体视显微镜像倾的计算机分析与校正

　　1　引　言

　　显微镜按其所得到的像是否有立体感可分为体视显微镜和生物显微镜。体视显微镜是根据人类双眼立体视觉的原理设计而成的,是一种具有正像立体感的目视仪器。它由两个分离的光路组成,分别将物体成像到人的左眼和右眼,经人脑处理这两部分图像,产生一个三维空间的立体视觉图像,和人们直接观看物体一样,富有立体感、真实感,但却放大了数十倍、数百倍。其特点为:视场直径大、焦深大、工作距离长、正像。根据体视显微镜这些光学原理和特点决定了它在工业生产和科学研究中的广泛应用。如在生物、医学领域用于切片操作和显微外科手术;在工业中用于微小零件和集成电路的观测、装配、检查等工作。

　　Greenough(格雷诺)系统是体视显微镜的一种典型结构。它于1890年由美国科学家Greenough H S提出。它由两个单独的对称系统组成,对称系统之间成一夹角,称为体视角。在现代设计中,为了更符合人机工程学,体视角的大小取值应与人眼的体视角相当,一般为10°~12°。每个系统有独立的目镜和物镜[1]。在系统成像中,像绕出射光轴的微量转动就是像倾斜[2]。在体视显微镜的设计中,除了设计出优良像质的物镜、做到左右两支光路的放大倍数一致、选择合适的照明等,还必须做到左、右两目镜视场中像的方位一致,才能观察舒服,长期使用无疲劳感觉。现就体视显微镜中左右视场像的方位不一致性———像倾,利用计算机三维机械设计软件PRO/E进行模拟,提出校正办法。

　　2　像倾在体视显微镜中的表示

　　如图1,左右目镜是带有360°圆刻线的测微目镜。在有像倾的系统中,位于物方的水平线段AA,通过左目系统成像后在左目镜中得到的像不再是一条水平线段了,而是与水平线成一定夹角的线段A1A1。同样AA经右目系统成像到右目镜的像A2A2也不是一条水平线,与水平线也成一夹角。在工程中把A1A1与A2A2的夹角δ定义为像倾角。在国家标准GB/T19864.2-2005中规定,体视显微镜左右光学系统像面方位差即像倾应不大于2°[3]。

　　3　像倾产生的原因及补偿办法

　　现以Greenough系统为例分析像倾产生的原因。图2是Greenough系统典型结构。为方便观察,一般在变倍物镜后放置一块转像棱镜,常用的是半五角棱镜,以获得合适的观察角。如图2,当两个半五角棱镜的入射面平行于物面、主截面相互平行(正放)时,从左右半五角棱镜出射的两光轴夹角等于体视角ω,不会有像倾的产生。显然,在这样的系统中,当体视角ω一定时,瞳距D随共轭距L的增大而增大,而显微镜产品对瞳距是有要求的,一般最小值不大于55mm[4]。所以这样的设计仅适用于系统较小、放大倍数较低的体视显微镜。当系统朝高成像质量、高连续变倍比、高分辨力和多功能方向发展时,系统的共轭距L变大,瞳距就不能满足设计要求了。因此在高档体视显微镜中,为符合瞳距值的要求,常常采用了图3所示的设计,把左右两半五角棱镜绕Z轴旋转一角度β1,使得从左右半五角棱镜出射的光轴夹角减小到(ω-Δω),来满足最小瞳距的要求。但是,这时像倾就产生了。