显微镜的设计过程

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。
   好了，就啰嗦这么多，可能有一些方面写的不太对，请大家多多批评指教。如有意见请当面提出，我们共同讨论。谢谢！！

无声的雨	2005-12-30 18:27
楼主好,你说的可都是经验呀.看过之后,很有收获.谢谢了.

无声的雨	2005-12-30 19:26
一直以来,都是对显微镜这一块很是模糊,今天看到楼主的话,真的是很有收获,最起码有了一个大致的了解.真的要谢谢.希望楼主以后多聊一些显微镜的知识哟.

liujj	2005-12-31 10:10
掌声～～～～～～～ ^8q(_#w`K 补充一些：楼主讲得是从零开始的工作，在实际的设计过程中，很多东西可以借用，比方说光学系统中的物镜和目镜，一些经典的结构都已经成熟，直接使用．

northwolf

2005-12-31 11:47

版主说得对，大多数情况下显微镜的设计都不需要这么复杂，物镜和目镜都可以直接买到很多现成的产品，但我觉得我们搞光学设计的更因该从其本质上，细节上抓起，一点一滴的努力去做，才能真正提高自己的实践水平。我们国家的光学事业也走过了50多年了，但近些年越来越受到国外名牌的冲击，人家的设计水平确实比我们高，所以我们更应该努力提升自己国家的设计制造水平，为我们国家的光学事业贡献自己的绵薄之力。

lucky6fairy	2006-01-02 09:20
Good!!多谢！

qhyocean	2006-01-04 18:47
楼主说的很好啊，不知道楼主对显微镜的照明系统有什么样的看法呢?个人感觉国内的显微镜在照明上也是落后的，感觉显微镜照明系统研究的人不多. 'lIj89h<E 显微镜的校正个人认为是显微镜的生产难点所在.听过别人说过,显微镜是三分设计,七分校正.对校正技术能掌握的很好的人不多。

northwolf

2006-01-05 12:01

楼上说得对，照明系统确实是显微系统的一个关键瓶颈。以透射式照明为例，理论上来说照明系统的数值孔径应该大于或者等于物镜的数值孔径，但是实际生产中根本达不到这一点，只能让其尽量接近物镜的数值孔径。我们国内有很多的产品与国外产品比较就是输在照明系统上，很大原因是我们原来没有太多重视照明系统的设计。国外蔡斯或者奥林帕斯等品牌的显微镜都把照明系统作为非常重要的部分来抓，往往非常接近物镜的数值孔径。关于照明系统我想有时间再写一篇详细的文章和大家探讨。
至于校正也是非常重要。我没有亲自做过显微镜的装配工作，但我亲眼看过工人师傅的装配，确实是非常的困难。有时为了校正一个转像棱镜需要好几个小时反复的校正。因为光学系统偏差一个丝都会对像质有很大影响，所以每一台都必须人工仔细装调校正，这也是显微镜不能像其他机械产品那样自动装配的重要原因。

liujj	2006-01-07 12:21
显微镜的设计很重要，但是如何达到设计要求，则需要很多加工和装校设备保证，国内做得都不够好，所以在市场上只能卖低价

沙洲	2006-01-15 16:13
机械设计手册你用的是那套啊！！！光学精密仪器设计手册那里有的买啊！！

northwolf	2006-01-15 19:09
机械设计手册我用的是1971年国防工业出版社出版的光学仪器设计手册，光学设计手册用的是李士贤的那本，都是我们单位的，我也不知道在哪里能买到。

gqhua	2006-01-18 11:20
楼主的经验之谈，并写出来交流，非常感谢！ ;%a 我觉得，这个论坛需要许多这样的人，许多这样的文章来交流。 =pnMV"'9

northwolf

2006-01-18 14:06

谢谢同志们的鼓励与支持。其实我也是一个初出茅庐的新兵，经验也不多，只不过把我所学的和所看的都说出来罢了，我也希望大家能多交流。同时我还觉得大家应该多讨论一些技术性实用性的问题，而对于一些基础知识应该从课本上寻找答案。其实我们大多数在论坛上的人都是比较年轻的，真正有多年设计经验的专家们是很少会上论坛发帖子的，所以我呼吁有更多的更专业的专家们能够假如我们的论坛，我更希望听到他们的真知灼见。所以各位网友，如果你们单位或学校有愿意加入我们这个论坛的专家学者，希望大家能够介绍他们加入，使我们的论坛技术水平更高，大家能够学到更多的知识。

aihua1675	2006-01-18 14:30
这样的讨论很好的

zta

2006-02-18 11:40

引用第7楼northwolf于2006-01-05 12:01发表的“”: pQCocy
楼上说得对，照明系统确实是显微系统的一个关键瓶颈。以透射式照明为例，理论上来说照明系统的数值孔径应该大于或者等于物镜的数值孔径，但是实际生产中根本达不到这一点，只能让其尽量接近物镜的数值孔径。我们国内有很多的产品与国外产品比较就是输在照明系统上，很大原因是我们原来没有太多重视照明系统的设计。国外蔡斯或者奥林帕斯等品牌的显微镜都把照明系统作为非常重要的部分来抓，往往非常接近物镜的数值孔径。

国内现在已经有很多的高档显微镜出现,不管是在成象系统与照明系统,都在与国外品牌接近.去年我设计了二款实验室显微镜的照明系统就可以与奥林帕斯相差无机.无论在高倍与低倍上,在均匀性与亮度上都可以不分上下.至于数值孔径当然应该满足物镜的要求.

holy	2006-03-01 08:26
不过目前很少有从头开始设计的了。传统的显微镜已经很成熟，其光学系统、部件、结构都有可借鉴的产品。特殊用途的或新型的显微镜，比如数码显示的，激光扫描的等等需要设计人员设计。

northwolf	2006-03-02 11:48
实践中从头设计的当然很少了，但我在学校里就是要从头开始学习，边学习边实践吧。跟工作过有实践经验的前辈们比起来我还是很缺乏经验，谢谢大家的讨论和指出我的不足之处，向大家多学习。

liujj	2006-03-02 20:37
zta:能详细介绍一下您的12款照明设计吗?谢谢

针鼹	2006-03-30 14:05
偶是真正的新手！正在为毕设头痛中，学了四年的光工，我咋都不懂呢？有哪位好心人跟偶指点下连续变倍显微镜应该从哪里开始设计阿？

阿尼	2006-04-11 12:19
文字我也是在做毕设的，测量宝石孔的显微镜设计，有关此方面的，请前辈们教教啊文字

micher	2006-09-17 18:26
大家谈得好，我支持大家的观点，我想有我们的努力，我们的光学显微镜事业一定会快速发展

2iso	2007-01-07 20:13
very thank you.

chiang	2007-03-12 00:32
谢谢，如果方便可不可以再多谈谈目前国内外市场上自动聚焦功能的实现和方法，以及都有哪些产品，我是自动聚焦方向的研究生，刚刚入门，对市场太不了解，显微镜设计这个行业太偏了，几乎查不到资料，自动聚焦算法目前高校的研究几乎都是理论上的。

yanhuima	2007-03-16 12:09
谢谢分享!!!!

沐浴波光	2012-12-21 14:57
支持这样的经验之谈

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