毕业设计（论文）-显微镜观测光斑大小.doc

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1、宁波工程学院本科毕业设计论文 显微镜观测光斑大小 摘要 介绍用显微镜观测光斑大小的方法。显微镜观测光斑大小的方法 结合分析软件，可以测量和分析尺寸小、形状不规则、能量分布复杂 的单色光和复合光形成的光斑，为需要对光斑进行评估的各种应用领 域提供了实时、快速、有效的测量方法。通过该实验能了解到不同波 长的光斑大小，以及光斑大小与显微镜放大倍数和观测角度之间的关 系。 测量显微镜的光学系统形成物方远心光路,使被测工件的光学成 像落在仪器的分划板上,然后通过目镜使分划板上的标准刻线对工件 影像进行瞄准,以达到测量的目的。因此,影像法是测量显微镜的最常 用、最基本的测量方法。 关键词：测量显微镜，影像

2、法，波长，观测角度，放大倍数 宁波工程学院本科毕业设计论文 I MICRORCOPY SPOT SIZE ABSTRACT Introduction spot size with a microscope observation method.Microscope observation method combined with spot size analysis software can measure and analyze small size,irregular in shape,monochromatic light energy distribution and the comp

3、lex formation of composite beam of light for the spot to assess the need for a variety of applications provides real-time,fast effective measurement method.The experiment can be learned by different wavelengths of light spot size,and spot size and microscope magnification and viewing angle relations

4、hip. Measuring microscope optical system telecentric in object form,enabling the optical workpiece partition imaging instruments on- board fall, and then eyepiece so that the standard partition board groove on the workpiece image to aim to achieve the measurement purpose.Therefore,the image method i

5、s the most commonly used measuring microscope,the basic measurement method. Key Word:measuring microscope,imaging method,wavelength,observation angle,magnification 宁波工程学院本科毕业设计论文 II 目录 摘要.I ABSTRACT.II 第一章 绪论 1 1.1 测量显微镜 .1 1.1.1 测量显微镜 107JA1 1.1.2 测量显微镜的使用.1 1.1.3 测量显微镜正常使用注意事项.2 1.2 观测光斑.3 第二章 测量光

6、斑的方法 4 2.1 观测光斑大小的方法 .4 2.1.1CCD 摄像法 .4 2.1.2 光纤探针扫描法 .5 2.1.3 测量大数值孔径光学系统小光斑 6 第三章 材料与方法 8 3.1 实验材料 .8 3.1.1 显微镜.8 3.1.2 滤光片、凸透镜、激光器10 3.2 实验方法.11 3.3 实验步骤.13 3.4 实验测量方法 .14 第四章 实验的结论与分析 16 4.1 实验结论 .16 4.1.1 解决问题.16 4.1.2 实验结果.16 宁波工程学院本科毕业设计论文 III 4.2 实验分析 .20 结论 21 致谢 22 参考文献 23 宁波工程学院本科毕业设计论文 0

7、 第一章 绪论 1.1 测量显微镜 测量显微镜是一种大型的精密测量仪器，具有准确度高、功能全等特点，是 生产企业长度计量工作中最常用的光学仪器之一。测量显微镜的光学系统形成物 方远心光路，使被测工件的光学成像落在仪器的分划板上，然后通过目镜使分划 板上的标准刻线对工件影像进行瞄准，以达到测量的目的。因此，影像法是测量 显微镜的最常用、最基本的测量方法。由于测量显微镜还配备了许多辅助设备， 所以除了最基本的影像法外，它还能实现轴切法、光学接触法、机械测量法、双 像法等测量手段，以达到不同的测量目的。 1.1.1 测量显微镜 107JA 产品简介： 测量显微镜 107JA，采用透、反射的方式对工件

8、长度和角度作精密测量。特 别适用于录象磁头、大规模集成电路线宽以及其它精密零件的测试。广泛地适用 于计量室、生产作业线及科学研究等部门。 107J 为光栅数显的小型精密测量仪器。工作台除作 X、Y 坐标的移动外，还 可以作 360的旋转，亦可以进行高度方向做 Z 坐标的测量；采用双筒目镜 观察。照明系统除作透、反射照明外还可以作斜光线照明。仪器进一步可连接 CCD 电视摄像头，作工件的轮廓放大；亦可连接计算机进行数据处理等测量。是 一种理想的多用途的小型精密测量仪器。 1.1.2 测量显微镜的使用 寻找像平面 (1)针尖试样应采用“光点找像法” 。 一般显微硬度计测量显微镜物方视场只有 0.2

