显微镜设计

光学设计显微镜物镜设计光学设计是指利用光学原理和光学材料，设计出满足特定需求的光学系统。

而显微镜物镜作为显微镜的核心部件，是用于放大微小物体的光学组件。

通过对物镜的设计，可以实现对微观世界的观察和研究。

接下来，将详细介绍显微镜物镜的设计过程。

首先，在显微镜物镜设计的初期，需要明确设计的需求和目标。

这包括对物镜的放大倍数、视场、分辨率和透光率等指标的要求。

根据这些要求，可以开始进行物镜的设计。

物镜的设计通常包括两个步骤，分别是初选和优化。

在初选阶段，需要选择合适的透镜片数量、厚度、曲率和材料等。

这里需要考虑的因素包括成像质量、透光率和制造成本等。

通过初选，可以得到一个初始的物镜设计方案。

在优化阶段，需要使用光学设计软件进行模拟和分析。

可以通过改变透镜片参数和位置，优化物镜的性能。

在这个过程中，通常会使用像差理论进行分析，以提高成像的质量并降低各种像差的影响。

常见的像差包括球差、像散、畸变、像场曲率和像散等。

球差是由于透镜片曲率不同导致的成像模糊；像散是由于透镜片折射率不同导致的彩色像差；畸变是由于透镜片厚度不同导致的形变；像场曲率是由于透镜片间距不同导致的焦距变化；像散是由于透镜片曲率不同导致的图像模糊等。

