光學顯微鏡的設計基本流程

摘?要：顯微鏡能讓人們看到數以百計的微小生物，以及從人體到植物纖維等各種東西的內部構造。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計基本流程。

關鍵詞：光學系統設計;結構設計;部件化

光學顯微鏡按功能分為以下幾大類：常規顯微鏡，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。

對于顯微鏡企業而言，一款新的顯微鏡的誕生主要取決于顯微鏡的設計，但在設計之前必要的準備工作也是不可缺少的。首先需要做關于產品市場調查和分析，充分了解市場需求從而確定產品設計方向和定位。根據確定的產品設計方向和定位初步確定產品的技術參數及同類產品的技術參數的對比，從而進入初步設計評審，通過后將進入產品設計階段。出于對顯微鏡成品的成本控制，顯微鏡的設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，以及人機功能的需求。

對顯微鏡設計而言，光學系統設計是顯微鏡的靈魂，占據著顯微鏡設計中的主導地位。光學系統設計結果直接決定顯微鏡成像質量的高低及顯微鏡產品的定位。光學系統則是根據前期準備工作中的技術參數來進行設計。光學系統的設計核心是物鏡和目鏡，在產品定位的基礎上盡量提高系統的分辨率，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，平場半復消色差物鏡，平場復消色差物鏡。目鏡分為惠更斯目鏡，雷斯等目鏡，補償目鏡，廣角目鏡。

光學系統設計結束后是顯微鏡的機械結構設計。根據光學系統設計和產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計，其中需要運用到工業設計方面的知識。在進行外形造型設計的同時，還要考慮到此款顯微鏡日后的系列化產品的擴充設計，不僅能節約成本，還能加快其余系列化產品的市場化。所以外型的初步造型工作尤為重要，需要進行反復多次的設計評審，通過后才進行結構細化工作。

以最普及的生物顯微鏡為例，其機械結構主要分以下幾部分：雙目或三目觀察鏡筒;鏡體部分，物鏡轉換器，載物臺，粗微動調焦機構，聚光鏡，集光鏡，光源和電器部分。為了提高生產效率，簡化顯微鏡總體裝配時所需要的調校，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計標準技術參數，通過檢測后，再進行顯微鏡的總體裝配調校過程。因此在進行各部件化設計時，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校中起到決定性的作用，根據其作用來設計是否需要轉配基準或可調機構等。生物顯微鏡各部件化的檢測最低標準可以結合國家標準GB/T2985生物顯微鏡，其檢測方法則需要在設計結構中考慮到裝配輔助工裝（現有的或新制的）在裝配工序中的運用。

考慮到顯微鏡的部件結合人機功能學，雙目或三目觀察鏡筒的設計也可以采用可傾角的結構設計。物鏡轉換器的設計要考慮到物鏡的連接尺寸，所需要的孔位數，和鏡身結合的傾斜方式及傾斜角度，轉換過程中的定位的準確穩定性。常用的有4孔位的轉換器，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軌兩種結構設計，結合人機功能學，可以設計為左右手輪可調換的結構，也可以通過將載物臺旋轉180°改變安裝位置來實現左右手輪的互換性。載物臺上的切片夾根據其X，Y方向移動行程可以分為一片式或多片式。粗微動調焦機構一般采用同軸式，可以采用齒條傳動結構，根據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。聚光鏡中根據光學系統的設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。集光鏡根據功能需求和光學系統設計的尺寸來增加視場光闌。現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光源的應用在結構設計中需要增加散熱結構，在光學系統設計中需要考慮到光的利用率及其均勻性。電器部分的設計則是為了給LED供電并使得LED照明亮度可調。

以上的設計部分內容都是基礎的顯微鏡設計。將上述的顯微鏡的運動的各部件與計算機技術，自動控制技術相結合，來實現照明亮度的自動調節，自動調焦，成像的計算機的可視化等功能，以實現顯微鏡的自動化。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性大大的降低。隨著社會的不斷發展顯微系統逐步向高分辨、超分辨和智能化發展，國產儀器逐漸向高質量提升。

現代顯微鏡融合了光機電算、自動化、AI人工智能、5G等多學科和技術并相互交叉融合形成新的技術應用，突破傳統技術瓶頸，給現代顯微科學的發展帶來前所未有的生命力。

參考文獻：

[1]余湉.基于產品設計心理學的MR9000倒置顯微鏡造型設計研究[D].南京：南京工業大學，2016.

[2]舍英，伊力奇，呼和巴特爾.現代光學顯微鏡[M].北京：科學出版社，1997.

作者簡介：鐘小英，南京江南永新光學有限公司。