9、50.35mm，在此视场范围外 区 宁波工程学院本科毕业设计论文 1 域在测量显微镜目镜视场内，眼睛是看不见的。而针尖类试样顶尖往往小于 0.1mm，所以在安装调节试样时，很难把此顶尖调节在视场内；如果此顶尖在视 场周围而不在视场内，则在升降工作台进行调节时不小心就会把物镜镜片顶坏， 即使不顶坏物镜，找像也很困难为解决这个问题，提出“光点找像法”方法。 开启测量显微镜的照明灯泡，这时在物镜下面工作台上就有一个圆光斑，把 针尖试样垂直于工作台安装在此光斑的中心，升高工作台，使此针尖的顶尖离开 物镜约 1mm 这时眼睛观察顶尖部位，调节工作台上的两个测微丝杆。使物镜下照 明光点在前后左右对称分布在

10、此顶尖上(这一步骤必须仔细)随后缓慢调节升降机 构，这时在目镜视场中即会看到一个光亮点。这就是此顶尖上的反射光点，再进 一步调节升降即可找到此针尖的像。 (2)表面光洁度很高的试样(如显微硬度块)应采用边缘找像法。 显微硬度试验中，试样表面光洁度一般都是很高的，往往是镜面表面上没有 明显观察特征，而显微硬度计中所有高倍测量显微镜的景深都是非常小的，只有 12mm 所以在调焦找像平面时，对于缺乏经验的操作者是很困难的，甚至会碰 坏物镜，所以操作者有的留用表面残留痕迹来找像平面。但有时往往无残留痕迹 时，建议采用边缘找像法。即按上述同样方法使用照明光点(约为 0.51mm)的 中心对准试样表面轮廓

11、边缘，则在目镜视场内看到半亮半暗的交界处即为此轮廓 边缘，随后进一步调节升降即可找到此表面边缘的像。 调焦 为找到正确成像位置，应注意要调节使压痕边缘清晰而不是压痕对角线或对 角线交点清晰。我们需要测量的是这个四棱角锥体坑表面棱形的对角线长度。为 帮助操作者掌握这一步骤，这里提出“视差判别法” ，当用分划板刻线或十字交 点对准压痕对角线顶尖时，人眼相对于目镜左右移动，这时如调焦不正确，即压 痕边缘象不完全落在分划板上，则会发现此边缘相对于分划线会左右移动。这说 明调焦不正确，如人眼相对目镜的位置不一致，则一定存在测量误差，此时应进 一步调焦，直至此边缘相对分划线在人眼晃动时无相对位置才为正确。

12、 1.1.3 测量显微镜正常使用注意事项 用调焦手轮对被测件进行调焦时，应先从外部观察，使物镜镜筒下降接 近被测件，然后眼睛才能从镜中观察。旋转调焦手轮时，要由下向上移动镜筒； 宁波工程学院本科毕业设计论文 2 防止空程误差。在测量时应向同一方向转动测微鼓轮，让十字叉丝垂线 和各目标对准。若移动叉丝超过了目标时，应多退回一些，再重新向同一方向移 动叉丝，完成测量。 要正确读数。 1.2 观测光斑 观测光斑的技术在现在越来越全面，为观测光纤通信领域内的各种微小红外 光斑，研制了一种采用变象管的仪器。使用这种仪器比采用靶摄象管或、等其它 器件的观测设备具有更直观、方便和更经济的优点本仪器用于观测光

13、斑模场的分 辫度高于协，而用于测量自聚焦透镜焦点位置参数的精度优于林可广泛应用于科 研和生产领域中。 而在图像传感技术的许多应用中，例如光电几何量非接触测量、目标图像跟 踪和天文学测量等领域，经常需要用探测器(如 CCD)在像面上接收一个成像斑点 (称为像斑)，以便从中提取空间深度和横向位置信息。而这些信息的估值精度除 依赖于许多技术上的因素外，最基本的物理限制来自对像斑位置估值精度。光斑 位置估值精度除了与图像噪声等外界因素有关外，还与光斑本身的大小ax，ay 有关。因此，如何设计合适的光斑和提高对像斑中心位置的检测精度一直是人们 关心的问题。 宁波工程学院本科毕业设计论文 3 第二章 测量

