自适应光学工作原理及应用
自适应光学工作原理及应用综述
张明凯
摘要：自适应光学系统是很多现代光学系统中用于解决波前畸变有良好的效果，在很多方面有广泛的应用，本文主要通过介绍自适应光学的定义，工作原理总体概况论述自适应光学，而后从自适应光学系统的三个组成及波前传感器，波前控制法，波前校正器以及后期的图像复原算来详细介绍自适应光学系统，对自适应光学的发展状况以及面临的问题有一定的了解，最后，总结了自适应光学在诸多领域的应用情况来了解自适应光学的发展趋势。
Abstract：Adaptive optics (AO) have excellent performance in reducing the effect
of wavefront distortions. This paper have a brief introduction about the definition and
working principles of AO. In aspect of the component of AO, we recount the wavefront sensor, wavefront correctors and the technology of image restoration algorithm.
Finally, it summarize the application field and development trends in the new
application.
关键字：自适应光学，波前传感器，波前校正器，自适应光学图像复原，自适应光学应用.
1引言
自适应光学是在1953年由Horace W. Babcock 提出，主要构想是用闭环校正波前误差来补偿天文视宁度1。但是知道上个世纪九十年代，随着计算机技术的大幅发展，自适应光学才得以得到普遍的使用.在冷战期间美国曾经使用自适应光学技术来追踪苏联的卫星，从而极大地促进了自适应光学技术的发展。
自适应光学是为了消除波前畸变，提高光学系统对于环境的适应能力，得到更好的成像效果。它的主要工作原理就是通过波前传感器计算光学像差，输出到波前控制器，由波前控制器进行处理转换成为波强校正器的输入，从而调节镜面的面形，补偿波前畸变来实现更好的成像效果。
自适应光学所利用到的基本光学原理是相位共轭.由波前传感器测量的光场是一个存在相位误差的光场，可以表示为：EE1=|EE|e ffff.而自适应光学系统通过共轭调制得到的光场为：EE1=|EE|e?ttff.2从而使的具有波前畸变的光场成为平面波，得到分辨率更高的像，提高成像效果。
2波前传感器
1：波前传感器是用来测量光场中的相位误差，提供实时的电压控制信号给波前校正器，获得接近衍射极限的图像。波前传感器主要有四种：Shack-Hartmann Wavefront sensor，Wavefront Curvature sensor，点衍射干涉仪.横向剪切干涉仪等等.点衍射干涉仪可以直接测量波前相位，横向剪切干涉仪和Shack-Hartmann Wavefront sensor可以通过测量斜率，在通过算法得到波前相位。波前曲率传感器通过测量光场的曲率得到光场的相位.3
2：Shack-Hartmann Wavefront sensor工作原理
Figure 1 哈特曼波前传感器结构图 Shack-Hartmann Wavefront sensor 是由前面的
lens 和后面的CCD 探测器阵列组成，光场通过
lens 投影到各个CCD 阵列上面的进行成像，从而得到
各个光斑重心相对于参考位置的偏移量，偏移量与透镜
焦距的比值即为在小孔前面的光波的分别在x 方向和Y
方向的平均斜率4. Shack-Hartmann Wavefront sensor 是
多数自适应光学系统的波前检测传感器，主要是因为
其光能利用率高，动态测量范围较大，结构简单，但也存在空间分辨率限制和模式截断误差和模式混淆误差.
3：其他波前传感器的工作原理和优缺点
横向剪切干涉仪利用光栅衍射效应的波前横向剪切干涉图样测得相位分布，主要的优点是能够得到较高的信噪比，能够在白光条件下工作，但是光能利用率较低，对于非对称的波前畸变的测量有较大的误差，主要用于强光信号系统.
波前曲率传感器直接测量波前的相位信息，并且可以直接驱动波前校正器，提高系统的信号处理速度，但是对高阶像差的测量精度较低，故只适用于低阶像差信号系统的测量.
点衍射干涉仪是将光束聚焦在中心位置有针孔的半透明掩模板上，被测光束的相位信息会出现在波面和针孔衍射的干涉图中3.优点是抗干扰性较好，对相干性要求不高，但同样是由于光能的利用率较低，所以只能适用于光强信号较强的系统.
4：光学波前传输的模拟方法
光学系统的波前模拟主要有四种方法：Zernike 多项式K-L 函数展开法，Fourier 法，小波方法以及ARIMA 法.Zernike 法适合于圆形域的波前模拟，小波方法计算量较大，无法满足实时性要求.Fourier 方法在长时间模拟过程中有很大的不足5.故以Zernike 方法是现在自适应光学系统应用最为广泛的方法。
3 波前控制器
1：波前控制器相当于计算机中的CPU ，能够实现实时处理波前传感器的信号，重构波前相位关系，并且提供控制信号控制波前校正器调整面形，从而实现波前校正，要求能够实时处理波前传感器的信号，要求波前控制器有强大的信号处理能力，简便的算法等等。
2：波前控制器实时性要求（针对Shack-Hartmann Wavefront sensor ）：要求波前控制器在Shack-Hartmann Wavefront sensor 第N+1帧输出结束之前完成对第N 帧图像的处理.即是意味着波前控制器的运算延时必须小于CCD 的采样周期.
3：波前重构过程中的算法研究问题
波前重构的任务就是利用Shack-Hartmann Wavefront sensor 测量得到的斜率数据恢复成为波前相位，在波前重构过程中要考虑到实时性要求，高精度要求，故在算法研究上着重与减少算法的复杂度和运算量.
在波前重构中
区域法和模式法是应用较为广泛的研究方法，利用区域法和模式法进行波前重构最终都会归结到高维多元一次线性方程的求解，而求解线性方程主要有直接法（主要以SVD分解法）和迭代法(Krylov空间法).在一般情况下，波前重构综合这几种方法来提高计算速度，但在超大型的光学系统中，CCD 单元数量较多的情况下，重构波前采用区域迭代法来满足实时性要求.
4波前校正器
4.1：波前校正器原理及分类
波前校正器接受波前控制器的输出信号通过电压信号改变面形从而改变光程或者改变传输媒介的折射率以校正相位.目前波前校正器主要有一下几种类型：分离促动器连续表面变形镜，拼接子镜变形镜，薄膜变形镜，双压电片变形镜，微电子机械系统（MEMS）变形镜等等.
4.2:各种波前校正器的原理及发展状况
4.2.1分离促动器连续表面变形镜
分离促动器连续表面变形镜由镜面薄片，基底以及促动器构成，促动器主要有压电促动器（PZT），伸缩促动器(PMN).其工作原理是通过促动器接受电压信号，从而引起其长度的改变达到改变面形目的，实现波前校正。
在设计过程中为满足变形量，拟合能力和面形误差等要求有很多的设计要求6.
分离促动器连续表面变形镜凭借其高响应速度，高可靠性，对波像差拟合能力较好等优点在天文望远镜，激光大气传输等领域应用较多.
4.2.2薄膜反射镜
薄膜反射镜是以薄膜为基坯，依靠静电力，气体压力等外力对薄膜面形进行变形及维持，主要有静电拉伸式，充气式，电子枪控制压电薄膜等等7。
薄膜反射镜由于面密度较低，易于折叠展开，制造成本较低等诸多优点，但也存在面型控制，反射镜支撑结构上面的难点。主要运用在超轻量，超大口径的空间反射镜中.在未来随着科学技术的发展可能会在太空望远镜，侦察相机等方面得到应用。
4.2.3MEMS变形镜
MEMS变形镜是用类似于电子芯片光刻技术制成的多个微小校正单元的变形镜，有两种制作方法，一种是类似于薄膜变形镜的校正器，
一种是类似于分离促动器变形镜。MEMS变形镜优点有成本较低，驱动
器的稳定性和移动性较好，但也存在一定的问题，如静电驱动pull-in现
象使得校正行程有限，难以集成控制等等问题，更为广泛的应用还需要
进一步的处理和研究，现在MEMS自适应光学成像系统在眼科（如文献8
中利用MEMS变形镜构建了视网膜成像自适应光学系统），以及很多高
分辨率成像系统中.