通过优化设计，可以降低这些像差的影响，提高物镜的成像质量。

在优化设计中，还需要考虑透光率的问题。

透光率是透过透镜片的光线的比例，透光率越高，则损耗的光线越少，成像质量越好。

透光率的提高需要选择透光率高的光学材料，并且优化透镜片的形状和厚度等参数。

在物镜设计完成后，需要进行实验验证。

通过制造和测试样品物镜，可以验证设计方案的可行性和性能。

实验中，需要使用光学设备来测试物镜的成像质量、透光率和像差等指标。

根据实验结果，可以对设计方案进行进一步的优化和改进。

总结而言，显微镜物镜设计是一个复杂的过程，需要充分考虑成像质量、透光率和制造成本等多个因素。

通过合理的优化和设计，可以获得满足要求的物镜，实现对微观世界的观察和研究。

第十六章 显微镜物镜设计显微镜是用来帮助人眼观察近距离细小目标的一种目视光学仪器,它由物镜和目镜组合而成;显微镜物镜的作用是把被观察的物体放大为一个实像、位在目镜的焦面上,然后通过目镜成像在无限远,供人眼观察;在一架显微镜上,通常都配有若干个不同倍率的物镜目镜供互换使用;为了保证物镜的互换性,要求不同倍率的显微镜物镜的共轭距离物平面到像平面的距离相等;各国生产的通用显微镜物镜的共轭距离大约为mm 190左右,我国规定为mm 195;如图16－1所示;可见,显微镜物镜的倍率越高,焦距越短;还有一种被称为“无限筒长”的显微镜物镜,被观察物体通过物镜以后,成像在无限远,在物镜的后面,另有一个固定不变的筒镜透镜,再把像成在目镜的焦面上,如图16－2所示;筒镜透镜的焦距,我国规定为mm 250;物镜的倍率按与筒镜透镜的组合倍率计算为：物f 250-=β 整个显微镜的性能,也就是它的视放大率和衍射分辨率,主要是由显微镜物镜决定;图16－1 显微镜系统图16－2 无限筒长显微镜系统§1 显微镜物镜的光学特性一 显微镜物镜的倍率显微镜物镜的倍率是指物镜的垂轴放大率β;由于显微镜是实物成实像,因此β为负值,但一般用β的绝对值代表物镜的倍率;在共轭距L 一定的条件下,β与物镜的焦距存在以下关系：L f ⋅--=2)1(ββ物 对于无限筒长的显微镜的物镜,其焦距与倍率之间的关系为：β250-=物f式中,β为负值;无论是有限筒长,还是无限筒长的显微镜的物镜,倍率β的绝对值越大,焦距物f 越短;所以,实际上,物镜的倍率决定了物镜的焦距;因此,显微镜物镜的焦距一般比望远镜物镜的焦距短得多;焦距短是显微镜物镜光学特性的一个特点;二 显微镜物镜的数值孔径数值孔径U n NA sin ⋅=,是显微镜物镜最主要的光学特性,它决定了物镜的衍射分辨率δ,根据显微镜物镜衍射分辨率的计算公式：NAλδ61.0= 公式中,δ代表显微镜物镜能分辨的最小物点间隔；λ为光的波长,对目视光学仪器来说,取平均波长nm mm 5000005.0==λ；NA 为物镜的数值孔径;因此要提高显微镜物镜的分辨率,必须增大数值孔径NA ;显微镜物镜的倍率β、数值孔径NA 、显微镜目镜的焦距目f 与系统出射光瞳直径/D 之间满足以下关系：目目＝Γ⋅⋅=250/ββNA f NAD 式中,目Γ为目镜的视放大率;为了保证人眼观察的主观亮度,出射光瞳直径最好不小于mm 1;在一定的数值孔径下,如果目镜的倍率目Γ越小,就要求物镜有更高的倍率β,但是物镜的倍率越高,工作距离越短,这给显微镜的使用造成不方便,因此一般希望尽量提高目镜的倍率,但目镜由于受到出射光瞳距离的限制,焦距不能太小,通常目镜的最高倍率为⨯15,因此物镜倍率越高,要求物镜的数值孔径越大;数值孔径NA 与相对孔径之间近似符合以下关系：NA fD ⋅=2/ 一个25.0=NA 的显微镜物镜21/≈f D ,高倍率的显微镜物镜不包括浸液物镜,其数值孔径最大可能达到95.0,其相对孔径可以达到2;相对孔径大,是显微镜物镜的一个特点;三 显微镜的视场显微镜的视场是由目镜的视场决定的,一般显微镜的线视场/2y 不大于mm 20;对无限筒长的显微镜来说,筒镜的物方视场角为： 0/3.204.025010＝，＝＝筒ωωf y tg = 筒镜的物方视场角就是物镜的像方视场角,因此物镜的视场角ω2一般不大于05;视场小,也是显微镜物镜的一个特点;四 显微镜物镜设计中应校正的像差根据显微镜物镜的光学特性,它的视场小,而且焦距短,因此设计显微镜物镜主要校正轴上点的像差和小视场的像差,即球差、正弦差、轴向色差;对于较高倍率的显微镜物镜,由于数值孔径加大、相对孔径比望远镜物镜大得多,因此还要校正孔径的高级像差,如高级球差、高级正弦差、色球差;对于轴外像差,如像散、倍率色差,由于视场比较小,而且一般允许视场边缘的像质下降,因此在设计中,只有在优先保证前三种像差校正的前提下,在可能的条件下加以考虑;对于某些特殊用途的高质量研究用显微镜,如用于显微摄影的物镜,要求整个视场成像质量都比较清晰,除了校正球差、正弦差、轴向色差外,还要求校正场曲、像散、垂轴色差,这种物镜就是平像场物镜;由于显微镜属于目视光学仪器,因此它同样对F 光和C 光消色差,对D 光校正单色像差;§2 显微镜物镜的类型根据校正情况不同,显微镜物镜通常分为消色差物镜、复消色差物镜、平像场物镜、平场复消色差物镜、折射和折反射物镜等;一 消色差物镜这是一种结构相对来说比较简单、应用得最多的一类显微镜物镜;在这类物镜中只校正球差、正弦差及一般的消色差,而不校正二级光谱色差,所以称为消色差物镜;这类物镜,根据它们的倍率和数值孔径不同又分为低倍、中倍、高倍、浸液物镜;1 