14、光斑的方法 2.1 观测光斑大小的方法 微光斑的测量与分析对于评价光学系统成像质量、激光光束等起着重要作用。 随着科学技术的发展，在微光成型、微细加工、光学存储、材料处理等应用领域， 对经过光学系统形成的光斑质量要求越来越高，因此需要对光斑进行精确的测量 和分析。目前国外已开发出一些商品化的光斑测量仪器，这些仪器大多用于测量 光束能量分布(Profile)，且现有测量对象仅局限于激光光斑。由于激光属单色 光，形成的光斑形状较规则，且能量分布为已知的高斯分布，因此其光斑的测量 与分析相对较易实现。 1 2.1.1CCD 摄像法 CCD 是一种光谱响应宽、稳定性好、操作容易的图像传感器件。近年来，

15、 CCD 器件与 CCD 摄像机在现代光电子学和精密测量技术(如尺寸测量、定位检测、 天体观测等)中的应用日趋广泛。用 CCD 测量光斑可及时获得光斑的二维扫描结 果，是较理想的测量方法之一。彩色 CCD 摄像法不仅可测量单色光的光斑，而且 还可以测量复合光的光斑。CCD 传感器的像元尺寸小，几何精度高，配置适当的 光学系统，可以获得很高的空间分辨率；它以非接触方式进行测量，因而使用方 便灵活，适应性强；它的输出信号易于数字化处理，容易与计算机连接组成实时 自动化测量系统。这些优点使 CCD 摄像法近几年来被广泛地应用于各种加工件尺 寸的高精度、高速度的检测领域。 利用 CCD 技术、图像处理

16、技术和计算机技术对普通万能工具显微镜进行数码 改造，减少复杂的机械运动部件，从而减少误差的来源，提高了测量精度，实现 了孔心距的数字化测量和读数自动化。采用 CCD 摄像法的孔心距测量系统是用显 微镜图像分析法对孔心距进行精密自动测定，主要由工具显微镜、面阵 CCD 摄像 宁波工程学院本科毕业设计论文 4 头、图像采集卡、PC 机、数据分析软件等组成。 光斑测量系统由光学系统、显微物镜、彩色 CCD、图像采集卡和计算机组成 (见图 11)。被测光斑经显微物镜放大后在 CCD 光敏面上形成一个放大的光斑。 CCD 器件输出的图像视频信号传送到图像采集卡，经 A/D 转换为数字信号后输入 计算机供

17、显示、存储和测量分析。显微物镜的放大倍率根据被测光斑和 CCD 光敏 元的大小而定。 图 2-1 CCD 测量系统框图 CCD 摄像头将工件轮廓拍摄下来后，通过图像采集卡将工件的数字化图像输 入到计算机。计算机对图像作二值化处理，得到工件的轮廓图像。显然，工件图 像的尺寸(以像素点数量表示)与工件的实际尺寸(以厘米或毫米表示)之间具有一 一对应的线性关系，即两者之间的测量比为常数 K，由摄像物镜的放大比和 CCD 器件的放大比所决定。利用一尺寸已知的标准工件作为测量目标，对 CCD 摄像测 量系统的测量比 K 作精确标定。测量尺寸未知的工件时，只需测定其图像的边长 或直径所包含的像素点数量，除

18、以 K，即可获得工件的实际边长或直径。 被测光斑经显微物镜放大后在 CCD 光敏面上形成一个放大的光斑。CCD 器件 输出的图像视频信号传送到图像采集卡，经 A/D 转换为数字信号后输入计算机供 显示、存储和测量分析。显微物镜的放大倍率根据被测光斑和 CCD 光敏元的大小 而定。 2.1.2 光纤探针扫描法 近年来，随着纳米科技的发展，扫描近场光学显微镜(SNOM)发展很快，其应 用领域也日益广泛，其中最重要的原因是采用了光纤探针和探针样品的切变力 间距调控两项先进技术。光纤探针作为 SNOM 的探测器，针尖直径仅 50nm 左右。 我们将光纤探针应用于微小光斑的测量中，可知光纤探针扫描法非常

19、适合微小光 斑的测量，且测量分辨率很高。一般而言，为了提高 SNOM 系统的分辨率，需要 探针尖直径越小越好。然而，随着针尖直径的减小，探针的传输效率急剧下降。 例如，若偶合进光纤的激光功率为 1.0mw，当光纤探针锥尖直径为 100nm 时，其 宁波工程学院本科毕业设计论文 5 输出功率为 10nw，衰减为；当锥尖直径为 50nm 时。输出功率为 0.1nw，衰 5 10 减为。 7 10 利用近场光学显微镜的光纤探针采样技术和压电陶瓷扫描技术，可对光学系 统小光斑的光强分布进行高空间分辨的测量。由于光纤探针采样点的大小为几十 纳米或更小，压电陶瓷扫描间距为几纳米或更小。因此该方法特别适合大

