光學顯微鏡的設(shè)計基本流程

摘?要：顯微鏡能讓人們看到數(shù)以百計的微小生物，以及從人體到植物纖維等各種東西的內(nèi)部構(gòu)造。顯微鏡為人類認識微觀世界不斷的提供有效的光學解決方案。19世紀以來，顯微鏡發(fā)展迅速，性能不斷提高，種類不斷增加。本文探討了光學顯微鏡設(shè)計基本流程。

關(guān)鍵詞：光學系統(tǒng)設(shè)計;結(jié)構(gòu)設(shè)計;部件化

光學顯微鏡按功能分為以下幾大類：常規(guī)顯微鏡，偏光顯微鏡，測量顯微鏡，硅片/液晶類檢查顯微鏡。其中常規(guī)顯微鏡分為生物顯微鏡用于觀察生物切片、生物細胞，細菌以及活體組織培養(yǎng)等;偏光顯微鏡用于晶體，礦石檢查;測量顯微鏡用于工件量測;體視顯微鏡用于低倍宏觀檢查及操作;硅片/液晶類檢查顯微鏡用于各種尺寸屏幕樣品的檢查。

對于顯微鏡企業(yè)而言，一款新的顯微鏡的誕生主要取決于顯微鏡的設(shè)計，但在設(shè)計之前必要的準備工作也是不可缺少的。首先需要做關(guān)于產(chǎn)品市場調(diào)查和分析，充分了解市場需求從而確定產(chǎn)品設(shè)計方向和定位。根據(jù)確定的產(chǎn)品設(shè)計方向和定位初步確定產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)及同類產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)的對比，從而進入初步設(shè)計評審，通過后將進入產(chǎn)品設(shè)計階段。出于對顯微鏡成品的成本控制，顯微鏡的設(shè)計前期除了對市場的對接外，還要了解最新的制造工藝和精密加工技術(shù)，以及人機功能的需求。

對顯微鏡設(shè)計而言，光學系統(tǒng)設(shè)計是顯微鏡的靈魂，占據(jù)著顯微鏡設(shè)計中的主導(dǎo)地位。光學系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果直接決定顯微鏡成像質(zhì)量的高低及顯微鏡產(chǎn)品的定位。光學系統(tǒng)則是根據(jù)前期準備工作中的技術(shù)參數(shù)來進行設(shè)計。光學系統(tǒng)的設(shè)計核心是物鏡和目鏡，在產(chǎn)品定位的基礎(chǔ)上盡量提高系統(tǒng)的分辨率，消除像差。物鏡按照色差和場面曲校正程度分為消色差物鏡，平場消色差物鏡，平場半復(fù)消色差物鏡，平場復(fù)消色差物鏡。目鏡分為惠更斯目鏡，雷斯等目鏡，補償目鏡，廣角目鏡。

光學系統(tǒng)設(shè)計結(jié)束后是顯微鏡的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)光學系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品的定位可以確定最初的顯微鏡的外形大小，從而開始顯微鏡的外形造型設(shè)計，其中需要運用到工業(yè)設(shè)計方面的知識。在進行外形造型設(shè)計的同時，還要考慮到此款顯微鏡日后的系列化產(chǎn)品的擴充設(shè)計，不僅能節(jié)約成本，還能加快其余系列化產(chǎn)品的市場化。所以外型的初步造型工作尤為重要，需要進行反復(fù)多次的設(shè)計評審，通過后才進行結(jié)構(gòu)細化工作。

