tính toán thiết kế hệ hiển vi

luận văn về tính toán thiết kế hệ hiển vi

Đồ án môn học Quang Kỹ Thuật Nguyễn Mạnh Hà - CKCX & QH - K43 phần i: lời nói đầu Là một sinh viên năm cuối mọi kiến thức chuyên ngành đến nay chúng em đã đợc học gần hết tuy nhiên mọi cái mới chỉ là lý thuyết do vậy việc thiết kế đồ án là một việc rất bổ ich vì nó sát với thực tế tuỳ từng trờng hợp cụ thể mà có thể hiệu chỉnh cái này hoặc cái kia sao cho phù hợp. Nội dung chính của bản đồ án quang kỹ thuật là tính toán thiết kế hệ hiển vi từ các thông số cho trớc trong đề bài.Trong bản đồ án với mục đích là thiết kế hệ hiển vi do đó cùng các lý thuyết cơ bản về quang kỹ thuật và cách thiết kế một hệ hiển vi hoàn chỉnh từ công việc chọn vật liệu cho tới tính toán các thiết bị quang đến thiết bị cơ phụ trợ để ghép nối. Với nội dung nh vậy bản đồ án của em đợc chia làm 2 chơng: Chơng 1 Cơ sở lý thuyết Chơng 2 Tính thiết kế hệ hiển vi 1 Đồ án môn học Quang Kỹ Thuật Nguyễn Mạnh Hà - CKCX & QH - K43 phần ii: nội dung chơng1: Cơ sở lý thuyết quang kỹ thuật I. Nguyên lý cấu tạo của kính hiển vi. 1. Nguyên lý cấu tạo. Hệ hiển vi gồm hai thành phần: Vật kính có tiêu cự f VK và thị kính có tiêu cự f TK . Vật thật y nhỏ và ở rất gần tiêu diện thứ nhất F Vk đợc vật kính tạo thành ảnh y thật, thị kính đa ảnh y này thành ảnh y lên điểm cực viễn của ngời quan sát, mắt đa ảnh y lên võng mạc thành ảnh y mà mắt quan sát nhìn thấy vật y. Nh vậy, ảnh giữa y trùng với tiêu điểm thứ nhất thị kính F TK . Hình 1 mô tả quá trình tạo ảnh qua kính hiển vi. Hình 1: Nguyên lý tạo ảnh hệ hiển vi Hiển vi là hệ quang chủ quan có tiêu cự vật kính nhỏ và rất nhỏ. Các vật kính thông dụng có f VK khoảng vài chục đến vài mm. Thông thờng vật kính hiển vi gồm hai thấu kính dính liền: một hội tụ, một phân kì và từ hai loại thuỷ tinh: Kron và Flin, hoặc hai thấu kính rời. Các vật kính có tiêu cự càng nhỏ thì số thấu kính càng nhiều và độ lớn các thấu kính càng bé. Các loại vật kính đợc hạn chế ba loại quan sai: sai sắc vị trí ds và cầu sai l C và Koma l K . 2 y F O VK y' O' F' TK Đồ án môn học Quang Kỹ Thuật Nguyễn Mạnh Hà - CKCX & QH - K43 2. Các loại thị kính hiển vi. Có nhiều loại thị kính đợc ghép với vật kính để đợc hệ vô tiêu Keple: thị kính Ramden, thị kính Huyghen, thị kính Kennel, thị kính đối xứng, thị kính góc mở lớn Cấu tạo và nguyên tắc tạo ảnh qua các thị kính hiển vi cũng t - ơng tự nh các thị kính hệ vô tiêu. Hình 1.8 mô tả tạo ảnh qua kính hiển vi với thị kính Huyghen. Hình 1.9 mô tả ảnh qua kính hiển vi với thị kính Ramden. Hình 2- Kính hiển vi với thị kính Huyghen Hình 3- Kính hiển vi với thị kính Ramden 3. Các bớc tính hệ hiển vi. 1. Tính các thông số chung của hệ, các thông số quang của vật kính và thị kính: 3 y' Pr y VK TKt y'' TKm TKm y VK y'' TKt y' Pr Đồ án môn học Quang Kỹ Thuật Nguyễn Mạnh Hà - CKCX & QH - K43 - Tiêu cự vật kính: f VK - Tiêu cự thị kính: f TK - Góc mở thị kính: 2 - Khả năng phân giải của hệ: - Vị trí và độ lớn vòng chắn sáng và vòng chắn trờng. 