显微镜与望远镜实验指导书全重点讲义资料.docx
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显微镜与望远镜实验指导书全重点讲义资料
一、实验目的
1.通过实验掌握显微镜、望远镜的基本原理;
2.通过实际测量,了解显微镜、望远镜的主要光学参数;
3.根据指示书提供的参考材料自己选择2套方案,测出水准仪的放大率并比较与实验结果是否相符。
二、实验器材
1.显微镜实验:
测量显微镜、分辨率板、分辨率板放大图、透明刻线板、台灯,高倍(40×、45×)、中倍(8×或10×)、低倍(2.5×、3×或4×)显微物镜各一个,目镜若干(4×、5×、10×、15×等)。
2.望远镜实验:
25×水准仪、平行光管、1×长工作距测量显微镜、视场仪、白炽灯、钢板尺、升降台、光学导轨、玻罗板、分辨率板。
三、实验原理
(1)显微镜原理:
显微镜是用来观察近处微小物体细节的重要目视光学仪器。
它对被观察物进行了两次放大:
第一次是通过物镜将被观察物成像放大于目镜的分划板上,在很靠近物镜焦点的位置上成倒立放大实像;第二次是经过目镜将第一次所成实像再次放大为虚像供眼睛观察,目镜的作用相当于一个放大镜。
由于经过物镜和目镜的两次放大,显微镜总的放大率Γ应是物镜放大率β和目镜放大率Γ1的乘积。
Γ=β×Γ1
绝大多数的显微镜,其物镜和目镜各有数个,组成一套,以便通过调换获得各种放大率。
显微镜取下物镜和目镜后,所剩下的镜筒长度,即物镜支承面到目镜支承面之间的距离称为机械筒长。
我国标准规定机械筒长为160毫米。
显微镜的视场以在物平面上所能看到的圆直径来表示,其视场受安置在物镜像平面上的专设视场光阑所限制。
显微镜的分辨率即它所能分辨的两点间最小距离:
式中:
λ为观测时所用光线的波长;nSinU为物镜数值孔径(NA)。
从上式可见,在一定的波长下,显微镜的分辨率由物镜的数值孔径所决定,光学显微镜的分辨率,基本上与所使用光的波长是一个数量级。
为了充分利用物镜的放大率,使被物镜分辨出来的细节,能同时被眼睛所看清,显微镜应有恰当的放大率。
综合考虑显微物镜和人眼自身的分辨率,可得出显微镜适当的放大率范围是:
500NA<Γ<1000NA
这个范围的放大率称为有效放大率。
如使用比有效放大率更小的放大率,则不能看清物镜已经分辨出的某些细节;如取用高倍目镜得到比有效放大率上限更大的放大率,将是无效放大,不会增加清晰度。
在选择显微镜的物镜和目镜组合时,要验算其有效放大率是否满足以上要求。
(2)望远镜原理:
望远镜是观察远距离物体的光学仪器。
其作用是使通过望远镜所看到的物体对眼睛的张角大于用眼睛直接观察物体的张角,从而产生放大感觉,看清物体的细节。
望远镜由物镜和目镜组成,物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合,因此平行光射入望远系统后,仍以平行光射出。
一个光学系统各通光孔中,对光束孔径限制最大的光阑,称为孔径光阑。
孔径光阑在物方的共轭称为入瞳,在像方的共轭称为出瞳。
判断孔径光阑的方法:
将光学系统中所有光学零件的通光孔,分别通过其前面的光学零件成像到整个系统的物空间去,入瞳必然是其中对物面中心张角最小的一个。
对目视光学仪器来说,视放大率具有重要的实际意义。
它是通过望远系统观察物体大小与人眼直观物体时的大小之比。
根据定义、性质和结构关系,望远系统放大率有如下基本关系式:
(定义式)
(性质)
(结构关系)