5自适应光学应用
自适应光学是可以用来实时测量，校正由于大气湍流以及各种成像介质所带来的波前畸变，提高成像分辨率的光学新技术。目前在天文观测，激
光传输系统，空间目标探测，人眼视网膜成像方面有很广泛的应用。
5.1 自适应光学在天文观测中的应用
自适应光学系统在天文观测中主要是通过校正大气湍流所引起的波前误差。从自适应光学的发展历程中可以得知天文观测以及空间目标探测有着长久的技术积累，特别是在美国的军方方面，如美国的空军毛伊岛光学站5，在美国的毛伊岛光学站有一台口径为3.67m的自适应光电系统，以及NASA的哈勃，韦伯望远镜都采用了自适应光学技术9。欧洲的南方天文台也利用自适应光学系统进行天文观测，可以用来分辨天文中的双星系统。
5.2自适应光学在人眼视网膜成像方面的研究
人眼的结构构成复杂，存在动态像差，虽然现在的显微成像技术如荧光素眼底血管造影，光学相干层析技术能够使分辨能力达到10-40um，但是由于动态像差的存在仍然无法观测视网膜细胞的情况2.
为了对视觉病理做更深层次的研究，观察视网膜细胞便成为最为有效的方法，中国科学院光电技术研究所利用自适应光学技术，测量了感光细胞的密度，以及得到了视网膜血管的高分辨率拼图。深圳大学光电子研究所屈乐军通过自适应技术得到了视网膜单细胞图像.Vienna大学和Murcia 大学将自适应光学技术与光纤相干层析技术的结合运用，得到了高分辨率的视网膜图像。
利用自适应光学成像，提供了视网膜细胞结构的高分辨率图，为病理研究提高了很多的依据，如解释了色盲产生的原因.并且在很多临床方面也有很多的应用，如对青光眼进行诊断，也可以由视网膜的肿胀情况判断是否有糖尿病等等.
5.3波前校正在生物医学成像上的应用
波前校正在生物医学成像方面主要有深层次组织成像，超声辅助浑浊介质聚焦，基于光纤成像，宽市场成像等等10，为生物医学成像这一块有巨大的技术推进。
6结语
自适应光学从提出到现在的发展中已经有几十年的时间了，其巨大的应用价值已经体现出来，虽然仍然存在一些性能上面的问题，如处理速度，分辨率不够高，信噪比等等问题，但是相信随着波前控制器的处理速度不断的提高，变形镜的单元数目的增多，未来自适应光学必定会在光学成像系统中占领自己的一篇天地
参考文献
1林旭东，薛陈，刘欣悦等.自适应光学波前校正器技术发展现状[J].中国光学，2012年，第5卷，第4期.
2王永康自适应光学技术原理及临床应用价值[M].生物医学工程学进展，2012年第33卷第4期
3夏爱利基于Shack-Hartman波前传感器的自适应光学系统研究[D],中国科学院研究生院2011
4杨玉胜，自适应光学原理及其应用[M].武警学院学报，1996年第4期
5胡谋法自适应光学波前重构算法研究[D],国防科学技术大学研究生院.2003
6IGLESIAS I，RAGAZZONI R，JULIEN Y，et al．Extended source pyramid wave-front sensor for the human eye［J］．Opt．Express，2002，10: 419-428．
7张鹏，金光，石广丰，等．空间薄膜反射镜的研究发展现状［J］．中国光学与应用光学，2009，2( 2) : 91-101．
8向东，王青玲，杜秋娇，等．自适应光学技术获取高分辨率视网膜图像［J］．半导体光电，2008，29( 1) : 135-139．
9陈波自适应光学图像复原理论与算法研究[D].解放军信息工程大学测绘学院2008
10Hyeonseung Yu Jongchan Park KyeoReh Lee etc.Recent advances in wavefront shaping techniques for biomedical applications [J] Current Applied Physics 15(2015)632-641
典型光学仪器的基本原理
1、光学仪器在国民生产和生活中各个领域广泛应用，绝大多数光学仪器可归纳为望远镜系统、显微镜系统和照明系统三类。 2、人眼构造：人眼本身就相当于一个摄影系统，外表大体呈球形，直径约为25mm，由角膜、瞳孔、房水、睫状体、晶状体和玻璃体等组成的屈光系统相当于成像系统的镜头，起聚焦成像作用。眼睛内的视网膜和大脑的使神经中枢等相当于成像系统的感光底片和控制系统，能够接收外界信号并成像。 3、视度调节：眼睛通过睫状肌的伸缩本能地改变水晶体光焦度的大小以实现对任意距离的物体自动调焦的过程称作眼睛的视度调节。 4、视觉调节：人眼除了随着物体距离的改变而调节晶状体曲率外，还可以在不同的明暗条件下工作，人眼能感受非常大范围的光亮度变化，即眼睛对不同的亮度条件下具有适应的调节能力，这种能力称为眼睛的视觉调节。 5、放大镜定义：放大镜(英文名称：magnifier)：用来观察物体细节的简单目视光学器件，是焦距比眼的明视距离小得多的会聚透镜。物体在人眼视网膜上所成像的大小正比于物对眼所张的角（视角）。 6、视角愈大，像也愈大，愈能分辨物的细节。移近物体可增大视角，但受到眼睛调焦能力的限制。使用放大镜，令其紧靠眼睛，并把物放在它的焦点以内，成一正立虚像。放大镜的作用是放大视角。 7、显微镜：显微镜是由一个透镜或几个透镜的组合构成的一种光学仪器，是人类进入原子时代的标志。主要用于放大微小物体成为人的肉眼所能看到的仪器。显微镜分光学显微镜和电子显微镜：光学显微
镜是在1590年由荷兰的詹森父子所首创。现在的光学显微镜可把物体放大1600倍，分辨的最小极限达0.1微米，国内显微镜机械筒长度一般是160mm。 8、光学显微镜由目镜，物镜，粗准焦螺旋，细准焦螺旋，压片夹，通光孔，遮光器，转换器，反光镜，载物台，镜臂，镜筒，镜座，聚光器，光阑组成。 9、显微镜以显微原理进行分类可分为光学显微镜与电子显微镜。 10、光学显微镜：通常皆由光学部分、照明部分和机械部分组成。无
(完整版)光学仪器基本原理习题及答案
