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如何尽可能地缩小光学系统以用于紧凑型成像设备

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用于紧凑型显微镜成像设备的OEM组件

尽管传统的显微镜和其他成像设备都很大,但现代设计技术正在让系统变得更加紧凑。但是,这些系统的小型化也带来一个重要问题:如何在紧凑型设备中集成光学系统?

作为生命科学、医学和工业领域光学组件的领先提供商,这个问题在奥林巴斯与显微镜成像设备制造商的讨论中经常会被提出。我们在本文介绍有关如何尽可能地为紧凑型设备缩小光学系统的一些思路。

设计紧凑型光学系统的关键要点

从显微镜物镜到相机成像表面的光学系统(成像光学系统)由三个部分组成:

  • 物镜,放置在靠近标本的位置
  • 镜筒透镜,聚焦来自物镜的光通量
  • 相机适配器,以适当倍率将图像投射到相机上

关键在于根据设备用途从各种选项中选择和组合适当的组件。以下为各组件需要考虑的一些因素:

1.物镜

我们可提供100多种型号的UIS2物镜,其中包括X Line系列,这款物镜在数值孔径、色差校正和图像平坦度三个方面具有更高性能。该物镜的齐焦距离为45 mm,无补偿,并且物理尺寸较小。我们的X Line物镜以及其他一些物镜均可支持波前像差控制

利用我们的物镜查找器根据您最关注的参数(如,数值孔径、倍率、使用盖玻片、油浸和色差)对物镜进行筛选。这个便利的在线工具可帮助您通过比较物镜性能选择最佳选项。

2.镜筒透镜

SWTLU-C或U-TLU均可选择作为镜筒透镜单元使用。这两个产品单元都是无修正功能的。SWTLU-C具有可覆盖超宽视场的26.5 mm像圈,所以建议将其与X Line物镜配合使用。

产品名称 像圈 总长度 最大外径 重量 安装螺纹
SWTLU-C 26.5 mm 33.6 mm 45 mm 94 g 旋入式(φ39)和螺钉安装式(M41×0.5 mm)
U-TLU 22 mm 63.6 mm 60 mm 350 g 圆形燕尾(奥林巴斯方法)

表1:SWTLU-C和U-TLU镜筒透镜在规格上的差异

3.相机适配器

我们提供四种具有不同投射倍率的相机适配器:U-TV1XC、U-TV0.63XC、U-TV0.5XC-3和U-TV0.35XC-2。请根据相机图像拾取设备的传感器尺寸选择所需的视场。

为低倍率大视场提供的紧凑型成像设备

生命科学领域对生产能够以低倍率观察大视场的紧凑型成像设备需求不断增长 。

有鉴于此,让我们考虑如何通过使用UPLXAPO4X(X Line系列中的典型低倍率物镜)最小化成像光学系统的长度。此过程可通过四个步骤完成:

成像光学系统的设计

图1:光学系统的基本布局

1.确定视场

用物镜视场数(OFN)除以其倍率得到的值就是在样品表面上可以观察的最大范围。由于UPLXAPO4X的OFN为26.5,因此样品表面上的可观察范围可以计算为:26.5 / 4 = 6.625 mm。我们的UIS2物镜被设计为具有45 mm的齐焦距离(距离A)。

2.选择镜筒透镜

我们UPLXAPO4X物镜的OFN为26.5,其可以与具有26.5 mm像圈的镜筒透镜组合使用,以充分利用其性能。因此,我们建议您将SWTLU-C镜筒透镜与X Line物镜结合使用。通过这种组合,即使在图像拾取设备的中心或周围,也可以获得清晰、均匀的图像。

3.选择相机适配器

下一步是选择相机适配器。如表2所示,可以通过使用各种相机适配器的不同缩小比缩短到成像表面的距离(距离C)。通过将镜筒透镜与具有0.35x倍率的相机适配器结合使用,可以使光学系统的长度最小化。

U-TV1XC
1x
U-TV0.63XC
0.63x
U-TV0.5XC-3
0.5x
U-TV0.35X-2
0.35x
SWTLU-C 181 mm 160 mm 129 mm 109 mm
U-TLU 166 mm 145 mm 114 mm 94 mm

表2:镜筒透镜与不同相机适配器组合的距离C

重要的是选择适配器的倍率,以使通过将相机传感器的对角线宽度除以适配器倍率而获得的值不会超过镜筒透镜的像圈。

例如,假设您由于成像光学系统的总长度受到限制而选择了0.35x倍率的相机适配器,并将其与1 / 1.8英寸相机(对角线宽度为9毫米)组合使用。在这种情况下,您需要将9除以0.35才能找到要比较的值(25.7):

22 < 9 / 0.35 = 25.7 < 26.5

因此,应选择SWTLU-C(而非U-TLU)作为镜筒透镜。

显微镜相机传感器和镜筒透镜

图2:镜筒透镜的相机传感器尺寸和像圈

4.确定距离B

在步骤1至3中,我们选择了成像光学系统所需的单元。之后,您要做的就是将距离B确定为最终参数。

由于所有UIS2物镜均为经过无穷远校正的光学系统,并且无补偿,因此您可以根据您的需求更改距离B。

我们建议长度为50 mm至165 mm,在本示例中,我们选择50 mm作为B的长度来构建紧凑型设备。当然您也可以根据所需的布局选择其他长度。例如,您可以延长距离以将其插入反射照明光学系统使用。

关于设计紧凑型光学系统的最终思路

按照步骤1-4,您就可以构建总长度204 mm的成像光学系统(图3)。通过将UIS2物镜、镜筒透镜和相机适配器适当组合,您还可以设计紧凑型设备的短型光学系统。

用于显微镜成像设备的紧凑型光学系统

图3:总长度204 mm的紧凑型成像光学系统图示

相机尺寸(图1中的距离D)这一因素经常会被忽视。高灵敏度相机由于通常配有冷却装置,因此往往尺寸较大。在确定光学系统的总长度(L)时,务必要考虑相机的尺寸。

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OEM经理

Bunryu Arashi在欧洲奥林巴斯科学解决方案担任OEM经理。Bunryu拥有12年的显微镜产品开发经验,曾经为奥林巴斯BX和CKX系列显微镜设计过物镜,相机适配器,以及照明光学系统。他拥有日本大阪大学的工程学硕士学位。

2021年3月25日
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