([s2F%S`@
;5oY)1
: wb\N'b
@aI`ru+a
aMT&}3
7
pp[kv;!G
表4.1 4X消色差物镜结构参数 }KJ/WyYW
主要技术参数 结构 )R,*>-OPJL
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i $#bg^
参数 备注 Iy\K&)5?
面号 =p ^Sn,t
jg' 'T1)
BIS5u4
d8e6}C2v
玻璃 /id(atiF^
1 29.58 1 1.6475 7.854f SF2 DCFYpkR%
2 11.482 2.37 1.5168 7.766 BK7 pv;}Sv$
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3 -23.12 7.764 ,\xeNUZd
Cz8=G;\
?HAWw'QW
为使物面到出瞳 变为400mm,必须对此物镜进行尺寸放大,放大倍率为1.86(由于放大倍率不是精确值,必须用软件进行重新优化)。放大后的结构参数如表4.2所示。 5 o'V}
c2-NXSjsW
Q3'\Vj,S&
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tFO86 !ln
表4.2 4X消色差物镜结构参数 =T|Z[/fto
主要技术参数 结构 u#ag|b/C:
β=4 q!t_qX7u
NA=0.1 P0Z1cN}
f¹物=59.12mm IhhB^E|
L=369mm 2*ZB[5_V
工作距=291.236 YP5V~-O/
参数 ~kj1L@gy
面号 #"jEc*&=
^0Cr-
4en[!*
"d^h Y}Xx
玻璃 Xb@lKX5Re
1 56.43 2.722 1.6475 7.491 SF2 }uz*6Z(S
2 21.90 4.537 1.5168 7.407 BK7 sL[&y'+
3 -44.11 77.406 0O5(\8jM
K&0'@#bE\
8!(4;fN$j.
4.2目镜设计qs9Yl no~hYyW2
目镜的作用是把物镜放大的实象(中间象)再放大一级,并把物象映入观察者的眼中,实质上目镜就是一个放大镜。已知显微镜的分辨率能力是由物镜的数值孔径所决定的,而目镜只是起放大作用。因此,对于物镜不能分辨出的结构,目镜放的再大,也仍然不能分辨出。惠更斯目镜:惠更斯目镜由两片凸透镜组成,其间隔为d。这种目镜如图-3所示。图中靠近透镜L1称为场镜;另一块透镜L2接近眼睛,称为接目镜。两者焦距分别为f'场和f'眼。 z<YOA
fRS)YE@a:
图-3 惠更斯目镜 wi-O}*O
本设计采用5X惠更斯目镜 wxYB-Wh<
其设计过程如下 cy%JJ)sf
f'目 =250/Г=250/5=50mm @*`9!K%
f'眼=3/4 f'目=3/4*50=37.5mm aY&