大视场显微镜的设计

　　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Ⅰ和球面反射镜Ⅱ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Ⅰ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Ⅰ反射后的光轴不再是BD,而是BF;从右往左看,当球面反射镜Ⅱ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Ⅱ反射后的光轴不再是CD,而是CE。通过将球面反射镜Ⅰ和球面反射镜Ⅱ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。

　　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。