20、数值孔 径光学系统小光斑的测量。实验证明，采用该方法测量的空间分辨率可达 50100nm 左右。 光学探针扫描测量系统主要由光学系统、光纤探针扫描器、光电倍增管/A/D 转换电路、计算机和其它驱动电路等组成(见图 1-2)。装在扫描器上的探针对光 斑进行扫描，光电倍增管将光信号转变为电信号输出，经过 A/D 转换后输入计算 机。探针的扫描通过控制压电陶瓷在 X，Y 方向的伸缩而实现。 2 图 2-2 光纤探针扫描测量系统框图 为获得光斑的实际能量分布，必须对测得的能量分布进行修正。如不考虑金 属镀膜的影响，可将光纤探针简单地视为小孔。在此假设下，如果设光斑实际能 量分布函数为 E，测得的能量分

21、布为，小孔函数为 ，则存在如下关系 E)(circ （1-1） EcircE 因此，可根据上式进行能量分布修正以获得光斑的实际能量分布。 彩色 CCD 摄像法、光纤探针扫描法两种测量光斑的方法并结合分析软件，可 以测量和分析尺寸小、形状不规则、能量分布复杂的单色光和复合光形成的光斑， 为需要对光斑进行评估的各种应用领域提供了实时、快速、有效的测量方法。 2.1.3 测量大数值孔径光学系统小光斑 以测量大数值孔径显微镜物镜的点扩散函数为例，其测量装置的原理如图 宁波工程学院本科毕业设计论文 6 2-3 所示。 图 2-3 测量大数值孔径光学系统小光斑的系统 由半导体激光器发出的光经非球面透镜准直

22、和普通扩束镜扩束后入射到大数 值孔径显微镜物镜上，在被测物镜焦面上形成一小光斑，即点扩散函数。前端有 一个小孔的镀金属膜锥形光纤探针置于小光斑处，对光场采集，并由光纤主体将 光传输至另一端的光电倍增管上进行光电转换；电信号经放大和模数转换后由计 算机处理。计算机通过数模转换控制高压放大器的输出，从而控制管状压电陶瓷 管的横向两维扫描和纵向位移(用于调焦)。压电陶瓷管带动光纤探针进行焦面上 的两维扫描，从而使计算机可给出小光斑的两维光强分布图，即点扩散函数，如 需要的话，由快速傅里叶变换给出被测物镜的光学传递函数。 实际装置中对光源进行了直接光强调制，电信号经过放大滤波后再解调，以 减小外界光及

23、电路噪声的影响。 通过更换激光器和调制方式(工作波长不同，使用的激光器也不同；激光器 工作方式不同，光强调制方式也不同)，该装置可以直接用于测量光盘驱动器与 母盘刻录机物镜的读写或刻录光斑的小光斑。实际上，所有大数值孔径光学系统 的小光斑都可以用类似方法测量。根据被测光学系统的不同，光源既可以是单色 激光器也可以是白光加小孔光阑(小孔光阑不够小时可随后增加一个倒置的显微 镜光路)；光路布置既可以是共轭距无穷远的，也可以是有限远的。 3 第三章 材料与方法 宁波工程学院本科毕业设计论文 7 3.1 实验材料 3.1.1 显微镜 正如上一章提到的，实验首要采用测量显微镜。测量显微镜的准确度高以及

24、功能晚上等特点都有利于得到准确的数据并且有利于测量，测出所需的数据。而 影像法测量显微镜的最常用、最基本的测量方法 。 以显微镜观察钢珠为例。显微镜观察光亮体表面是比较困难的，因为会有 光斑而影响观察。而通过摄像显微镜独特的光路大范围调节功能，改变照明光 路中心，利用弱光照明、优化光路等技术手段，解决了光斑问题，获得了良好 的图像效果。 图3-1 照相机拍摄的钢珠照片 正常观察光路是由于存在反光则会得到如下图片 宁波工程学院本科毕业设计论文 8 图 3-2 正常照明光路观察时出现的光斑 通过优化调节可以得到钢珠磨痕最佳照片从而得出相对清晰的照片 图 3-3 正常照明光路通过优化调节得到的钢珠磨

