连续变倍体视显微镜共用前置物镜的设计(1)

文章编号:1005-5630
(2003)06-0020-05
连续变倍体视显微镜共用前置物镜的设计
Ξ
瓮亚珲
(南京江南光电(集团)新兴光学仪器有限公司,江苏南京210037)
摘要:分析了平行光系统的连续变倍体视显微镜的共用前置物镜的光学特性,讨论了共用前置物镜的设计方法,样机实测结果表明,视场清晰范围及视场中心分辨力达到机械行业标准的规定。

关键词:平行光系统;连续变倍;共用前置物镜中图分类号:TH 74212 文献标识码:A
Design of a common -shared front objective in a novel zoom stereomicroscope
WENG
Ya 2hui
(Xinxing Optical Instrument Co .,Ltd .,Nanjing Jiangnan Optics and Electronics (Group ),Nanjing 210037,China )
Abstract :This paper analysises the optical characteristics of a common 2shared front objective in a novel zoom stereomicroscope ,whose optical system is parallet light path system .Then it discuses the new ideas of designing the common 2shared front objective .A prototype of such a system has been test 2ed .Its results show that both the size of sharp image field and the central resolution achieve those de 2fined in the mechanical industry standards .
Key words :parallet light path system ;novel zoom system ;common 2shared front objective
1　引　言
连续变倍体视显微镜的结构形式有两种:一类是倾斜光路系统,如图1(a )所示;另一类是平行光路系统,如图1(b )所示。

比较这两种形式发现,后者有明显的优势。

因为这种形式的连续变倍体视显微镜,在共用前置物镜和变倍系统之间、变倍系统和镜筒透镜之间均为平行光,因此,在变倍系统和镜筒透镜之间可以配置摄影、摄像、彩色电视显示及图像分析处理等装置,使显微镜功能多样化及扩大使用范围。

以下主要讨论这种显微镜中消色差共用前置物镜的光学特性的特点和设计方法。

2　共用前置物镜的光学特性的特点
图2中的共用前置物镜、ZOOM 及镜筒透镜构成组合显微镜,视观察物体y ,经组合显微镜在目镜物方焦平面成一共轭像y ′,因此,组合显微镜的垂轴放大率:
Β组=(-f 镜筒′ f ′
0) Βz =y ′ y
(1)
第25卷　第6期2003年12月
光　学　仪　器
OPTICAL INSTRUMENTS
Vol.25,No .6December ,2003
Ξ
收稿日期:2003205212
作者简介:瓮亚珲(19692),女,江苏泰兴人,工程师,学士,从事光学仪器产品的光学设计。

图1
　连续变倍体视显微镜结构形式
图2　组合显微镜成像关系
式(1
)中f ′
镜筒为镜筒透镜的焦距;f
′
为共用前置物镜的焦距;Βz 为ZOOM 的垂轴放大率,从式(1)可以看
出Β组随Βz 变化而变化。

而像高y ′是始终不变的,当Βz 小时,线视场y 大,即低倍时观察范围大;反之当Βz 大时,线视场y 小,即高倍时观察范围小。

换言之,当倍率由低到高连续变化时,视场由大到小连续变化。

对ZOOM 来说,平行光入射后以平行光出射,可视为望远镜系统,图2中前固定组1、变倍组2和补偿组3组合成望远镜物镜,后固定组4为“目镜”,组合望远镜物镜焦距f 组z ′为
f
组z
′=f ′1 Β23(2)
式中f
′
1
为前固定组1焦距;Β23为2和3组合垂轴放大率。

根据望远镜的放大率公式[1]
#z =Χz =-f 组z
′ f ′
4
(3)
式中f
′
4
为后固定组4焦距,将式(2)代入式(3)得出:
#z =Χz =-f
′
1
Β23 f ′4
本设计取f ′1=f ′4,上式变为
#z =Χz =-Β23=1 Βz
(4)根据望远镜系统视放大率与入瞳直径D z 和出瞳直径D ′z 的关系,得出
#z =D z D ′
z =-Β23
(5)
根据式(5),高倍时 #z m ax = Β23 m ax = D z D ′z m ax >1,D z >D ′
z ,前固定组的轴向光束口径最大,其镜框为
・
12・第6期瓮亚珲:　连续变倍体视显微镜共用前置物镜的设计　
孔径光阑;同理可知,低倍时,后固定组的镜框为孔径光阑。

由此可见,不同倍率时孔径光阑位置是不同的,
D z 大小也随之连续变化。

由图2可以看出ZOOM 的入射光束即是共用前置物镜的出射光束,ZOOM 的入瞳即是共用前置物镜的出瞳。

因此,在变倍过程中前置物镜的孔径光阑位置和相对孔径是不断变化的。

共
用前置物镜为左右两支光路共用,两路光轴之间有一定的距离要求,因此共用前置物镜的实际口径为
图2所示的D ,而进入共用前置物镜成像的有效轴向光束口径为D 0,有效相对孔径为D 0 f ′
0。

3　共用前置物镜的设计
满足上述光学特性,首先要选择合适的结构类型。

物镜结构类型是根据系统的成像质量和光学特性要求决定的。

ZOOM 体视显微镜倍率变化时,前置物镜的视场和相对孔径不断变化,低倍时视场最大,相对孔径最小;高倍时视场最小,相对孔径最大。

为了兼顾各种倍率的成像质量,取低倍的视场,高倍的相对孔
径作为前置物镜的光学特性要求。

相对孔径为D f ′
0,其中D 是满足高倍时有效光束口径D 0所需前置物镜的实际通光口径。

本设计2Ξ=17176°,D f ′
0=1
214,f ′0=100,选用单—双型结构类型[2]。

图3　左右系统的成像光束
其次,使用Zemax 光学设备程序对前置物镜进行独立校正像差。

如图3所示,当左右两眼同时观察A 点时,进入左右两支系统的光束aa 和bb 对前置物镜不对称,成像情况不同,左右两眼看到的A 点像清晰程度不同。

在进行像差优化时,必须同时校正aa 和bb 光束的像差,在变倍过程中,aa 和bb 两束光的位置和口径不断变化。

设计前置物镜的关键在于,如何实现只使不同倍率的aa 和bb 光束参加像差校正,挡掉那些不参加成像的光线,共用前置物镜的像位于无穷远,应按如图4所示的反向光路进行设计。