第四章 光学仪器基本原理 1．眼睛的构造简单地可用一折射球面来表示，其曲率半径为5.55mm ，内部为折射率等于4／3的液体，外部是空气，其折射率近似地等于1。试计算眼球的两个焦距。用右眼观察月球时月球对眼的张角为1°，问视网膜上月球的像有多大？ 解；眼球物方焦距；当s ’=∞时，f=﹣5.55／﹙4／3﹣1﹚=﹣16．65㎜=﹣1．665㎝ 眼球的象方焦距：f ＇=s ＇=mm 2.2213455.534 =-? 当u=1°时，由折射定律n 1sinu 1=n 2sinu 2 U 1=1°n 1=1,n 2=4∕3 像高l ＇=f ＇tanu 2=f ＇sinu 2=f ＇×3∕4 sin1o =22.2×3∕4×0.01746=0.29mm 2．把人眼的晶状体看成距视网膜2㎝的一个简单透镜。有人能看清距离在100㎝到300㎝ 间的物体。试问：⑴此人看清远点和近点时，眼睛透镜的焦距是多少？⑵为看清25㎝远的物体，需配戴怎样的眼镜？ 解：人眼s ＇=2cm. S 1=100cm.s 2=300cm 近点时透镜焦距'f =21002 100+?=1.961cm 远点时透镜焦距f ＇=23002 300+? =1.987cm 当s =﹣25cm 时s '=﹣100cm ﹦﹣1m 34125.0100.1111=+-=---=-'= Φs s D 300=度 3．一照相机对准远物时，底片距物镜18㎝，当镜头拉至最大长度时，底片与物镜相距20 ㎝，求目的物在镜前的最近距离？ 解：.18.0m f =' m s 20.0=' 照相机成像公式： f s s '=-'1 11 556.020.01 18.01111-=+-='+'-=s f s m s 8.1-= 目的物在镜前的最近距离为m 8.1
光学显微镜的发展历史
光学显微镜的发展历史、现状与趋势 杨拓拓 (苏州大学现代光学技术研究所，江苏苏州215000) 1基本原理 显微镜成像原理及视角放大率 显微镜由物镜和目镜组成。物体AB 在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、倒立的实像A'B'，它位于目镜前焦面或稍后处，经目镜成放大的虚像，该像位于无穷远或明视距离处。 图1-1显微镜系统光路图 牛顿放大率公式： f f x x ''= 'x 是像点到像方焦点的距离，x 是物点到物方焦点的距离。 根据牛顿放大率公式可得物镜的垂轴放大率为 '1'1'11--f f x ?== β 目镜的视觉放大率为： '22250 f =Γ 组合系统的放大率为 '1f
'2'121250f f ? -=Γ=Γβ 显微镜系统的像方焦距 ?-=/'2'1'f f f '250 f = Γ 显微镜系统成倒像轴向放大率 '2'1'2'1/f f x x =β 若物点A 沿光轴移动很小的距离，则通过显微镜系统的像点'2A 将移动很大的距离，且移动 方向相同。 显微系统的角放大率 '2'1'2'1/x x f f =γ 即入射于物镜为大孔径光束，而由目镜射出为小孔径光束。 显微镜的孔径光阑 单组低倍显微物镜，镜框是孔径光阑。 复杂物镜一般以最后一组透镜的镜框作为孔径光阑。 对于测量显微镜，孔阑在物镜的象方焦面上，构成物方远心光路。 显微镜的视场光阑和视场 在显微物镜的象平面上设置了视场光阑来限制视场。由于显微物镜的视场很小，而且要求象面上有均匀的照度，故不设渐晕光阑。 显微镜是小视场大孔径成像，为获得大孔径并保证轴上点成像质量，显微镜线视场不超过物镜的1/20,线视场要求： 1'120202β?=≤f y
实验一 用立式光学计测量塞规
实验一用立式光学计测量塞规 一．实验目的 1．了解立式光学计的测量原理。 2．熟悉用立式光学计测量外径的方法。 3．加深理解计量器具与测量方法的常用术语。 二．实验内容 1．用立式光学计测量塞规。 2．根据测量结果，按国家标准GB1957——81《光滑极限量规》查出被测塞规的尺寸公差和形状公差，作出适用性结论。 三．测量原理及计量器具说明 立式光学计是一种精度较高而结构简单的常用光学量仪。用量块作为长度基准，按比较测量法来测量各种工件的外尺寸。 图1为立式光学计外形图。 图1 它由底座1、立柱5、支臂3、直角光管6和工作台11等几部分组成。光学计是利用光学杠杆放大原理进行测量的仪器，其光学系统如图2（b）所示。照明光线经反射镜1照射到刻度尺8上，再经直角棱镜2、物镜3，照射到反射镜4上。由于刻度尺8位于物镜3的焦平面上，故从刻度尺8上发出的光线经物镜3后成为平行光束。若反射镜4与物镜3之间相互平行，则反射光线折回到焦平面，刻度尺象7与刻度尺8对称。若被测尺寸变动使测杆推动反射镜4绕支点转动某一角度a（图2（a）），则反射光线相对于入射光线偏转2a角度，从而使刻度尺象7产生位移t（图2（c）），它代表被测尺寸的为动 量。物镜至刻度尺8之间的距离为物镜焦距f，设b为测杆中心至反射镜支点间的距离，s为测杆5移动的距离，则仪器的放大比K为：
α αbtg ftg s t K 2== 当a 很小时，tg2a=2a, tga=a, 因此：K= b f 2 光学计的目镜放大倍数为12，f=200mm,b=5mm, 故仪器 的总放大倍数n 为： n=12K= 5 200 212212 ?? =b f =960 由此说明，当测杆移动0.001mm 时，在目镜中可见到0.96mm 的位移量。 图2 四、测量步骤 1、测头的选择：测头有球形、平面形和刀口形三种，根据被测零件表面的几何形状来选择，使测 头与被测表面尽量满足点接触。所以，测量平面或圆柱表工作时，先用球形测头。测量球面工作时，选用平面形测头。测量小于10mm 的圆柱面工件时，选用刀口形测头。 2、按被测塞规的基本尺寸组合量块。 3、调整仪器零位 （1）参看图1，先好量块组后，将下测量面置于工作台11的中央，并使测头10对准上测量面中央。 （2）粗调节：松开支臂紧固螺钉4，转动调节螺母2，使支臂3缓慢下降，直到测头与量块，并能在视场中看到刻度尺象时，将螺钉4锁紧。 （3）细调节：松开紧固螺钉8，转动调节螺母2,使支臂3缓慢下降,直到测头与量块上测量面轻微接触,并能在视场中看到刻度尺象时,将螺钉4锁紧。 （4）细调节：松开紧固螺钉8，转动调节凸轮7，直至在目镜中观察到刻度尺象与μ指示接近为止（图3a ）。然后拧紧螺钉8。
试验二普通光学显微镜的使用及细菌的简单染色和革兰氏染色
实验二普通光学显微镜的使用及细菌的简单染色和革兰氏染色普通光学显微镜的使用 一、实验目的 以染色玻片及活菌为例，熟练掌握显微镜油镜的使用方法。 二、显微镜油镜使用的原理 1 普通光学显微镜的基本构造 （1）光学部分: 接目镜、接物镜、照明装置(聚光镜、虹彩光圈、反光镜等)。它使检视物放大, 造成物象。（2）机械部分: 镜座、镜臂、镜筒、物镜转换器、载物台、载物台转移器、粗调节器、细调节器等部件。它起着支持、调节、固定等作用。2 显微镜的放大倍数和分辨率（1）放大倍数=接物镜放大倍数×接目镜放大倍数 （2）显微镜的分辨率：表示显微镜辨析物体（两端）两点之间距离的能力，可用公式表示为： D=λ/2n·sin(α/2 ) 式中D：物镜分辨出物体两点间的最短距离。 λ：可见光的波长（平均0.55μm） n: 物镜和被检标本间介质的折射率。 a：镜口角（即入射角）。3 油镜使用的原理 油镜，即油浸接物镜。当光线由反光镜通过玻片与镜头之间的空气时，由于空气与玻片的密度不同，使光线受到曲折，发生散射，降低了视野的照明度。若中间的介质是一层油（其折射率与玻片的相近），则几乎不发生折射，增加了视野的进光量，从而使物象更加清晰。 三、实验材料 1 显微镜、香柏油、二甲苯、擦镜纸、吸水纸、盖玻片、接种环、酒精灯等。 2 细菌三种形态的玻片染色标本。 3 培养12-18h的枯草芽孢杆菌。四、实验方法与步骤 1 染色细菌玻片的油镜观查 （1）用前检查：零件是否齐全，镜头是否清洁。 （2）调节光亮度。 （3）低倍镜观察：先粗调再微调至物象清晰。