25、痕最佳照片 接下来通过改变光路中心，消弱反光，并且利用弱光照明可以得到清晰的钢珠磨 痕最佳照片。 宁波工程学院本科毕业设计论文 9 图 3-4 改变光路中心利用弱光照明得到的钢珠磨痕最佳照片 当然光学显微镜也是精确度高的一种显微镜。 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 学显微镜就是利用这一原理把微小物体放大到人眼足以观察的尺寸。近代的光学 显微镜通常采用两级放大，分别由物镜和目镜完成。被观察物体位于物镜的前方， 被物镜作第一级放大后成一倒立的实象，然后此实像再被目镜作第二级放大。成 一虚象，人眼看到的就是虚像。而显微镜的总放大倍率就是物镜放大倍率和目镜 放大倍率

26、的乘积。放大倍率是指直线尺寸的放大比，而不是面积比。 光学显微镜的组成结构 光学显微镜一般由载物台、聚光照明系统、物镜，目镜和调焦机构组成。载 物台用于承放被观察的物体。利用调焦旋钮可以驱动调焦机构，使载物台作粗调 和微调的升降运动，使被观察物体调焦清晰成象。它的上层可以在水平面内沿作 精密移动和转动，一般都把被观察的部位调放到视场中心。 4 3.1.2 滤光片、凸透镜、激光器 发射的光束可由激光器或者手电筒发出的光，但由于光束中可能存在不只一 种波长，因此需要用滤光片过滤掉不需要的波长光，然后通过凸透镜聚焦。 滤光片原理：滤光鏡是摄影中不可缺少的光学器件，它能按照规定的需要改 宁波工程学院本

27、科毕业设计论文 10 变入射光的光谱强度分布或使其偏振状态发生变化。就光学行为而言，主要是透 射、反射、偏振和密度衰減、散射等。 实际在滤光镜两个表面处都同时发生透射和反射。从能量角度看，常以反射率、 透射率及吸收率表示能量的分配状态，根据不同的需要令它们有不同的分配情况。 滤光镜的材料吸收的辐射通常是以热、荧光或在材料中进行的光化学反应的形式 释放出来。 激光器则可由手电筒等代替。同样的凸透镜也可用不同的透镜来代替。 3.2 实验方法 影像法测量 万能测量显微镜的光学系统形成物方远心光路，使被测工件的光学成像落在 仪器的分划板上，然后通过目镜使分划板上的标准刻线对工件影像进行瞄准，以 达到测

28、量的目的。因此，影像法是万能测量显微镜的最常用、最基本的测量方法。 因此，在此以影响法测量螺纹为例来解释实验的方法。 1.调光圈 用影像法测量时，理想照明光线是一束平行于光轴的平行光。这样，工件的 光学成像失真最小。但实际照明光束中往往包含斜照平行光，这样的光束用作边 缘比较薄的工件成像，影响不大，可以忽略；但对于曲面轮廓的测量，如圆柱直 径、螺纹和曲面样板等，成像光束不平行将给测量带来误差。为了尽可能地消除 这种影响，通常需要调整可变光圈。缩小光圈能够控制斜光束，但如果光圈太小， 由于光线绕射，又会产生相反的后果。所以，在万能测量显微镜上测量曲面轮廓， 必须按照被测工件的曲率半径调整光圈，这

29、样才能减小成像误差。光圈直径可通 过实验近似公式来计算，在测量螺纹时，最佳光圈直径的数值方程为： （3-1） 3 ) 2 sin( 18 . 0 d fD 式中：f准直透镜焦距；螺纹中径；螺纹牙型半角。 2 d 2 通常，最佳光圈的大小可在仪器说明书中直接查得。 5 2.调焦 宁波工程学院本科毕业设计论文 11 影像法测量时需要正确地调焦。首先根据测量者的视力调节目镜视度旋钮。使之 能看清分划板上的刻线。然后上下移动中央显微镜悬臂，使工件的像清晰地成在 分划板上。只有在二者都清晰的情况下才能瞄准，否则将产生瞄准误差。调焦也 可采用焦距规。即先使焦距规上刀刃的像清晰地成在分划板上。然后换上被测件

30、。 同样可实现在工件的轴截面内测量。 3.调中央显微镜的立柱倾斜角 测量螺纹时，调整好焦距和光圈后，还需把显微镜立柱倾斜一个角，倾斜方 向视螺纹左旋还是右旋而定。目的是使平行光向上通过螺纹牙槽时与牙侧螺旋面 相切，得到一个真实而清晰的牙型轮廓， 值按公式(2-2)求得： （3- 2 tandnp 2） 4.中径测量 使目镜米字线的中心虚线和牙型边缘相压，记下横向读数，再移动显微镜 到螺纹的另一侧并使立柱反向倾斜 角，在视场内引入另一面影像，使其边缘 与米字线的中心相压，记下第二次横向读数(如图 2-5 所示)。 6 图 2-5 影像法测量螺纹中径 测量中工作台不许有纵向移动，此时两次横向读数之