2. Tính thị kính Ramden hoặc Huyghen. - Tính các thông số: f TKt , f TKm , , s F , s F , r , n , D , d , s H , s H . - Tính quang sai của thị kính ( thực hiện theo bài toán thuận). 3. Tính vật kính hệ hiển vi. - Xác định các quang sai thành phần: ds VK , CVK , l KVK. . - Sử dụng tia phụ thứ nhất để tìm: i , di và hi . - Tính kiểm nghiệm quang sai vật kính. 4. Tính quang sai của cả hệ. Quang sai của hệ bằng tổng quang sai của thị kính và vật kính. Tính thị kính. Thị kính đợc ghép với vật kính kính hiển vi thành kính hiển vi. Thị kính đa ảnh giữa do vật kính tạo nên ra vô cùng. Hai loại thị kính thông dụng đợc ghép với vật kính là thị kính Ramden, thị kính Huygen. Các thông số quang của thị kính: tiêu cự f TK , góc mở và vị trí pupin ra (trùng với nơi đặt con ngơi mắt ngời quan sát) t P . Thị kính Ramden Thị kính Ramden gồm hai thấu kính có tụ số dơng. Mỗi thành phần có một mặt lồi và một mặt phẳng và cùng một loại thuỷ tinh. Chúng ghép lại với nhau sao cho hai mặt lồi quay lại nhau và cách nhau một khoảng (hình 4). Thấu kính thứ nhất gần với ảnh giữa y và đợc gọi là thấu kính trờng. Thấu kính trờng có tiêu cự f tkt > 0. Thấu kính thứ hai gần mắt ngời quan sát và đợc 4 Đồ án môn học Quang Kỹ Thuật Nguyễn Mạnh Hà - CKCX & QH - K43 gọi là thấu kính mắt. Thấu kính thứ hai gần mắt ngời quan sát và đợc gọi thấu kính mắt. Thấu kính mắt có tiêu cự dơng f tkm > 0. Tiêu cự f tkt , f tkm và khoảng cách phụ thuộc vào tiêu cự chung thị kính f TK và vị trí pupin ra t P . Thị kính Ramden có t P nằm trong khoảng 0,3 đến 0,4 tiêu cự thị kính f TK và góc mở 2 40 0 . Các thông số thị kính Ramden đợc xác định theo công thức: f tkt = f tkt = 5 f TK / 4 = 3f TK / 4 s F = f TK [ 1- ( / f tkm ) ] s F = f TK [ 1- ( / f tkt ) ]. Do cách ghép nh vậy mà tiêu cự thứ nhất thị kính nằm trớc thấu kính tr- ờng và cách thấu kính trờng một khoảng s F . Thấu kính trờng đa ảnh giữa y thành ảnh ảo y . Thấu kính mắt đa ảnh ảo y ra trùng với điểm cực viễn ng- ời quan sát. Tiêu diện thứ hai thị kính nằm sau thấu kính mắt một khoảng s F . Độ lớn thấu kính trờng phụ thuộc vào độ lớn tối đa của ảnh giữa y ( độ lớn vòng chắn trờng ) và độ lớn vòng chắn sáng. Độ lớn thấu kính mắt phụ thuộc vào độ lớn, vị trí pupin ra và góc mở 2 . Các bán thấu kính trờng đợc xác định theo: r 1 = r 2 = - f tkt . ( n-1) Các bán cong thấu kính mắt: r 1 = f tkm . ( n 1) r 2 = Từ các thông số kết cấu: r 1 , r 2 , n 1 = 1, n 2 = n, n 3 = 1, và d 1 (cho thấu kính trờng) r 3 , r 4 , n 3 = 1, n 4 = n, n 5 = 1, và d 3 (cho thấu kính mắt) và khoảng cách hai thấu kính d 2 = sử dụng bài toán thuận để tìm quang sai của thị kính. ở đây cần sử dụng phơng pháp hành trình ngợc của tia sáng để tính quang sai thị kính. 5 Đồ án môn học Quang Kỹ Thuật Nguyễn Mạnh Hà - CKCX & QH - K43 Hình 4: Thị kính Ramden Thị kính Huygen gồm hai thấu kính có tụ số dơng. Mỗi thấu kính có một mặt lồi và một mặt phẳng và cùng một loại thuỷ tinh. Chúng đợc ghép lại với nhau sao cho hai mặt lồi ở trớc và hai mặt phẳng đứng sau (hình 