（4）转入中倍、高倍观察，每一不只需调微调旋纽即可看到清晰的物象。 （5）油镜观察：高倍镜下找到清晰的物象后，旋转转换器，在标本中央滴一滴香柏油，使油镜镜头浸入香柏油中，细调至看清物象为止。 （6）绘出所观察到的细菌形态图像。 （7）、换片：另换新片观察，必须从（3）步开始操作。 （8）、用后复原：观察完毕，上悬镜筒，先用擦镜纸擦去油镜头上的香柏油，然后再用擦镜纸沾取少量二甲苯擦去残留的油，最后用擦镜纸擦去残留的二甲苯，后将镜体全部复原。 2 活菌制片观察 取一张干净的载玻片，在其中央滴上一滴干净的蒸馏水，取培养12-18h的枯草芽孢杆菌一小环，在水滴上反复涂抹至菌体充分分散，盖上盖玻片，用吸水纸吸去多余的水分，按照油镜的使用步骤，观察草芽孢杆菌形态，边观察边绘图。 五、实验报告 油镜使用的原理 六、思考题 1 油镜与普通物镜在使用方法上有何不同？应特别注意些什么？ 2 使用油镜时，为什么必须用镜头油？ 3 镜检标本时，为什么先用低倍镜观察，而不是直接用高倍镜或油镜观察？ 七、实验注意事项 1 不准擅自拆卸显微镜的任何部件,以免损坏。 2 镜面只能用擦镜纸擦，不能用手指或粗布，以保证光洁度。 3 观察标本时，必须依次用低、中、高倍镜，最后用油镜。当目视接目镜时，特别在使用油镜时，切不可使用粗调节器，以免压碎玻片或损伤镜面。 4 观察时，两眼睁开，养成两眼能够轮换观察的习惯，以免眼睛疲劳，并且能够在左眼观察时，右眼注视绘图。 5 拿显微镜时，一定要右手拿镜臂，左手托镜座，不可单手拿，更不可倾斜拿。 6 显微镜应存放在阴凉干燥处，以免镜片滋生霉菌而腐蚀镜片。 细菌的简单染色和革兰氏染色 一、实验目的 1 学习微生物涂片、染色的基本技术，掌握细菌的简单染色方法及革兰氏染色。 2 了解革兰氏染色法的原理及其在细菌分类鉴定中的重要性。 二、实验原理 1 简单染色的原理
显微镜基础知识
显微镜基础知识 第一章：显微镜简史 随着科学技术的进步，人们越来越需要观察微观世界，显微镜正是这样的设备，它突破了人类的视觉极限，使之延伸到肉眼无法看清的细微结构。 显微镜是从十五世纪开始发展起来。从简单的放大镜的基础上设计出来的单透镜显微镜，到1847年德国蔡司研制的结构复杂的复式显微镜，以及相差，荧光，偏光，显微观察方式的出现，使之更广范地应用于金属材料，生物学，化工等领域。 第二章显微镜的基本光学原理 一．折射和折射率 光线在均匀的各向同性介质中，两点之间以直线传播，当通过不同密度介质的透明物体时，则发生折射现像，这是由于光在不同介质的传播速度不同造成的。当与透明物面不垂直的光线由空气射入透明物体(如玻璃)时，光线在其介面改变了方向，并和法线构成折射角。 二．透镜的性能 透镜是组成显微镜光学系统的最基本的光学元件，物镜、目镜及聚光镜等部件均由单个和多个透镜组成。依其外形的不同，可分为凸透镜(正透镜)和凹透镜(负透镜)两大类。 当一束平行于光轴的光线通过凸透镜后相交于一点，这个点称“焦点”，通过交点并垂直光轴的平面，称“焦平面”。焦点有两个，在物方空间的焦点，称“物方焦点”，该处的焦平面，称“物方焦平面”；反之，在像方空间的焦点，称“像方焦点”，该处的焦平面，称“像方焦平面”。 光线通过凹透镜后，成正立虚像，而凸透镜则成正立实像。实像可在屏幕上显现出来，而虚像不能。 三．影响成像的关键因素—像差 由于客观条件，任何光学系统都不能生成理论上理想的像，各种像差的存在影响了成像质量。下面分别简要介绍各种像差。 1．色差（Chromatic aberration） 色差是透镜成像的一个严重缺陷，发生在多色光为光源的情况下，单色光不产生色
光学显微镜的原理及构造
光学显微镜的原理及构造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不可缺少的仪器之一。显微镜自1666年问世以来已有300多年的历史了，其间随着科学技术不断发展，显微镜的品种不断增加，结构和性能逐步得到完善和提高。 根据不同的使用用途，光学显微镜可分为普通光学显微镜、暗视野显微镜、相差显微镜、荧光显微镜、倒置显微镜、体视显微镜、偏光显微镜等10多种。目前，世界上许多国家都可以生产光学显微镜，牌名、种类繁杂，其中德国、日本等国制造的显微镜品质、数量占优势，但价格昂贵。 对于现代的光学显微镜，包括各种简单的常规检验用显微镜、万能研究以及万能照相显微镜等，首先要认识其构造及各部件的功能，同时要掌握正确的调试、使用和保养方法，才能在实际应用中面对各种要求时以不同的显微镜检方法，充分发挥显微镜应有的功能，提高常规检验工作效率. 光学显微镜的原理和构造 随着科学技术的发展，显微镜检方法由最传统的明视野、暗视野发展出了相差法、偏光方法；荧光方法也由透射光激发进展为落射光激发，使荧光效率大为提高；微分干涉相衬方法基于偏光方法，而巧妙地利用了微分干涉棱镜，使之能应用于医学与生物学的样品，又能应用于金相样品的分析与检验。 下面以德国ZEISS公司生产的Axioplan万能研究用显微镜，简单介绍万能显微镜的基本组成部件。 1. 显微镜主机体（stand） 显微镜的主机体设计成金字塔形，而底座的截面呈T字形，使显微镜的整体相当稳固。显微镜的光学部件和机构调节部件、光源的灯室、显微照相装置、电源变压稳压器等，都可安装在主机体上或主机体内。 2. 显微镜的底座（base） 底座和主机体通常组成一个稳固的整体。底座内通常装有透射光照明光路系统（聚光、集光和反光）部件，光源的滤光片组，粗/微调焦机构，光源的视场光阑也安装在底座上。 3. 透射光光源（tranilluminator） 透射光光源由灯室（lamp housing）、灯座（lamp socket）、卤素灯（halogen lamp）、集光与聚光系统（lamp collector and lamp condenser）及其调整装置组成。 4. 透射光光源与反射光光源的转换开关（toggle switch） 这是新一代AXIO系列显微镜特有的装置，透射光和反射光可通用。当具有透/反两用的配置时，利用这一转换开关能方便而又迅速的使透射光 和反射光互相转换。在纯透射光的配置中，这一开关就改为电源开关。
实验一 用立式光学计测量塞规