从式中可以到,望远系统视放大率取决于望远系统的结构参数,可以用不同的方法进行测量和计算。
望远镜的分辨率可用极限分辨角表示。
即刚刚能分辨的二发光点对物镜入瞳中心所张的角度。
其值可由衍射理论得出:
其中:
D入是以毫米为单位表示的入瞳直径。
(3)与实验有关的几个概念:
①工作距:
即被观察物与物镜之间的距离。
在调整显微镜、望远镜寻找清晰像时,必须首先考虑工作距的大小,如果工作距很小,而被观察物因结构件阻挡不能充分接近物镜,不能将清晰的像成像在分划板上,就无法进行观察和测量。
②景深:
被观察物能在像平面上获得清晰像的空间深度称为成像空间的景深,简称景深。
在使用高倍显微镜时需要特别注意,显微镜的放大率越高、数值孔径越大,景深越小,调整时动作要十分轻微,否则很难找到像。
图1-3显微物镜
③物镜的数值孔径NA:
物镜的数值孔径NA=NsinU通常标注在物镜上,如图1-3所示。
表示该物镜为8倍,数值孔径NA=0.25,机械筒长为160mm,0.17表示用于检验生物样本时所使用盖玻片的厚度为0.17mm。
四、实验内容和步骤
第1部分:
显微镜实验:
1.测量显微镜的物方线视场
见图1-1和图1-2,将透明刻线板放在测量显微镜的工作台上。
用台灯照明,人眼通过测量显微镜能够观察到的最大刻线范围,就是显微镜的物方线视场2η。
2η由实像面上的视场光阑所限制。
通常视场光阑直径,即实像大小2η′在Φ15~Φ25mm之内。
用不同的物镜,相应于不同的物方线视场2η;物镜倍数越高,物方线视场2η越小。
操作步骤:
(1)选择高倍(40×)、中倍(8×或10×)、低倍(2.5×、3×或4×)显微物镜各一个(共3个),按照有效放大率公式500NA<Γ显<1000NA计算合适的目镜倍数,在可提供的目镜(4×、5×、10×、15×等)中选择与高、中、低倍物镜相匹配的目镜各一个(即:
500×物镜NA<物镜倍数×目镜倍数<1000×物镜NA),如果在实验室提供的3个目镜中选不到满足此条件的,则选计算结果偏差最小的目镜。
)
(2)观察透明刻线板的像,仔细调节显微镜使成像清晰。
测量其物方线视场2η。
☆实验任务1:
分别测量使用高倍(40×)、中倍(8或10×)、低倍(4×以下)物镜时3个线视场的大小。
显微镜线视场的测量方法:
(a)(b)(c)
图1-3-1测量显微镜线视场
(a)注意使分划板的刻线面朝向物镜,且刻线尽量处于垂直状态,将透明分划板的像调焦清晰,刻线应处于视场圆的最大直径处,以便减少水平移动工作台时造成的读数误差,如图1-3-1(a)。
(b)旋转显微镜工作台上的X方向测微螺旋,使视场中最靠近右侧的竖直刻线与圆形视场的右侧相切(图1-3-1b),记下此时X方向测微螺旋读数x1(例如:
x1=30.219mm);再旋转X方向测微螺旋,使处于最靠近视场左边缘的竖直刻线也与视场圆左测相切(图1-3-1c),记下此时X方向测微螺旋读数x2(例如:
x2=30.190mm)。
记录视场中直径方向完整的方格数N(此图中为3个方格,每格间距为0.5mm)。
为消除测微螺旋空程,在两次读数时应同向旋转测微螺旋到达测量位置。
两次X方向测微螺旋读数之差,表示视场边缘非整数格数的大小。
可按下式计算显微镜视场:
视场大小=N×0.5mm+(x2-x1)。
此图中,视场大小=3×0.5+30.219-30.190=1.529(mm)
问题:
如何证实不同倍数物镜的物方视场2η都同样受到实像面上视场光阑的限制?
(计算一下,它们的像方线视场2η′是否相同?
