復(fù)式光學(xué)顯微鏡演示教具的設(shè)計(jì)與制作

周鑒恒 田若平 羅星凱

（1廣西師范大學(xué)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，廣西 桂林 541004）

（2桂林興華科學(xué)教育研究院，廣西 桂林 541004）

（3臺(tái)灣萬能科技大學(xué)光電系，臺(tái)灣 桃園）

復(fù)式光學(xué)顯微鏡演示教具的設(shè)計(jì)與制作

周鑒恒1，3田若平2羅星凱1

（1廣西師范大學(xué)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，廣西 桂林 541004）

（2桂林興華科學(xué)教育研究院，廣西 桂林 541004）

（3臺(tái)灣萬能科技大學(xué)光電系，臺(tái)灣 桃園）

利用報(bào)廢投影機(jī)（或幻燈機(jī)）上拆下的鏡頭作為物鏡，常用的放大鏡作為目鏡，再加上數(shù)個(gè)針對(duì)學(xué)生理解難點(diǎn)特別設(shè)計(jì)的屏幕等零件，筆者設(shè)計(jì)制作了一具尺寸相當(dāng)大、內(nèi)部構(gòu)造一目了然的復(fù)式顯微鏡演示教具，不僅可形象直觀地演示顯微鏡的原理，而且放大倍數(shù)足以讓人觀察到洋蔥表皮細(xì)胞，還可有助于學(xué)生正確理解透鏡成像原理、實(shí)像與虛像的性質(zhì)，以及光學(xué)儀器之設(shè)計(jì)構(gòu)想.

復(fù)式光學(xué)顯微鏡；成像；透鏡

1 引言

光學(xué)顯微鏡的使用使人類首度可以看到肉眼看不見的物體.細(xì)胞和細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)，都是顯微鏡在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)發(fā)展史上立下的不朽功勞.

隨著時(shí)代的進(jìn)步，人類發(fā)明了更多更精良的顯微鏡，例如電子顯微鏡、電子掃描顯微鏡、原子力顯微鏡、近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡等，成為人類研究納米科學(xué)、醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的利器.然而復(fù)式光學(xué)顯微鏡迄今仍是使用最廣泛，大家最熟悉的一種顯微鏡.

第一次使用復(fù)式光學(xué)顯微鏡的學(xué)生，不免會(huì)對(duì)顯微鏡放大物體的功能感到好奇.但一般的復(fù)式光學(xué)顯微鏡，為了使用方便，尺寸都不會(huì)太大，且為了維持精密度和高性能，通常也都有鏡筒加以保護(hù)，使人們難窺其中的奧妙.為此，筆者設(shè)計(jì)制作了一具尺寸相當(dāng)大，內(nèi)部構(gòu)造一目了然的復(fù)式顯微鏡演示教具，既可演示顯微鏡的原理，又可見洋蔥表皮細(xì)胞，還可綜合理解透鏡成像原理、實(shí)像與虛像的性質(zhì)，以及光學(xué)儀器之設(shè)計(jì)構(gòu)想.

2 基本原理與器材選擇

復(fù)式光學(xué)顯微鏡主要由物鏡和目鏡構(gòu)成.物鏡的功能是用來形成被觀察物體的放大實(shí)像，在形成放大實(shí)像的過程中，物鏡的設(shè)計(jì)要盡量提高放大實(shí)像的品質(zhì)，也就是說，放大的實(shí)像要不失真，不模糊.而投影機(jī)和幻燈機(jī)的鏡頭不僅能把尺寸相當(dāng)小的幻燈片或投影片變成放大的實(shí)像，呈現(xiàn)在投影屏幕上，而且投影機(jī)和幻燈機(jī)的鏡頭在形成放大實(shí)像時(shí)，也須避免色散、失真或模糊的問題.現(xiàn)代投影機(jī)或幻燈機(jī)的鏡頭都經(jīng)過光學(xué)模擬計(jì)算而予最佳化，大都能很好地發(fā)揮它的功能.因此，本具顯微鏡演示器的物鏡就采用報(bào)廢投影機(jī)之鏡頭，可一舉得到“大尺度、高倍率、少失真”的多重效果.至于目鏡的功能，基本上就是放大鏡的功能，利用目鏡把已經(jīng)放大的實(shí)像再放大.