实验一 用立式光学计测量塞规 一、实验目的 1. 了解立式光学计的测量原理。 2. 熟悉用立式光学计测量外径的方法。 3. 加深理解计量器具与测量方法的常用术语。 二、实验内容 1. 用立式光学计测量塞规。 2. 根据测量结果，按国家标准GB1957—81《光滑极限量规》查出被测塞规的尺寸公差和形状公差，作出适用性结论。 三、测量原理及计量器具说明 立式光学计是一种精度较高而结构简单的常用光学量仪。用量块作为长度基准，按比较测量法来测量各种工件的外尺寸。 图1为立时光学计的外形图。它由底座1、立柱5、支臂3、直角光管6和工作台11等几部分组成。光学计是利用光学杠杆放大原理进行测量的仪器，其光学系统如图2b 所示。照明光线经反射镜1照射到刻度尺8上，再经直角棱镜2、物镜3，照射到反射镜4上。由于刻度尺8位于物镜3的焦平面上，故从刻度尺8上发出的光线经物镜3后成为一平行光束，若反射镜4与物镜3之间相互平行，则反射光线折回到 焦平面，刻度尺象7与刻度尺8对称。若被测尺寸变动 使测杆5推动反射镜4饶支点转动某一角度α（图2a ）， 则反射光线相对于入射光线偏转2α角度，从而使刻度 尺象7产生位移t （图2c ），它代表被测尺寸的变动量。 物镜至刻度尺8间的距离为物镜焦距f ，设b 为测杆中 心至反射镜支点间的距离，s 为测杆移动的距离，则仪 器的放大比K 为： α αbtg ftg s t K 2== 当α很小时，αα22≈tg ，αα≈tg ，因此： b f K 2= 图 1 光学计的目镜放大倍数为12，mm f 200=，mm b 5=，故仪器的总放大倍数n 为： 9605 20021221212=??===b f K n 由此说明，当测杆移动0.001mm 时，在目镜中可见到0.96mm 的位移量。 四、测量步骤 1. 测头的选择：测头有球形、平面形和刀口形三种，根据被测零件表面的几何形状来选择，使测头与被测表面尽量满足点接触。所以，测量平面或圆柱面工件时，选用球形测头。测量球面工件时，选用平面形测头。测量小于10mm 的圆柱面工件时，选用刀口形测头。
JDG-S1型数字显示式立式光学计
JDG-S1型数字显示式立式光学计 一. 仪器概述. JDG-S1型数字显示式立式光学计是一种精密测微仪。利用光栅传感器将被测工件尺寸变化转换成电信号，经处理后数字显示出测量结果。其技术参数为： 测量范围：≤180mm 示值范围：≤±0.1mm 显示分辨率：0.1um 测量力：（2±0.2）N 示值变动性：±0.1um 图1.JDG-S1型数字显示式立式光学计 二．仪器结构与原理 由光源1发出的光经聚光镜2照亮位于准直物镜焦面上的标尺光栅3，经立方棱镜6反射，并经过准直物镜7以平行光出射，投射至平面反射镜8上。由平面反射镜8反射的光束又重新进入准直物镜7、立方棱镜6，经立方棱镜6分光面透射，将光栅刻线成像在指示光栅5上，并在指示光栅5上形成光闸莫尔条纹。当测杆有微小位移时，光栅刻线的像将沿另一光栅表面移动，莫尔条纹光强产生周期性变化，光电元件4接受该光强变化，经过光电转换、前置放大、细分、辨相、可逆计数和数字显示等单元，最后在显示窗口上显示测量值。 1—光源 2—聚光镜 3—标尺光栅 4—光电传感器 5－指示光栅 6－立方棱镜 7－准直物镜 8－平面反射镜 9—测杆 光线流程图如2所示：
图2.仪器结构及光线流程图 三．主要模块及其原理介绍 （1）.光栅 在该仪器中有一对光栅3-标尺光栅，5-指示光栅。他们和细分电路共同决定了仪器的分辨力。栅柵距d=0.025mm，当光电信号实现一个周期变化，柵距移动一个单位，而此时杆位移对应为S=d/k=0.025/31.25mm=0.8um。如果电路实现8倍细分对应的分辨力为0.8um/8=0.1um。 (2).光学杠杆 当测杆有微小位移时，光栅刻线的像将沿另一光栅表面移动，莫尔条纹光强产生周期性变化，光电元件4接受该光强变化。在这个过程中，光学杠杆实际上起着一个转换放大作用。 原理图如图3：
实验一 普通光学显微镜的构造和使用
实验一普通光学显微镜的构造和使用 一、目的要求 1.掌握普通光学显微镜的基本构造、使用方法、保护要点。 2.掌握普通光学显微镜油浸系的原理。 3.使用油镜观察几种细菌的基本形态。 二、显微镜的基本构造 显微镜由机械装置和光学系统两大部分组成（图1-1）。 光学显微镜的构造(图1-1) 1. 物镜转换器 2. 接物镜 3.游标卡尺 4.载物台 5.聚光器 6. 彩虹光阑 7.光源 8. 镜座 9. 电源开关 10. 光源滑动变阻器 11. 粗调螺旋 12. 微调螺旋 13. 镜臂 14.镜筒 15.目镜 16.标本移动螺旋 1．机械装置 镜座（base）和镜臂（arm）镜座位于显微镜底部，呈马蹄形，它支持全镜。镜臂有固定式和活动式两种，活动式的镜臂可改变角度。镜臂支持镜筒。 镜筒（body tube）是由金属制成的圆筒，上接目镜，下接转换器。镜筒有单筒和双筒两种，单筒又可分为直立式和后倾式两种。而双筒则都是倾斜式的，倾斜式镜筒倾斜45°。双筒中的一个目镜有屈光度调节装置，以备在两眼视力不同的情况下调节使用。
转换器（no sepiece）为两个金属碟所合成的一个转盘，其上装3—4个物镜，可使每个物镜通过镜筒与目镜构成一个放大系统。 载物台（stage）又称镜台，为方形或圆形的盘，用以载放被检物体，中心有一个通光孔。在载物台上有的装有两个金属压夹称标本夹，用以固定标本；有的装有标本推动器，将标本固定后，能向前后左右推动。有的推动器上还有刻度，能确定标本的位置，便于找到变换的视野。 调焦装置是调节物镜和标本间距离的机件，有粗动螺旋（coarse adjustment）即粗调节器和微动螺旋（fine adjustment）即细调节器，利用它们使镜筒或镜台上下移动，当物体在物镜和目镜焦点上时，则得到清晰的图像。2．光学系统 物镜（objective）物镜安装在镜筒下端的转换器上，因接近被观察的物体，故又称接物镜。其作用是将物体作第一次放大，是决定成像质量和分辨能力的重要部件。物镜上通常标有数值孔径、放大倍数、镜筒长度、焦距等主要参数。如：NA0．30；10×；160/0．17；16mm。其中“NA0．30”表示数值孔径（numerical aperture，简写为NA），“10×”表示放大倍数，“160/0．17”分别表示镜筒长度和所需盖玻片厚度（mm），16mm表示焦距。 目镜（ocular lens）装于镜筒上端，由两块透镜组成。镜把物镜造成的像再次放大，不增加分辨力，上面一般标有7×、10×、15×等放大倍数，可根据需要选用。一般可按与物镜放大倍数的乘积为物镜数值孔径的500—700倍，最大也不能超过1000倍的选择。目镜的放大倍数过大，反而影响观察效果。 聚光器（condenser）光源射出的光线通过聚光器汇聚成光锥照射标本，增强照明度和造成适宜的光锥角度，提高物镜的分辨力。聚光器由聚光镜和虹彩光圈（iris diaphragm）组成，聚光镜由透镜组成，其数值孔径可大于1，当使用大于1的聚光镜时，需在聚光镜和载玻片之间加香柏油，否则只能达到1．0。