20倍物面到出瞳距離400MM顯微鏡設(shè)計 *o}7&Hw#9f  
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    摘要：一個完整的顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計是十分復(fù)雜的，涉及到光學(xué)設(shè)計、機械設(shè)計、電路設(shè)計等多方面知識；現(xiàn)代顯微鏡大多數(shù)與計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合，是光機電算相結(jié)合的高科技產(chǎn)品。本課程設(shè)計為工廠設(shè)計一有效視放大率為20的顯微鏡。在設(shè)計過程要根據(jù)顯微鏡的使用要求來進(jìn)行顯微鏡選型設(shè)計，選好形式之后，初步選擇它的外形尺寸和放大倍率、分辨率等主要參數(shù)，基于理想光學(xué)系統(tǒng)的有關(guān)計算公式，例如高斯公式、牛頓公式，對顯微鏡的初始外形尺寸的計算，得到所需的物鏡、目鏡和有關(guān)的各種參數(shù)；詳細(xì)設(shè)計物鏡、目鏡以及其它附屬結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)；軟件設(shè)計，在ZEMAX軟件中進(jìn)行優(yōu)化，得到符合要求的物鏡、目鏡和有關(guān)的像質(zhì)評判圖，組裝顯微鏡系統(tǒng)，并進(jìn)行優(yōu)化；接著，又對顯微鏡進(jìn)行了簡單的照明系統(tǒng)，對照明系統(tǒng)的選用提出了技術(shù)方面的要求;設(shè)計中充分考慮到了經(jīng)濟性。 4'#?"I  
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1概述 xRbtiFk9H  
顯微鏡是指為提高人們獲得微笑細(xì)節(jié)信息能力的光學(xué)儀器，顯微鏡由物鏡和目鏡組合而成的，其作用是把被觀察的物體放大為一個實象位在目鏡的焦面上，然后通過目鏡成像在無限遠(yuǎn)供人觀察。只有當(dāng)物體對人眼的張角不小于某一值時，肉眼才能區(qū)別其各個細(xì)部，該量稱為目視分辨率ε。在最佳條件下，即物體的照度為50~70lx及其對比度較大時，可達(dá)到1'。為易于觀測，一般將該量加大到2'，并取此為平均目鏡分辨率。物體視角的大小與該物體的長度尺寸和物體至眼睛的距離有關(guān)。最佳的視距規(guī)定為250mm(明視距離)。這意味著，在沒有儀器的條件下，目視分辨率ε=2'的眼睛，能清楚地區(qū)分大小為0.15mm的物體細(xì)節(jié)。 A/TCJ#>l
 
Z1.1 放大鏡的成像原理`Gc F S!D  
　　表面為曲面的玻璃或其他透明材料制成的光學(xué)透鏡可以使物體放大成像，光路圖如圖-1所示。位于物方焦點F以內(nèi)的物AB，其大小為y，它被放大鏡成一大小為y'的虛像A'B'。放大鏡的放大率WΓ=250/f' 式中250--明視距離，單位為mm，f'為放大鏡焦距，單位為mm該放大率是指在250mm的距離內(nèi)用放大鏡觀察到的物體像的視角同沒有放大鏡觀察到的物體視角的比值。 6mmc{kw'  
1.2 顯微鏡的成像原理sW Qpocj:  
　　 圖1.1被顯微鏡成像的原理圖。圖中為方便計，把物鏡L1和目鏡L2均以單塊透鏡表示。物體AB位于物鏡前方，離開物鏡的距離大于物鏡的焦距，但小于兩倍物鏡焦距。所以，它經(jīng)物鏡以后，必然形成一個倒立的放大的實像A'B'。 A'B'位于目鏡的物方焦點F2上，或者在很*近F2的位置上。再經(jīng)目鏡放大為虛像A''B''后供眼睛觀察。虛像A''B''的位置取決于F2和A'B'之間的距離，可以在無限遠(yuǎn)處（當(dāng)A'B'位于F2上時），也可以在觀察者的明視距離處（當(dāng)A'B'在圖中焦點F2之右邊時）。 ni?5h5-  
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                圖1.1 顯微鏡系統(tǒng)原理圖 UIC~%?oIA  
1.3顯微鏡的重要光學(xué)技術(shù)參數(shù)W ZVz`g]  
