了解方圓顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計的詳細(xì)步驟

   一個完整的顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計是十分復(fù)雜的，涉及到光學(xué)設(shè)計、機械設(shè)計、電路設(shè)計等多方面知識；現(xiàn)代顯微鏡大多數(shù)與計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合，是光機電算相結(jié)合的高科技產(chǎn)品。方圓以自己公司這幾年的顯微鏡設(shè)計實踐為基礎(chǔ)，做一些簡單的知識總結(jié)，希望各位高手多多指教。

  1、要根據(jù)顯微鏡的使用要求來進(jìn)行顯微鏡選型設(shè)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(gòu)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(yuǎn)等等。

  2、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(xué)里的工程光學(xué)或者應(yīng)用光學(xué)課程中都可以學(xué)到。按照國標(biāo)，物鏡放大率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(fù)消色差物鏡和平場復(fù)消色差物鏡等4種。當(dāng)然消色差效果越好，結(jié)構(gòu)越復(fù)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(gòu)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(xué)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(xué)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(gòu)的選擇看似簡單，但對后續(xù)詳細(xì)設(shè)計來講非常重要，如果初始結(jié)構(gòu)計算不正確，那么將有可能使后續(xù)設(shè)計無法開展，或者設(shè)計到后來才發(fā)現(xiàn)前面初始結(jié)構(gòu)計算不正確，導(dǎo)致前功盡棄。當(dāng)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(yīng)該不要改變太大。

  3、詳細(xì)設(shè)計物鏡、目鏡以及其它附屬結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)。現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計一般都使用各種光學(xué)設(shè)計軟件，自動化程度大大提高，減輕了設(shè)計人員的勞動量。光學(xué)設(shè)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(xué)設(shè)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(xì)說明怎樣的結(jié)構(gòu)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(xué)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(yīng)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(dá)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(fù)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(shè)計測量用顯微鏡，那么就必須做到平像場，以減小測量誤差。

  4、設(shè)計顯微鏡的機械結(jié)構(gòu)。由于有了計算機三維設(shè)計軟件，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計也沒有以前那么復(fù)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(jìn)行機械設(shè)計，因為正處在學(xué)習(xí)階段，所以使用并不是很熟練。

設(shè)計時機械設(shè)計手冊，和光學(xué)精密儀器設(shè)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(gòu)。同時機械設(shè)計也要根據(jù)實際生產(chǎn)加工水平來進(jìn)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(shè)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(xué)、心理學(xué)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(shè)計能力也是機械設(shè)計水平的一個很重要的方面。

  5、進(jìn)行調(diào)光、自動調(diào)焦、自動工作臺和計算機控制等方面的設(shè)計。這些在一般的顯微鏡設(shè)計中是不太必要的，但有些高檔的研究型顯微鏡則需要進(jìn)行這幾方面的設(shè)計。現(xiàn)在外的自動調(diào)焦技術(shù)發(fā)展很快，也是研究熱點之一，有很多自動調(diào)焦的算法，有興趣的朋友可以多查一些科技論文看看。

  6、軟件設(shè)計。有些顯微圖像需要進(jìn)行圖像處理和專業(yè)軟件，這些要與軟件專業(yè)設(shè)計人員共同進(jìn)行。