低倍消色差物镜这类物镜一般用于倍率较低、数值孔径较小,视场较小的情况;一般倍率大约为⨯⨯4~3,数值孔径在1.0左右,对应的相对孔径大约为41左右;由于相对孔径不大,视场比较小,只要求校正球差、慧差、轴向色差;因此这类物镜一般都采用最简单的双胶合透镜作为物镜;它的设计方法与一般的双胶合望远镜物镜的设计方法十分相似,不同的只是物体的位置不在无限远,而是位于有限距离;求解的关键是选择合适的玻璃组合,以便同时校正三种像差;2 中倍消色差物镜这类物镜的倍率大约为⨯⨯12~8,数值孔径为3.0~2.0;最常用的为：数值孔径25.0=NA ,倍率⨯=10β;由于物镜的数值孔径加大,对应的相对孔径增加,孔径高级球差将大大增加,采用一个双胶合透镜已经不能满足要求;为了减小孔径高级球差,这类物镜一般采用两个双胶合透镜的组合,如图16－3所示,称为李斯特物镜;如果每个双胶合透镜分别校正轴向色差,即双胶合透镜的0=∑νϕ,这样整个物镜能同时校正轴向色差和 图16－3 李斯特物镜倍率色差;两个透镜组之间通常有较大的空气间隔,这是因为如果两个透镜组密接,则整个物镜组与一个密接薄透镜组相当,仍然只能校正两种单色像差,如果两个透镜组分离,则相当于由两个分离薄透镜组构成的薄透镜系统,最多可能校正四种单色像差,这就增加了系统校正像差的可能性,因此除了显微镜物镜中必须校正的球差和慧差以外,还有可能在某种程度上校正像散,以提高轴外物点的成像质量;对于球差和慧差也可以各自单独校正,但那样,每个双胶合透镜组在校正了球差、慧差之后,一般总要留有一定量的负像散,再加上系统的不可避免的场曲,使得像面弯曲加重;所以还是两个双胶合透镜的球差、慧差相互补偿为好,这样可以在整个物镜校正好球差、慧差的同时,产生一定量的正像散以补偿场曲;这种物镜可以应用“薄透镜系统初级像差理论”,象求解望远镜物镜那样用解析法求出其结构;也可以采用近年来发展起来的“配合法”进行设计;在前、后双胶合透镜分别校正色差的条件下,对前、后双胶合透镜选几种弯曲,求出球差、慧差值,作出前、后双胶合透镜各自的球差、慧差随弯曲而改变的曲线;在前、后双胶合透镜曲线上找出使前、后双胶合透镜球差、慧差相互补偿的弯曲;如果玻璃选择的恰当,总可以找出前、后双胶合透镜相互补偿的解;3 高倍消色差物镜这类物镜的倍率大约为⨯⨯60~40左右,数值孔径大约为8.0~6.0左右,这类物镜的结构如图16－4所示,称为阿米西物镜;它们可以看作是在李斯特物镜的基础上,加上一个或两个由无球差、无慧差的单会聚透镜而构成;所加的半球形透镜前片,一般第一面是平面,第二面是齐名面,即轴上物点的光线经过平面折射以后与光轴的交点位于第二面的齐名点上; 图16－4 阿米西物镜利用这种半球形透镜可以增大数值孔径;如图16－5所示,如果入射到平面上的光线的孔径角为1U 、经过平面折射后的像方孔径角为2/1U U =、经过等晕面第二面折射后的像方孔径角为/2U ,则第一面折射后,有： n U I n n I U 1/1/111/1sin sin sin sin =⋅== 对于第二面,等晕成像公式为：nn n I I U U 1sin sin sin sin 2/2/222/2=== 由此得到21/12/2sin sin sin sin n U n U n U U === 可见,显微镜物镜的后片能够接收的孔径角/2U ,实际上对于物体来说孔径角可以为1U ,这样,可以使显微镜物镜的后片的数值孔径增大到2n 倍; 图16－5 阿米西物镜中等晕透镜的作用在图16－4a 中,前片透镜是由一个齐名面和一个平面构成的,齐名面不产生球差和慧差,如果把物平面与前片的第一面平面重合,也不产生球差和慧差,但为了工作方便,实际物镜与物平面之间需要留有一定的间隙,这样,透镜的第一面就将产生少量的球差和慧差,它们可以由后面的两个双胶合透镜组进行补偿,前片的色差也同样需要后面的两个双胶合透镜组进行补偿;在图16－4b 中,第一个透镜是由一个齐名面和一个平面构成的,不产生球差和慧差;第二个透镜也是由一个齐名面和一个平面构成的,它的第一面产生的少量球差和慧差,以及两个透镜的色差,由后面的两个双胶合透镜组进行补偿;这种物镜的设计方法,一般是首先根据要求的倍率和数值孔径确定前组的结构,计算出它们的像差,作为后面两个双胶合透镜组的像差补偿要求,然后进行后组的设计;4 浸液物镜显微镜物镜的分辨率决定于其数值孔径;为了提高显微镜物镜的分辨率,除了增加孔径角U sin 外,还可以提高物方介质的折射率n ;普通显微镜,物点位于空气中,1=n ,其数值孔径U n NA sin ⋅=不可能大于1;为了提高数值孔径,可以在物体与物镜之间充以液体,使液体折射率与盖玻片折射率相近,这样就可以认为显微镜物方介质就是该液体,数值孔径表示式中的n 就是该液体的折射率,一般可达以上,这就可以大大提高了数值孔径;这种显微镜物镜的实际结构如图16－6所示,称为阿贝浸液物镜;第一片为盖玻片,盖在被观察的物体上面;盖玻片与前片之间充满油液,通常用杉木油,其折射率15.1=n ;其数值孔径可以达到3.1~25.1,倍率为⨯100;图16－6 阿贝油浸物镜二 