大视场显微镜的设计

文章编号:1005-5630

(2003)04-0081-03大视场显微镜的设计

Ξ

张　斌(广西梧州市光学仪器厂技术中心,广西梧州543002)

摘要:描述了大视场显微镜的光学原理,技术特点,介绍了仪器的主要光学部件:辅助

物镜、物镜、球面反射镜、大目镜的设计方法,并给出了仪器的基本参数。

关键词:大视场显微镜;光学原理;设计方法

中图分类号:TH 742 文献标识码:A Design of wide view -field microscope

ZHANG Bin

(Technical Center ,Wuzhou Optical Instruments Factory .Wuzhou 543002,China )

Abstract :The optical principle and technical character of wide view field microscope are introduced .The design methods of its main optical parts ,such as :the auxiliary objective ,the objective ,the spherical mirror and large eyepiece are described .The basic data also are presented .

Key words :wide view field microscope ;optical principle ;design method

1　引　言

大视场显微镜是一种新型的光学仪器,其出瞳直径、出瞳距离、物方视场直径远大于生物显微镜和体视显微镜。传统的双目生物显微镜和体视显微镜出瞳直径一般只有几毫米[1],出瞳距小于30mm ,观察者需将双眼贴于目镜端面,并对准出瞳,双眼稍有摆动就无法对准显微镜的出瞳,这样观察容易疲劳。本文所介绍的大视场显微镜,出瞳直径可达十几毫米,出瞳距在100mm 左右,物方视场直径相当于同等物镜倍率的体视显微镜的6倍左右,适宜于长时间进行显微观察。该仪器被用于精密零件的观察和动植物解剖。2　光学原理

2.1　成像原理

大视场显微镜的光学成像原理如图1所示。被观察物体通过物镜和辅助物镜,再经平面分光镜分光后,分别成像于球面反射镜 和球面反射镜 的外反射表面上,人眼通过大目镜二次放大后可看到正立的被放大的物体像。

2.2　双目光路原理

如图2所示,该图是图1中大目镜水平方向的剖面图。从上往下看,当球面反射镜 绕图1中AC 轴逆时针方向转动一小角度后,B 经球面反射镜 反射后的光轴不再是BD ,而是BF ;从右往左看,当球面反射镜 绕图1中BD 轴顺时针方向转动一小角度后,C 经球面反射镜 反射后的光轴不再是CD ,而是

第25卷　第4期

　2003年8月 光　学　仪　器OPTICAL INSTRUMENTS

Vol.25,No .4August ,2003Ξ收稿日期:2003202225

作者简介:张　斌(19662),男,广西桂平人,工程师,学士,从事光学仪器光学系统设计工作。

CE 。通过将球面反射镜 和球面反射镜 转动一小角度后,物体A 的成像光束变为在水平方向有一夹角Α的两束光BF 和CE ,这两束光分别进入观察者的左右眼,即形成了双目观察。

图1　大视场显微镜的光学成像原理图图2　大目镜水平方向的剖面图

3　设计方法

该仪器属于大视场、大孔径的目视光学仪器,成像系统由物镜、辅助物镜、平面分光镜、球面反射镜和大目镜组成。下面分别说明各组元的设计方法。

3.1　辅助物镜的设计

从图1可知,在物镜和辅助物镜之间是平行光路。物镜和辅助物镜分别单独校正像差。根据仪器的体积要求确定辅助物镜到像点B 或C 的距离后,就可以确定辅助物镜的焦距。考虑到仪器的工作原理,辅助物镜至B 或C 的距离在400mm ～450mm 之间比较合适。辅助物镜的孔径是由物镜孔径及两者之间的距离确定的。辅助物镜的焦距和孔径确定后,得到相应D f ′值,根据D f ′

值确定相应的结构形式。3.2　物镜的设计

为了在同一仪器中获得不同的放大倍率以满足不同的观察需要,设计了多个倍率的物镜,变换倍率后各物镜仍然齐焦。物镜与辅助物镜组合后的倍率为4倍、6倍、8倍、10倍,物像共轭距为无穷远,相对孔径

D f ′

在1 2.5～1 3.5之间,焦距在40mm ～100mm 之间,物方视场直径<13mm ～<35mm 之间。为了使各个倍率物镜齐焦,必须按同一齐焦距离设计。确定齐焦距离的方法是:根据辅助物镜的焦距,计算出各倍率物镜的焦距,根据4倍物镜的焦距及物镜结构形式即可确定齐焦距离。为了获得更长的工作距离,在6倍～10倍物镜中靠近像面的一侧加入厚透镜,使物方主点向靠近物体的方向移动[2],从而使工作距离大于物镜物方焦距。

3.3　球面反射镜的设计

从图1可知,球面反射镜 和球面反射镜 位于辅助物镜的像面位置,是整个光学系统的视场光阑,其直径大小决定了仪器的视场范围。因为视场范围较大,物镜所成的像有较大的场曲,为了使接收面与物镜场曲匹配,球面的曲率应与物镜场曲相适应。

从图2可知,为了使物镜和辅助物镜所成的像经球面反射镜 和球面反射镜 反射再经平面分光镜后到达大目镜附近时,形成双光束进入观察者双眼而实现双目观察,需将球面反射镜 和球面反射镜 分别绕AC 和BD 旋转一角度,旋转角度的大小应使出射至大目镜附近的两光束水平距离与瞳距相适应。为了使仪器的出射光瞳能够根据使用者瞳距的不同而改变,需将球面反射镜 设计为可绕BD 轴转动的结构。

3.4　大目镜的设计

从图2可知,观察者是通过大目镜再次放大物镜和辅助物镜所成的一次像而观察到物体像的,大目镜・28・　光　学　仪　器第25卷