5). Hai thấu kính cách nhau một khoảng . Thấu kính thứ nhất là thấu kính trờng. Thấu kính trờng có tiêu cự dơng f tkt > 0. Thấu kính thứ hai là thấu kính mắt. Thấu kính mắt có tiêu cự dơng f tkm > 0. Tiêu cự f tkt , f tkm và khoảng cách phụ thuộc vào tiêu cự chung thị kính f TK và vị trí pupin ra t P . Thị kính Huygen có t P đợc chọn từ 0,3 đến 0,4 tiêu cự thị kính f TK và độ lớn góc mở 2 40 0 . Các thông số thị kính Huygen đợc xác định theo: f tkt = 2 f tkm = 3 f TK / 2 = 9 f TK / 8 s F = - f TK [ 1- ( / f tkm ) ] s F = f TK [ 1- ( / f tkt ) ]. Do cách ghép nh vậy mà tiêu diện thứ nhất thị kính nằm sau thấu kính tr- ờng và cách thấu kính trờng một khoảng s F . Thấu kính trờng đa ảnh giữa y thành ảnh thật y. Thấu kính mắt đa ảnh thật y ra trùng với điểm cực viễn ngời quan sát. Tiêu diện thứ hai thị kính nằm sau thấu kính mắt một khoảng s F .Độ lớn thấu kính trờng phụ thuộc vào độ lớn tối đa của ảnh giữa y, (độ 6 y VK Pr TKt F' vk =F' tk y'' y' TKm Đồ án môn học Quang Kỹ Thuật Nguyễn Mạnh Hà - CKCX & QH - K43 lớn vòng chắc trờng) và độ lớn vòng chắn sáng. Độ lớn thấu kính mắt phụ thuộc vào độ lớn, vị trí pupin ra và góc mở 2 . Các bán kính cong thấu kính trờng đợc xác định theo: r 1 = f tkt . ( n-1) r 2 = Các bán kính cong thấu kính mắt: r 1 = f tkm . ( n-1) r 2 = Từ các thông số kết cấu: r 1 , r 2 , n 1 = 1 , n 2 = n , n 3 = 1 và d 1 (cho thấu kính trờng) r 3 , r 4 , n 3 = 1 , n 4 = n , n 5 = 1 và d 3 (cho thấu kính mắt) và khoảng cách hai thấu kính d 2 = sử dụng bài toán thuận để tìm quang sai của thị kính. ở đây cần sử dụng phơng pháp hành trình ngợc của tia sáng để tính quang sai thị kính. Hình 5: Thị kính Huygen Các loại vật kính và thị kính của hệ hiển vi cần phải hiệu chỉnh 3 loại quang sai: Sai sắc ds, cầu sai dlc, Koma dlk. Để tính quang sai của vật kính cũng nh của thị kính ta phải sử dụng lý thuyết quang sai bậc 3. Giả sử quang sai của chúng ds phụ thuộc vào vị trí và độ lớn của vật (S P , l), vị trí và tia sáng từ vật qua pupin vào (m, t P ) và vào các thông số của hệ ( r i , d i , n i ) thì: 7 y VK y' y'' Pr TKm TKt Đồ án môn học Quang Kỹ Thuật Nguyễn Mạnh Hà - CKCX & QH - K43 ds = f (s P , l , m , t P , n i , r i , d i ) Quan hệ giữa các ds và các (r i , n i , d i ) đợc thể hiện qua các hệ số ảnh h- ởng: S i , S II , S III , S IV , S V . Biết các ds và các hệ số ảnh hởng tìm các thông số của hệ (r i ,n i ,d i ) thuật ngữ Quang kỹ thuật gọi là bài toán ngợc. Ngợc lại khi có (n i ,r i ,d i ) và các hệ số ảnh hởng ta tìm các quang sai ds thuật ngữ Quang kỹ thuật gọi là bài toán thuận. Để xác định các tổng ảnh hởng S I S V ta sử dụng hai tia cơ bản tự chọn nh sau: Tia thứ nhất (hình 6) Tia tự chọn thứ nhất từ vật điểm trên quang trục của mặt Q lập với quang trục góc 1 , sau khi khúc xạ qua các mặt cầu cắt quang trục với các góc 2 , 3 , k đồng thời gặp các mặt cầu với các chiều cao so với quang trục là h 1 , h 2 , h k . Hình 6: Tia cơ bản tự chọn thứ nhất qua nhiều mặt cầu. Nh vậy qua tia tự chọn thứ nhất ta có các