摘 要:从现代显微镜这一典型光学仪器出发,分析和阐述了现代仪器的设计新理念。提出了整体式设计、自由曲面式造型设计、人性化设计、绿色设计以及模块化设计等设计新理念。根据显微镜的发展趋势,对现代仪器的发展方向和趋势作了一个预测。
0 引 言
显微镜是一种典型的光学仪器,经历了近400年的发展历程。400年来,显微镜不论在外观、性能还是应用上都在不断地发展和进步[1,2]。现代显微镜早已不是一种单一的观察生物细胞的仪器,而是集光学、机械、电子和计算机技术于一身的,应用于教学、医疗、材料学以及工业、测量等广阔领域的完整系统[3]。这样的发展和变化,不仅仅是显微镜这一仪器的特点,而是几乎所有现代仪器的发展趋势,它既继承了传统仪器的特点,又富有现代仪器设计的新理念。
1 现代仪器设计的新理念
1.1 整体造型
从外观造型而言,现代仪器在设计时更加重视和强调外观,外观设计更加自由。随着计算机辅助设计和辅助制造技术的进步,仪器的整体式造型和自由曲面式造型成为可能。这使得曲面化和一体化的外观造型成为现代仪器设计的新潮流。现代仪器的外形不再局限于传统的平面或球面或其简单而单调的组合,造型自由而丰富、美观,整体感很强,富有现代感。以显微镜为例,由于设计和加工水平的进步,现代显微镜主体主要采用整体造型,并讲究流线型设计,这样的外观非常富有现代气息。
1.2 人性化设计
现代仪器在设计时更加重视人机工程学,处处体现“用户友好设计”,使得仪器更加“人性化”。人机工程学是研究“人-机环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系,为解决系统中人的效能、健康问题提供理论与方法的科学。人机工程学是在二十世纪被人们提出并发展起来的。但在科技进步、生活节奏紧张的现代,它才受到前所未有的重视,使得“人性化设计”成为当今主要设计理念之一[4]。它要求设计者在设计和选择参数时,除了考虑仪器的功能之外,还要以人机工程学提供的人体参数为依据,综合考虑到使用者的工作姿势、工作环境和工作心理并尽量考虑到不同使用者的个体生理差异,使得设计出的仪器能够让大多数使用者感到舒适,无疲劳感。传统的仪器比较重视产品的功能性,只要能很好地实现功能,满足使用者要求,便是一个好的产品。而评价现代仪器时却往往还考虑到仪器的安全性、舒适性、可靠性、高效率性和无疲劳性。这种理念在现代显微镜中有很好的现。例如,从前的观察镜筒,只有固定角度型,45度或者30度,这样,不同身材不同坐高的使用者必须同样眼点高度的显微镜,必然造成身材偏高或偏矮的用户在使用中感到不便或疲劳。因此,现代的显微镜制造者们推出了观察角度可变的观察镜筒,观察角可在一定范围内变化,不同身材的用户可以根据自身需要,随意调整观察高度,非常方便。还有,载物台的X/Y向旋钮和调焦旋钮,传统显微镜该旋钮的位置都偏高,用户在使用时,需要抬起两臂,势必容易疲劳。而现代显微镜把这些旋钮的位置都设计在离仪器基座(桌面)很近的位置,这样,使用者无须抬起手臂,只要把双手放在桌面上,就可以进行操作了。
1.3 绿色设计
现代仪器设计更加重视材料的选择和节约,提倡节约型和简约型设计。现代仪器的设计理念考虑了更多的能源利用、环保因素。这样的设计理念称为“绿色设计”。现代社会,人们越来越意识到节约能源和材料以及环境保护的重要性,同时受到日本仪器轻巧型设计风格的影响,也逐步把节约型设计作为当今仪器的重要设计理念。设计师在选择材料时,在满足强度、刚度等机械性能要求的前提下,尽量选用轻、薄的材料,同时还必须考虑它的可回收性和再生性。还以显微镜为例,在传统的显微镜设计中,外客和机架都设计得比较厚重,虽然结构会很可靠,但是,不仅浪费了很多材料,增加了制造成本,还增加了运输成本。而且外观显得厚重、粗笨和呆板。由于电子计算机和软件的进步,工程师们能够在设计软件的帮助下,设计出既能满足强度、刚度需要又能最大限度节省材料的零件来,而且造型轻巧,富有现代感。
1.4 模块化设计
