光學(xué)顯微鏡的設(shè)計(jì)基本流程

摘?要：顯微鏡能讓人們看到數(shù)以百計(jì)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(rèn)識(shí)微觀世界不斷的提供有效的光學(xué)解決方案。19世紀(jì)以來(lái)，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(xué)顯微鏡設(shè)計(jì)基本流程。

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

光學(xué)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(cè)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(xì)胞，細(xì)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(cè)量顯微鏡用于工件量測(cè);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(duì)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(jì)，但在設(shè)計(jì)之前必要的準(zhǔn)備工作也是不可缺少的。首先需要做關(guān)于產(chǎn)品市場(chǎng)調(diào)查和分析，充分了解市場(chǎng)需求從而確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向和定位。根據(jù)確定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(duì)比，從而進(jìn)入初步設(shè)計(jì)評(píng)審，通過(guò)后將進(jìn)入產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段。出于對(duì)顯微鏡成品的成本控制，顯微鏡的設(shè)計(jì)前期除了對(duì)市場(chǎng)的對(duì)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(jī)功能的需求。

對(duì)顯微鏡設(shè)計(jì)而言，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是顯微鏡的靈魂，占據(jù)著顯微鏡設(shè)計(jì)中的主導(dǎo)地位。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xué)系統(tǒng)則是根據(jù)前期準(zhǔn)備工作中的技術(shù)參數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(chǎng)面曲校正程度分為消色差物鏡，平場(chǎng)消色差物鏡，平場(chǎng)半復(fù)消色差物鏡，平場(chǎng)復(fù)消色差物鏡。目鏡分為惠更斯目鏡，雷斯等目鏡，補(bǔ)償目鏡，廣角目鏡。

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)束后是顯微鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(kāi)始顯微鏡的外形造型設(shè)計(jì)，其中需要運(yùn)用到工業(yè)設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。在進(jìn)行外形造型設(shè)計(jì)的同時(shí)，還要考慮到此款顯微鏡日后的系列化產(chǎn)品的擴(kuò)充設(shè)計(jì)，不僅能節(jié)約成本，還能加快其余系列化產(chǎn)品的市場(chǎng)化。所以外型的初步造型工作尤為重要，需要進(jìn)行反復(fù)多次的設(shè)計(jì)評(píng)審，通過(guò)后才進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)化工作。

以最普及的生物顯微鏡為例，其機(jī)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(tái)，粗微動(dòng)調(diào)焦機(jī)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(jiǎn)化顯微鏡總體裝配時(shí)所需要的調(diào)校，檢測(cè)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(dá)到既定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)，通過(guò)檢測(cè)后，再進(jìn)行顯微鏡的總體裝配調(diào)校過(guò)程。因此在進(jìn)行各部件化設(shè)計(jì)時(shí)，就需要考慮到哪些零部件所含的光學(xué)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(lái)設(shè)計(jì)是否需要轉(zhuǎn)配基準(zhǔn)或可調(diào)機(jī)構(gòu)等。生物顯微鏡各部件化的檢測(cè)最低標(biāo)準(zhǔn)可以結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2985生物顯微鏡，其檢測(cè)方法則需要在設(shè)計(jì)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(yùn)用。

考慮到顯微鏡的部件結(jié)合人機(jī)功能學(xué)，雙目或三目觀察鏡筒的設(shè)計(jì)也可以采用可傾角的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。物鏡轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)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(guò)程中的定位的準(zhǔn)確穩(wěn)定性。常用的有4孔位的轉(zhuǎn)換器，同時(shí)能安裝4個(gè)倍率的物鏡。機(jī)械載物臺(tái)有齒條傳送帶和鋼絲導(dǎo)軌兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合人機(jī)功能學(xué)，可以設(shè)計(jì)為左右手輪可調(diào)換的結(jié)構(gòu)，也可以通過(guò)將載物臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°改變安裝位置來(lái)實(shí)現(xiàn)左右手輪的互換性。載物臺(tái)上的切片夾根據(jù)其X，Y方向移動(dòng)行程可以分為一片式或多片式。粗微動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)一般采用同軸式，可以采用齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)微動(dòng)的精度要求可以增加齒輪減速箱，按其功能可以增加隨機(jī)限位裝置，防撞裝置等。聚光鏡中根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)裝置，方便客戶取下和安裝。集光鏡根據(jù)功能需求和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的尺寸來(lái)增加視場(chǎng)光闌?，F(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?zé)簦」鉄簦ü療?氙燈），激光光源，LED光源。隨著LED燈的普及性，由于LED燈的長(zhǎng)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(jì)中需要增加散熱結(jié)構(gòu)，在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮到光的利用率及其均勻性。電器部分的設(shè)計(jì)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(jì)部分內(nèi)容都是基礎(chǔ)的顯微鏡設(shè)計(jì)。將上述的顯微鏡的運(yùn)動(dòng)的各部件與計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)照明亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)調(diào)焦，成像的計(jì)算機(jī)的可視化等功能，以實(shí)現(xiàn)顯微鏡的自動(dòng)化。顯微鏡的自動(dòng)化將人手動(dòng)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(huì)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(guó)產(chǎn)儀器逐漸向高質(zhì)量提升。

現(xiàn)代顯微鏡融合了光機(jī)電算、自動(dòng)化、AI人工智能、5G等多學(xué)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(xué)的發(fā)展帶來(lái)前所未有的生命力。

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[2]舍英，伊力奇，呼和巴特爾.現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡[M].北京：科學(xué)出版社，1997.

作者簡(jiǎn)介：鐘小英，南京江南永新光學(xué)有限公司。