31、差即为被测螺纹的中径。 为消除螺纹定位时被测件轴线和横向导轨不垂直产生的误差，可以在牙型左、 7 右两侧面各测一次，取其算术平均值作为中径的测量值，即： （3-3） 2 22 2 右左 dd d 宁波工程学院本科毕业设计论文 12 5.螺距测量 将米字线的中心线压在牙型轮廓的边缘，记下纵向读数，然后移动纵向滑板， 使米字线的中心线与相邻的同名牙型边缘相压，记下第二次纵向读数，两次读数 之差即为螺距的实测值。测量过程中横向不许移动。为消除螺纹的轴线和测量 8 线不平行引起的系统误差。应将左右牙廓上的螺距分别测出，取其算术平均值作 为测量结果，即： （3-4） 2)( 右左 ppp 6.牙型半角的

32、测量 使目镜米字线的中心虚线与牙型轮廓影像边缘相靠，如图 2-6 所示。在角度 目镜内读取角度值。为消除由于螺纹轴线与测量线不平行所引起的)2,2( 测量误差，还需在螺纹另一侧进行测量，读取角度值，并取算术 9 )2,2( V 平均值作为测量结果，即： （3-5） 2222 IVI 左 （3-6） 2222 IIIII 右 测出左、右牙型半角后与牙型半角的公称值进行比较，得出牙型半角的偏 差和。 左 2 右 2 10 3.3 实验步骤 1.检查实验仪器是否齐全。显微镜，激光器，滤光片，凸透镜，笔，纸 （如果显微镜不带测量功能，自带测量工具） 2.调节显微镜 （1）.显微镜的取送：右手握镜臂；左

33、手托镜座；置于胸前。 （2）.显微镜的旋转：镜筒朝前，镜臂朝后；置于观察者座位前的桌 子上，偏向身体左侧，便于左眼向目镜内观察；置于桌子内侧，距桌沿 5cm 左 右。 （3）.对光：转动粗准焦螺旋，使镜筒徐徐上升，然后转动转换器，使 低倍物镜对准通光孔；用手指转动遮光器（或片状光圈） ，使最大光圈对准通 宁波工程学院本科毕业设计论文 13 光孔，左眼向目镜内注视，同时转动反光镜，使其朝向光源，使视野内亮度均匀 合适。 （4）.低倍物镜的使用：用手转动粗准焦螺旋，使镜筒徐徐下降，同时 两眼从侧面注视物镜镜头，当物镜镜头与载物台的玻片相距 23mm 时停止。 用左眼向目镜内注视（注意右眼应该同时睁

34、着） ，并转动粗准焦螺旋，使镜筒徐 徐上升，直到看清物象为止。如果不清楚，可调节细准焦螺旋，至清楚为止。 （5）.高倍物镜的使用：使用高倍物镜之前，必须先用低倍物镜找到观察的 物象，并调到视野的正中央，然后转动转换器再换高倍镜。换用高倍镜后，视野 内亮度变暗，因此一般选用较大的光圈并使用反光镜的凹面，然后调节细准焦螺 旋。观看的物体数目变少，但是体积变大。 （6）.反光镜的使用：反光镜通常与遮光器（或光圈）配合使用，以调节视 野内的亮度。反光镜有平面和凹面。对光时，如果视野光线太强，则使用反光镜 的平面，如果光线仍旧太强，则同时使用较小的光圈；反之，如果视野内光线较 弱，则使用较大的光圈或使用

35、反光镜的凹面。 （7）.镜头的擦拭：用专门的擦镜纸；擦镜头时，先将擦镜纸折叠几次， 然后朝一个方向擦，不可来回擦或转动擦；如果镜头被油污污染，则可在擦镜 纸上滴几滴二甲苯，然后按上述方法擦拭。 （8）.显微镜的放大对象：是物体的长和宽，不是面积，更不是体积。 （9）.显微镜的焦距问题：物镜离装片的远近，准焦螺旋的使用。 （10）.显微镜使用时物象移动方向：相反，即物象在视野何方，则装片即 向该方向移动。 调节好显微镜，使观察的视线清晰，亮度便于观测。 3.调节好显微镜后，按激光器，滤光片，凸透镜，显微镜摆放实验仪器，并 且要使激光器，滤光片，凸透镜处于同一直线上，焦点同时也在同一直线上。调 整