现代仪器的设计更加重视标准化,提倡“模块化”设计。模块化设计也是一种“并行设计”的理念,它是把一个完整的仪器系统进行合理分解,分解时对每个模块单独提出输入/输出参数。这样可以组织不同的人员分别开发不同的模块,几个模块的开发可以同时进行。各个模块单独开发、单独检验、单独入库。同一模块之间要求标准化,实现完全互换。一个产品,可以被分解成几个模块,而同时,不同模块的组合,则组成不同型号的产品。近年来,由于信息技术的进步,国际交流、沟通与合作日益增强,ISO标准为越来越多的行业和企业所接受,使得仪器设计的国际标准化成为可能和必然。另外,设计软件的进步、工艺水平的提高,使得模块化设计成为可能。此外,从企业内部的管理来看,模块化设计在设计、开发阶段,有利于缩短开发周期,而在制造、销售以及售后服务阶段,则能够提高效率、降低成本。
2 现代仪器设计的多学科特点
现代仪器在设计时融合多项技术,讲究“多学科整合”,从而大大扩展了仪器的功能和应用领域。现代仪器不再是光学设计和结构设计的简单组合,往往还结合了其他先进技术,如:电子技术、激光技术和计算机技术。显微镜的发展也是如此。现代显微镜不仅是传统光学技术与机械技术的结合,还融合了电子以及计算机以及自动控制技术、激光技术,使得现代显微镜具有数字化、自动化和智能化的特点[5]。首先,在光源方面,现代显微镜除采用传统的钨丝灯、卤素灯、汞灯等光源外,开始采用光纤和LED照明技术,例如,NIKON的55I型显微镜就是采用LED作为照明光源的新产品。其次,越来越多的自动显微镜开始进入市场。显微镜制造者们利用自动控制技术,设计、制造出完全自动控制甚至遥控的显微镜。再次,现代显微镜利用CCD实现光电转化,再经过相应的处理,把电子信号处理成数字信号,送进计算机并加以数字图象处理,形成完整的系统。在这样的现代化显微镜系统里,传统的光学系统部分只是负责完成图象采集的功能,它只是整个显微镜系统里的一部分而非主流,以图象为中心的光、电与电子、自动控制、计算机以及软件的有机结合成为核心。图1是现代显微镜系统对标本的图象获取和处理过程框图。传统的光学技术与现代控制技术,光电技术以及计算机软件技术的结合,大大拓展了显微镜的应用范围,给予显微镜更多的生命力。
3 显微镜的发展趋势
综观显微镜的发展史,从简单的光学放大镜,到能用来观察细胞的简易显微镜,到后来带照明系统,物镜和目镜的复合式显微镜,到带各种附件形式的近代显微镜,再到光、机、电结合的现代显微镜,可以发现,每一次科学的进步,都将影响到显微镜的发展。因此,可以预见,随着计算机技术的飞速发展和现代光学的发展,未来的显微镜发展趋势必然具有如下特性:
(1)高精度化和三维化。由于工业水平的进步、计算机技术的发展以及激光技术的进步及其在显微镜中的应用,显微镜必然向更微观的领域发展,能够观测到的目标更细微、更精确。它能实现的测量也从传统的二维测量向三维测量的方向发展,实现更高的精度测量,应用领域更为宽广。
(2)系统化。未来的显微镜必然朝系统化方向发展。它将是包括光学技术、机械技术、材料技术、电子技术、控制技术和计算机技术在内的多学科整合的完整系统。
(3)数字化、自动化和智能化。现在有一些显微镜已经开始使用电机和自动控制电路,以实现显微镜的自动调焦,自动变倍等功能。将来显微镜必然朝该方向发展,并实现更多自由度意义上的自动化。此外,随着计算机技术及软件技术的发展,现代的显微镜已经能够实现观测结果的自动记录、加工和保存。而将来,必然会朝更加智能化的方向发展,使人类从传统的显微镜的使用方式中摆脱出来。
作为典型光学仪器的显微镜,以上特点和发展趋势同时也是现代仪器的发展趋势。随着现代工业化水平的进步,现代仪器必然朝高精度化、系统化、自动化和智能化的方向发展。同时仪器的发展和进步也带动检测技术的进步,从而推动工业水平的提高。
参考文献:
[1]吴斌,黄致新,王辉,等.基于原子力显微的多模式扫描探针显微镜[J].现代仪器,2007,(1):11—13.
[2]李庆祥,王东生,李玉和.现代精密仪器设计[M].北京:清华大学出版社,2004.
[3]曹韩学,龙思远.多场交互作用下镁合金塑性变形研究[J].中国机械工程,2007,18(3):360—363.
[4]王秀玲.人机工程学的应用与发展[J].机械设计与制造,2007,1):151—152.
[5]张燕忠,刘阳,曹谊林等.偏光显微镜在组织工程血管构建中的应用[J].上海交通大学学报,2007,27(2):189—192.
收稿日期:2007-03-30 E-mail:zyx631218@163.com
作者简介:张于贤(1968-),男,中山火炬职业技术学院副教授,博士,从事机械设计及理论研究。