由图4看出,aa 光束的入瞳位于前置物镜后面l z a 处;bb 光束的入瞳位于前面l z b 处;入瞳距l z =h z tg Ξ,式中Ξ为视场角;h z 为主光线在物镜组上的投射高,等于前置物镜和ZOOM 光轴之间的距离,变倍过程中l z 不断变化。

本设计高、中、低三种倍率边缘视场的aa 和bb 光束对应的l z 值如下:
低倍:Ξm ax =-8
188°,l z a =-l z b =49mm 中倍:Ξm ax =-2186°,l z a =-l z b =95123mm
高倍:Ξm ax =-1
1119°,l z a =-l z b =100
mm
图4　“变焦系统”的入瞳位置
・22・　光　学　仪　器第25卷
为能设计光学特性变化而焦距不变的共用前置物镜,设想在此物镜前附加一个f ′=∞的理想薄透镜
系统,与前置物镜组成一个“变焦系统”,两透镜之间的间隔为可变间隔(记为111・111),入瞳与附加系统重合,如图4所示,可变间隔数值等于不同视场aa 和bb 光束对应的l z ,半入瞳高等于相应的轴向光束半口径D 0 2,用这种办法解决了复杂光束限制及前置物镜设计的问题。

改变可变间隔,其实质是入瞳距变化,不影响焦距大小,因此f ′0为定值,通过运行程序,使前置物镜同时校正高、中、低三种倍率下左右两路成像光束(
aa 和bb )的像差。

同时使前置物镜的出射光束与ZOOM 的入射光束基本上衔接起来。

表1给出了
“变集系统”的光学特性要求。

表1　“变集系统”光学特性
Ξ (°)H mm
可变间隔 mm
f
′
Ξ (°)H mm 可变间隔 mm
f
′
-818821749100-2186516-95123100-8188217-49100-11119815100100-2186
516
95123
100
-11119
815
-100
100
ZOOM 体视显微镜为非共轴系统,把图1(b )的纸面定义为X 2Y 平面,则物平面为Y 2Z 平面,不难看出,图5(a )中沿Y 轴上下分布的物点对光学系统不再对称,各点成像质量不同,沿Z 轴上下分布的物点对本系统尚保持对称性。

为了保证整个视野成像都清晰,必须如图5(a )所示,在Y 2Z 物平面上取上、下、左各点同时进行像差校正,而不能像图5(b )所示共轴系统那样,只在+Y 方向上取几个物点进行像差校正,视场内物点分布如图5所示。

图5　视场内物点分布
4　实测结果与像质评价
经过Zemax 光学设计程序计算,对前置物镜进行独立校正像差,分别计算低倍、中倍和高倍时的轴上像差(longitudinal aberration )和场曲 畸变(field curvature distortion ),计算结果如图6所示。

试制样机经国家光学仪器质量监督检验中心测试,1倍消色差共用前置物镜(f 0′=100mm )像质数据如下:
(1)成像清晰范围(以视场直径的百分比计算,使用10×目镜):大于70%(2)视场中心分辨力(l mm ),大大超过JB T 781621995的要求,JB T 781621995要求“体视显微镜在视场中心的最小分辨力为1800NA l mm ”。

实测数据如表2所示:表2　视场中心分辨力(l mm )
倍率
左目
右目
倍率
左目
右目
614×256256215×1441615×228228116×901790174×
181
204
018×
64
64
・
32・第6期瓮亚珲:　连续变倍体视显微镜共用前置物镜的设计　
图6　JSZ —8连续变倍体视显微镜像差分析
5　参考文献
[1]　张以谟1应用光学[M ]1北京:机械工业出版社,19841
[2]　王之江1光学技术手册(上册)[M ]1北京:机械工业出版社,19871
消 息
便携式青光眼激光治疗仪
一种新型便携式青光眼激光治疗仪在南非问世。

该仪器体积小巧、轻便灵活,重量只有7kg ,可用普通电池作为电源,这是目前全球唯一可随身携带的青光眼激光治疗仪,为边远地区的青光眼患者带来了希望。

青光眼是一种常见眼科疾病。

目前,世界上广泛采用的青光眼治疗是通过激光照射方法减少房水分泌细胞的数量来降低眼压。

与其他方法相比,激光治疗法不仅痛苦小,而且快速有效。

但目前传统的激光治疗仪不仅体积庞大,而且价格不菲,因此目前南非只有极少数私立医院才能配备这种专用的治疗仪,而南非边远地区的病人根本负担不起昂贵的医疗费用。

此次由南非自行研制的便携式激光治疗仪由南非科学开发和综合公司(SDI )制造。

该公司是南非著名激光器公司,生产的治疗仪由于采用二极管激光系统,使体积和耗电量大大减少,不仅便于携带,而且价格低廉(仅为传统激光治疗仪价格的1 3),还可使用普通电池供电。

据南非比勒陀利亚大学所作的测试表明,治疗效果令人非常满意。

(摘自《科技日报》
)・42・　光　学　仪　器第25卷。