顯微鏡的設計過程

樓主  收藏   舉報   帖子創建時間:  2017-01-12 15:53 回復:0 關注量:239
 一個完整的顯微鏡系統設計是十分復雜的,涉及到光學設計、機械設計、電路設計等多方面知識;現代顯微鏡大多數與計算機技術和自動控制技術相結合,是光機電算相結合的高科技產品。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,希望各位高手多多指教。

首先,要根據顯微鏡的使用要求來進行顯微鏡選型設計。顯微鏡已經有幾百年的發展歷史,它的形式也多種多樣,根據不同的使用要求顯微鏡的各種參數有非常大的差異。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。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,結構越復雜,成本越高。所以要根據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、轉向棱鏡、偏振片等等。這些初始結構的選擇看似簡單,但對后續詳細設計來講非常重要,如果初始結構計算不正確,那么將有可能使后續設計無法開展,或者設計到后來才發現前面初始結構計算不正確,導致前功盡棄。當然,這些計算結果也不可能是一成不變的,后面也許會有一些調整,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構的光學系統。現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構能夠對消除各種像差有影響。我要強調的是一個“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

体彩排列五走势图一综合版丨 www.psknj.icu 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構。由于有了計算機三維設計軟件,機械結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,涉及到很精密的結構。同時機械設計也要根據實際生產加工水平來進行,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?;褂幸壞憔褪且⒁饌廡蔚拿攔酆腿誦曰?,這其中還涉及到人機工程學、心理學等方面的知識,我國生產的顯微鏡這方面做得不太好,和國外的產品對比起來總覺得不太舒服,使用起來也不如國外的方便。所以工業設計能力也是機械設計水平的一個很重要的方面。

 

第五步,進行調光、自動調焦、自動工作臺和計算機控制等方面的設計。這些在一般的顯微鏡設計中是不太必要的,但有些高檔的研究型顯微鏡則需要進行這幾方面的設計。現在國內外的自動調焦技術發展很快,也是研究熱點之一,有很多自動調焦的算法,有興趣的朋友可以多查一些科技論文看看。

第六步,軟件設計。有些顯微圖像需要進行圖像處理和專業軟件,這些要與軟件專業設計人員共同進行。


打賞