giá trị i và h i khi chọn 1 và h 1 theo quan hệ: h i + 1 = h i - i . d i i + 1 = 1 + i i n n i + ii ii rn nn 1 1 + + h i Từ (3.9) cũng suy ra: 8 n(i+1) r(i+1) 2 r1 1=0 n1 d i n2 n3 i h1 r2 (i+1) ni hi ri n'k h(i+1) nk rk 'k hk Đồ án môn học Quang Kỹ Thuật Nguyễn Mạnh Hà - CKCX & QH - K43 r i = iiii iii tgntgn hnn ++ + 11 1 )( = iiii iii nn hnn ++ + 11 1 )( d i = 1 1 + + + i ii tg hh = 1 1 + + + i ii hh Tia thứ hai (hình 7) Tia tự chọn thứ hai từ vật điểm ngoài quang trục của mặt Q lập với quang trục tại điểm giữa pupin vào góc 1 , sau khi khúc xạ qua các mặt cầu cắt quang trục với các góc 2 , 3 , k đồng thời gặp các mặt cầu với các chiều cao so với quang trục là h 1 , h 2 , h k . Hình 7: Tia cơ bản tự chọn thứ hai qua nhiều mặt cầu. Nh vậy, qua tia tự chọn thứ nhất ta có các giá trị i và y i khi chọn 1 và y 1 theo quan hệ: y i+1 = y i - i . d i 1 + i = 1 + i i n n i + ii ii rn nn 1 1 + + y i Từ trên ta suy ra: 9 -s -tp n'k nk n(i+1)ni n3 n2 n1 d i y(i+1) 1 P v -y1 2 r1 i r2 ri (i+1) yi rkr(i+1) -yk 'k Đồ án môn học Quang Kỹ Thuật Nguyễn Mạnh Hà - CKCX & QH - K43 r i = iiii iii tgntgn ynn ++ + 11 1 )( = iiii iii nn ynn ++ + 11 1 )( d i = 1 1 + + + i ii tg hh = 1 1 + + + i ii hh Các tổng ảnh hởng quang sai bậc ba: S i = = = ki i ii Ph 1 S II = = = ki i i i ii Ph 1 S III = 2 1 = = i i ki i ii Ph S IV = - = = ki i nr 1 11 1 . 1 = ( ) = = + ki i iii ii nnh n 1 1 S V = ( ) ( ) = = + ki i iii ii ii nnh n IPh i i 1 2 2 1 i i Trong đó: P i = ( ) ii ii àà + + 1 2 1 ( ) iiii àà ++ 11 = ( ) i i à 2 ii à i à = i n 1 i à = ii àà + 1 i = 1 + i - i ii à = 11 ++ ii à - ii à ii n = iiii nn ++ 11 iii nnn = + 1 iii = + 1 kkk lnlnI ''' 111 === ở đây l 1 = 1 = - (s t P ) 1 nên I = - n 1 (s t P ) 11 và khi vật ở vô cùng (s = - ; 1 = 0) thì: 10 [...]... sai để tính hiệu chỉnh là lVK : lVK = lVK + lVK 14 Đồ án môn học Quang Kỹ Thuật Nguyễn Mạnh Hà - CKCX & QH - K43 Nh vậy khi tính quang sai thị kính dùng bài toán thuận tức là biết ri , ni , di tìm ds Khi tính các thông số cho vật kính ri , ni , di ta dùng bài toán ngợc Vi c thiết kế hệ hiển vi đợc tiến hành theo những bớc chính sau: 1 Tính các thông số chung của hệ 2 Tính thị kính Huyghen 3 Tính. .. dày d = 3,5 (mm) Trong quá trình thiết kế tính toán kính hiển vi sinh học để đảm bảo cho khi quan sát vật, hình ảnh không bị sai lệch đi trong quá trình phóng đại do sai sắc, cầu sai, koma gây lên Vì vâỵ, chúng ta tính toán quang sai bậc 3 của hành trình ngợc để khi thiết kế vật kính với quang sai bậc 3 đã tính ở thị kính ta lấy dấu ngợc lại để làm cho triệt tiêu nhau Tính quang sai bậc 3 hành trình... D = 10(mm) 27 Đồ án môn học Quang Kỹ Thuật Nguyễn Mạnh Hà - CKCX & QH - K43 phần iv: kết luận Trong quá trình tính toán và thiết kế kính hiển vi chúng em gặp một số khó khăn bỡ ngỡ ban đầu mặc dù vậy đến nay chúng em cũng đẫ hoàn thành toàn bộ qua trình với vi c tính toán vật kính ,thị kinh và kết cấu lắp ghép các thiết bị cùng với sự hớng dẫn của các thày cô trong bộ môn Đây là một đề tài chuyên môn... s