复消色差物镜在一般的消色差显微镜物镜中,物镜的二级光谱色差随着倍率和数值孔径的提高越来越严重,因此在高倍的消色差显微镜物镜中二级光谱往往成为影响成像质量的主要因素,因为二级光谱对应的几何像差数值近似与物镜的焦距成正比,随着物镜倍率的增加,表面上二级光谱色差随着焦距的缩短而减小,但是一定的几何像差数值对应的波像差近似与数值孔径的平方成比例,因此总起来,随着倍率和数值孔径的提高,二级光谱色差所对应的波像差增大;因此在一些质量要求特别高的显微镜中,就要求校正二级光谱色差,称为复消色差物镜;在显微镜物镜中校正二级光谱色差通常采用特殊的光学材料,早期的复消色差物镜中都采用萤石氟化钙5.95,43385.1==νn ,它与一般重冕牌玻璃有相同的部分相对色散,同时具有足够的色散差和折射率差;复消色差物镜的结构一般比相同数值孔径的消色差物镜复杂,因为它要求孔径高级球差和色球差也应得到很好的校正;如图16－7为不同倍率和数值孔径的复消色差物镜的结构,图中划斜线的透镜就是由萤石做成的;由于萤石的工艺性和化学稳定性不好,同时晶体内部有内应力,因此目前很少采用,而改用FK 氟冕玻璃类和TK 特种冕玻璃类玻璃;它们结构同样比较复杂;复消色差物镜往往有较大的剩余倍率色差,要求与具有反号倍率色差的目镜配合使用,这样的专用目镜称为补偿目镜;近年,国际上出现了一种消倍率色差的所谓CF 物镜;这类物镜结构相当复杂,如图16－8为民主德国的CF 物镜;三 平像场物镜前面讲的所有物镜都没有校正场曲;对于高倍率的显微镜物镜,由于它的焦距很短,尽管它的视场不大,但仍然有严重的场曲存在,所以一般高倍显微镜物镜的清晰视场是十分有限的,只有在视场中心很小范围内才是成像清晰的;对于要求有较大的清晰视场的情况,如显微照相,就要求校正物镜的场曲和像散,主要校正匹兹万和;这样的显微镜物镜可以作到在较大的视场内像场较平,成像清晰,称为平像场物镜;校正场曲的方法主要是在靠近物面和像面的地方加入负光焦度,可以产生负的匹兹万和而对偏角影响不大;或者加入若干厚的弯月形透镜;由于显微镜物镜孔径角很大,再加上平像场要求,使得平像场物镜的结构特别复杂;平像场物镜的基本型式如图16－9所示;图16－7 复消色差物镜图16－8 民主德国的CF物镜图16－9 平像场物镜四 平场复消色差物镜在高级研究用显微镜中,既要求有较大的视场,又要求有优良的像质,平场复消色差物镜就是为了满足以上要求发展起来的;它是在平像场物镜中引入部分萤石代替冕牌玻璃;目前,由于氟冕玻璃等的问世,它有取代萤石氟化钙的趋势;平场复消色差物镜在色球差和二级光谱方面都得到较大改善,数值孔径也较普通物镜大;对波长从m μ434.0到m μ656.0光谱区域的像差校正;此类物镜最理想,它既有复消色差物镜的性能,又具有平像场物镜的优点,是目前显微镜发展的方向;如图16－10所示为民主德国蔡司的超广视野平场复消色差物镜的光学结构;图16－11是联邦德国莱茨的平场复消色差物镜系列的光学结构;图16－12为苏联平场复消色差物镜系列的光学结构;图16－13为日本奥林巴斯的平场复消色差物镜系列的光学结构;图16－10 民主德国蔡司平像场复消色差物镜图16－11 联邦德国莱茨平像场复消色差物镜图16－12 苏联平像场复消色差物镜图16－13 日本平像场复消色差物镜五 反射和折反射物镜反射和折反射显微镜物镜比折射式物镜有两个明显的优点：一是容易得到长的工作距离,可以有比焦距大几倍的工作距离；另一个优点是可以有比较宽的消色差谱线范围,并可在光谱的红外和紫外区工作;反射镜不产生色差,在红外和紫外区也可以工作;而对折射物镜,由于能透过红外和紫外的光学材料很少,难于设计出性能良好的物镜;在折反射物镜中,主要的光焦度由反射镜承担,再加上若干校正透镜校正反射镜的像差,这些校正透镜一般口径不大,可以采用特殊光学材料;反射和折反射物镜的缺点是存在中心栏光,入射光瞳为环形,使得物镜对于低对比度物体的分辨率下降;另一个缺点是反射面的加工要求高,物镜的装校困难;如图16－14是一种典型的反射式物镜,5.0=NA ,倍率⨯50,可以在紫外到红外波段范围内工作;图16－15是一种典型的折反射式物镜,5.0=NA ,倍率⨯40,工作距离为mm 18;图16－16是一种折反射式物镜,72.0=NA ,倍率⨯53,可以在紫外波段范围内工作;图16－14 反射式物镜图16－15 折反射式物镜图16－16 用于紫外波段的折反射式物镜§3 低倍消色差显微镜物镜设计低倍消色差显微镜物镜,一般倍率大约为⨯⨯4~3,数值孔径在1.0左右,对应的相对孔径大约为41左右;由于相对孔径不大,视场比较小,采用最简单的双胶合透镜作为物镜;只要求校正球差、慧差、轴向色差;一 低倍显微镜物镜的设计大体步骤1 由物镜的倍率β和物像之间的共轭距L 的要求,确定双胶合物镜的焦距/f 、物距l 、像距/l ;如图16－17所示,首先假定物镜为一个薄透镜;由图可以得到：/l l L +-=、l l /=β、l lf 111//-=由此,可以得到：1-=βL l ,L l L l ⋅-=+=1/ββ,L l l l l f ⋅--=-⋅=2///)1(ββ图16－17 低倍显微镜双胶合物镜的初始结构2 求P 、W 、ⅠC 的规化值∞P 、∞W 、ⅠC ;由于显微镜一般配备一组不同放大倍率的物镜和一组不同放大倍率的目镜,因此在设计显微镜物镜时,一般不能考虑物镜与目镜之间的像差补偿问题,而是分别进行校正,一般要求0=ⅠS 、0=ⅡS 、0=ⅠC ;这样,可以求出双胶合物镜的P 、W ：0==hS P Ⅰ、0=⋅-=J P h S W p Ⅱ 因此P 、W 、ⅠC 的规化值为：0)(3=Φ⋅=h P P ,0)(2=Φ⋅=h WW ,02=Φ⋅=h C C ⅠⅠ 由此可以算出规化值∞P 、∞W：)25()25()14(211211μμ⋅+⋅+=⋅+⋅+-⋅⋅-=∞u u u W u P P )2()2(11μμ+⋅-=+⋅-=∞u u W W式中,lf l f h u u /1/11==Φ⋅= 另外,一般取7.0=μ;3 由∞P 、∞W求0P低倍显微镜物镜的双胶合透镜的形状大致是一个前面半径大后面半径小的双凸透镜,因此取火石玻璃在前冕牌玻璃在后较为有利,这样胶合面半径较大,一方面便于加工,另一方面可以减小高级像差;火石玻璃在前,则2.00=W ,因此：20)2.0(85.0-⨯-=∞∞WP P4 根据0P 和ⅠC 值选玻璃;可以从表中查到几对较好的玻璃组合,找到0P 、1ϕ、0Q 、0W ; 5 确定双胶合物镜形状系数Q 值35.200P P Q Q -±=∞,和67.100W W Q Q --=∞ 由前一个公式可以求出两个Q 值,选取与第二式求出的Q 值相近的一个,然后它们取平均,作为Q 值;6 由Q 、1ϕ值求出曲率半径1r 、2r 、3r 的规化值Q r +=121ϕ, Q n n r n r +-⋅=+-=11111112111ϕϕ, 11111111111221221121222233--+-⋅=---+=---=--==n Q n n n Q n r n r C r ϕϕϕϕϕ 7 恢复双胶合透镜曲率半径的实际值将得到的双胶合透镜的曲率半径乘上透镜的实际焦距/f ,得到曲率半径的实际值：/11f r R ⋅=、/22f r R ⋅=、/33f r R ⋅=8 对双胶合透镜加厚度9 验算像差物镜的结构得出后,即可以用光线光路计算的方法,计算此结构的像差,进行像质评价;如果像质不合格,可以对结构进行一定的修改,直至像质合格为止;图16－18 低倍显微镜双胶合物镜的像差计算在设计显微镜物镜时,计算像差通常按反方向光路进行,如图16－18所示;这样作的好处是,像距反向光路的物距一般为物镜焦距的若干倍,而物距反向光路的像距比较小;如果按正向光路计算像差,在修改像差过程中,由于透镜的焦距和主面位置的少量变化可能造成像距的大量改变,因而使倍率和共轭距都大大地偏离实际要求,有时甚至可能造成虚像;如果按反方向光路计算像差,在物距固定的情况下,透镜组的焦距和主面位置的少量变化,对倍率和共轭距影响很小,同时这样作还有利于提高像差的计算精度;10 缩放共轭距当物镜像质合格后,由于加入厚度及修改结构,其共轭距可能与要求值有所不同,此时需要进行共轭距缩放;即将双胶合物镜的各个曲率半径、中心厚度、边缘厚度乘以一个缩放系数K ,K 是所要求的共轭距与所求出的共轭距的比值;二 设计举例设计一个双胶合低倍消色差显微镜物镜;要求倍率3=β实际为3-=β,数值孔径1.0=NA ,共轭距mm L 180=; 1 求物距、像距、焦距45131801-=--=-=βL l , 135451801/=-=⋅-=+=L l L l ββ,75.331354513545)1(2///=--⨯-=⋅--=-⋅=L l l l l f ββ2 求∞P 、∞W 、ⅠC75.04575.33/1/11-=-===Φ⋅=l f l f h u u取7.0=μ,则：85.2)25()25()14(211211=⋅+⋅+=⋅+⋅+-⋅⋅-=∞μμu u u W u P P 025.2)2()2(11=+⋅-=+⋅-=∞μμu u W W 0=ⅠC 3 求0P 值选择火石玻璃在前,则02.0)2.0025.2(85.085.2)2.0(85.0220=-⨯-=-⨯-=∞∞WP P4 根据0P 值ⅠC ,选择玻璃对根据02.00=P 、0=ⅠC ,查表,选玻璃组合91K ZF -,其对应于0=ⅠC 的062.00=P ,与要求的接近,而且9K 和2ZF 为常用玻璃;同时查得0441.50=Q 、123.11-=ϕ、6725.11=n 、5163.12=n 、234.00=W 5 确定双胶合物镜形状系数Q 值：972.367.1234.0025.20441.567.100=--=--=∞W W Q Q6 由Q 、1ϕ值求出曲率半径1r 、2r 、3r 的规化值： 849.2972.3123.1112=+-=+=Q r ϕ114.1849.216475.1123.11112111=+--=+-=r n r ϕ263.115163.1123.11849.21112223-=-+-=--=n r r ϕ 7 恢复双胶合透镜曲率半径的实际值：将得到的双胶合透镜的曲率半径乘上透镜的实际焦距mm f75.33/=,得到曲率半径的实际值：30.30114.175.33/11==⋅=f r R85.11849.275.33/22==⋅=f r R72.26263.175.33/33-=-=⋅=f r R8 透镜加厚度根据求得的半径和通光口径的要求,确定两个透镜的厚度： 11=d ,5.32=d 9 验算像差几何像差的计算列于下表： h /LA /SC /FC L ∆－－－ 这一结果表明,球差、轴向色差尚未校正好,需要进行微量校正;校正的结果为： 22.301=R ,1.122=R ,5.263-=R ,11=d ,5.32=d ,932.33/=f ,47.43/=l10 缩放共轭距根据加上透镜厚度后的数据,计算得到共轭距变化为97.18247.430.15.3135/21=+++=+++-=l