36、角度使最后的光源聚焦到显微镜的观测面上，平行光束通过透镜后，会聚与焦 平面上，相互加强成一亮点。 4.调节显微镜的物镜与目镜，得出清晰的光源光斑。 5.要是使用测量显微镜则可用显微镜的测量功能直接得出观测到的光斑的大 小。多次重复以上的操作，也可改变入射光源，从而可以得出不同波长的光斑大 小，为实验增加准确度。 宁波工程学院本科毕业设计论文 14 3.4 实验测量方法 对于一个光学仪器来说，如果一个点光源的衍射图样的中央最亮处刚好与另 一个点光源的衍射图样的第一个最暗处重合，这时两衍射图样光强度约为单个衍 射图样的中央最大光强的 80%，一般人眼睛刚能够判断出这是两个光点的像，这 一条件称为瑞

37、利准则。以圆孔形物镜为例， “恰能分辨”的两点光源的两衍射图 样的中心之间的距离，应等于爱里斑的半径。此时，两点光源在透镜处所张 11 的角称为最小分辨角，用表示。对于直径为 d 的圆孔衍射图样来说，爱里斑半 R 径由下式给出： 1 （3- d 22. 1sin 1 7） 即最小分辨角的大小由仪器的孔径 d 和光波的波长 决定。光学仪器的分辨本 领都与仪器的孔径成正比，与所用的光波的波长成反比。 11 宁波工程学院本科毕业设计论文 15 第四章 实验的结论与分析 4.1 实验结论 4.1.1 解决问题 1.实验仪器的摆放问题，正如上面步骤里说的四个仪器必须处于同一直线上， 并且滤光片，激光器，

38、凸透镜的焦点也要处于同一直线上，这是重中之重。 2.显微镜调试好，并且使用得出数据后要记下当时使用的放大倍数，放大倍 数不同得出的结果也不同。这是容易忽视的问题。 3.这是本实验的最大问题，就是从显微镜上的得出的数据并不是光斑原来的 大小，由于显微镜存在一定的角度，我们观察时会使得出的数据不是原来的大小， 因此需要根据实验时偏转的角度将得出的光斑大小还原成原来大小。 4.1.2 实验结果 根据 3.3 的实验步骤进行实验，调整好激光器，滤光片，凸透镜以及显微镜 的位置，使其平行入射并且最终是光源聚焦到显微镜的观测面上，通过显微镜的 调节从而得到相对清晰的光斑大小，大概如下图 4-1 所以是一个

39、相对椭圆的光斑。 然而光斑是圆形的，原因即为上述需解决问题中的第三点，由于观测角度的问题 使原本为圆的光斑呈现出了实验得到的椭圆光斑，因此我们可以通过实验得出的 椭圆的大小以及观测的角度，从而得出光斑原来的大小。 宁波工程学院本科毕业设计论文 16 图 4-1 有角度观测时的效果图 从图 4-1 中可以得出在角度观测时得到的光斑大小为一个椭圆，即 图 4-2 有角度观测时得到的光斑大小 根据实际观测光斑的大小可以得出光斑原来的大小，如下图 4-2 所示 宁波工程学院本科毕业设计论文 17 图 4-3 正面观测光斑大小的实际效果图 以上面三个效果图为基础可以通过观测到的光斑大小以及观测时的角度可

40、 以得出实际光斑大小，并且能得到三者之间的关系。 在实际计算时，我们可以先设定放大倍数为 1，从而消除放大倍数的影响。 因为放大倍数的影响不仅针对观测到的光斑大小，也针对实际的光斑大小。 根据我们直接观测以及有角度观测的存在，可以得到图 4-4 的计算方式，从 而得在该情况下的所要的使用数据。 图 4-4 数据观测图 设得到的椭圆光斑的长半轴为 a，观测的夹角为。 根据图 4-1,4-2 可知，实际光斑的半径等于测得的椭圆光斑的长半轴，即 r=a （4- 1） 为了方便计算假设观测到的光斑的短半轴为 b，根据图 4-4 可以得出 宁波工程学院本科毕业设计论文 18 （4- r b r b 2

