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northwolf

2005-12-30 16:07

顯微鏡的設計過程

一個完整的顯微鏡系統(tǒng)設計是十分復雜的，涉及到光學設計、機械設計、電路設計等多方面知識；現(xiàn)代顯微鏡大多數(shù)與計算機技術和自動控制技術相結(jié)合，是光機電算相結(jié)合的高科技產(chǎn)品。我在這里只想以我自己這幾年的顯微鏡設計實踐為基礎，做一些簡單的知識總結(jié)，希望各位高手多多指教。
   首先，要根據(jù)顯微鏡的使用要求來進行顯微鏡選型設計。顯微鏡已經(jīng)有幾百年的發(fā)展歷史，它的形式也多種多樣，根據(jù)不同的使用要求顯微鏡的各種參數(shù)有非常大的差異。例如生物顯微鏡、金相顯微鏡、體式顯微鏡、測量顯微鏡、工具顯微鏡等等。以最簡單的普通生物顯微鏡為例，它也分很多種分類，按結(jié)構形式分有正置、倒置之分，按照明形式分亮視場照明和暗視場照明，按光源分熒光顯微鏡、激光顯微鏡，按共軛距分195mm和無窮遠等等。
   第二步，選好形式之后，初步選擇它的外形尺寸和放大倍率、分辨率等主要參數(shù)。這一步在一般大學里的工程光學或者應用光學課程中都可以學到。按照國標，物鏡放大率首選1.6x、2.5x、4x、6.3x、10x、16x、40x、63x、100x等倍率。根據(jù)消色差程度的不同分為消色差物鏡、平場消色差物鏡、平場半復消色差物鏡和平場復消色差物鏡等4種。當然消色差效果越好，結(jié)構越復雜，成本越高。所以要根據(jù)使用情況盡量選擇可以滿足使用要求的成本又較低的。顯微目鏡想對物鏡的結(jié)構要簡單很多，主要分為惠更斯目鏡、平場目鏡、廣視場目鏡、超廣視場目鏡等多種形式。外形尺寸主要涉及物鏡及目鏡的軸向尺寸和橫向尺寸，軸向尺寸包括焦距、共軛距、機械筒長、光學筒長、工作距離、目鏡出瞳距、孔徑光闌和視場光闌的位置等等，橫向尺寸包括通光孔徑、光闌直徑、孔徑角、數(shù)值孔徑等等。除了目鏡和物鏡以外還有其它的一些附屬光學元件也要考慮到，比如場鏡、分劃板、濾光片、轉(zhuǎn)向棱鏡、偏振片等等。這些初始結(jié)構的選擇看似簡單，但對后續(xù)詳細設計來講非常重要，如果初始結(jié)構計算不正確，那么將有可能使后續(xù)設計無法開展，或者設計到后來才發(fā)現(xiàn)前面初始結(jié)構計算不正確，導致前功盡棄。當然，這些計算結(jié)果也不可能是一成不變的，后面也許會有一些調(diào)整，但總體來說應該不要改變太大。
   第三步，詳細設計物鏡、目鏡以及其它附屬結(jié)構的光學系統(tǒng)。現(xiàn)代光學設計一般都使用各種光學設計軟件，自動化程度大大提高，減輕了設計人員的勞動量。光學設計實際上就是消像差的過程，盡量提高系統(tǒng)的分辨率、消除像差是光學設計這所一直追求的。相信像差理論大家比我要懂得多，我不詳細說明怎樣的結(jié)構能夠?qū)ο鞣N像差有影響。我要強調(diào)的是一個“像差平衡”問題。理論上講，完全沒有像差的光學系
統(tǒng)是不存在的，所以說“消像差”只是理想情況，更確切的說應該是“盡量減小像差”，使像差不能被接受器或人眼所感知，這就達到了我們的目的。大家知道共有7種幾何像差：其中單色光像差有：球差、彗差、像散、場曲和畸變，兩種復色像差：軸向色差和垂軸色差。我們不可能把這些像差全部消除，只能盡量減小其中幾種來滿足我們的使用要求。例如對于普通觀察用生物顯微鏡，只需要校正球差、彗差、像散和初級
色差對于場曲和畸變沒有太高要求；如果要設計測量用顯微鏡，那么就必須做到平像場，以減小測量誤差。
   第四步，設計顯微鏡的機械結(jié)構。由于有了計算機三維設計軟件，機械結(jié)構設計也沒有以前那么復雜了，但是基本的原理和基本的要求依然沒變。我主要使用Pro/E和SolidWorks進行機械設計，因為正處在學習階段，所以使用并不是很熟練。設計時機械設計手冊，和光學精密儀器設計手冊等參考書是少不了的，尤其是目鏡和物鏡的機械裝配問題，涉及到很精密的結(jié)構。同時機械設計也要根據(jù)實際生產(chǎn)加工水平來進行，說實話我覺得我們國家的機械加工水平和歐美日確實有較大差距。通過和國外的一些名牌產(chǎn)品的物鏡比較，我覺得機械零件的加工水平人家確實比我們高，所以有時我們可以設計出來好的鏡頭，卻無法實現(xiàn)。還有一點就是要注意外形的美觀和人性化，這其中還涉及到人機工程學、心理學等方面的知識，我國生產(chǎn)的顯微鏡這方面做得不太好，和國外的產(chǎn)品對比起來總覺得不太舒服，使用起來也不如國外的方便。所以工業(yè)設計能力也是機械設計水平的一個很重要的方面。