简易数码显微镜制作

摘要　在中学应用显微镜的相关教学中，受学生的能力和经验限制，对一些显微结构的观察师生间往往不能配合，影响教学效果。单独指导会增大教师的工作量，并且相当数量的学校受经费制约，不能购置数码显微镜。这种情况下教师自己动手。利用普通生物显微镜与视频摄像头可以自制一台简易数码显微镜，则可实现减少投入。达到数码显示显微结构的目的，方便教学活动，减轻教师的工作，从而显著提高显微实验课教学效率。

关键词　显微镜　目镜　视频摄像头

中图分类号　G633.91

文献标识码　A

文件编号：1003－7586(2011)03－0046－02

在生物实验课教学中，显微镜是最常使用的工具之一。教师常常有这样的体会，学生制作、使用的玻片标本不可能统一，一些学生常常请教师单独指导，一堂课下来教师的显微镜观察时间最长，常常将教师累得晕头转向。现在电脑、多媒体投影仪已经步入学校课堂，如果应用数码显微镜则可以完美地解决这一问题。但由于受经费等原因限制，很多学校特别是乡镇学校还没有数码显微镜，如果教师能自己动手制作一台简易的数码显微镜，即能方便教学，又可为学校节省一笔经费。

想要实现这一目的，制作者最好先简单了解一下光学显微镜的成像原理，以防止制作过程中走弯路。

1　显微镜的成像原理

显微镜实际上是一个复式放大镜，它是把穿过微小物体的透射光经过两组凸透镜进行放大，以供人眼观察。物于物镜前方，离开物镜的距离大于物镜的焦距，但小于两倍物镜焦距。所以，穿过物体的透射光经物镜以后，必然形成一个倒立的放大的实像A′B′，再经目镜放大为虚像A″B″后供眼睛观察。目镜的作用与放大镜一样。所不同的只是眼睛通过目镜所看到的不是物体本身，而是物体被物镜所成的已经放大了一次的像。如果在眼球的位置放上底片或感光元件，则可在此处进行拍摄。其明视距离为眼球到物像的距离，一般为250mm，明视距离是自制数码显微镜计算放大倍数时的一个参数。光学显微镜其基本成像原理如图1示。

所谓的数码显微镜就是将光学显微镜中所看到的物像用摄像头将其拍摄或录制下来，根据图1所示的显微镜成像原理，理论上任何摄像头经一定的处理后都可以安置在显微镜上，代替眼球的位置，进行显微电子拍照或录像。

专业的电子目镜是一种针对显微镜成像专门研制而成的光电显微转换装置，使用CMOS或CCD芯片感光成像，可以方便地应用于生物显微镜中，从而给观察、教学、科研带来了极大的快捷和便利。

根据这上述原理，教师可以利用性能较好的光学显微镜与去掉镜头的电脑视频摄像头对接实现这一过程，这样显微镜就成了视频摄像头的镜头，视频摄像头的感光元件(CCD或CMOS)就替代了人的眼球。制作的数码显微镜其实只有目镜是真正的电子部分，而电子目镜的接口制作就成了关键。

2　电子目镜制作

自制电子目镜步骤包括：显微镜及目镜选择、摄像头选择、接口制作、摄像头与目镜对接四个部分。

2.1显微镜及目镜选择

带有聚光器的显微镜由于对光线及分辨率有很好的调节作用，是该制作的首选，但经实验证明，如果要求不高，简易调光装置的显微镜也可以。再有，由于摄像装置的重力关系，显微镜应尽量选用中学最常用的直立式单筒显微镜，一般不宜采用斜式单筒显微镜，也不宜采用双目显微镜。目镜：可取自普通中学用生物显微镜。如有可能最好单独买一放大10倍以上目镜，以保证原显微镜的非电脑显示使用。

2.2摄像头选购

一般家用视频头即可，但需要达到以下技术指标：

(1)外形要求：结构要简单，最好为柱形，以方便与显微镜对接；

(2)参数要求：视投入的费用而定，分辨率越高成像越清晰，应在130万像素以上；自动白平衡；帧速度30帧／S；信噪比优于48dB；24位真彩；USB2.0接口；手动调焦功能即可。

