了解方圓顯微鏡系統設計的詳細步驟

   一個完整的顯微鏡系統設計是十分復雜的，涉及到光學設計、機械設計、電路設計等多方面知識；現代顯微鏡大多數與計算機技術和自動控制技術相結合，是光機電算相結合的高科技產品。方圓以自己公司這幾年的顯微鏡設計實踐為基礎，做一些簡單的知識總結，希望各位高手多多指教。

  1、要根據顯微鏡的使用要求來進行顯微鏡選型設計。顯微鏡已經有幾百年的發展歷史，它的形式也多種多樣，根據不同的使用要求顯微鏡的各種參數有非常大的差異。例如生物顯微鏡、金相顯微鏡、體式顯微鏡、測量顯微鏡、工具顯微鏡等等。以最簡單的普通生物顯微鏡為例，它也分很多種分類，按結構形式分有正置、倒置之分，按照明形式分亮視場照明和暗視場照明，按光源分熒光顯微鏡、激光顯微鏡，按共軛距分195mm和無窮遠等等。

  2、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。這一步在一般大學里的工程光學或者應用光學課程中都可以學到。按照國標，物鏡放大率1.6x、2.5x、4x、6.3x、10x、16x、40x、63x、100x等倍率。根據消色差程度的不同分為消色差物鏡、平場消色差物鏡、平場半復消色差物鏡和平場復消色差物鏡等4種。當然消色差效果越好，結構越復雜，成本越高。所以要根據使用情況盡量選擇可以滿足使用要求的成本又較低的。

顯微目鏡想對物鏡的結構要簡單很多，主要分為惠更斯目鏡、平場目鏡、廣視場目鏡、超廣視場目鏡等多種形式。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、機械筒長、光學筒長、工作距離、目鏡出瞳距、孔徑光闌和視場光闌的位置等等，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元件也要考慮到，比如場鏡、分劃板、濾光片、轉向棱鏡、偏振片等等。這些初始結構的選擇看似簡單，但對后續詳細設計來講非常重要，如果初始結構計算不正確，那么將有可能使后續設計無法開展，或者設計到后來才發現前面初始結構計算不正確，導致前功盡棄。當然，這些計算結果也不可能是一成不變的，后面也許會有一些調整，但總體來說應該不要改變太大。

  3、詳細設計物鏡、目鏡以及其它附屬結構的光學系統。現代光學設計一般都使用各種光學設計軟件，自動化程度大大提高，減輕了設計人員的勞動量。光學設計實際上就是消像差的過程，盡量提高系統的分辨率、消除像差是光學設計這所一直追求的。相信像差理論大家比我要懂得多，我不詳細說明怎樣的結構能夠對消除各種像差有影響。

我要強調的是一個“像差平衡”問題。理論上講，完全沒有像差的光學系統是不存在的，所以說“消像差”只是理想情況，更確切的說應該是“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、場曲和畸變，兩種復色像差：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滿足我們的使用要求。例如對于普通觀察用生物顯微鏡，只需要校正球差、彗差、像散和初級色差對于場曲和畸變沒有太高要求；如果要設計測量用顯微鏡，那么就必須做到平像場，以減小測量誤差。

  4、設計顯微鏡的機械結構。由于有了計算機三維設計軟件，機械結構設計也沒有以前那么復雜了，但是基本的原理和基本的要求依然沒變。我主要使用Pro/E和SolidWorks進行機械設計，因為正處在學習階段，所以使用并不是很熟練。

設計時機械設計手冊，和光學精密儀器設計手冊等參考書是少不了的，尤其是目鏡和物鏡的機械裝配問題，涉及到很精密的結構。同時機械設計也要根據實際生產加工水平來進行，說實話我覺得我們國家的機械加工水平和歐美日確實有較大差距。通過和國外的一些名牌產品的物鏡比較，我覺得機械零件的加工水平人家確實比我們高，所以有時我們可以設計出來好的鏡頭，卻無法實現。

還有一點就是要注意外形的美觀和人性化，這其中還涉及到人機工程學、心理學等方面的知識，我國生產的顯微鏡這方面做得不太好，和國外的產品對比起來總覺得不太舒服，使用起來也不如國外的方便。所以工業設計能力也是機械設計水平的一個很重要的方面。

  5、進行調光、自動調焦、自動工作臺和計算機控制等方面的設計。這些在一般的顯微鏡設計中是不太必要的，但有些高檔的研究型顯微鏡則需要進行這幾方面的設計。現在外的自動調焦技術發展很快，也是研究熱點之一，有很多自動調焦的算法，有興趣的朋友可以多查一些科技論文看看。

  6、軟件設計。有些顯微圖像需要進行圖像處理和專業軟件，這些要與軟件專業設計人員共同進行。