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。
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。
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。
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
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。
第四步,设计显微镜的机械结构。由于有了计算机三维设计软件,机械结构设计也没有以前那么复杂了,但是基本的原理和基本的要求依然没变。我主要使用 Pro/E和SolidWorks进行机械设计,因为正处在学习阶段,所以使用并不是很熟练。设计时机械设计手册,和光学精密仪器设计手册等参考书是少不了的,尤其是目镜和物镜的机械装配问题,涉及到很精密的结构。同时机械设计也要根据实际生产加工水平来进行,说实话我觉得我们国家的机械加工水平和欧美日确实有较大差距。通过和国外的一些名牌产品的物镜比较,我觉得机械零件的加工水平人家确实比我们高,所以有时我们可以设计出来好的镜头,却无法实现。还有一点就是要注意外形的美观和人性化,这其中还涉及到人机工程学、心理学等方面的知识,我国生产的显微镜这方面做得不太好,和国外的产品对比起来总觉得不太舒服,使用起来也不如国外的方便。所以工业设计能力也是机械设计水平的一个很重要的方面。
第五步,进行调光、自动调焦、自动工作台和计算机控制等方面的设计。这些在一般的显微镜设计中是不太必要的,但有些高档的研究型显微镜则需要进行这几方面的设计。现在国内外的自动调焦技术发展很快,也是研究热点之一,有很多自动调焦的算法,有兴趣的朋友可以多查一些科技论文看看。
第六步,软件设计。有些显微图像需要进行图像处理和专业软件,这些要与软件专业设计人员共同进行。