CN101950074B - 用于展示的数字光学连续变倍显微镜 - Google Patents

Abstract

用于展示的数字光学连续变倍显微镜，在底盘的上表面通过基板支柱固定有基板，基板上方的中央固定有中心柱，载物台固定在基板上方、中心柱的周围，样品转盘位于载物台上方、中心柱周围，中心柱的顶端后方固定显示器支柱，成像装置固定在中心柱顶端前方并穿过显示器支柱，照明装置包括反射照明光源和透射照明光源，电源组件和操作盒位于基板下方、底盘的上表面，信号处理装置固定在显示器支柱的后侧，显示器位于显示器支柱上方。连续变倍物镜、接目镜和光电探测器水平放置，由反射镜组将光路向下偏转90度，反射镜组中的电动平移反射棱镜实现了成像光路高度不变条件下的调焦，适应对不同厚度样品的清晰成像，显著改善了现有产品的稳定性和可靠性。

Description

用于展示的数字光学连续变倍显微镜

所属技术领域

本发明涉及一种用于展示的数字化光学连续变倍显微装置，特别是通过数字影像展示生物标本、矿物标本与珠宝特殊光学效应等自然界微观现象以及电路板、集成电路、集成光电子器件与微机电元器件等人工微结构的的连续光学变倍显微镜。

背景技术

目前，专门化的显微展示设备非常少。博物馆、科技馆普遍采用通用研究、教学显微镜进行改装，屏蔽其大部分功能以适应博物馆的特殊使用环境。由于通用显微镜的载物台比较单薄，需要轻轻地进行调节，在博物馆环境下非常容易受到损坏，一般情况下也不让观众动手调节，只有低放大倍率的显微镜才不设载物台，让观众动手直接移动样品。

图1是目前博物馆中使用的通用连续变倍显微镜示意图。其中201为底座，202为显微镜立柱，203为载物台，204为调焦旋钮，205为连续变倍物镜，255为变倍环形调节圈，206为接目镜，207为光电探测器。其中连续变倍物镜205的外圈255可以转动进行连续变倍调节从而改变观察范围，通过转动调焦旋钮204使连续变倍物镜205及其上方的接目镜206、光电探测器207一起上下移动，最后获得清晰的图像。

可见，一般在通用连续变倍显微镜中的连续变倍物镜被垂直放置，加上工作距离大，顶端还有接目镜和光电探测器等，使得整个显微镜的重心较高；此外，在调焦时还需要上下升降整个光学系统，使得显微镜工作的稳定性与可靠性不高，不利于在博物馆环境下的集成使用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种专为博物馆、科技馆或科学中心的展示功能设计开发的数字光学连续变倍显微镜。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于展示的数字光学连续变倍显微镜，在底盘的上表面通过四个基板支柱固定有基板；在基板上方的中央固定有中心柱；载物台固定在基板的上方、中心柱的周围，样品转盘位于载物台的上方、中心柱的周围；中心柱的顶端固定显示器支柱，成像装置固定在中心柱的顶端前方并穿过显示器支柱，照明装置包括反射照明光源和透射照明光源，反射照明光源为向下照明的环形LED灯组，位于反射镜下方，透射照明光源为高亮度LED灯，位于底盘的上方、样品转盘的下方、载物台的前侧，电源组件位于基板的下方、底盘的上表面，操纵盒位于电源组件的前方、底盘的上表面；信号处理装置固定在显示器支柱的后侧，显示器位于显示器支柱的上方。

进一步的技术措施如下：

载物台由固定在基板上表面的四个导轨支架、固定在四个导轨支架上的两个导轨、分别穿在两个导轨上的四个滑块以及固定在四个滑块上的一层平板结构组成，该平板结构为Y轴位移台；Y轴位移台中间有一圆孔使中心柱穿过；在每个导轨上的两个滑块的中间有一个阻尼套管。

Y轴位移台上固定有转盘轴承内圈，样品转盘固定在转盘轴承内圈和转盘轴承外圈之间，位于转盘轴承内圈的外侧上方和转盘轴承外圈的下方，其上16等分圆周且半径与成像与反射照明装置相对应的位置上有16个样品孔，标本位于样品孔的上方。

成像装置由反射镜、调焦棱镜、连续变倍物镜、接目镜、光电探测器、变倍环形齿轮、电动调焦机构和电动变倍机构组成，连续变倍物镜固定于中心柱的顶端前侧并穿过显示器支柱，连续变倍物镜的前方按顺序固定有电动调焦机构、调焦棱镜和反射镜构成反射镜组，其后方按顺序固定有接目镜和光电探测器，其外侧下方固定有电动变倍机构。