以最普及的生物顯微鏡為例，其機械結(jié)構(gòu)主要分以下幾部分：雙目或三目觀察鏡筒;鏡體部分，物鏡轉(zhuǎn)換器，載物臺，粗微動調(diào)焦機構(gòu)，聚光鏡，集光鏡，光源和電器部分。為了提高生產(chǎn)效率，簡化顯微鏡總體裝配時所需要的調(diào)校，檢測工序，需要將顯微鏡的裝配部件化，也就是在上述部件裝配完畢后就需要達到既定的設(shè)計標準技術(shù)參數(shù)，通過檢測后，再進行顯微鏡的總體裝配調(diào)校過程。因此在進行各部件化設(shè)計時，就需要考慮到哪些零部件所含的光學元件，需要在部件化的裝配調(diào)校中起到?jīng)Q定性的作用，根據(jù)其作用來設(shè)計是否需要轉(zhuǎn)配基準或可調(diào)機構(gòu)等。生物顯微鏡各部件化的檢測最低標準可以結(jié)合國家標準GB/T2985生物顯微鏡，其檢測方法則需要在設(shè)計結(jié)構(gòu)中考慮到裝配輔助工裝（現(xiàn)有的或新制的）在裝配工序中的運用。

考慮到顯微鏡的部件結(jié)合人機功能學，雙目或三目觀察鏡筒的設(shè)計也可以采用可傾角的結(jié)構(gòu)設(shè)計。物鏡轉(zhuǎn)換器的設(shè)計要考慮到物鏡的連接尺寸，所需要的孔位數(shù)，和鏡身結(jié)合的傾斜方式及傾斜角度，轉(zhuǎn)換過程中的定位的準確穩(wěn)定性。常用的有4孔位的轉(zhuǎn)換器，同時能安裝4個倍率的物鏡。機械載物臺有齒條傳送帶和鋼絲導(dǎo)軌兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合人機功能學，可以設(shè)計為左右手輪可調(diào)換的結(jié)構(gòu)，也可以通過將載物臺旋轉(zhuǎn)180°改變安裝位置來實現(xiàn)左右手輪的互換性。載物臺上的切片夾根據(jù)其X，Y方向移動行程可以分為一片式或多片式。粗微動調(diào)焦機構(gòu)一般采用同軸式，可以采用齒條傳動結(jié)構(gòu)，根據(jù)微動的精度要求可以增加齒輪減速箱，按其功能可以增加隨機限位裝置，防撞裝置等。聚光鏡中根據(jù)光學系統(tǒng)的設(shè)計需要增加孔徑光闌，考慮到總體的光軸中心的匹配性及聚光鏡功能的拓展，需要增加聚光鏡中心可以調(diào)裝置，光軸方向的移動裝置，方便客戶取下和安裝。集光鏡根據(jù)功能需求和光學系統(tǒng)設(shè)計的尺寸來增加視場光闌。現(xiàn)代顯微鏡的光源使用的都是配有控制度很高的集成式光源，其種類可分為鎢絲燈，鹵素燈，弧光燈（汞燈/氙燈），激光光源，LED光源。隨著LED燈的普及性，由于LED燈的長壽命，高亮度，低功率，色溫可選，使其成為顯微鏡的光源首選。在LED光源的應(yīng)用在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要增加散熱結(jié)構(gòu)，在光學系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮到光的利用率及其均勻性。電器部分的設(shè)計則是為了給LED供電并使得LED照明亮度可調(diào)。

以上的設(shè)計部分內(nèi)容都是基礎(chǔ)的顯微鏡設(shè)計。將上述的顯微鏡的運動的各部件與計算機技術(shù)，自動控制技術(shù)相結(jié)合，來實現(xiàn)照明亮度的自動調(diào)節(jié)，自動調(diào)焦，成像的計算機的可視化等功能，以實現(xiàn)顯微鏡的自動化。顯微鏡的自動化將人手動的繁雜的操作改為一鍵式，使得顯微鏡的操作專業(yè)性大大的降低。隨著社會的不斷發(fā)展顯微系統(tǒng)逐步向高分辨、超分辨和智能化發(fā)展，國產(chǎn)儀器逐漸向高質(zhì)量提升。

現(xiàn)代顯微鏡融合了光機電算、自動化、AI人工智能、5G等多學科和技術(shù)并相互交叉融合形成新的技術(shù)應(yīng)用，突破傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，給現(xiàn)代顯微科學的發(fā)展帶來前所未有的生命力。

參考文獻：

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作者簡介：鐘小英，南京江南永新光學有限公司。