d d l L ,得到缩放因子：984.097.182180==K缩放后,各个折射面的曲率半径为74.291=r 、91.112=r 、08.263-=r ;§4 中倍消色差显微镜物镜设计中倍消色差显微镜物镜通常由两个分离的双胶合透镜组成,这类物镜也称之为李斯特Lister 物镜,它的倍率在⨯⨯10~6之间,数值孔径NA 为3.0~2.0;这种物镜的像差校正方式通常有两种;第一种是两个双胶合透镜各自单独校正球差、慧差和色差,这种校正方案的优点是：两个双胶合透镜组合在一起则为一个中倍物镜,移去—个双胶合透镜后可用作低倍显微物镜使用;按这种方案校正的物镜的像散和场曲无法校正;另一种校正方案是两个双胶合透镜的像差不是单独校正的;为了校正像散,两个双胶合透镜各有一定量的球差和慧差当然二者合起来还是校正球差和慧差的;利用这些球差、慧差以及两透镜的间隔来校正像散,很显然,这种结构可以消像散,成像质量较高,但对透镜间隔的变化比较敏感;中倍消色差显微镜物镜的设计也是建立在薄透镜系统的初级像差理论的基础上,利用初级像差公式求解初始结构;不过能够满足初级像差要求的解往往很多,这就要在可能的解中进行选择,找出高级像差较小的结构,计算实际像差,进行像差微量校正;由于整个系统是由两个分离的薄透镜组构成的,由此就产生了一个如何确定每个透镜组的光焦度和它们之间的间隔问题;在显微镜中为了保证物镜和目镜的可更换性,物镜和目镜必须采取分别校正像差的方式进行设计,即要求各种像差校正到零;由于显微物镜倍率较高,像距远大于物距,显微物镜的设计通常采用反向光路方式,即把像方的量当作物方的量来处理,如图16－19所示;李斯特物镜两个双胶合透镜光焦度分配的原则通常是使每个双胶合透镜产生的偏角相等或者使后组的偏角略大于前组;李斯特物镜的光阑通常放在第一个双胶合透镜上;当两个双胶合透镜相互补消球差和慧差时,两个双胶合透镜的间隔大致和物镜的总焦距相等;第一个双胶合的焦距约为物镜焦距的二倍;第二个双胶合的焦距大致和物镜的总焦距相等;图16－19 李斯特物镜设计一 设计方法在给定显微镜物镜的数值孔径、倍率、共轭距、线视场的条件下,物镜的设计步骤如下： 1 计算外部尺寸由于显微镜物镜的设计是反向光路,可以由数值孔径定出出射光线的孔径角NA u =/2,因此,物方孔径角1u 为：β/21u u =总偏角为：1/2221121u u h h u u u -=Φ⋅+Φ⋅=∆+∆=∆式中,111Φ⋅=∆h u 为第一块透镜所负担的偏角,222Φ⋅=∆h u 为第二块透镜所负担的偏角;这两个偏角需要设计者首先确定,一般可以1112222.12.1Φ⋅=∆=Φ⋅=∆h u h u ,这样,就可以计算出1u ∆和2u ∆;由1/11u u u -=∆,可以得到11/12u u u u +∆==由/l l ⋅=β反向光路和l l L -=/近似,得到物距l 和像距/l ,由此得到第一近轴光线在两个薄透镜上的入射高度：11u l h ⋅=,/2/2u l h ⋅=得到光焦度分配：111h u ∆=Φ,222h u ∆=Φ由图16－19,可以得到：11/1u u u ∆+=因此,可以得到两个透镜之间的间隔：/121u h h d -=给定的线视场,就是反向光路的像高/2y ,由此得到反向光路的物高：/21y y ⋅=β由此可以得到拉赫不变量：/2111y y u n J ⋅=⋅⋅=β由于入射光瞳在第一块透镜处,所以01=p l ,01=p h ;由图16－19得到12p p u u = 212p p p u d h h ⋅-=这样,得到物面全部的外部参数：1Φ、2Φ、1h 、2h 、1p h 、2p h 、1u 、2u 、J ; 2 确定像差校正方程由于要使中倍显徼镜物镜在校正了球差、彗差、像散,而且两块透镜的像差互补,则221121=⋅+⋅=⋅=∑P h P h P h S Ⅰ∑∑=⋅+⋅+⋅+⋅=⋅+⋅=21212211210W J W J P h P h W J P h S p p p Ⅱ2222221222222222122221112221112121221=Φ⋅+Φ⋅+⋅⋅+⋅=Φ⋅+Φ⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅+⋅=Φ⋅+⋅⋅+⋅=∑∑∑J J W h h J P h h J J W h h J W h h J P h h P h h J W hh J P hh S p p p p p p p p Ⅲ得到有关1P 、2P 、1W 、2W 的方程组;另外,两个双胶合透镜分别校正色差,则01=ⅠC ,02=ⅠC ;3 确定第二块透镜的结构以上三个方程式中共有四个未知数,因此存在无限多个解,另外,最后一个方程式中只包含2P 、2W ,与1P 、1W 、无关,因此在上述偏角分配和空气间隔确定的情况下,系统的消像散条件只与第二个透镜组的结构有关,要使系统能够校正像散,则必须使这一方程式有解;把2P 、2W 、2u 规化,32222)(Φ⋅=h P P ,22222)(Φ⋅=h W W ,2222Φ⋅=h u u 代入前面公式整理以后得：02212=+⋅+A W A P再由)2(222μ+⋅+=∞u W W ,)23()14(222222μ+⋅-+⋅+=∞∞u W u P P得到方程02212=+⋅+∞∞B W B P利用∞2P 、∞2W 之间的关系：。