虹彩光圈由簿金属片组成，中心形成圆孔，推动把手可随意调整透进光的强弱。调节聚光镜的高度和虹彩光圈的大小，可得到适当的光照和清晰的图像。 光源（light source）较新式的显微镜其光源通常是安装在显微镜的镜座内，通过按钮开关来控制；老式的显微镜大多是采用附着在镜臂上的反光镜，反光镜是一个两面镜子，一面是平面，另一面是凹面。在使用低倍和高倍镜观察时，用平面反光镜；使用油镜或光线弱时可用凹面反光镜。 滤光片（filter）可见光是各种颜色的光组成的，不同颜色的光线波长不同。如只需某一波长的光线时，就要用滤光片。选用适当的滤光片，可以提高分辨力，增加影像的反差和清晰度。滤光片有紫、青、蓝、绿、黄、橙、红等各种颜色的，分别透过不同波长的可见光，可根据标本本身的颜色，在聚光器下加相应的滤光片。 三、油镜物镜的基本原理 微生物学研究用的显微镜的物镜通常有低倍物镜（16mm，10×）、高倍物镜（4mm，40—45×）和油镜（1．8 mm，95—100×）三种。油镜通常标有黑圈或红圈，也有的以“OI（oil immer-sion）字样表示，它是三者中放大倍数最大的。根据使用不同放大倍数的目镜，可使被检物体放大1000—2 000多倍。从图Ⅲ-3中可看出油镜的焦距和工作距离（标本在焦点上看得最清晰时，物镜与样品之间的距离）最短，光圈则开得最大，因此，在使用油镜观察时，镜头离标本十分近，需特别小心。
显微镜的原理和
显微镜的原理和使用方法
显微镜的原理和使用方法-装片的制作 显微镜的结构和使用 （2）显微镜的成像 ①光源（天然光或人工光源）→反光镜→光圈→物体→物镜（凸透镜）→在镜筒内形成物体放大的实像→目镜→把经物镜形成放大的实像进一步放大 ②显微镜放大倍数=物镜放大倍数×目镜放大倍数 （3）高倍显微镜的使用 ①用低倍显微镜观察 取镜与安放： a. 右手握镜臂，左手托镜座。
b. 显微镜放在实验台的前方稍偏左。 对光： a. 转动转换器，使低倍物镜对准通光孔。 b. 选一较大的光圈对准通光孔，左眼注视目境，转动反光镜，使光线通过通光孔反射到镜筒内，通过目镜，可能看到自亮的视野。 低倍镜观察： a. 把所要观察的玻片标本放在载物台上，用压片夹压住，标本要正对通光孔的中心。 b. 转动粗准焦螺旋，使镜筒缓缓下降，直到物镜接近玻片标本为止（此时实验者的眼睛应当看物镜镜头与标本之间，以免物镜与标本相撞）。
c. 左眼看目镜内，同时反向缓缓转动粗准焦螺旋，使镜筒上升，直到看到物像为止，再稍稍转动细准焦螺旋，使看到的物像更加清晰。 ②高倍镜观察 a. 移动装片，在低倍镜下使需要放大观察的部分移动到视野中央。 b. 转动转换器，移走低倍物镜，转换为高倍物镜。 c. 调节光圈，使视野亮度适宜。 d. 缓缓调节细准焦螺旋，使物像清晰 ③注意事项 a. 使用显微镜一定要严格按照取镜→安放→对光→压片→观察的程序进行。 b. 下降镜筒时，一定要用双眼从侧面注视物镜，使之接近装片，但又要防止镜头触及装片。否则会压碎装片和损坏物镜（l0x物镜的工作距离为0. 5-1 cm）。 c. 有必要使用高倍物镜时，必须先在低倍物镜下将目标移到视野的中心，然后换用高倍物镜。因为在低倍物镜下看到的物像放大倍数小，但看到的标本实际面积大，容易找到目标；与低倍物镜相比，高倍物镜下看到的物像人，同样的视野面积看到的标本的实际面积小，在装片不动的情况下，高倍物镜看到的只是低倍物镜视野的中心部分。
光学显微镜的工作原理
光学显微镜的工作原理 显微镜就是一种精密的光学仪器,已有300多年的发展史。自从有了显微镜,人们瞧到了过去瞧不到的许多微小生物与构成生物的基本单元——细胞。目前,不仅有能放大千余倍的光学显微镜,而且有放大几十万倍的电子显微镜,使我们对生物体的生命活动规律有了更进一步的认识。在普通中学生物教学大纲中规定的实验中,大部分要通过显微镜来完成,因此,显微镜性能的好坏就是做好观察实验的关键。 一、显微镜的光学系统 显微镜的光学系统主要包括物镜、目镜、反光镜与聚光器四个部件。广义的说也包括照明光源、滤光器、盖玻片与载玻片等。 (一)、物镜 物镜就是决定显微镜性能的最重要部件,安装在物镜转换器上,接近被观察的物体,故叫做物镜或接物镜。 1、物镜的分类 物镜根据使用条件的不同可分为干燥物镜与浸液物镜;其中浸液物镜又可分为水浸物镜与油浸物镜(常用放大倍数为90—100倍)。 根据放大倍数的不同可分为低倍物镜(10倍以下)、中倍物镜(20倍左右)高倍物镜(40—65倍)。 根据像差矫正情况,分为消色差物镜(常用,能矫正光谱中两种色光的色差的物镜)与复色差物镜(能矫正光谱中三种色光的色差的物镜,价格贵,使用少)。 2、物镜的主要参数: 物镜主要参数包括:放大倍数、数值孔径与工作距离。 ①、放大倍数就是指眼睛瞧到像的大小与对应标本大小的比值。它指的就是长度的比值而不就是面积的比值。例:放大倍数为100×,指的就是长度就是1μm的标本,放大后像的长度就是100μm,要就是以面积计算,则放大了10,000倍。 显微镜的总放大倍数等于物镜与目镜放大倍数的乘积。 ②、数值孔径也叫镜口率,简写NA 或A,就是物镜与聚光器的主要参数,与显微镜的分辨力成正比。干燥物镜的数值孔径为0、05-0、95,油浸物镜(香柏油)的数值孔径为1、25。 ③、工作距离就是指当所观察的标本最清楚时物镜的前端透镜下面到标本的盖玻片上面的距离。物
透射电子显微镜的原理
透射电子显微镜的原理 XXX （大庆师范学院物理与电气信息工程学院 2008级物理学 200801071293 黑龙江大庆163712） 摘要：透射电子显微镜在成像原理上与光学显微镜类似。它们的根本不同点在于光学显微镜以可见光作照明束，透射电子显微镜则以电子为照明束。在光学显微镜中将可见光聚焦成像的玻璃透镜，在电子显微镜中相应的为磁透镜。由于电子波长极短，同时与物质作用遵从布拉格(Bragg)方程，产生衍射现象，使得透射电镜自身在具有高的像分辨本领的同时兼有结构分析的功能。 关键词：第一聚光镜；第二聚光镜；聚光镜阑；物镜光阑；选择区光阑；中间镜 作者简介：XXX（1988-），黑龙江省绥化市绥棱县，物理与电气信息工程学院学生。 0引言： 工业多相催化剂是极其复杂的物理化学体系。长期以来,工业催化剂的制备很大程度上依赖于经验和技艺,而难以从原子分子水平的科学原理方面给出令人信服的形成机制。为开发更高活性、选择性和稳定性的新型工业催化剂,通过各种表征技术对催化剂制备中的过程产物及最终产品进行表征是一个关键性的基础工作。在当前各种现代表征手段中,透射电子显微镜尤其是高分辨透射电子显微镜,可以在材料的纳米、微米区域进行物相的形貌观察、成分测定和结构分析,可以提供与多相催化的本质有关的大量信息,指导新型工业催化剂的开发。 为什么透射电子显微镜有如此高的分辨率那？本文阐述了透射电子显微镜的工作原理。 1透射电子显微镜的定义/组成 1.1定义 在一个高真空系统中，由电子枪发射电子束， 穿过被研究的样品，经电子透镜聚焦放大，在荧光 屏上显示出高度放大的物像，还可作摄片记录的一 类最常见的电子显微镜称为透射电子显微镜。[1] 1.2组成 透射电子显微镜由照明系统、成像系统、记录 系统、真空系统和电器系统组成。（如图1） 2透射电子显微镜的照明系统 照明系统的作用是提供亮度高、相干性好、束 流稳定的照明电子束。它主要由发射并使电子加速 的电子枪和会聚电子束的聚光镜组成。