电源组件包含3伏、5伏和正负12伏电源，分别为照明装置的LED灯、信号处理装置、以及驱动电动调焦机构和电动变倍机构的电机供电；操纵盒的上表面设有变倍电源开关和调焦电源开关，变倍电源开关和调焦电源开关均为双掷电源开关；底盘的上表面、电源组件的后方设有电源插座。

带动电动变倍机构的电机为变倍电机，变倍电机位于连续变倍物镜的下方，变倍环形齿轮的后部，设有两个电极，一个电极并接到两个变倍行程开关的一端，该两个行程开关的另一端分别连接到由变倍电源开关所选择的正或负12伏电压端，另一个电极接到正负12伏电源的公共地上。

带动电动调焦机构的电机为调焦电机，设有两个电极，一个电极并接到两个调焦行程开关的一端，该两个行程开关的另一端分别连接到由调焦电源开关所选择的正或负12伏电压端，另一个电极接到正负12伏电源的公共地上。

光电探测器将显微光学影像转化为光电信号，产生的光电信号通过柔性扁平数据线输入到信号处理装置，信号处理装置上的数字信号处理芯片DSP以标准的VGA(Video Graphic Array)视频图形阵列格式发送到信号处理装置上的VGA接口，通过VGA电缆输出给显示器。

工作原理：

本发明中的连续变倍物镜水平放置，由反射镜组将光路向下偏转90度，大大降低了光学系统的重心；反射镜组中的电动平移反射棱镜实现了不改变成像装置高度条件下的调焦，适应对不同厚度样品的清晰成像；加上使用电动变倍的物镜，使用者通过操纵键可以连续缩放观察范围或观察不同高度的样品或样品的不同高度的图像。

本发明采用连续变倍物镜，因为工作距离和景深较长，使得展示专用的数字化连续变倍光学显微镜能够观察较厚的样品和标本，甚至是观众随身携带的某些物品，如钱币、指纹、纤维和毛发等。由于连续变倍物镜水平放置，解决了一般在通用连续变倍显微镜中的连续变倍物镜被垂直放置，使整个显微镜的重心偏高，成像装置还要整体做上下升降运动，不利于在博物馆环境下稳定、可靠使用的问题。环形反射和高亮度透射LED光源提供足够的照明，保证视野内影像的清晰。

有益效果：

1、通过采用连续变倍物镜和电动变倍，使用者通过操纵键可以连续缩放观察范围，电动调焦和连续变倍比手动操作更平稳。连续变倍物镜的工作距离和景深较长给样品盘上方提供了较大的空间，观众可以将自己的物品放到样品盘上观察，强化了互动性。

2、经过反射镜组使连续变倍物镜水平放置且电动调焦，其中的反射镜组用一个反射棱镜的电动平移实现调焦，同时又不改变成像系统的高度及反射镜、物镜、变倍镜、接目镜及光电探测器的位置，大大提高了连续变倍显微镜结构的稳定性和工作的可靠性。

3、电动平移反射棱镜实现了成像光路高度不变条件下的调焦，适应对不同厚度样品的清晰成像；而且电动调焦机构只需使调焦棱镜移动聚焦平面升降距离的一半，与直接驱动整个光学系统的升降来调整聚焦平面的的调焦方法相比，负荷小、行程短，因而动作稳定可靠。

4、本发明可以对生物标本、矿石、珠宝或岩石样本，集成电路、集成光电子器件和微机电芯片等透明或不透明样品进行行观赏。

5、本发明可广泛应用在各类博物馆、科技馆、行业或商业及企业展览等展示、教育场所，涵盖生命科学、医疗卫生、矿产冶金、农业与环境、信息与材料科技及教育培训等诸多领域。

附图说明

图1是目前博物馆中使用的光学连续变倍显微镜示意图(不含照明装置和显示器)；

图2是本发明的结构示意图(不含标本45)；

图3是图2的X向视图；

图4A是本发明的成像与照明装置的结构示意图；

图4B是本发明的成像与照明装置的光路及样品转盘的结构示意图；

图5是本发明的电气原理图。

具体实施方式

参照图2、3，一种用于展示的数字光学连续变倍显微镜，在底盘101的上表面通过四个基板支柱102固定有基板1；在基板1上方的中央固定有中心柱2；载物台3固定在基板1的上方、中心柱2的周围；样品转盘4位于载物台3的上方、中心柱2的周围；中心柱2的顶端固定显示器支柱91，成像装置5固定在中心柱2的顶端前方并穿过显示器支柱91；照明装置6包括反射照明光源61和透射照明光源62，反射照明光源61为向下照明的环形LED灯组，位于反射镜54下方，透射照明光源62为高亮度LED灯，位于底盘101的上方、样品转盘4的下方、载物台3的前侧；电源组件7位于基板1的下方、底盘101的上表面，操纵盒73位于电源组件7的前方、底盘101的上表面；信号处理装置8固定在显示器支柱91的后侧；显示器9位于显示器支柱91的上方。