　　　顯微鏡的光學(xué)技術(shù)參數(shù)包括：數(shù)值孔徑、分辨率、放大率、焦深、視場寬度、覆蓋差、工作距離等等。這些參數(shù)并不都是越高越好，它們之間是相互聯(lián)系又相互制約的，在使用時，應(yīng)根據(jù)鏡檢的目的和實際情況來協(xié)調(diào)參數(shù)間的關(guān)系，但應(yīng)以保證分辨率為準(zhǔn)。8© pEq }b+-  
1.3.1 數(shù)值孔徑*XQ opgNt o6$  
數(shù)值孔徑簡寫NA，數(shù)值孔徑是物鏡和聚光鏡的主要技術(shù)參數(shù)，是判斷兩者（尤其對物鏡而言）性能高低的重要標(biāo)志。其數(shù)值的大小，分別標(biāo)刻在物鏡和聚光鏡的外殼上。* ~oz??SX  
　　數(shù)值孔徑（NA）是物鏡前透鏡與被檢物體之間介質(zhì)的折射率（n）和孔徑角（u）半數(shù)的正弦之乘積。用公式表示如下：NA=nsinu/2|< c2wgJH!g  
1.3.2 分辨率OO G=PX'dS  
顯微鏡的分辨率是指能被顯微鏡清晰區(qū)分的兩個物點的最小間距，又稱"鑒別率"。其計算公式是σ=λ/NA% 式中σ為最小分辨距離；λ為光線的波長；NA為物鏡的數(shù)值孔徑。可見物鏡的分辨率是由物鏡的NA值與照明光源的波長兩個因素決定。NA值越大，照明光線波長越短，則σ值越小，分辨率就越高壇 rUg|5EN^)d  
1.3.3 放大率和有效放大率 [LM9^*sG2V  
由于經(jīng)過物鏡和目鏡的兩次放大，所以顯微鏡總的放大率Γ應(yīng)該是物鏡放大率β和目鏡放大率Γ1的乘積：V6 F^CR$L& K  
  Γ=βΓ1*Y分辨率和放大倍率是兩個不同的但又互有聯(lián)系的概念。有關(guān)系式：500NA<Γ<1000NA}6 `r]C%Y4?  
1.3.4 焦深 dy]ZS<Hz8G  
（1） 焦深與總放大倍數(shù)及物鏡的數(shù)值孔徑成反比。 ^$s&bH'8  
（2） 焦深大，分辨率降低 r3dGXiu  
1.3.5 視場直徑L`/ 3fxc
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觀察顯微鏡時，所看到的明亮的圓形范圍叫視場，它的大小是由目鏡里的視場光闌決定的視場直徑愈大，愈便于觀察。有公式 F=FN/β1<! Nxr\Yey  
式中F: 視場直徑，F(xiàn)N：視場數(shù) 9qvl9,*g  
1.3.6 工作距離WD% <"yL(s^u"  
　　工作距離也叫物距，即指物鏡前透鏡的表面到被檢物體之間的距離。鏡檢時，被檢物體應(yīng)處在物鏡的一倍至二倍焦距之間。在物鏡數(shù)值孔徑一定的情況下，工作距離短孔徑角則大。數(shù)值孔徑大的高倍物鏡，其工作距離小。*Eo 6w~Cyu4Ov  
2設(shè)計要求 o37D~V;  
某玻璃工廠需對玻璃氣泡、劃傷、砂粒、疙瘩、麻點、線道進(jìn)行檢驗，在生產(chǎn)和檢驗時需要有放大系統(tǒng)。為此，廠方提出為它設(shè)計一使用工具顯微鏡或放大倍數(shù)為20倍、分度值為0.01mm的讀數(shù)顯微鏡系統(tǒng)進(jìn)行檢定。要求設(shè)計一分辨率σ為3.6微米的顯微鏡，有效視放大率為20倍。顯微鏡有關(guān)外形要求：由于生產(chǎn)時人不能靠的過近，其出瞳離開顯微鏡底座距離為400MM左右，初步提出物面到出瞳距離為L=400MM且有60°折轉(zhuǎn)角，與國標(biāo)的不一致。考慮設(shè)計的經(jīng)濟性，即能以最低的成本生產(chǎn)出好產(chǎn)品來。. !oYNJE Y7  
3光學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計 B Q2N_*v  
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  已知條件為：分辨率б、物面至出瞳距L=400MM，Γ=20，折轉(zhuǎn)角60°。 mrBK{@n  
設(shè)計過程如圖3.1 9Dp0Pi?29  
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