[分享]顯微鏡的設(shè)計(jì)過(guò)程 [復(fù)制鏈接]

一個(gè)完整的顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)是十分復(fù)雜的，涉及到光學(xué)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)等多方面知識(shí)；現(xiàn)代顯微鏡大多數(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，是光機(jī)電算相結(jié)合的高科技產(chǎn)品。我在這里只想以我自己這幾年的顯微鏡設(shè)計(jì)實(shí)踐為基礎(chǔ)，做一些簡(jiǎn)單的知識(shí)總結(jié)，希望各位高手多多指教。 KVQ^-^  
   首先，要根據(jù)顯微鏡的使用要求來(lái)進(jìn)行顯微鏡選型設(shè)計(jì)。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(cè)量顯微鏡、工具顯微鏡等等。以最簡(jiǎn)單的普通生物顯微鏡為例，它也分很多種分類(lèi)，按結(jié)構(gòu)形式分有正置、倒置之分，按照明形式分亮視場(chǎng)照明和暗視場(chǎng)照明，按光源分熒光顯微鏡、激光顯微鏡，按共軛距分195mm和無(wú)窮遠(yuǎn)等等。 KtTlc#*KU  
   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(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(guó)標(biāo)，物鏡放大率首選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(chǎng)消色差物鏡、平場(chǎng)半復(fù)消色差物鏡和平場(chǎng)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(mǎn)足使用要求的成本又較低的。顯微目鏡想對(duì)物鏡的結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單很多，主要分為惠更斯目鏡、平場(chǎng)目鏡、廣視場(chǎng)目鏡、超廣視場(chǎng)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(jī)械筒長(zhǎng)、光學(xué)筒長(zhǎng)、工作距離、目鏡出瞳距、孔徑光闌和視場(chǎng)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(chǎng)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(jiǎn)單，但對(duì)后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)來(lái)講非常重要，如果初始結(jié)構(gòu)計(jì)算不正確，那么將有可能使后續(xù)設(shè)計(jì)無(wú)法開(kāi)展，或者設(shè)計(jì)到后來(lái)才發(fā)現(xiàn)前面初始結(jié)構(gòu)計(jì)算不正確，導(dǎo)致前功盡棄。當(dāng)然，這些計(jì)算結(jié)果也不可能是一成不變的，后面也許會(huì)有一些調(diào)整，但總體來(lái)說(shuō)應(yīng)該不要改變太大。 c8uFLM j  
   第三步，詳細(xì)設(shè)計(jì)物鏡、目鏡以及其它附屬結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)�，F(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)一般都使用各種光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，自動(dòng)化程度大大提高，減輕了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)量。光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)際上就是消像差的過(guò)程，盡量提高系統(tǒng)的分辨率、消除像差是光學(xué)設(shè)計(jì)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(shuō)明怎樣的結(jié)構(gòu)能夠?qū)ο�除各種像差有影響。我要強(qiáng)調(diào)的是一個(gè)“像差平衡”問(wèn)題。理論上講，完全沒(méi)有像差的光學(xué)系 *4]u?R  
統(tǒng)是不存在的，所以說(shuō)“消像差”只是理想情況，更確切的說(shuō)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(chǎng)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(lái)滿(mǎn)足我們的使用要求。例如對(duì)于普通觀(guān)察用生物顯微鏡，只需要校正球差、彗差、像散和初級(jí) gumT"x .^  
色差對(duì)于場(chǎng)曲和畸變沒(méi)有太高要求；如果要設(shè)計(jì)測(cè)量用顯微鏡，那么就必須做到平像場(chǎng)，以減小測(cè)量誤差。 Y#aL]LxZE  
   第四步，設(shè)計(jì)顯微鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)。由于有了計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)軟件，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也沒(méi)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(méi)變。我主要使用Pro/E和SolidWorks進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，因?yàn)檎�處在學(xué)習(xí)階段，所以使用并不是很熟練。設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，和光學(xué)精密儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)等參考書(shū)是少不了的，尤其是目鏡和物鏡的機(jī)械裝配問(wèn)題，涉及到很精密的結(jié)構(gòu)。同時(shí)機(jī)械設(shè)計(jì)也要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)加工水平來(lái)進(jìn)行，說(shuō)實(shí)話(huà)我覺(jué)得我們國(guó)家的機(jī)械加工水平和歐美日確實(shí)有較大差距。通過(guò)和國(guó)外的一些名牌產(chǎn)品的物鏡比較，我覺(jué)得機(jī)械零件的加工水平人家確實(shí)比我們高，所以有時(shí)我們可以設(shè)計(jì)出來(lái)好的鏡頭，卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)。還有一點(diǎn)就是要注意外形的美觀(guān)和人性化，這其中還涉及到人機(jī)工程學(xué)、心理學(xué)等方面的知識(shí)，我國(guó)生產(chǎn)的顯微鏡這方面做得不太好，和國(guó)外的產(chǎn)品對(duì)比起來(lái)總覺(jué)得不太舒服，使用起來(lái)也不如國(guó)外的方便。所以工業(yè)設(shè)計(jì)能力也是機(jī)械設(shè)計(jì)水平的一個(gè)很重要的方面。 Tp vq5Cz  
   第五步，進(jìn)行調(diào)光、自動(dòng)調(diào)焦、自動(dòng)工作臺(tái)和計(jì)算機(jī)控制等方面的設(shè)計(jì)。這些在一般的顯微鏡設(shè)計(jì)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(jì)�，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)發(fā)展很快，也是研究熱點(diǎn)之一，有很多自動(dòng)調(diào)焦的算法，有興趣的朋友可以多查一些科技論文看看。 qUNK Dt  
   第六步，軟件設(shè)計(jì)。有些顯微圖像需要進(jìn)行圖像處理和專(zhuān)業(yè)軟件，這些要與軟件專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員共同進(jìn)行。 j1[Ng #.  
   好了，就啰嗦這么多，可能有一些方面寫(xiě)的不太對(duì)，請(qǐng)大家多多批評(píng)指教。如有意見(jiàn)請(qǐng)當(dāng)面提出，我們共同討論。謝謝��！