载物台3由固定在基板1上表面的四个导轨支架33、固定在四个导轨支架33上的两个导轨32、分别穿在两个导轨32上的四个滑块34以及固定在四个滑块34上的一层平板结构组成，该平板结构为Y轴位移台31；Y轴位移台31中间有一圆孔使中心柱2穿过；在每个导轨32上的两个滑块34的中间有一个阻尼套管35。

Y轴位移台31上固定有转盘轴承内圈41，样品转盘4固定在转盘轴承内圈41和转盘轴承外圈40之间，位于转盘轴承内圈41的外侧上方和转盘轴承外圈40的下方，其上16等分圆周且半径与成像与反射照明装置5相对应的位置上有16个样品孔44，标本45位于样品孔44上方。

参照图4A、4B，成像装置5由反射镜51、调焦棱镜52、连续变倍物镜53、接目镜54、光电探测器55、变倍环形齿轮56、电动调焦机构57和电动变倍机构58组成，；连续变倍物镜53固定于中心柱2的顶端前侧并穿过显示器支柱91，连续变倍物镜53的前方按顺序固定有电动调焦机构57、调焦棱镜52和反射镜51，其后方按顺序固定有接目镜54和光电探测器55，其外侧下方固定有电动变倍机构58。

调焦机构的作用机理是：电动调焦机构57中的调焦电机573驱动其同轴的丝杠转动，进而带动与调焦棱镜52刚性连接的螺母前后移动，调焦棱镜52同时移动。由于调焦棱镜52的前后移动导致了聚焦平面的升降，从图4B可以看到，聚焦平面的升降距离是调焦棱镜52移动距离的两倍。

电源组件7包含3伏、5伏和正负12伏电源，分别为照明装置6的LED灯、信号处理装置8、以及驱动电动调焦机构57和电动变倍机构58的电机供电；操纵盒73的上表面设有变倍电源开关71和调焦电源开关72，变倍电源开关71和调焦电源开关72均为双掷电源开关；底盘101的上表面、电源组件7的后方设有电源插座12；

参照图4B，带动电动变倍机构58的电机为变倍电机583，变倍电机583位于连续变倍物镜53的下方，变倍环形齿轮56的后部，设有两个电极，一个电极并接到两个变倍行程开关X0、X1的一端，该两个行程开关X0、X1的另一端分别连接到由变倍电源开关71所选择的正或负12伏电压端，另一个电极接到正负12伏电源的公共地上；

带动电动调焦机构57的电机为调焦电机573，设有两个电极，一个电极并接到两个调焦行程开关Z0、Z1的一端，该两个行程开关Z0、Z1的另一端分别连接到由调焦电源开关72所选择的正或负12伏电压端，另一个电极接到正负12伏电源的公共地上。

变倍限位杆X58、调焦限位杆Z57和缩小行程开关X0、放大行程开关X1，下降行程开关Z0、上升行程开关Z1保证了变倍和调焦动作的相关机构的移动范围不至过大而发生碰撞。例如：用变倍电源开关71接通负12伏电源，变倍电机583通过驱动变倍环形齿轮56而带动连续变倍物镜53的外圈转动，使连续变倍物镜53的放大倍数缩小，直到变倍限位杆X58触碰缩小行程开关X0并使之断开，变倍电机与负12伏电源的廻路中断，物镜的缩小变倍停止；这时若用该变倍电源开关71接通正12伏电源，由于放大行程开关X1仍然闭合，变倍电机与正12伏电源的廻路接通，物镜的放大变倍开始运行，变倍限位杆X58与缩小行程开关X0脱离接触，缩小行程开关X0再次闭合，允许进行缩小的变倍操作。调焦限位杆的作用机理与此相同。

所述的光电探测器55将显微光学影像转化为光电信号，产生的光电信号通过柔性扁平数据线输入到信号处理装置8，信号处理装置8上的数字信号处理芯片DSP以标准的VGA视频图形阵列格式发送到信号处理装置8上的VGA接口，通过VGA电缆输出给显示器9。

按照上述实施例，本发明可以制造成展示专用的15-120倍的数字光学连续变倍显微镜。

本发明的优化设计为使用0.5倍-4倍连续变倍物镜，0.5倍接目镜和1/2英寸靶面的光电探测器。采用0.5倍接目镜53将物镜51一次像的大小压缩一半，使之与光电探测器55的靶面尺寸一致，实现了光学分辨率、数字化分辨率及显示器分辨率的匹配，既不损失光学分辨率，又不损失视场，更没有因追求无意义的高像素指标和高放大倍数而造成的成本浪费。

Claims (6)

1.一种用于展示的数字光学连续变倍显微镜，其特征为，在底盘(101)的上表面通过四个基板支柱(102)固定有基板(1)；在基板(1)上方的中央固定有中心柱(2)；载物台(3)固定在基板(1)的上方、中心柱(2)的周围；样品转盘(4)位于载物台(3)的上方、中心柱(2)的周围；中心柱(2)的顶端固定显示器支柱(91)，成像装置(5)固定在中心柱(2)的顶端前方并穿过显示器支柱(91)；照明装置(6)包括反射照明光源(61)和透射照明光源(62)，反射照明光源(61)为向下照明的环形LED灯组，位于成像装置(5)中的反射镜(51)下方，透射照明光源(62)为高亮度LED灯，位于底盘(101)的上方、样品转盘(4)的下方、载物台(3)的前侧；电源组件(7)位于基板(1)的下方、底盘(101)的上表面，操纵盒(73)位于电源组件(7)的前方、底盘(101)的上表面；信号处理装置(8)固定在显示器支柱(91)的后侧；显示器(9)位于显示器支柱(91)的上方。

2.如权利要求1所述的用于展示的数字光学连续变倍显微镜，其特征在于，

载物台(3)由固定在基板(1)上表面的四个导轨支架(33)、固定在四个导轨支架(33)上的两个导轨(32)、分别穿在两个导轨(32)上的四个滑块(34)以及固定在四个滑块(34)上的一层平板结构组成，该平板结构为Y轴位移台(31)；Y轴位移台(31)中间有一圆孔使中心柱(2)穿过；在每个导轨(32)上的两个滑块(34)的中间有一个阻尼套管(35)。

3.如权利要求2所述的用于展示的数字光学连续变倍显微镜，其特征在于，

Y轴位移台(31)上固定有转盘轴承内圈(41)，样品转盘(4)固定在转盘轴承内圈(41)和转盘轴承外圈(40)之间，位于转盘轴承内圈(41)的外侧上方和转盘轴承外圈(40)的下方，其上16等分圆周且半径与成像与反射照明装置(5)相对应的位置上有16个样品孔(44)，标本(45)位于样品孔(44)的上方。

4.如权利要求3所述的用于展示的数字光学连续变倍显微镜，其特征在于，

成像装置(5)由反射镜(51)、调焦棱镜(52)、连续变倍物镜(53)、接目镜(54)、光电探测器(55)、变倍环形齿轮(56)、电动调焦机构(57)和电动变倍机构(58)组成，连续变倍物镜(53)固定于中心柱(2)的顶端前侧并穿过显示器支柱(91)，连续变倍物镜(53)的前方按顺序固定有电动调焦机构(57)、调焦棱镜(52)和反射镜(51)，其后方按顺序固定有接目镜(54)和光电探测器(55)，其外侧下方固定有电动变倍机构(58)。

5.如权利要求4所述的用于展示的数字光学连续变倍显微镜，其特征在于，

电源组件(7)包含3伏、5伏和正负12伏电源，分别为照明装置(6)的LED灯、信号处理装置(8)、以及驱动电动调焦机构(57)和电动变倍机构(58)的电机供电；操纵盒(73) 的上表面设有变倍电源开关(71)和调焦电源开关(72)，变倍电源开关(71)和调焦电源开关(72)均为双掷电源开关；底盘(101)的上表面、电源组件(7)的后方设有电源插座(12)；

带动电动变倍机构(58)的电机为变倍电机(583)，变倍电机(583)位于连续变倍物镜(53)的下方，变倍环形齿轮(56)的后部，设有两个电极，一个电极并接到两个变倍行程开关(X0、X1)的一端，该两个行程开关(X0、X1)的另一端分别连接到由变倍电源开关(71)所选择的正或负12伏电压端，另一个电极接到正负12伏电源的公共地上；

带动电动调焦机构(57)的电机为调焦电机(573)，设有两个电极，一个电极并接到两个调焦行程开关(Z0、Z1)的一端，该两个行程开关(Z0、Z1)的另一端分别连接到由调焦电源开关(72)所选择的正或负12伏电压端，另一个电极接到正负12伏电源的公共地上。

6.如权利要求5所述的用于展示的数字光学连续变倍显微镜，其特征在于，

所述的光电探测器(55)将显微光学影像转化为光电信号，产生的光电信号通过柔性扁平数据线输入到信号处理装置(8)，信号处理装置(8)上的数字信号处理芯片DSP以标准的VGA视频图形阵列格式发送到信号处理装置(8)上的VGA接口，通过VGA电缆输出给显示器(9)。 

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