数码相机在显微技术中的应用
发布时间：2017-09-01
1引言
光学显微镜可以把人眼不能分辨的微小物体放大成像,以供人们提取微细结构信息。为了提高显微镜观察微细结构的能力,显微镜本身的结构原理不断发展。例如,偏光显微术、干涉显微术、相衬显微术等。同时,近年来,显微观察技术也在不断创新,市场上出现了一种显微图像直接与CCD耦合的数码显微镜,通过监视器或计算机屏幕进行放大观察,极大地提高了放大率;另一种利用数码相机和显微镜来实现数码显微摄影和数码显微存储,然后数码相机和计算机相连,即时拍摄图像,并传输到计算机。随着数码相机的分辨力不断地提高,所拍摄显微图像清晰度也在不断地提升。现侧重研讨数码相机与显微镜连接的专用转接镜的应用与设计。
2显微镜观察技术进展
古典的光学显微镜只是光学元件和精密机械元件的组合,它以人眼作为接收器来观察放大的像。显微镜中所观察到的影像,只能靠有限的手绘技巧粗略纪录。后来在显微镜中加入了摄影装置,以感光胶片作为可以记录和存储的接收器,这种方法的优点是解晰度高,相当接近人类肉眼所能辨识的极限,另外,底片可以较长时间保存,相片也可以重复洗印。缺点是没有实时性,将图片转化成电子文挡的时候,细节有损失等等。
近代又普遍采用光电元件――电荷耦合器CCD作为显微镜的接收器,在显微镜的实像面处装入电视摄像靶(电荷耦合器CCD),这些光电器件把光学图像转换成电信号的图像,图像通常以两种方式显示:一种方式是用一个监视器显示显微图像,图像的放大倍率有很大提高。例如:若采用1/2英寸CCD,它的靶面对角线尺寸是8mm,监视器采用17英寸,那么,电子的放大率是:
显微镜总的放大率是:M总=M物镜×M电子,显然,与目镜观察相比,图像的放大率得到了很大的提高。另外,不仅人的眼睛能从目镜观察中解放出来,而且可以使更多的人同时进行观察、判别。但是,与目镜观察相比,视场损失很大。因为,一般显微物镜像的大小约为<18mm,平场物镜甚至更大,可达<24mm～<28mm,而1/2英寸CCD靶面的对角线为8mm,被显微物镜放大的像没有被充分观察到。为解决这个问题,通常在显微物镜后加一个附加镜头,附加镜头将显微物镜所成的像缩小,以配合CCD靶面尺寸。此时显微镜的放大倍率为M总=M物镜×M电子×M附加镜,这样视场损失小了,而放大倍率下降了。根据实际工作需要,附加镜头通常做成可变焦的。
另外一种显示方式是采用电脑显示屏显示,将图像通过图像卡直接输入到计算机中进行各种处理,构成了完整的图像信息采集和处理系统。这种一体化设计的数码显微镜国内与国外都有产品,它的优点是:大大缩减了因冲洗照片而耽误大量时间,另外拍摄后的照片即时传入到计算机的分析软件,立刻得出分析结果,实现数据存储、分析、打印等功能。虽然放大后的图形进入计算机后,可以利用计算机软件将图形进行局部放大,总的放大倍率为M总=M物镜×M电子×M附加镜×M计算机,但这个系统仍然存在视场大小和放大倍率的矛盾。而且,在观察时还需要与一台计算机相连,在各种生产现场不是很方便。
这里,提出一种能克服以上不足的新的观察方法,即将数码相机通过一个专门设计的转接镜头与显微镜组合,即可拍摄显微图像。在这个系统中,无需另外购买显微镜和数码相机,只需增加一只转接镜头即可。使用时,取出观察目镜,将转接镜头插入目镜座,通过数码相机标准接口与数码相机连接,即可拍摄。由于数码相机是全屏拍摄的,所以,显微物镜所放大的像可以充分利用,视场没有损失。另外,系统可以脱离计算机独立工作,使用方便,拍摄后只需将相机中的存储卡拿到计算机上读出即可。这样就不必为显微镜专门配备一台计算机。而且,随着数码相机的分辨力的不断提高,所拍摄显微图像的清晰度也能提升。因而此系统是实惠、可行的。
3转接镜头光学设计
3.1光学系统的高斯光学要求
3.1.1考虑到显微镜和数码相机的品牌很多,它们的像差无法获知。由于设计时假设显微物镜和数码相机成像是完善的,因而数码相机用一个理想光学系统替代,也不需要考虑像差补偿问题。设计采用Olympus数码相机,镜头可变焦,焦距为6.5mm～19mm,CCD为1/2英寸,靶面尺寸为6.4mm×4.8mm,设计时,设平场显微物镜所成像的视场最大值为<28mm,为充分利用平场显微物镜所成像的视场,转接镜的视场应与之配合,与之耦合的数码相机的焦距应取短焦,因此,转接镜与数码相机配合图像将缩小M=28/4.8=5.8倍。因此,转接镜头的焦距为f=6.5×5.8=38mm。设计时,取转接镜的焦距f=40mm。
3.1.2转接镜的F数应与显微镜的像方数值孔径NA相匹配。
3.1.3设计时应注意两个系统的瞳窗配合问题,它包含两个方面内容,即两个系统光瞳位置和成像位置的配合,视场大小的配合。
3.2转接镜头选型
转接镜用五片三组广角目镜构成,它将显微物镜所成的像成像在无限远处,数码相机将无限远处的像成在1/2英寸的CCD靶面上。光路如图3所示,显微物镜的出射光瞳(也是转接镜的入射光瞳)它距转接镜的物面(也是显微镜的像面)为160cm;对数码相机入瞳位置粗略地测试,结果表明:在f=6.5mm时,入瞳在镜内约28mm(随着焦距增大,入瞳位置在镜内深度也增加),考虑到接口位置和安装位置需要等,转接镜的出瞳位置取33mm;由于转接镜头是插入目镜筒中的,因此,转接镜的物方焦点位置需大于36mm。如图1,为转接镜头的结构。
根据以上成像关系,转接镜头参数选择如下:
(1)焦距f=40mm;
(2)出瞳位置33mm,出瞳尺寸6mm;
(3)像方视场角2X=40°;
(4)物方焦点位置大于36mm。
3.3转接镜头设计结果
图2是转接镜头的光学传递函数曲线。可以看出,这是一个比较完善的设计,该镜头的介入不会影响数码相机的成像质量。
3.4全系统光路
如图3,显微物镜将观察对象成像在位置2,这也是转接镜的物面,转接镜将位置2的物面成像在无限远处,数码相机将无限远处的像成在位置5上。显微镜的出瞳也是转接镜头的入瞳,转接镜头的出瞳也是数码相机的入瞳。
4结论
以上设计结果经实践证明是很实用的,已投产几百个。随着科学技术的飞速发展,数码相机与计算机日益普及,数码相机的分辨力和功能在不断地提高,而价格却不断地下降,用数码相机与现有的显微镜通过转接镜头相连,实现显微观察的方法,价格不高(只需配一个转接镜头),使用方便,有良好的应用前景。
摘自：中国计量测控网