樓主好,你說(shuō)的可都是經(jīng)驗(yàn)呀.看過(guò)之后,很有收獲.謝謝了.

一直以來(lái),都是對(duì)顯微鏡這一塊很是模糊,今天看到樓主的話(huà),真的是很有收獲,最起碼有了一個(gè)大致的了解.真的要謝謝.希望樓主以后多聊一些顯微鏡的知識(shí)喲.

掌聲～～～～～～～ WilKC|R]P  
補(bǔ)充一些：樓主講得是從零開(kāi)始的工作，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，很多東西可以借用，比方說(shuō)光學(xué)系統(tǒng)中的物鏡和目鏡，一些經(jīng)典的結(jié)構(gòu)都已經(jīng)成熟，直接使用．

版主說(shuō)得對(duì)，大多數(shù)情況下顯微鏡的設(shè)計(jì)都不需要這么復(fù)雜，物鏡和目鏡都可以直接買(mǎi)到很多現(xiàn)成的產(chǎn)品，但我覺(jué)得我們搞光學(xué)設(shè)計(jì)的更因該從其本質(zhì)上，細(xì)節(jié)上抓起，一點(diǎn)一滴的努力去做，才能真正提高自己的實(shí)踐水平。我們國(guó)家的光學(xué)事業(yè)也走過(guò)了50多年了，但近些年越來(lái)越受到國(guó)外名牌的沖擊，人家的設(shè)計(jì)水平確實(shí)比我們高，所以我們更應(yīng)該努力提升自己國(guó)家的設(shè)計(jì)制造水平，為我們國(guó)家的光學(xué)事業(yè)貢獻(xiàn)自己的綿薄之力。

Good!!多謝！

樓主說(shuō)的很好啊，不知道樓主對(duì)顯微鏡的照明系統(tǒng)有什么樣的看法呢?個(gè)人感覺(jué)國(guó)內(nèi)的顯微鏡在照明上也是落后的，感覺(jué)顯微鏡照明系統(tǒng)研究的人不多. /lS5B6NU  
  顯微鏡的校正個(gè)人認(rèn)為是顯微鏡的生產(chǎn)難點(diǎn)所在.聽(tīng)過(guò)別人說(shuō)過(guò),顯微鏡是三分設(shè)計(jì),七分校正.對(duì)校正技術(shù)能掌握的很好的人不多。

樓上說(shuō)得對(duì)，照明系統(tǒng)確實(shí)是顯微系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸。以透射式照明為例，理論上來(lái)說(shuō)照明系統(tǒng)的數(shù)值孔徑應(yīng)該大于或者等于物鏡的數(shù)值孔徑，但是實(shí)際生產(chǎn)中根本達(dá)不到這一點(diǎn)，只能讓其盡量接近物鏡的數(shù)值孔徑。我們國(guó)內(nèi)有很多的產(chǎn)品與國(guó)外產(chǎn)品比較就是輸在照明系統(tǒng)上，很大原因是我們?cè)瓉?lái)沒(méi)有太多重視照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。國(guó)外蔡斯或者奧林帕斯等品牌的顯微鏡都把照明系統(tǒng)作為非常重要的部分來(lái)抓，往往非常接近物鏡的數(shù)值孔徑。關(guān)于照明系統(tǒng)我想有時(shí)間再寫(xiě)一篇詳細(xì)的文章和大家探討。 GIvl|  
至于校正也是非常重要。我沒(méi)有親自做過(guò)顯微鏡的裝配工作，但我親眼看過(guò)工人師傅的裝配，確實(shí)是非常的困難。有時(shí)為了校正一個(gè)轉(zhuǎn)像棱鏡需要好幾個(gè)小時(shí)反復(fù)的校正。因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)偏差一個(gè)絲都會(huì)對(duì)像質(zhì)有很大影響，所以每一臺(tái)都必須人工仔細(xì)裝調(diào)校正，這也是顯微鏡不能像其他機(jī)械產(chǎn)品那樣自動(dòng)裝配的重要原因。

顯微鏡的設(shè)計(jì)很重要，但是如何達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則需要很多加工和裝校設(shè)備保證，國(guó)內(nèi)做得都不夠好，所以在市場(chǎng)上只能賣(mài)低價(jià)

機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)你用的是那套�。。。」鈱W(xué)精密儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)那里有的買(mǎi)�。。