显微镜观测光斑大小 - 图文

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，影像法，波长，观测角度，放大倍数

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 complex 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 relationship.

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 is the most commonly used measuring microscope,the basic measurement method.

Key Word:measuring microscope,imaging method,wavelength,observation angle,magnification

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107JA ......................................................................................................... 1 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

III

4.2实验分析 ................................................................................................................................. 20 结论.................................................................................................................................................... 21 致谢.................................................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................................................................................................................ 22

IV

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360º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0.25～0.35mm，在此视场范围外区 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，

1

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]。

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第三章 材料与方法

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

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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。

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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

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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：

sin()32 （3-1） D?0.18?f?d 式中：f——准直透镜焦距；d2——螺纹中径；?2——螺纹牙型半角。

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

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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。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，Ψ值按公式(2-2)求得：

tan??np?d2 （3-2）

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[7]，可以在牙型左、右两侧面各测一次，取其算术平均值作为中径的测量值，即：

d2左?d2右d2?2 （3-3）

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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[8]。为消除螺纹的轴线和测量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：

p?(p左?p右)2 （3-4）

6.牙型半角的测量

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(?2?,?2??)。为消除由于螺纹轴线与测量线不平行所引起的测量误差[9]，还需在螺纹另一侧进行测量，读取角度值(?2???,?2?V)，并取算术平均值作为测量结果，即：

?2左???2I??2IV?2 （3-5） ?2右???2II??2III?2 （3-6）

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??2左和??2右[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：①右手握镜臂；②左手托镜座；③置于胸前。 （2）.显微镜的旋转：①镜筒朝前，镜臂朝后；②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；③置于桌子内侧，距桌沿5cm左右。 （3）.对光：①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；②用手指转动遮光器（或片状光圈），使最大光圈对准通光孔，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。

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（4）.低倍物镜的使用：①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2～3mm时停止。②用左眼向目镜内注视（注意右眼应该同时睁着），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反光镜的凹面。

（7）.镜头的擦拭：①用专门的擦镜纸；②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；③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。

3.4实验测量方法

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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[11]。此时，两点光源在透镜处所张的角称为最小分辨角，用?R表示。对于直径为d的圆孔衍射图样来说，爱里斑半径?1由下式给出：

sin?1?1.22?d （3-7）

即最小分辨角的大小由仪器的孔径d和光波的波长λ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

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[11]

。

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，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。

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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

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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

2bbcos???

2rr （4-2）

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从而得出

b?rcos??acos? （4-3）

???a?b得到

??a2cos? （4-4）

有椭圆公式S观测得到的光斑大小为S1由圆的公式S??r2得到

??r2??a2 （4-5）

实际光斑大小为S2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

1S?S1 （4-6）

2

cos?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

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为

hh?

cos?'

（4-7）

1?底?高，我们可以求出观测光斑以及实际光斑的219

根据三角形面积公式S?大小和它们两者之间的联系。

1 观测得到的光斑大小：S1?ha （4-8）

21ah 实际的光斑大小：S2?（4-9）

2cos?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

1S?S1

2（4-10）

cos?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，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。

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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。

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