光学设计第16章显微镜物镜设计在显微镜中，物镜是显微镜的一个重要组成部分，它决定了显微镜的分辨率和放大倍数。

物镜设计的优劣直接影响显微镜的成像效果。

本章将重点介绍显微镜物镜的设计原理和常见的设计方法。

1.物镜设计原理物镜是显微镜中用于放大样品的光学元件，主要由凸透镜和凹面镜组成。

通过透镜的折射和反射，物镜能够将样品的细节放大并投射到目镜上。

物镜的设计目标是实现高分辨率和高放大倍数。

分辨率决定了物镜能够显示的最小细节，而放大倍数则决定了物镜能够放大的程度。

为了实现高分辨率，物镜需要具有较小的焦距和较高的数值孔径。

而为了实现高放大倍数，物镜需要具有较长的焦距和适当的放大倍数。

2.物镜设计方法物镜设计的一般步骤如下：1)确定显微镜的要求：首先需要确定显微镜的分辨率和放大倍数要求，以及工作距离等参数。

2)选择初设参数：根据显微镜的要求和已知条件，选择合适的初设参数，例如放大倍数和镜片曲率半径。

3)初设设计：根据选择的初设参数，在设计软件中建立物镜的初设模型，并对其进行光学评估。

根据评估结果，对初设模型进行调整和优化。

4)优化设计：通过光机设计软件对初设模型进行优化，使得物镜的性能达到要求。

优化的方式可以是参数优化、智能优化或复合优化等。

5)光机制造：根据优化的设计结果，进行物镜的光机制造。

这包括选择合适的材料和成型方式，以及进行镀膜和组装等工艺过程。

6)测试验证：利用测量仪器对物镜的性能进行测试和验证。

这包括分辨率测试、光学畸变测试和像差测试等。

7)调整优化：根据测试结果，对物镜进行调整和优化，以达到设计要求。

3.物镜设计的注意事项在进行物镜设计时，需要注意以下几个方面：1)数值孔径的选择：数值孔径是物镜中一个重要的参数，它决定了物镜的分辨率和光通量。

因此，在物镜设计中需要根据实际需求选择合适的数值孔径。

2)焦距的选择：焦距决定了物镜的放大倍数和工作距离。

较长的焦距可以实现较高的放大倍数，但也会增加工作距离。

教案设计是教师教学过程中必不可少的一环，合适的教案设计能够有效提高教学效果，协助幼儿高效地学习科学知识。

今天我们来介绍一种幼儿园大班科学活动的教案设计：显微镜教案设计。

一、教学目标1.了解显微镜的基本构造和作用；2.探索显微镜的使用方法和注意事项；3.训练幼儿的观察力和判断力；4.培养科学探究精神。

二、教学步骤1.带领幼儿探索显微镜：老师首先向幼儿简单介绍显微镜的基本构造和作用并演示显微镜的使用方法。

幼儿们可以逐渐了解显微镜的不同部分、功能和作用。

2.制作显微镜样本：老师准备一些自然样本，比如叶子、昆虫、水中一些微小的生物等，这些样本不仅可以激发幼儿的探索欲，同时可以培养幼儿的科学兴趣。

将样本放在显微镜下进行观察，让幼儿发现隐藏在微小部分中的神奇之处。

3.向幼儿介绍显微镜的实际应用：带领幼儿了解显微镜在生活中的应用，比如化学实验、医疗检测和钢铁生产等领域。

同时也可以引导幼儿尝试自己发挥显微镜的作用，比如通过观察不同部分的物品来辨认真伪。

4.结合互动测验培养幼儿的思维能力：对于不同的观察结果，老师可以通过互动测验的方式引导幼儿做出判断和解释。

这种互动形式不仅可以帮助幼儿提高思维能力，同时也能够激发幼儿的思维和探究兴趣。

三、教学重点1.显微镜的构造和作用；2.显微镜的使用方法和注意事项；3.实际应用和自主探究的机会。

四、教学难点1.帮助幼儿理解显微镜的原理和构造的一些细节；2.帮助幼儿正确使用显微镜，尤其是在放置、调整和取下样本等方面。

五、教学评估1.对于幼儿在学习过程中的交互互动进行观察和记录；2.测验中对幼儿的思维能力、观察能力和判断能力等方面进行测试和评分。

六、教学后记此次幼儿园大班科学活动教案设计协助幼儿了解了显微镜的基本构造和作用，并通过实际操作和互动测验等方式帮助幼儿加深了解，同时也可以为幼儿探究不同生态系统中的细小世界提供基础工具和知识支撑。

在未来的幼儿园教学中，我们应该重视幼儿对科学活动的参与和探究，侧重培养幼儿的科学意识和能力，在此基础上引导幼儿认识和理解更加广阔的世界。

显微镜教学设计(合集5篇）（经典版）编制人：__________________审核人：__________________审批人：__________________编制单位：__________________编制时间：____年____月____日序言下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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1. 知识目标- 认识显微镜的基本结构，包括目镜、物镜、载物台、调焦螺旋等。

- 了解显微镜的使用原理和操作方法。

- 掌握观察不同样本的基本技巧。

2. 能力目标- 能够独立、规范地使用显微镜进行观察。

- 培养学生的动手操作能力和观察能力。

- 培养学生分析问题和解决问题的能力。

3. 情感目标- 激发学生对生物科学的兴趣，培养探索精神和求知欲。

- 培养学生严谨的科学态度和良好的学习习惯。

二、教学重点1. 显微镜的基本结构和使用方法。

2. 观察不同样本的技巧。

三、教学难点1. 规范使用显微镜，确保观察到清晰的物像。

2. 在观察过程中，如何正确分析样本的特点。

四、教学方法1. 自学引导法：通过阅读教材和参考资料，让学生初步了解显微镜的基本知识。

2. 演示法：教师通过现场演示显微镜的使用方法，让学生直观地学习操作技巧。

3. 合作交流法：分组进行实验操作，互相讨论、交流，共同解决问题。

4. 实验探究法：通过实验探究，让学生亲身体验显微镜的使用过程，加深对知识的理解。

1. 导入- 通过展示显微镜图片或实物，引起学生对显微镜的兴趣。

- 简要介绍显微镜的发展史和重要性。

2. 基本知识讲解- 讲解显微镜的基本结构，包括目镜、物镜、载物台、调焦螺旋等。

- 介绍显微镜的使用原理和操作方法。

3. 示范操作- 教师现场演示显微镜的使用方法，包括放置样本、调整焦距、观察物像等。

- 强调操作规范，确保观察到清晰的物像。

4. 分组实验- 将学生分成小组，每组分配一台显微镜和相应的样本。

- 学生按照教师的要求，进行显微镜的操作和观察。

- 小组成员互相讨论、交流，共同解决问题。

5. 实验报告- 每组完成实验后，填写实验报告，总结实验结果和心得体会。

6. 总结与反思- 教师总结本次课的重点内容，强调显微镜的使用技巧和注意事项。

- 学生分享实验心得，反思自己在实验中的不足之处。

六、教具准备1. 显微镜16台（每台装有两个物镜备用两个目镜）2. 四种标本（写有上“字”的永久装片、写有数字的不透纸片、动植物玻片标本、提前做好的洋葱临时装片）3. 擦镜纸、纱布4. 教学课件、教材、参考资料七、课后作业1. 阅读教材相关内容，巩固显微镜的基本知识。

显微镜的设计过程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。

我在这里只想以我自己这几年的显微镜设计实践为基础，做一些简单的知识总结，希望各位高手多多指教。

首先，要根据显微镜的使用要求来进行显微镜选型设计。

显微镜已经有几百年的发展历史，它的形式也多种多样，根据不同的使用要求显微镜的各种参数有非常大的差异。

例如生物显微镜、金相显微镜、体式显微镜、测量显微镜、工具显微镜等等。

以最简单的普通生物显微镜为例，它也分很多种分类，按结构形式分有正置、倒置之分，按照明形式分亮视场照明和暗视场照明，按光源分荧光显微镜、激光显微镜，按共轭距分195mm和无穷远等等。

