Микроскоп и его применение для визуального оптического контроля

Цель работы - изучение устройства, оптической схемы микроскопа и его применение для контроля геометрических параметров прозрачного объекта.

Микроскоп - один из наиболее распространенных приборов визуального оптического контроля геометрических и оптических параметров объектов малых размеров. Он широко применяется в различных отраслях науки и техники (физика, химия, биология, медицина, металлургия, производство микросхем и т.д.).

Раcсмотрим устройство типичного микроскопа на примере микроскопа УБМ-4 (рис. 2.1). Он состоит из двух систем - наблюдательной, в которую входит объектив 1 и окуляр 2, вмонтированные в тубус микроскопа 3, и осветительной, состоящей из зеркала 4, конденсора 5 с ирисовой апертурной диафрагмой 6 и съёмного светофильтра 7.

На металлическом устойчивом основании микроскопа 8 укреплена коробка с механизмом микрометрической фокусировки 9. По одну сторону её привинчена конструкция 10, обеспечивающая перемещение конденсора, а по другую - тубусодержатель 11, имеющий форму дуги.

Механизмы грубой и микрометрической фокусировки приводятся в движение вращением рукояток 12 и 13 соответственно, причём их повороты против часовой стрелки поднимают тубус, а по часовой - опускают относительно предметного столика 14. Последний крепится к коробке механизма микрометрической фокусировки с помощью специального кронштейна.

На оси левой рукоятки механизма микрометрической фокусировки имеется барабан со шкалой 15, отсчёт по которой разрешает измерять перемещение тубуса (оно порядка 2,2 мм) с точностью до 2 мкм.

Быстрая смена и центрирование объективов производится с помощью револьвера 16. Принципиальная оптическая схема микроскопа показана на
рис. 2.2 [4].

Как видно из рис. 2.2а, объектив строит увеличенное действительное изображение объекта АВ в передней фокальной плоскости окуляра F₂. Это изображение рассматривается глазом через окуляр 2, как через лупу, причем в зависимости от положения промежуточного изображения относительно фокуса F₂, изображение А^'В^' проецируется или на бесконечность (А'В' совпадает с F₂), или на расстояние наилучшего зрения наблюдателя (А'В' находится за фокусом F₂).

Величина D (рис. 2.2б) называется оптическим интервалом микроскопа или оптической длиной тубуса микроскопа.

Заднее f ^' и переднее f фокусные расстояния микроскопа как двухкомпонентной системы определяются формулами:

, , (2.1)

где индексами 1 и 2 обозначены соответствующие фокусные расстояния объектива 1 и окуляра 2.

Положения фокусов F и F' микроскопа задаются соотношениями

, (2.2)

а положения главных плоскостей системы - следующими формулами:

. (2.3)

Обычно при работе с микроскопом изображение А'В' лежит в передней фокальной плоскости окуляра F₂, т.е. на расстоянии D от заднего фокуса объектива F₂^', тогда линейное увеличение объектива b_об равно

. (2.4)

Так как линейное увеличение окуляра b_ок всегда равно

, (2.5)

где L = 0,25 м - расстояние наилучшего зрения, то общее увеличение микроскопа равно

. (2.6)

Значение b также можно выразить через входную числовую апертуру объектива (микроскопа) , где п - показатель преломления среды, в которую помещен исследуемый объект, s - апертурный угол объектива (рис. 2.2), и диаметр оптического зрачка глаза D_гл 5,7 мм (для редуцированного глаза), а именно

. (2.7)

Знак минус в формулах (2.6) и (2.7) означает, что микроскоп дает обратное изображение.

Объективы микроскопов всегда изготавливаются с предельно большими апертурами, которые к тому же можно еще увеличить с помощью иммерсии, т.е. заполнением пространства между объектом и линзой маслом с показателем преломления близким к показателю преломления линзы объектива.

Отметим, что разделение наблюдательной системы микроскопа на две самостоятельные части дает возможность устанавливать в плоскости промежуточного изображения (А'В') шкалы и микрометры, а также позволяет изменять увеличение микроскопа путем смены объективов и окуляров.