)
2.测量显微镜的分辨率
用显微镜观察分辨率板上的一组图案(见图1-4所示),其上有不同间距的刻线。
人眼刚能分辨的最小刻线间距δ即为测量显微镜物镜的最高分辨率。
1)鉴别率板上的图案由线距成等差数列的刻线组构成。
每个图案单元由线距较宽的中间大方块图案和环绕大图案周围的小方块图案(小方块图案每组线距为大图案的1/10,排列规律相同)组成;
2)每个大方块图案和小方块图案均包括4个方块区,由两组相邻(每组2个方块区)刻线距相同且刻线方向垂直的区组成。
中间大图案20个线组的线距分别为(单位:
μm,相邻线组间距差分别为1μm、2μm):
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
四周小方块图案20个线组的线距分别为(相邻线组间距差为0.1μm、0.2μm):
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
其显微照片见图1-4-0所示:
(a)大图案(b)小图案
图1-4-0分辨率板显微照片
3)要求找出显微镜刚好在垂直和水平方向两个方块图案均能够分辨的线距最细的刻线组(即线距宽于它的线组均能分辨而窄于它的线组均不能分辨出线条),并根据其相邻关系查出其线距大小,此线距即显微镜的分辨率。
☆实验任务2:
分别用高、中、低倍物镜观察分辨率板的像,测量其分辨率δ,分别记录下3个分辨率大小。
根据公式
,计算显微镜的理论分辨率,并与测量值比较,取λ=0.55μm。
(a)(b)
图1-4-1显微镜分辨率板显微照片
读取分辨率的技巧:
注意使分辨率板的刻线面朝向物镜,且图案方块尽量处于水平状态,不要倾斜,将分辨率板的像调焦清晰。
在使用高倍物镜时,注意调整显微镜下面的反光镜,使视场处于最亮状态。
对照图1-4(是分辨率板中一组图案的放大),观察图案中哪一组刻线刚好能被人眼分辨清楚。
图案中每个大方块图中包含4个小方块图,每个小方块中又包含线距不等的多组刻线,其线距成等差数列。
对中央大图案,线距分别为:
2,3,4,…,11(相邻线组线距差1μm);12,14,16,…,30(相邻线组线距差2μm),相邻的一对小方块图线距一样,但取向不同,分别是垂直或水平。
如果显微镜分辨率比较高,中央大图案的所有刻线组都能分辨清楚,则可以用测微螺旋移动工作台去观察大图案四周的小图案方块,小图案与大图案形状相同,只是线距仅有大图案的1/10。
线距分别为:
0.2,0.3,0.4,…,1.1(相邻线组线距差0.1μm);1.2,1.4,1.6,…,3.0(相邻线组线距差0.2μm).
所谓某一组刻线能分辨,是指该线组所在方块中所有比它线距大的线组都能看清楚,而所有比它线距小的线组都不能分辨(看不出刻线的形状,只能看到一片灰色),而且,该线组对应的相邻水平或垂直线组也同时能够看清楚。
那么,这一组线的线距就是显微镜此时的分辨率。
图1-4-1是显微镜目镜看到的分辨率板图像,是大图案的一部分,(a)为垂直方向的刻线,(b)为水平方向的刻线。
上下左右移动工作台可看出,该图案属于大图案中刻线较密的两组(图1-4中央方块,第1、2象限)。
从图中可见,(a)图中从左向右数第4组刻线刚好可以分辨(可看出该长条图形内部有细线),而相邻的左侧间距更密的第3组刻线及第2、1组均无法分清长条内还含有细线,属于无法分辨;而其右侧的第5组刻线及以后各组则可清楚地看到由一组刻线组成,属于可分辨。
大图案刻线较密的两组刻线,从密向疏其间距依次为:
2、3、4、5、…、10、11μm(注:
第5、6组图案重叠是制造误差所致)。
因此图1-4-(a)表示垂直方向分辨率为5μm;
按同样方法观察:
(b)图中从上向下数第3组刻线可以分辨,因此图1-4-(b)表示水平方向分辨率为4μm。
由于垂直和水平方向分辨率不同,综合分辨率以较低者为准,故图中分辨率为5μm。
注意
(1):
如果在视场中看到的图案所处的位置与图1-4所处方位不同,可以转动书中插图使之与显微镜中观察到的情况一致,以方便读数;而不要去转动分辨率板,以免带来重新调整仪器的麻烦。
注意
(2):
显微镜镜调焦时要将物镜筒从低向高方向调节(为什么?
),特别是使用40X高倍物镜时需注意起始调节位置应使物镜很接近观察物表面(<1mm,注意使鉴别率板和分划板的刻线面朝上),然后缓缓向上调节(为什么?