3 特別針對(duì)教學(xué)難點(diǎn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

理解復(fù)式光學(xué)顯微鏡的關(guān)鍵，在于理解實(shí)像的特性.

在一般呈現(xiàn)實(shí)像的實(shí)驗(yàn)中，常將實(shí)像投影在完全不透明的白色漫反射屏幕上，使得人們誤以為只有使用這種方法才可以看到實(shí)像，因此誤導(dǎo)了學(xué)生對(duì)實(shí)像特性的了解（這其實(shí)是幾何光學(xué)教學(xué)上的普遍缺點(diǎn)）.

此外，透過放大鏡看較遠(yuǎn)處的物體，?？稍诜糯箸R中看到倒立的影像，由于視覺還須依賴大腦的詮釋，于是人們只覺得放大鏡把遠(yuǎn)處的景物扭曲成顛倒的影像.殊不知此時(shí)從放大鏡中看到的是遠(yuǎn)處景物倒立的實(shí)像，這實(shí)像已經(jīng)在放大鏡和人眼之間，距離比原景物近得多.

也就是說，倒立的實(shí)像，就如同實(shí)際在該實(shí)像處存在的物體一樣，都可以直接看到，并不一定要先投影在屏幕上再觀看.

放大了顯微鏡的尺寸之后，即可在物鏡成像處放置特制的屏幕，凸顯物鏡所呈現(xiàn)的實(shí)像的特性，同時(shí)也演示出顯微鏡的放大原理.這些特制的屏幕包括有：

① 白色漫反射屏幕，此幕就如同一般幻燈機(jī)或投影機(jī)的屏幕一樣，可以把樣品（或物體）的實(shí)像投影在其上觀察，就如同在一般光學(xué)實(shí)驗(yàn)中觀察實(shí)像的方式一樣.

②半邊半透明的屏幕，這樣的屏幕可以演示：實(shí)像也可以直接看到，就像實(shí)物一樣.兩者的區(qū)別在于，在一般情形下，構(gòu)成實(shí)際物體的點(diǎn)光源，所發(fā)出的光線分布在較大的立體角中；但構(gòu)成實(shí)像的點(diǎn)光源是由透鏡聚焦而來，每個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的光線因此局限在較小的立體角范圍之內(nèi).如果半透明屏幕位于實(shí)像的成像位置，則實(shí)像上由光線聚焦而形成的點(diǎn)光源，在半透明屏幕就會(huì)形成亮點(diǎn)，只不過這些亮點(diǎn)（點(diǎn)光源）由于半透明屏幕的漫射，所發(fā)出的光線分布的立體角范圍也較大.于是觀察者可以在半透明屏幕上看到實(shí)像，也可以直接看到半邊實(shí)像，兩部分的實(shí)像又相互合為一完整的實(shí)像.再加上此時(shí)大腦有了屏幕架的比對(duì)，即確認(rèn)實(shí)像的位置就在屏幕所在之處.

③刻度尺屏幕，用來說明生物解剖顯微鏡中的刻度尺就安裝在物鏡所造成的實(shí)像所在位置，實(shí)物（即刻度尺）、樣品經(jīng)物鏡所造成的實(shí)像，兩者在幾何光學(xué)上的性質(zhì)相似，所以可以一起被看到.

4 主要構(gòu)造與制作

圖1為此具顯微鏡的實(shí)物攝影，其中物、物鏡、連桿機(jī)構(gòu)、屏幕（由屏幕支架支持）、目鏡均在圖中標(biāo)示.整個(gè)顯微鏡教具各組件分述如下：

圖1 顯微鏡教具的實(shí)物攝影各重要組件如圖中標(biāo)示，觀孔應(yīng)在照片上方，在此圖中未攝入

① 底座，其功能在于安置所有之零件.底座可用容易加工的木材制作.物鏡和目鏡均固定在底座上，兩者相距1100mm，目鏡可以更換.

② 如圖2所示，物鏡，是從幻燈機(jī)上拆下的鏡頭，鏡頭焦距 85mm，口 徑32mm.利用支架將物鏡固定在底座上.

