一个完整的显微镜系统设计是十分复杂的,涉及到光学设计、机械设计、电路设计等多方面知识;现代显微镜大多数与计算机技术和自动控制技术相结合,是光机电算相结合的高科技产品。我在这里只想以我自己这几年的显微镜设计实践为基础,做一些简单的知识总结,希望各位高手多多指教。 a2{nrGD
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首先,要根据显微镜的使用要求来进行显微镜选型设计。显微镜已经有几百年的发展历史,它的形式也多种多样,根据不同的使用要求显微镜的各种参数有非常大的差异。例如生物显微镜、金相显微镜、体式显微镜、测量显微镜、工具显微镜等等。以最简单的普通生物显微镜为例,它也分很多种分类,按结构形式分有正置、倒置之分,按照明形式分亮视场照明和暗视场照明,按光源分荧光显微镜、激光显微镜,按共轭距分195mm和无穷远等等。 /qYo*S_cG
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第二步,选好形式之后,初步选择它的外形尺寸和放大倍率、分辨率等主要参数。这一步在一般大学里的工程光学或者应用光学课程中都可以学到。按照国标,物镜放大率首选1.6x、2.5x、4x、6.3x、10x、16x、40x、63x、100x等倍率。根据消色差程度的不同分为消色差物镜、平场消色差物镜、平场半复消色差物镜和平场复消色差物镜等4种。当然消色差效果越好,结构越复杂,成本越高。所以要根据使用情况尽量选择可以满足使用要求的成本又较低的。显微目镜想对物镜的结构要简单很多,主要分为惠更斯目镜、平场目镜、广视场目镜、超广视场目镜等多种形式。外形尺寸主要涉及物镜及目镜的轴向尺寸和横向尺寸,轴向尺寸包括焦距、共轭距、机械筒长、光学筒长、工作距离、目镜出瞳距、孔径光阑和视场光阑的位置等等,横向尺寸包括通光孔径、光阑直径、孔径角、数值孔径等等。除了目镜和物镜以外还有其它的一些附属光学元件也要考虑到,比如场镜、分划板、滤光片、转向棱镜、偏振片等等。这些初始结构的选择看似简单,但对后续详细设计来讲非常重要,如果初始结构计算不正确,那么将有可能使后续设计无法开展,或者设计到后来才发现前面初始结构计算不正确,导致前功尽弃。当然,这些计算结果也不可能是一成不变的,后面也许会有一些调整,但总体来说应该不要改变太大。 1h"CjOp,7
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第三步,详细设计物镜、目镜以及其它附属结构的光学系统。现代光学设计一般都使用各种光学设计软件,自动化程度大大提高,减轻了设计人员的劳动量。光学设计实际上就是消像差的过程,尽量提高系统的分辨率、消除像差是光学设计这所一直追求的。相信像差理论大家比我要懂得多,我不详细说明怎样的结构能够对消除各种像差有影响。我要强调的是一个“像差平衡”问题。理论上讲,完全没有像差的光学系统是不存在的,所以说“消像差”只是理想情况,更确切的说应该是“尽量减小像差”,使像差不能被接受器或人眼所感知,这就达到了我们的目的。大家知道共有7种几何像差:其中单色光像差有:球差、彗差、像散、场曲和畸变,两种复色像差:轴向色差和垂轴色差。我们不可能把这些像差全部消除,只能尽量减小其中几种来满足我们的使用要求。例如对于普通观察用生物显微镜,只需要校正球差、彗差、像散和初级 zPC&p{S>
色差对于场曲和畸变没有太高要求;如果要设计测量用显微镜,那么就必须做到平像场,以减小测量误差。 x2^Yvgc-
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