t P )1 s = ; =0 1 Nguyễn Mạnh Hà - CKCX & QH - K43 = h1 I = - n1 h1 1 Tính vật kính Vật kính hiển vi tạo ra ảnh thật y từ y Vật kính hiển vi gồm nhiều loại: loại 1 thấu kính, loại 2 thấu kính theo kiểu Ramden, loại 2 thấu kính dính liền, loại 3 thấu kính và loại 4 thấu kính đối xứng Trong đồ án này hệ hiển vi đợc thiết kế có vật kính gồm hai thấu kính dính liền Vật kính gồm hai thấu kính dính... bớc chính sau: 1 Tính các thông số chung của hệ 2 Tính thị kính Huyghen 3 Tính quang sai thị kính 4 Tính vật kính 2 thấu kính dính liền 5 Tính quang sai vật kính chơng2 : tính thiết kế hệ hiển vi 15 Đồ án môn học Quang Kỹ Thuật Nguyễn Mạnh Hà - CKCX & QH - K43 1 Các điều kiện cho trớc - Độ phóng đại hiển vi hoặc độ phóng đại thị kính và tỷ lệ tạo ảnh vật kính Các điều kiện này thống nhất với quy chuẩn... cách vật kính l1 : Đợc tính từ vật đến mặt tỳ vật kính với ống cơ hiển vi Khoảng cách cũng đợc tiêu chuẩn : l1= 37mm và 45 mm tuỳ theo mỗi nớc - Khoảng cách thị kính l2 : Đợc tính từ màn ảnh giữa ( FTK ) đến mặt tỳ của thị kính với ống cơ hiển vi Tuỳ theo các nớc khác nhau, khoảng cách này cũng đợc quy chuẩn : l2= 10 ; 13 ; 18 - ống cơ hiển vi ( còn đợc gọi là khoảng cơ) : Đợc tính từ nơi tỳ của vật... các loại quang sai thành phần) và lVK là quang sai cho trớc để tính vật kính, thì độ sai lệch quang sai sẽ là: lVK = l*VK - lVK Khi lVK 0,1 lVK vật kính có quang sai nhỏ Không phải tính hiệu chỉnh bộ thông số kết cấu Khi lVK > 0,1 lVK vật kính có quang sai lớn hơn yêu cầu Cần phải tính hiệu chỉnh bộ thông số kết cấu Có hai cách tính: Cách thứ nhất: Chọn cặp vật liệu khác ở hàng thứ k bảng... các bề dày d1 , d2 và tính hi 10 Tìm các bán kính cong vật kính: r1 , r2 , r3 r1 = ( ni +1 ni ) hi ni +1 i +1 ni i 11 Tính kiểm nghiệm các quang sai hệ vật kính Quang sai của thị kính là không đổi Bây giờ chỉ tính kiểm nghiệm quang sai vật kính để từ đó khẳng định bộ thông số cấu tạo vừa tìm đợc có phải tính hiệu chỉnh hay không? Giả sử quang sai thực của bôi thông số cấu tạo tính đợc là l*VK (chung... hay có chỗ cha đúng em mong các thày cô cho ý kiến để bản đồ án đợc hoàn chỉnh hơn 28 Đồ án môn học Quang Kỹ Thuật Nguyễn Mạnh Hà - CKCX & QH - K43 tài liệu tham khảo Bài giảng tính thiết kế hệ quang Quang kỹ thuật Sổ tay thiết kế quang cơ 29 ... 1 nên theo sơ đồ tạo ảnh ta có: ' y ' = y.VK = 1.6,3 = 6,3(mm) zf = y' 6,3 = = 0,32 ' f TK 19,69 góc mở =17,75 0 2 = 35,5 0 < 40 0 Vì ta thiết kế kính hiển vi sinh học dùng để quan sát làm cho vật đợc rõ hơn Do vậy ta sử dụng thị kính Huyghen để cho kích thớc hệ đợc nhỏ gọn Sơ đồ nguyên lý cấu tạo 18 Đồ án môn học Quang Kỹ Thuật Nguyễn Mạnh Hà - CKCX & QH - K43 VK y S'F y'' y' Pr S'F Các thông số . quang kỹ thuật là tính toán thiết kế hệ hiển vi từ các thông số cho trớc trong đề bài.Trong bản đồ án với mục đích là thiết kế hệ hiển vi do đó cùng các. dùng bài toán ngợc. Vi c thiết kế hệ hiển vi đợc tiến hành theo những bớc chính sau: 1. Tính các thông số chung của hệ. 2. Tính thị kính Huyghen. 3. Tính quang