41、2 cos 2） 从而得出 （4- coscosarb 3） 有椭圆公式得到baS 观测得到的光斑大小为 （4-cos 2 1 aS 4） 由圆的公式得到 2 rS 实际光斑大小为 （4- 22 2 arS 5） 通过上面的计算可以得出，实际光斑大小与观测得到的光斑大小存在一定的 联系，即为 （4- 12 cos 1 SS 6） 从公式 4-3 我们可以得出短半轴与观测角度存在的关系图 图 4-5 短半轴与观测角度的关系图 宁波工程学院本科毕业设计论文 19 同理，如果入射的光斑呈现三角形时，我们也可以根据上面的原理来求出三 角形光斑的大小。 设观测光斑的高为 h，边为 a，那么实际光斑的高即

42、为 （4-7） cos h h 根据三角形面积公式，我们可以求出观测光斑以及实际光斑高底 2 1 S 的大小和它们两者之间的联系。 观测得到的光斑大小： （4- haS 2 1 1 8） 实际的光斑大小： （4- ahS cos2 1 2 9） 通过计算我们可以得到如圆光斑时一样的两者之间的关系式 （4- 12 cos 1 SS 10） 4.2 实验分析 通过这次实验首先了解了光学显微镜，测量显微镜的一些原理以及它们的基 本使用。实验方面由于观测角度的不确定性可能会存在一定误差，以及在没有精 确显微镜的前提下通过不十分精确的仪器得出的数据也存在相当的误差。从上面 我们可以得出由于角度存在的问题

43、，以及观测距离和光斑波长的问题都是影响观 测值大小的重要因素。 类似的要是在光源入射到显微镜上时，改变一下光斑的呈现的方式，例如在 凸透镜后加一个有正方形的小隔离板，就能在显微镜上呈现一个不同于圆点的光 斑。当然由于影响上述实验的因素的存在，我想观测到的光斑应该是不是正方形 而是以个长方形的光斑。并且我们从上述两个例子中可以看出无论光源在怎么变 宁波工程学院本科毕业设计论文 20 化，实际光斑的大小永远与观测得到的光斑大小成正比，与角度的余弦值成反比。 结论 通过实验的研究知道了一些测量显微镜的使用方法以及一些常见的光斑测量 方法。但是由于没有精密的测量仪器，无法得到实际的使用数据。在此次的实

44、验 研究中我得到了通过显微镜来观测光斑大小不仅与观测时的观测角度有关，而且 实验时观测的距离也有关系。这次的实验让我更进一步的了解了显微镜的使用， 以及光斑的测量方式，例如CCD显微摄像法，光纤探针技术测量等。 宁波工程学院本科毕业设计论文 21 致谢 在本论文的写作过程中，我的导师贾老师倾注了大量的心血，从选题到开题 报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善 诱，多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热 忱鼓励，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支 持的各位老师以及关心我的同学和朋友。 宁波工程学院本科毕业设计

45、论文 22 参考文献 【1】 丛红，董爱梅，王洪泉，郑贵明，王辉林 CCD显微摄像法测量孔心距M, 山东，计量测试 ，2003 【2】 徐文东，干福熹 测量大数值孔径光学系统小光斑的方法M，上海 中国 激光 2003 【3】 林晓峰，石少莉 CCD摄像法在工件尺寸测量中的应用M，浙江 杭州 光 邪恶仪器 2002 【4】 苏波，王纪龙，王云才 CCD高精度测径系统的研究A,太原 太原理工大 学学报 2002 【5】 赵庶娴，卢景芳，谭秀华，李效伟 万能测量显微镜的基本原理及测量方 法M，现代计量仪器与技术之技术篇 2006 【6】 周锐，房建成，祝世平 图像测量中光斑尺寸优化及性能分析M，北京

46、 仪器仪表学报 2000 【7】 赵荣华，李国瑞 红外光斑观测仪及其应用M,北京邮电学院学报R 【8】 糜长稳，王克逸，李明，章荣平 基于光探针技术的自聚焦透镜光斑测量 方法A，合肥 光子学报 2004 【9】 Eric Brtzig. Jay K. Trautman. Near-field optics: microscopy. spectroscope. and surface modificationg beyond the diffraction limit J. science. 宁波工程学院本科毕业设计论文 23 1992,257(5067);1891951 Eric Brtzig

47、. Jay K. Trautman. Near-field optics: microscopy. spectroscope. andsurface modificationg beyond the diffraction limit J. science. 1992,257(5067);189195 【10】Raoul Stockl,Christian Fokas,Volker Deckert,Renato Zenobi. High2quality near2field optical probes by tube etching. App. Phys. Lett. , 1992,75(12):160162 【11】王友文，谭吉春，梁晶 高功率激光系统中离轴鬼光束光斑大小与光强的 计算 2005年第18卷