圖2 使用兩種放大鏡作為目鏡（左上），以幻燈機(jī)鏡頭作為物鏡（右下）

③ 目鏡，采用一般常見的放大鏡，也用支架固定在底座上.本教具以兩種放大鏡作為目鏡，其一焦距200mm，口徑125mm；另一個(gè)的焦距80mm，口徑30mm.此兩個(gè)放大鏡重疊可以拆卸，分別使用，以改變其放大倍率.

④ 觀孔，加裝于目鏡后方，觀察者從觀孔中觀察，以導(dǎo)引觀察者眼睛在適當(dāng)距離和方向觀察.因?yàn)椴粚?shí)像投影在一般屏幕上觀察，實(shí)像的每一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的光線分布的立體角范圍較有限，眼睛只有在適當(dāng)方向和距離才能完整看到實(shí)像.

⑤ 屏幕支架，即一口形框架，屏幕支架可在底座上前后移動(dòng)，以適應(yīng)不同觀察者之明視距離；不同創(chuàng)新的屏幕可分別掛在屏幕支架上.

⑥ 屏幕有三種，尺寸均約90mm×90mm.其中一種就是常用的漫反射不透明屏幕，用白色厚紙制作；第二種是半邊半透明屏幕，用市場(chǎng)上裝水果或包子的無色半透明薄塑料袋制作，此半透明屏幕只遮住屏幕支架的一半，其厚度越薄越好，越平越好.可多嘗試幾種材料.講究的話，也可將一般透明的玻璃（或有機(jī)玻璃）的半邊磨砂，以形成半邊半透明，另一邊完全透明的屏幕；第三種屏幕就是透明的幕上帶有印制（或繪制）的刻度.

⑦ 物支架，物支架上可置放微小的物體.物支架可以移動(dòng)，利用連桿結(jié)構(gòu)、把手（見圖1），可讓觀察者調(diào)整物支架的位置，以便從顯微鏡中清晰看到放大的影像.

⑧ 照明物體的小型燈具.此小型燈具亮度能調(diào)整，照亮樣品的方向最好也能改變.

⑨ 光遮，遮住不必要的干擾光線，此光遮的功用如同一般顯微鏡的鏡筒，一方面要使觀察者之視野中只有樣品影像的光；另一方面要避免小型燈具間接或直接照亮屏幕，妨礙學(xué)習(xí)者觀察屏幕上成實(shí)像的現(xiàn)象.實(shí)際上，一片垂直桌面而只容許小型燈具照亮樣品的黑色不透明板即可作為光遮.此光遮配合調(diào)節(jié)室內(nèi)燈光，既可呈現(xiàn)成像的細(xì)節(jié)，又能正常使用顯微鏡.此外，若能另外制作放大而可拆卸的仿真鏡筒，也有助于增加此教具之童趣.

5 實(shí)驗(yàn)操作與效果

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將物體放置在物支架上，用小型燈具充分照明.熄掉所有燈光，因?yàn)榇司唢@微鏡沒有鏡筒，所以必須在較暗的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行.用光遮遮住不必要的光，使屏幕支架和目鏡處都不受不必要光線的干擾.

首先，制作一個(gè)便于觀察的物.作者將常見包裝水瓶上的說明字樣剪下，作為物體（見圖3）.

圖3 剪下包裝水瓶的說明小字作為樣品

用手掰動(dòng)把手，拉動(dòng)連桿，連桿拉動(dòng)物支架，以改變其上的樣品與目鏡的距離，使此顯微鏡教具正常運(yùn)作，直到從目鏡中可以清晰看到樣品的放大影像.

再將白色漫反射屏幕置于屏幕支架上，移動(dòng)屏幕支架，直到屏幕上出現(xiàn)清晰的物體實(shí)像，說明物鏡就像一般投影機(jī)鏡頭，可呈現(xiàn)放大的實(shí)像（見圖4）.

圖4 白色漫反射屏幕顯示實(shí)像和實(shí)像的位置

取下白色漫反射屏幕，換裝半邊半透明屏幕，從目鏡這一側(cè)可見物體的倒立實(shí)像，半邊出現(xiàn)在半透明屏幕上，另半邊可以直接看到，而兩者完美對(duì)接在一起（見圖5）.如果半邊半透明屏幕可以左右緩緩移動(dòng)，更可凸顯實(shí)像的性質(zhì).