第二步，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。

这一步在一般大学里的工程光学或者应用光学课程中都可以学到。

按照国标，物镜放大率首选1.6x、2.5x、4x、6.3x、10x、16x、40x、63x、100x等倍率。

根据消色差程度的不同分为消色差物镜、平场消色差物镜、平场半复消色差物镜和平场复消色差物镜等4种。

当然消色差效果越好，结构越复杂，成本越高。

所以要根据使用情况尽量选择可以满足使用要求的成本又较低的。

显微目镜想对物镜的结构要简单很多，主要分为惠更斯目镜、平场目镜、广视场目镜、超广视场目镜等多种形式。

外形尺寸主要涉及物镜及目镜的轴向尺寸和横向尺寸，轴向尺寸包括焦距、共轭距、机械筒长、光学筒长、工作距离、目镜出瞳距、孔径光阑和视场光阑的位置等等，横向尺寸包括通光孔径、光阑直径、孔径角、数值孔径等等。

除了目镜和物镜以外还有其它的一些附属光学元件也要考虑到，比如场镜、分划板、滤光片、转向棱镜、偏振片等等。

这些初始结构的选择看似简单，但对后续详细设计来讲非常重要，如果初始结构计算不正确，那么将有可能使后续设计无法开展，或者设计到后来才发现前面初始结构计算不正确，导致前功尽弃。

《显微镜的使用》教学设计
1【教学目标】：
1．认识显微镜的构造和作用。

2．学会使用显微镜并初步观察。

3．养成认真规范操作的习惯,爱护显微镜。

初步形成实事求是的科学态度。

2【重点难点】
1．显微镜的规范操作方法；
2．掌握显微镜的使用技巧。

3课前准备
教师：准备显微镜，并逐个检查（准备两个不同倍数的目镜）；永久装片，擦镜纸。

4教学过程
教学内容教师活动学生活动
设计意
图
新课导入(2分钟)
上课！同学们好！请坐！大家好，我是你们的实习老
师，我姓蔡，大家可以叫我蔡老师。

这节课由我和大家
共同学习。

这是一堂实验课。

大家是初一新生，这是第一次进实验
室吗？可以看出来大家都很开心，有的同学还有些迫不
及待了，这很好，体现出了你们对未知事物的好奇心和
对科学研究的探究精神。

能和大家一起上第一堂实验课，
老师也很高兴。

那么既然是第一堂课，我们就需要学习
实验室的纪律，让我们从第一堂课就养成良好的实验习
惯。

试验中我们要求认人动手，但是要注意以下事项：
静（不能影响他人，保持安静既是尊重他人也是给自
己创造良好的学习环境，在实验过程中不可以大声喧哗，
有什么问题可以举手示意，让老师来帮你们解答）
轻（动作要轻，要爱护仪器，做到轻拿轻放，动手之
前先看清楚想明白，有疑问的地方可以问老师，切记不
可以在没有弄清楚之前就动手）
净（保持显微镜和实验室的整洁，任何实验垃圾都必
学生回答。

大班实验显微镜课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解显微镜的基本结构及其工作原理。

2. 学生能够掌握显微镜的使用方法和操作步骤。

3. 学生能够识别显微镜下的细胞结构，如细胞壁、细胞膜、细胞核等。

技能目标：1. 学生能够熟练操作显微镜，包括调节焦距、切换物镜等。

2. 学生能够运用显微镜观察不同物质，进行简单的细胞观察和比较。

3. 学生能够通过显微镜观察活动，培养观察、分析和解决问题的能力。

情感态度价值观目标：1. 学生能够培养对微观世界的探究兴趣，增强科学求知欲。

2. 学生能够树立正确的实验态度，遵循实验操作规范，养成合作共享的好习惯。

3. 学生能够认识到显微镜在科学研究中的重要地位，激发对生物学科的热情。

课程性质：本课程为实验课，注重培养学生的实践操作能力和观察分析能力。

学生特点：大班学生具备一定的认知能力和动手能力，对新鲜事物充满好奇，喜欢探索。

教学要求：结合显微镜的使用，引导学生主动参与实验，关注学生个体差异，鼓励合作交流，提高学生的实践能力。

通过具体的学习成果分解，使学生在掌握知识技能的同时，培养良好的情感态度价值观。

二、教学内容1. 显微镜的结构与原理：介绍显微镜的基本结构，包括物镜、目镜、载物台、调焦装置等，讲解其工作原理及光学特点。

2. 显微镜的使用方法：详细讲解显微镜的操作步骤，包括取镜与安放、对光、放置玻片、观察、调焦、收镜等。

3. 显微镜观察细胞：结合课本章节，引导学生观察不同细胞结构，如植物细胞、动物细胞等，了解细胞的基本组成。

4. 显微镜实验操作：组织学生进行实验，观察显微镜下的细胞结构，通过比较、分析，加深对细胞结构的认识。

教学安排与进度：第一课时：显微镜结构与原理，学习显微镜的基本结构及其工作原理。

第二课时：显微镜使用方法，分组练习显微镜的操作步骤，掌握使用方法。

第三课时：显微镜观察细胞，观察植物细胞和动物细胞，了解细胞结构。

第四课时：显微镜实验操作，进行实验活动，巩固显微镜使用技巧，培养观察分析能力。