光学显微镜成像原理
物体介于物镜的焦距和二倍焦距之间，成倒立放大的实相，据凸透镜成像规律，知实相在异侧二倍焦距之外。实相位于目镜焦点或者焦点之内，被再次放大，形成放大的虚像。而人的眼睛是可以看到虚像的（这个原理自然清楚）。要搞清显微镜的使用原理，就得对物理中的凸透镜成像有所理解。 { 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。有公式y=Lε 距离L不能取得很小，因为眼睛的调节能力有一定限度，尤其是眼睛在接近调节能力的极限范围工作时，会使视力极度疲劳。对于标准(正视)而言，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。 在观测视角小于1'的物体时，必须使用放大仪器。放大镜和显微镜是用于观测放置在观测人员近处应予放大的物体的。 （一）放大镜的成像原理 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 Γ=250/f' 式中250--明视距离，单位为mm f'--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。 （二）显微镜的成像原理 显微镜和放大镜起着同样的作用，就是把近处的微小物体成一放大的像，以供人眼观察。只是显微镜比放大镜可以具有更高的放大率而已。 图2是物体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，或者在很靠近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）。目镜的作用与放大镜一样。所不同的只是眼睛通过目镜所看到的不是物体本身，而是物体被物镜所成的已经放大了一次的像。 （三）显微镜的重要光学技术参数 在镜检时，人们总是希望能清晰而明亮的理想图象，这就需要显微镜的各项光学技术参数达到一定的标准，并且要求在使用时，必须根据镜检的目的和实际情况来协调各参数的关系。只有这样，才能充分发挥显微镜应有的性能，得到满意的镜检效果。
立式光学计
立式光学计 光学计有立式、卧式之分，两者所用的光学计管完全相同。卧式光学计除能测量外尺寸外，还能测量内尺寸 立式光学计分为刻线读数、数显两种，利用光学杠杆原理提高精度。 测量范围-100μm~+100μm，分度值为1μm，精度为±0.5μm。 立式光学计主要用于微差比较测量，是使工件与量块相比较测量它们之间的微差尺寸 它的原理之所在就在这个光管里，首先由下往上说，测帽、测杆、反光镜、物镜、棱镜、通光棱镜、标准尺。 反光镜有三个支点支撑，其中两个支点为固定点，另一个支点就是测杆。测杆的上下移动带着反光镜上下偏转，当杠杆往下走时，反光镜向下偏，这时目镜中的像越模糊；反之则越清晰。 当光源进入打到标准尺上将标准尺的像偷狗棱镜、物镜打到反光镜上，这时再由反光镜按原来的线路将标准尺的像反射到目镜中，进行观察。 （由光源1 聚光镜2滤光片3隔热玻璃5 仪器投影箱4 刻度尺6（刻度尺6
上的刻划面在准直物镜8的焦平面上、刻划轴线与整个照明系统的光轴偏离2.5mm）被照亮的刻度尺经棱镜7和准直物镜8 后成平行光射向反射镜9，由9反射后再经物镜成像在刻划面上光轴的另一侧（为了利用影屏观察，在棱镜7 的右边，设计成一个的反射面，它使刻度尺的自准直像转向，在投影物镜10的物平面上成像）再经投影物镜放大及棱镜11、反射镜12的反射，把刻度尺像成在影屏13上，影屏上刻着固定的指标线，观察放大镜14把整个影屏再放大，从而提高了观察效果。） 介绍一下用立式光学计检定4等量块的使用方法： 1.首先选取两块标称值之差不大于100μm 的4等量块，并用120#汽油进行清洗，放到立式光学计的工作台上。 2.将其中一块量块放到工作台中心，打开臂架制动螺钉，旋转臂架升降用螺母，将测帽对准量块的中心与其之间留下一点缝隙，然后观看目镜，继续调节臂架升降用螺母，直到有标准尺像出现，尽量调到零位，锁紧臂架制动螺钉，打拨叉。 3.打开微调臂架制动螺钉，旋转微调臂架升降用螺母，观察目镜，继续调零，然后锁紧微调臂架制动螺钉打拨叉，若与零位差的不多，则调节目镜上的分划板旋钮，然后继续打拨叉，反复几次，直到指针不动，指到零位。 4抬起拨叉，将量块取出，换上另一量块，观察目镜，不断打拨叉，知道指针不再移动，读数。与两量块标称值差值作比较。 测帽的选择： 根据工件的形状，应选择与工件接触面尽量小的工作台和测帽。
光学显微镜的发展历史
杨拓拓 (苏州大学现代光学技术研究所，江苏苏州215000) 1基本原理 显微镜成像原理及视角放大率 显微镜由物镜和目镜组成。物体AB 在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、倒立的实像A'B'，它位于目镜前焦面或稍后处，经目镜成放大的虚像，该像位于无穷远或明视距离处。 图1-1显微镜系统光路图 牛顿放大率公式： f f x x ''= 'x 是像点到像方焦点的距离，x 是物点到物方焦点的距离。 根据牛顿放大率公式可得物镜的垂轴放大率为 '1'1'11--f f x ?== β 目镜的视觉放大率为： '22250 f =Γ 组合系统的放大率为 '2'121250f f ? -=Γ=Γβ 显微镜系统的像方焦距 ?-=/'2'1'f f f '250 f = Γ 显微镜系统成倒像轴向放大率 ' 1 f
'2'1'2'1/f f x x =β 若物点A 沿光轴移动很小的距离，则通过显微镜系统的像点'2A 将移动很大的距离，且移动 方向相同。 显微系统的角放大率 '2'1'2'1/x x f f =γ 即入射于物镜为大孔径光束，而由目镜射出为小孔径光束。 显微镜的孔径光阑 单组低倍显微物镜，镜框是孔径光阑。 复杂物镜一般以最后一组透镜的镜框作为孔径光阑。 对于测量显微镜，孔阑在物镜的象方焦面上，构成物方远心光路。 显微镜的视场光阑和视场 在显微物镜的象平面上设置了视场光阑来限制视场。由于显微物镜的视场很小，而且要求象面上有均匀的照度，故不设渐晕光阑。 显微镜是小视场大孔径成像，为获得大孔径并保证轴上点成像质量，显微镜线视场不超过物镜的1/20,线视场要求： 1 '120202β?=≤f y 显微镜的分辨率和有效放大率 光学仪器分辨率 瑞利判据：两个相邻的“点”光源所成的像是两个衍射斑，若两个等光强的非相干点像之间的间隔等于艾里圆的半径，即一个像斑的中心恰好落在另一个像斑的第一暗环处，则这两个点就是可分辨的点。当物面在无穷远时，以两点对光学系统的张角可表示两分辨点的距离，其值为：