再換裝帶有刻度尺的屏幕，則可發(fā)現(xiàn)刻度尺、放大倒立實(shí)像事實(shí)上在同一位置，也具有類似的光學(xué)特性，可以用目鏡（放大鏡）一起放大（見圖6）.

改用其他貨品的極小字說明書作為樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（見圖7）.換用焦距小的目鏡（焦距8mm，見圖2），小心剝下洋蔥薄薄的一層表皮，將其放置在物支架上，用連桿機(jī)構(gòu)仔細(xì)調(diào)節(jié)其位置，即可清晰看到洋蔥表皮細(xì)胞（見圖8）.

6 結(jié)束語

這項(xiàng)顯微鏡演示教具，可以清楚演示顯微鏡原理，亦即：利用物鏡形成被觀察物體放大的實(shí)像，再用放大鏡，像觀察一般物體一樣，放大被觀察物體的放大實(shí)像；同時(shí)說明：實(shí)像就如同實(shí)像所在位置的真實(shí)物體，可以直接看到，并不一定要用屏幕來成像.

將平日尺寸比較小的顯微鏡各部分組件放大，連物鏡和目鏡的尺寸都較常用顯微鏡的物鏡和目鏡大上幾十倍.因此除了能于此教具中增設(shè)屏幕，演示其原理之外，還平添了巨人國(guó)的童趣，在仔細(xì)控制燈光的實(shí)驗(yàn)室或科技館，搭配各種有趣的生物樣本，很容易激發(fā)參與學(xué)習(xí)的熱情，寓教于樂.

［1］ 趙凱華，鐘錫華.光學(xué)（上、下）［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2008

［2］ 宣桂鑫.光學(xué)教程（第3版）學(xué)習(xí)指導(dǎo)書［M］.北京：高等教育出版社，2004

［3］ 周鑒恒.輕松學(xué)物理第一本書［M］.臺(tái)北：臺(tái)灣如何出版社，2005

DESIGN AND PRODUCTION OF COMPOUND OPTICAL MICROSCOPE EDUCATIONAL INSTRUMENT

Zhou Jianheng1，3Tian Ruoping2Luo Xingkai1
（1Experimental Core of Physics，Guangxi Normal University，Guilin，Guangxi 541004）
（2Institute of Science Education，Guilin，Guangxi 541004）
（3Department of Photonics，Taiwan University of Science and Technology，Taoyuan，Taiwan）

Utilizing a lens removed from a scraped projector（or a slide）as an object lens and a commonly used magnifying glass as an eye pieces，we design and make a compound microscope with a considerable size.Inside the compound microscope，there are several innovative screens specially designed for students to understand some difficult details of the principle of microscope.Internal parts of the compound microscope can be observed clearly.The compound microscope as an educational instrument visually demonstrates how it works.Using this homemade compound microscope with big enough magnification，people can see epidermal cells of an onion.Furthermore，while operating the microscope，students can understand how a lens forms a real image or a virtual image，natures of these images，along with how to design related optical instruments.

microscope；image formation；lens

2011－12－05）

高校質(zhì)量工程建設(shè)國(guó)家精品課程建設(shè)項(xiàng)目（教高函［2007］20號(hào)－227）、國(guó)家級(jí)第一批特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)項(xiàng)目（教高函［2007］25號(hào)－TS2341）、國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目 （教高函［2010］12號(hào)－240）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（桂科能10124007－22）

周鋻恒（1962年出生），臺(tái)灣臺(tái)北人，臺(tái)灣萬能科技大學(xué)光電系助理教授，2011年7～9月廣西師范大學(xué)科學(xué)教育研究所訪問學(xué)者，主要從事物理教學(xué)與研究及物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)意研發(fā)與應(yīng)用；田若平（1985年出生），陜西合陽人，桂林興華科學(xué)教育研究院研發(fā)專員；羅星凱（1958年出生），湖南新邵人，廣西師范大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心主任、教授.