光学补偿式连续变倍体视显微镜的光学设计

　　1　引　言

　　体视显微镜具有工作距离大,体视感强等特点,在各行各业得到广泛应用。体视显微镜有有级变倍和连续变倍两种形式。有级变倍体视显微镜的物镜倍数是固定的。例如1×和3×一组,2×和4×一组,倍数选择不方便;连续变倍体视显微镜的物镜焦距(或倍率)可连续变化,而像面保持稳定,在变焦过程中像质良好。由于其使用性能好,且有远远大于有级变倍体视显微镜的利润,目前已成为各显微镜厂争相开发的对象。连续变倍体视显微镜的变焦方式通常采用机械补偿式,这种方式可以在理论上做到像面不漂移,但变倍补偿组以一非线性的曲线在运动,这对变倍曲线的加工精度要求比较高,而且光学装配的难度也比较大。所以,在变倍范围和数值孔径较小的连续变倍体视显微镜中往往会采用光学补偿的结构。这种形式下透镜组的移动是同方向等速度的,只需用机械把透镜组连在一起作线性移动即可。没有曲线,仅需在变倍筒上开一直槽。光学补偿式结构在变倍过程中像面是漂移的,但由于数值孔径小,景深较大,只要像面漂移不超出景深范围,在观察时,就不会感觉到像面的漂移。

　　2　变焦原理

　　光学补偿式系统可以分为正组在前和负组在前两类,本文介绍的系统采用正组在前,无前固定组的形式,图1为该形式的光学系统图。图中L1、L2和L3为变焦组,L4为后固定组。其中L1和L3连在一起作线性运动,L2和L4固定不动。根据像面稳定点的判断条件,即从最后一个变倍透镜组向左数去,有几个透镜组就有几个完全补偿像面偏离的点,可知此系统有三个完全补偿像面偏离的点。图2,3,4分别为变焦系统高、中、低倍时的光路运行简图。

　　3　变焦系统的高斯光学

　　设4组透镜的焦距分别为f1、f2、f3、f4。Ⅰo、Ⅱo是L1和L3的起始位置,为高倍率。Ⅰm、Ⅱm是L1和L3的终止位置,为低倍率。相应的中间间隔为d12(o)、d12(m)、d23(o)、d23(m)、d34(o)、d34(m),物距为-l1(o)、-l1(m),后截距为l4′(o)、l4′(m)。L1和L3用机械连在一起,线性的向右移动,如图5所示。要确定各透镜的焦距和位置,可采用编程的方法。现将编程所需推导关系列举如下:

　　先赋予f1、f2、f3、l1(o)、l4′(o)、d12(o)、d34(o)和d一初始值。其中d=d12(o)+d23(o)。

　　修改初始值的根据,一是d12、d23和d34大于零。考虑到透镜的主要距离、结构的要求,d12、d23、和d34的最小值应为一正数。二是变倍倍率满足要求。三是像面漂移尽量小,像面漂移在1mm左右为好。

　　4　变焦物镜设计实例

　　主要技术指标如下:

　　变倍范围:-1×～-4×

　　最小工作距离:95mm