)。
显微镜演示实验:
显微镜物镜的数值孔径检测
显微物镜数值孔径NA决定显微系统分辨本领及像面照度。
NA用下式表示:
式中:
n——显微物镜物方折射率;u——显微物镜物方半孔径角。
数值孔径可用专用的数值孔径计来检测,当数值孔径不大时(NA<0.3),也可用小孔光阑检测。
小孔光阑检测原理如右图所示,在待测显微镜的工作面上放一小孔光阑,其直径约0.5mm,孔的中心大致与光轴重合。
在离小孔光阑距离l处,垂直物镜光轴放一刻度尺。
这样刻度尺成像在显微物镜像方焦点后不远的地方,而小孔光阑成像在物镜的像平面上。
测量时,调节显微镜,使小孔成像清晰,然后去掉目镜,人眼直接观察玻璃刻度尺的像,并直接读出在显微镜线视场内的玻璃刻度尺格数m,若刻度尺刻线间距为τ。
则由图可得:
式中:
l是刻度尺到小孔光阑的距离,可以预先测出。
由上式即可算出物方半孔径角u,从而求出显微物镜的数值孔径NA。
数值孔径测量要求:
1)课后画出测量光路图;
2)根据观察结果计算该物镜的数值孔径。
第2部分:
望远镜实验:
可以用3种方法测算水准仪放大率:
(1)出入瞳法、
(2)焦距法、(3)视场角法,请在这三种方法中选2种测量,并比较实验结果是否一致,以下分别介绍这3种方法。
1、通过测量望远镜出瞳、入瞳计算放大率
望远镜的孔径光阑、入瞳、出瞳三者之间是物像共扼关系。
实验前首先卸下水准仪的物镜(小心别摔坏!
),观察位于镜筒中部的孔径光阑。
问题:
根据孔径光阑所处的位置,能否判断入瞳、出瞳的位置与大小?
实验中我们用放大率为1倍的读数显微镜测量入瞳、出瞳的位置与大小。
观察所用读数显微镜的结构特点。
要测量入瞳、出瞳大小,就要使入瞳、出瞳成像于读数显微镜中的分划板上,再通过目镜测量读数。
问题:
为什么只选用1倍的放大率而不选用更高倍率以提高测量精度?
(提示:
从工作距角度分析)
实验步骤:
(1)将水准仪、平行光管、读数显微镜按图1-5安放在光学导轨上。
(2)用平行光管照明。
平行光管中的白炽灯在物镜L平的前焦面附近,故平行光管将发出平行光均匀照亮水准仪物镜,并在其目镜L目之后得到孔径光阑A孔所成的一个清晰的大小为d的像,即出瞳。
(3)用读数显微镜测量出瞳d的大小。
显微镜安置在一个各方向可调的支架上。
前后移动显微镜,使出瞳在分划板上所成的像最清晰。
使分划板上的刻线与出瞳的像的直径两边相切,两次读取测微螺旋(图1-5-1a)上的读数,相减就得到出瞳直径。
(注意两次读数时要使螺旋选向相同,以避免空程引起的误差)
(4)用读数显微镜测量入瞳D的大小。
方法类似于出瞳的测量,但需要将水准仪旋转180度,使物镜朝向测量者。
前后移动显微镜,使入瞳在分划板上所成的像最清晰。
先使分划板上的刻线与入瞳像的直径一边相切,读取显微镜支架上水平刻度尺的读数;然后转动显微镜支架水平移动螺旋,使分划板刻线再与入瞳像直径的另一边相切,再次读取支架上水平刻度尺的读数。
两次读数相减就得到入瞳直径。
注意两次读数时要使螺旋转向相同,以避免空程引起的误差,参见图1-5-1(b)、(c)。
(a)测微螺旋(b)入瞳边缘像(c)支架水平刻度尺
图1-5-1入瞳与出瞳直径的测量
测量入瞳距S1、出瞳距S2:
入瞳距即入瞳与系统第一个光学面(物镜)的距离,出瞳距为出瞳距离系统最后一个光学面(目镜)的距离。
两者均可通过测量显微镜测出。
入瞳距S1测量方法为:
当测量显微镜获得入瞳边缘的清晰像时,入瞳与测量显微镜的分划板共轭,在三角导轨上读出此时水准仪平台的位置x1;在物镜表面贴一张小纸片(可蘸海绵缸中的水),保持测量显微镜位置固定,向远处推动放置水准仪的平台,直至在测量显微镜中观察到小纸片边缘的清晰像(为提高观察效果,可用台灯将纸片照亮),此时物镜表面与测量显微镜的分划板共轭,在三角导轨上读出此时水准仪平台的位置x2。
则入瞳距S1=︳x1-x2︳。
出瞳距测量方法与入瞳距相同。
S1和S2只需测量一个。
如图1-5-2所示。
(a)台灯照亮物镜表面所贴小纸片(b)测微目镜中所见小纸片边缘清晰像
图1-5-2测入瞳距
问题:
为什么测出瞳和入瞳时,所用读数方法不一样,测入瞳时通过刻度尺读数,而测出瞳时则用测微螺旋在分划板上读数?
注意:
测入瞳时由于平行光管光能较弱,成像不清,可用台灯作光源照明入瞳面,近似测量。
☆实验任务3:
测量入瞳和出瞳直径,计算水准仪放大率Γ。
另外,请测出入瞳距S1或出瞳距S2(2选1)。
2、通过测量望远镜物方、像方视场计算放大率
望远镜视场的测量是通过如图1-6所示的视场仪来实现的。
视场仪是在一个大视场(广角)平行光管物镜(焦距f′视=240mm)的焦面上安装一块毫米刻线尺制成。
实验操作:
(1)用白炽灯照亮视场仪刻线尺面(毛玻璃面),将被测水准仪放在视场仪物镜后面(靠近,但千万别碰上镜面)的升降台上,调整升降台使水准仪的镜筒与视场仪物镜基本同心。
(2)测物方视场方法:
在升降台上微调水准仪的瞄准方向和焦距(调滚花旋转部位),人眼通过水准仪的目镜观察视场仪毛玻璃板上的毫米刻线尺,调整得到清晰的像,然后读取视场中所能看到的最大刻线范围(对非整数刻线格可以估读),即水准仪的物方线视场,参见图1-7。
设所看到的最大刻线范围是2η(mm),可按如下关系计算物方视场角2ω:
(3)测像方视场方法:
将被测水准仪反向放置,使目镜靠近视场仪物镜,人眼通过物镜观察视场仪刻线尺的像,这时所能看到的最大刻线范围,就是水准仪的像方视场。
设所看到的最大刻线范围是2η′(mm),则可按如下关系计算像方视场角2ω′:
读取像方线视场方法:
由于水准仪反向放置时,人眼通过物镜观察到的刻尺像是缩小的,看不清毫米刻线,但可以看到整个视场呈现的圆形亮斑。
可由两位同学合作完成对像方线视场的测量:
一位同学通过物镜观察视场圆形亮斑,另一位同学手执钢板尺,沿视场仪毛玻璃面由上向下缓缓移动,当观察同学看到钢板尺与视场圆形亮斑第一次相切时(切入),告诉测量同学停止移动钢尺,用铅笔在毛玻璃面上标记此时钢尺位置;然后测量同学继续向下移动钢板尺,当钢尺与视场圆形亮斑第二次相切时(切出),测量同学再次标记钢尺位置。
量取两次标记之间的距离,即为像方线视场大小。
☆实验任务4:
测量物方和像方视场角,计算水准仪放大率Γ。
3、通过测量望远镜物镜、目镜焦距计算放大率
已知水准仪目镜的焦距为6mm。
可借助平行光管测量望远镜物镜的焦距。
利用平行光管测透镜焦距光路如图1-8所示,由物(物高为y,即图1-9所示玻罗板上某对双线距离)发出的光经平行光管物镜L后成为平行光,再经待测透镜Lx后成像在其焦平面上,像高为y′,由图可知,tanω0=y/f,tanω=y′/fx,且tanω=tanω0,所以:
=
图1-8利用平行光管测物镜焦距原理
式中,f为平行光管物镜的焦距,其数值已标在平行光管上(标称值为550mm);y为玻罗板上所选的某一对平行线的线距,其数值见下图所示,单位mm,y′为用测微目镜测得的同一对平行线的像的距离;以上三变量均为已知,按上式即可算出待测凸透镜的焦距
。
实验操作:
(1)卸下水准仪的物镜,装在光学三爪卡盘架上,将卡盘架安装在光学导轨上,与平行光管调整为同轴。
(2)在平行光管物镜的焦面上安装如图1-9所示的玻罗板。
(3)通过测量显微镜观察透过被测物镜后玻罗板的像。
(4)前后移动被测物镜和测量显微镜,直至在测量显微镜分划板上看到清晰的玻罗板成像,并将像调整至视场中心。