显微镜的原理和使用方法
显微镜的原理和使用方法-装片的制作 显微镜的结构和使用 （2）显微镜的成像 ①光源（天然光或人工光源）→反光镜→光圈→物体→物镜（凸透镜）→在镜筒形成物体放大的实像→目镜→把经物镜形成放大的实像进一步放大 ②显微镜放大倍数=物镜放大倍数×目镜放大倍数 （3）高倍显微镜的使用 ①用低倍显微镜观察 取镜与安放： a. 右手握镜臂，左手托镜座。 b. 显微镜放在实验台的前方稍偏左。 对光： a. 转动转换器，使低倍物镜对准通光孔。 b. 选一较大的光圈对准通光孔，左眼注视目境，转动反光镜，使光线通过通光孔反射到镜筒，通过目镜，可能看到自亮的视野。 低倍镜观察： a. 把所要观察的玻片标本放在载物台上，用压片夹压住，标本要正对通光孔的中心。 b. 转动粗准焦螺旋，使镜筒缓缓下降，直到物镜接近玻片标本为止（此时实验者的眼睛应当看物镜镜头与标本之间，以免物镜与标本相撞）。 c. 左眼看目镜，同时反向缓缓转动粗准焦螺旋，使镜筒上升，直到看到物像为止，再稍稍转动细准焦螺旋，使看到的物像更加清晰。 ②高倍镜观察 a. 移动装片，在低倍镜下使需要放大观察的部分移动到视野中央。
b. 转动转换器，移走低倍物镜，转换为高倍物镜。 c. 调节光圈，使视野亮度适宜。 d. 缓缓调节细准焦螺旋，使物像清晰 ③注意事项 a. 使用显微镜一定要严格按照取镜→安放→对光→压片→观察的程序进行。 b. 下降镜筒时，一定要用双眼从侧面注视物镜，使之接近装片，但又要防止镜头触及装片。否则会压碎装片和损坏物镜（l0x物镜的工作距离为0. 5-1 cm）。 c. 有必要使用高倍物镜时，必须先在低倍物镜下将目标移到视野的中心，然后换用高倍物镜。因为在低倍物镜下看到的物像放大倍数小，但看到的标本实际面积大，容易找到目标；与低倍物镜相比，高倍物镜下看到的物像人，同样的视野面积看到的标本的实际面积小，在装片不动的情况下，高倍物镜看到的只是低倍物镜视野的中心部分。 d. 换高倍物镜时，千万不可将镜筒升高，正确的做法是直接转动转换器，换上高倍物镜即可。 e. 使用高倍物镜之后，透镜与装片之间的距离很近，使用粗准焦螺旋容易压碎玻片和损坏透镜，或者由于物像一闪而过，找不到要观察的目标．因此，必须用细准焦螺旋调焦，细准焦螺旋只在调节图像清晰度时使用。 ④原理说明 1. 识别镜头：（1）目镜：装在镜筒的上端，通常备有2－3个，上面刻有5×、10×或15×符号以表示其放大倍数，一般装的是10×的目镜。放大倍数越大镜筒越短。（2）物镜：装在镜筒下端的转换器上，一般有2-3个物镜，其中最短的刻有“10×”符号的为低倍镜，较长的刻有“40×”符号的为高倍镜，放大倍数越大镜筒越长 2. 放大倍数：显微镜的放大倍数是物镜的放大倍数与目镜的放大倍数的乘积，如物镜为10×，目镜为10×，其放大倍数就为10×10=100。放大的是物体的直线长度和宽度而不是面积。 3. 工作距离：是指显微镜处于工作状态（物象调节清楚）时物镜的下表面与盖玻片（盖玻片的厚度一般为0.17mm）上表面之间的距离，物镜的放大倍数愈大，它的工作距离愈小。如物镜是10×的工作距离比物镜是40×的工作距离大。 4. 明暗程度：（1）显微镜用光源，自然光和灯光都可以，以灯光较好，因光色和强度都容易控制。（2）反光镜它有平、凹两面，再经通光孔照至标本。可向任意方向转动，凹面镜聚光作用强，适于光线较弱时使用，平面镜聚光作用弱，适于光线较强时使用。（3）光圈或遮光器在通光孔下方，光圈由十几金属薄片组成，其外侧伸出一柄，推动它可调节其开孔的大小，以调节进光量；遮光器由几个直径大小不同的孔组成，选择某一孔以确定进光量。 5. 物像：镜下见到的是完全的倒像，即标本位于玻片右上角时在镜下的左下角位置出现，移动的规律是物象在镜下的左下角时将玻片向左下角移动可以将物象移到视野的中央来。但是物体的运动方向不变，即标本中细胞质是顺时针方向流动的，镜下仍为顺时针流动。 6. 污物的位置：在视野中常看到污物，要明确污物不会在反光镜上，因为反光镜的作用是将光源光线反射到玻片标本上；确定污物的位置首先移动玻片如污物随之移动即污物在玻片上；如污物不动，再转动目镜污物也随之转动即污物在目镜上；否则在物镜上。 7. 普通光学显微镜下可以见到的细胞结构有：细胞壁、细胞核、液泡、叶绿体、线粒体、核仁，在质壁分离时可见到细胞膜，有丝分裂时可见到染色体。 8. 玻片标本：必须是透明的，要使光线能透过标本部。常用的种类有切片（洋葱根尖纵切片）；装片（洋葱表皮临时装片）；压片（洋葱根尖临时压片观察有丝分裂）；涂片（血涂片、自生固氮菌的临时涂片）。 ⑤相关原理例析
用立式光学计测量轴的直径实验报告
实验用立式光学计测量轴的直径 一、实验目的 1．了解立式光学计的测量原理。 2．熟悉用立式光学计测量外径的方法。 3．加深理解计量器具与测量方法的常用术语。 4. 掌握零件的验收原则和验收方法。 二、实验设备 1．立式光学计 2．量块 三、实验原理及实验设备说明 1．立式光学计 立式光学计是一种精度较高而结构简单的常用光学机械式长度计量器具。用量块作为长度基准，按比较测量法来测量各种工件的外形尺寸。 型号为JD3的立式光学计基本技术参数如下： 测量范围：0-180mm；分度值：0.001mm；示值范围：±0.1mm；仪器最大不确定：0.00025 mm；测量最大不确定度：±（0.5+L/100）μm 图1-1为立式光学计外形结构图。 1.投影灯 2.投影灯固定螺钉 3.支柱 4.零位微动螺钉 5.立柱 6.支臂固定螺钉 7.支臂8微动偏心手轮 9立式测头提升器 10.工作台调整螺钉 11.工作台12.壳体 13.微动托圈 14.微动托圈固定螺钉 15.光管定位螺钉 16.测量管固定螺钉 17.直角光管 18.测帽 19.6V15W变压器 图1-1 立式光学计外形图 它主要是由带有特殊螺纹的立柱5、支臂7、直角光管17和工作台11等几部分组成。立式光学计是利用光学自准原理和机械的正切杠杆原理进行测量的仪器。其光学系统如图1-2a所示，由白炽灯泡1发出的光线经过聚光镜2和滤光片6，通过隔热片7照明分划板8的刻线面，再通过反射棱镜9后射向准直物镜12。由于分划板8的刻线面置于准直物镜12的焦平面上，所以成像光束通过准直物镜12后成为一束平行光入射于平面反射镜13上，根据自准直原理，分划板刻线的像被平面反光镜13反射后，再经准直物镜12被反射棱镜9反射成像在投影物镜4的物平面上，然后通过投影物镜4、直角棱镜3和反射镜5成像在投影屏