2.3摄像头接口制作

接口的外形呈“工”字形，是实现摄像头与目镜对接的关键部件之一。

方法一：找车床加工：用直径小于接近镜简直径的金属或塑料材料加工成两个内外的筒状结构，两筒分别车上螺丝扣，能够旋转对接，可调整放大倍数；总长度宜在10cm以内，以保证结构稳定，方便调整。在筒状结构上下端用万能胶或焊锡焊上螺丝垫(内径10mm以上，外径小于镜筒直径，自行车的螺垫既可)，以方便与摄像头及目镜对接。注意保持两螺丝垫片平行且与接口中心轴垂直；或者直接车成能套接的“工”字形接口。

方法二：用显微镜镜筒盖一只，用8mm钻头在上端盖板中心打一通光孔备用，优点是取材方便，但放大倍数较小。

方法三：因地制宜，采用日常生活能接触到的材料，如机动车零配件；水暖、洁具零配件等进行相类似的制作；或采用直径在1.5～2cm的不透明塑料管截成不等长的几段，分别放在目镜上，用去掉镜头的摄像头连接电脑按对接后的方式进行测试，选取成像最佳的一段备用。

上述三种方法制得的接口其切面必须与中心轴垂直，以保证成像清晰。接口长度越长，放大倍数越大，但成像越暗，连接后的牢固性也越差。完工后一定要进行清洁处理，以防污染目镜或摄像头感光芯片，影响成像质量。

2.4组装对接

在洁净室内将摄像头镜头(片)小心卸掉保存好，视频摄像头镜筒边缘小心涂匀“二合一”快干万能胶，与上述方法之一制作的接口上端对接粘牢，粘牢后用镜头刷或洗耳球仔细除去摄像头感光芯片和目镜的灰尘。然后在接口的下端也同样涂用万能胶与目镜对接粘牢，组装时要尽量保持各组件的光轴一致，胶水用量不宜过多，以免污染目镜。至此，关键步骤完成。

3　软件

电子目镜制作完成后，还需拍照或录像软件支持，才能方便地应用于常规显微实验。可用的软件很多，如电脑摄像机(3hpcnxji－v1.1)；摄像头录像专家(HXCap Video V33)等，即能够进行拍照，又能进行录像，这类软件网上很多，可在大型网站中下载试用，使用前进行病毒查杀。

4　使用

组装后的摄像头附带目镜按正常方法安装在显微镜镜筒上，将摄像头的数据线按使用方法与电脑USB对接，如需驱动的则安装好摄像头驱动程序，启动摄像软件。然后进行按普通的显微镜使用操作，用普通日光灯光源或自然光就能达到要求。如果出现镜筒下滑现象，可按显微镜的维修方法对旋粗准焦螺旋或在齿条及齿轮间加上油脂进行解决。观察到的物像可通过电脑屏幕或多媒体投影仪显示给学生，即方便，又直观；还可进行拍照或录像，保存在电脑中，以备后用。当学校购置成品的数码显微镜后，可将自制的电子目镜分解，如接口是用“二合一”万能胶胶合而成的，可适当的用外力既能完成目镜、接口与摄像头的分解，恢复原状，继续发挥原有功能。

5　放大倍数计算

由于数码设备所成的图像大小与像素有很大关系，所以屏幕所显示的放大倍数与显微镜的放大倍数并不一致，可参考用以下方式计算：

(1)用显微镜专用的测微尺对实际物体的大小进行测量，再将自制数码显微镜拍摄的物像按原尺寸打印，再进行计算，求出放大倍数。

(2)可以用以下公式参考计算：

放大倍数=物镜放大倍数×目镜放大倍数×目镜到摄像头感光芯片距离(毫米)÷明视距离(明视距离为250mm)。

注意：该公式计算的放大倍数只是在数码感光元件上物像的放大倍数，并不是指屏幕所看到的图像的放大倍数。