图1-9平行光管内的玻罗板
(5)以测量显微镜视场中看到的玻罗板上间距最大的一对刻线为测量对象,记下该线对的间距y(参见图1-9)。
调整显微镜分划板上的刻线分别对准玻罗板上的刻线对,读出显微镜测微螺旋上的值,两次读数之差即为玻罗板上刻线对的像高y′(因为此处所用测量显微镜为1×)。
(6)按照焦距计算公式
=
,计算被测物镜的焦距。
☆实验任务5:
测量物镜焦距,根据已知的目镜焦距,计算水准仪放大率Γ。
(任务4与任务5可二选一)
选做内容:
望远镜分辨率的测量
望远镜的分辨率用极限分辨角θ表示,可以根据前面所介绍的计算公式计算,也可以用分辨率板直接测量。
实验操作:
(1)如图1-10,在平行光管的后焦面上装上一块分辨率板(板上有各种刻线距的方块图案,其各组刻线线宽见附表,从第1组到第25组刻线宽度逐渐减小,各组中四个不同方向的刻线宽度相同,其放大图见图1-12),则板上各刻线组即代表处于无穷远的不同宽窄的物体。
(2)将水准仪安放在光学导轨上的平台架上,观察者通过目镜直接向平行光管内观察(注意:
此时不需要测量显微镜,如其妨碍操作,可移开),注意保持水准仪与平行光管的同轴性。
(3)仔细调整水准仪的瞄准方向和焦距,直到看到分辨率板上的图案并调焦清晰为止。
(4)找出分辨率板上垂直、水平、以及45度角方向(参见图1-12)均能分辨清楚刻线、且线距最小的那一组图案,查出其组编号(全板共25组)。
再从附表1中查出该3#分辨率板上可分辨的那组刻线间距(单位:
μm)。
(5)根据组编号查出的刻线间距计算水准仪的分辨率。
例如:
能分辨的最小一组刻线是3#板中的第18组,查本实验指导后的附表,得线宽b=15μm,刻线间距2b=30μm,则两线之夹角如图1-11所示,得出:
此θ即为水准仪的分辨率。
图1-10望远镜分辨率测量原理图
图1-11分辨率板上两线对被测物镜的张角
图1-12分辨率板放大图
附表1:
3#分辨率板各组刻线宽度(μm)(望远镜实验用)
组别
刻线间距
组别
刻线间距
组别
刻线间距
25
10.0
16
16.8
7
28.3
24
10.6
15
17.8
6
30.0
23
11.2
14
18.9
5
31.7
22
11.9
13
20.0
4
33.6
21
12.6
12
21.2
3
35.6
20
13.3
11
23.4
2
37.8
19
14.1
10
23.8
1
40.0
18
15.0
9
25.2
17
15.9
8
26.7
五、数据处理
(一)显微镜实验
1.显微镜演示实验:
显微镜物镜的数值孔径检测
2、测量显微镜的物方线视场
3.测量显微镜的分辨率
(二)望远镜实验
1、出入瞳法测放大率
2、焦距法测放大率
3、望远镜分辨率的测量
。
六、实验总结
这是一次有趣的光学实验。
通过这次实验,我们练习了对显微镜和望远镜的使用、在实验中了解了各个光学概念的具体意义、自己动手测量了显微镜的物方线视场、望远镜的放大率、以及望远镜的分辨率等参数、还观看了老师做的测量显微镜物镜数值孔径的演示实验、听了老师的详细讲解,感到很有收获。
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