立体变倍显微镜的设计

　　引　言

　　立体显微镜在诸如眼科等外科手术中已得到广泛应用,立体变倍显微镜由于其通用性也开始得到广泛采用,其中变焦距镜头是整个立体变倍显微镜的关键。本文描述立体变倍显微镜,尤其是其中变焦距部分的设计方法和设计过程,同时给出用于优化变焦凸轮的CODE V宏命令序列。

　　1　系统构成及要求

　　如图1所示,除照明光学系统外(图中未画出),立体变倍显微镜由三个主要部分组成。第一部分是大物镜,它具有长焦距和长工作距,聚焦在手术区域并为变倍部分提供准直光束。第二部分是具有相同光学结构和特性的两只变焦距镜头(图中只画出一只),每只变焦距镜头都聚焦来自大物镜的光束并形成实象,两只变焦距镜头的光轴相对于大物镜光轴都具有13mm的横移。在变焦距部分中,有四个棱镜用于调节眼瞳间距和观察方向,图中我们采用四块玻璃平板来等效表示四块棱镜。最后部分是具有相同光学结构和特性的两只目镜(图中只画出一只),每只目镜的光轴与相应变焦距镜头的光轴相重合。

　　对整个系统而言,由于空间和结构布局方面的限制,必须控制其中某些元件的通光孔径。基于上述因素和现实条件,我们确定出对新系统各组成部分的详细要求如下:

　　1)大物镜:焦距200mm,工作距离≥194mm,最大直径66mm。

　　2)变焦距镜头:焦距变化范围70～420mm,最大光栏直径12mm,象面直径18mm,总长度≤310mm,后工作距≥22mm。

　　3)目镜:出瞳距离≥22mm,焦距20mm (放大率12.5×),前工作距≥6mm。

　　2　设计过程及方法

　　2.1　变焦距部分设计

　　如图2所示,变焦距部分由补偿组、变倍组、固定组、光栏、固定小物镜和四块棱镜组成。为简单起见,整个设计过程中我们采用四块平板来等效四块棱镜。

　　为方便稳象并消除棱镜装校期间运动部分对稳象的影响,我们对小物镜包括光路中的四块玻璃平板单独进行优化。根据固定调整棱镜的结构要求以及后工作距要求,应使小物镜的焦距等于180mm。

　　根据光栏尺寸、象面尺寸及其焦距,我们选择双胶合组作为小物镜的优化起点,优化变量是三个半径、两种玻璃材料和后工作距。使用CODE VTM软件,很容易进行小物镜的优化以及光学玻璃的选择和半径的靠模。优化完成后,应将包括后工作距在内的所有变量冻结。根据“物象交换原则”以及进入补偿组的光束和从固定组出射的光束均为平行光束的现实,在参考相关专利并根据需要进行近轴计算后,可以确定补偿组、变倍组以及固定组的初始结构及初始参数和三个可变轴向间隔。在此初始阶段,可以只选择3或5个变倍位置,而且必须在补偿组前增加一个虚拟面以保持虚拟面和象面间的总长度不变。输入所有初始参数,包括可变空气间隔、受控表面通光孔径、可变性能指标,然后可以采用CODE V的VIE选项进行诊断分析。为保持象面尺寸不变,应使用YIM作为视场指标;考虑到受控表面通光孔径的限制,应使用EPD或NA作为孔径指标,并使用SET EPD或SET NA命令将其设为可变;为保持通光孔径和渐晕因子之间的一致性,应使用SET VIG命令。诊断时,如果并非所有位置的全部参考光线都通过系统,那么可对YIM或某些初始参数进行合理调整,直至所有位置的全部参考光线都通过系统。可以对上面确定的系统进行初步优化。优化变量可以是补偿组、变倍组以及固定组的全部参数和可变空气间隔,而优化约束是各相应位置的焦距,同时保持虚拟面与象面间距离不变。保持虚拟面与象面间距离不变的方法可以是OAL厚度解或类似下列的自定义命令序列: