连续变倍显微镜综述(光学补偿、机械补偿)

一、摘要

     传统显微镜通常需要通过更换不同倍率物镜同目镜来改变系统的放大倍率,且放大倍率不连续。将连续变焦光学系统设计应用于显微成像系统中便可以实现成像放大倍率的连续变化。概括性地总结了各种类型的连续变焦光学系统及其变焦原理,接着介绍了不同类型的连续变倍显微镜,最后对连续变倍显微镜的未来发展方向进行了讨论与展望。

二、引 言

     随着连续变焦光学系统理论的不断完善和凸轮加工技术的成熟,连续变焦光学系统的成像质量已经接近定焦光学系统,甚至可以与定焦光学系统的成像质量相媲美。

     随着连续变焦光学系统在显微成像系统中的不断应用,逐渐产生了不同类型的连续变倍显微系统,连续变倍显微技术逐渐成熟起来。本文首先对不同类型的连续变焦光学系统进行总结并相应介绍其变焦原理,接着介绍了不同类型的连续变倍显微镜,最后对连续变倍显微镜的未来发展方向进行了讨论与展望。

三、连续变焦光学系统基本原理

      连续变焦光学系统是指焦距在一定范围内连续改变,而其像面保持固定的光学系统。

四、连续变焦光学系统类型

     通过移动透镜组来改变系统焦距的方式势必会导致像面的偏移,因此需要对像面偏移量进行补偿。根据连续变焦光学系统变焦组及补偿组的运动方式,可将连续变焦光学系统分为光学补偿式变焦光学系统和机械补偿式变焦光学系统;根据变焦镜头内部移动组元数量,分为双组联动变焦光学系统、多组联动及全动型变焦光学系统。

五、光学补偿式变焦光学系统

      光学补偿形式的镜头内部透镜组的移动是同方向、等速度的,只需把透镜组固连在一起进行线性移动即可。其最大的优点是不需要设计偏心凸轮,仅需在镜筒上开一条直槽,因此比较容易加工。然而这种结构一般要比机械补偿系统长,而且随着焦距的改变,像平面会发生微位移,镜头设计者的任务就是要控制光学系统像面的位移小于焦深。

      按光学补偿变焦理论,对于无限远物体成像,如果组成的光学补偿式变焦光学系统各分离的透镜组之间存在n 个间隔,就会有n 个焦距的像面处在同一个位置,称之为像面补偿点。对像面补偿点个数的判断,是从最后一个变倍透镜组向物方数去,有几个透镜组就有几个完全补偿像面偏离的点,就是说这几个焦距像面的位置都是一样的。

六、机械补偿式变焦光学系统

    与光学补偿连续变焦光学系统不同的是,机械补偿变焦光学系统中各运动组元沿光轴方向的运动是相互独立的,其运动轨迹既有线性的也有非线性的。

    有时为了降低凸轮曲线的设计难度,通常将变倍组的运动轨迹视为线性,补偿组的运动轨迹视为非线性,变倍组和补偿组之间的移动变化是一一对应关系。总的来说,机械补偿变焦光学系统根据其不同功能作用的透镜组数量可以分为两组元、三组元、四组元变焦光学系统,其中变倍组和补偿组是必需的,根据要求可以在系统前后配置固定组以校正像差,后固定组还能起到调整系统后工作距离和光学筒长的作用。

      由于正组-正组搭配或负组-负组搭配的变倍组的像面位移曲线和补偿组的物面位移曲线走势相反,难以选择物像交换及补偿曲线换根的原则,使得变焦速度偏慢。而正组-负组搭配和负组-正组搭配方式,其变倍组的像面位移和补偿组的物面位移曲线刚好同向,因而比较容易选择物像交换原则及补偿组曲线换根。

七、双组联动变焦光学系统

     双组联动型变焦光学系统有两个固连在一起的变倍组,它们按照同一方向进行线性移动,补偿组置于两个变倍组中间进行非线性运动来补偿变倍组移动所引起的像面偏移,各组元共同移动实现系统变倍与像面稳定,从而保证变焦过程中能够始终成像清晰。因此双组联动变焦光学系统兼有光学补偿和 机 械 补 偿 两 种 形 式 的 变 焦 光 学 系 统 的 特点。双组联动型变焦光学系统的变倍组由两组透镜构成,它们共同分担了变倍组的光焦度,因此可以降低变倍组凸轮曲线的压力角,同时还能减少镜片数量、实现较大相对孔径,实现光学系统小型化的同时提高了系统的变倍比。

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