CN101950075A

CN101950075A - 用于展示的倒置式数字光学显微镜

Info

Publication number: CN101950075A
Application number: CN 201010274187
Authority: CN
Inventors: 闫宏; 李伦根; 韩嵩
Original assignee: WHOLE VIEW MULTIMEDIA INFORMATION SYSTEM CO Ltd
Current assignee: WHOLE VIEW MULTIMEDIA INFORMATION SYSTEM CO Ltd
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2030-09-07
Also published as: CN101950075B

Abstract

一种用于展示的倒置式数字光学显微镜，在基板上方的中央固定有中心柱；基板的上表面、中心柱的周围固定有载物台；在载物台的上方、中心柱的周围设置有样品转盘；成像与反射照明装置固定在基板的下表面、样品转盘的下方、载物台的前侧；透射照明装置固定在中心柱顶端的前方、样品转盘的上方；透射照明装置和成像与反射照明装置位于同一竖向轴线上；电源模块位于基板的下方、成像与反射照明装置的后侧；信号处理装置固定在成像与反射照明装置的下方；中心柱顶端的后方固定有显示器支柱，显示器固定在显示器支柱的上方。本产品采用倒置形式和以反射照明为主的光路，给样品转盘上方提供了较大的空间，可以展示不透明的、较厚的甚至是容器中的活体样品。

Description

用于展示的倒置式数字光学显微镜

技术领域

本发明涉及一种用于展示的倒置式数字光学显微装置，特别是用于展示生物标本、矿物标本与表面金相的高反衬度、中等放大倍数和分辨率的倒置式数字光学显微镜。

背景技术

目前，专门化的显微展示设备非常少，博物馆、科技馆或科学中心普遍采用改装通用研究/教学显微镜的做法，屏蔽其大部分功能，例如遮挡物镜切换、聚光镜调节、照明调节、孔径光阑与视场光阑调节、载物台位移、粗聚焦甚至聚焦微调以及目镜调整等等，最后几乎只剩下瞳距调整，通常每台显微镜只能观测一个样品。由于无法保证聚光镜、照明、孔径光阑与视场光阑处于匹配状态，看到的影像反衬度低从而直接影响展示观赏的效果。

此外，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遭到损坏，一般情况下不让观众动手调节；或者只用低放大倍数、低分辨率的显微镜物镜，从而不设载物台，让观众直接动手移动样品；另外，直接用裸眼接触目镜进行观察，在博物馆等公共场所也很不卫生。

图1显示了目前博物馆中使用的光学显微镜示意图，为低放大倍率和低分辨率的简易装置。其中101为底座，102为样品盘，103为物镜，104为目镜，105为调焦旋钮，106为侧面不透明外壳，107为不透明背面板，108为透明前窗，109为透明侧窗，110为显微镜立柱，112为样品盘转轴。其中物镜103、目镜104、调焦旋钮105和显微镜立柱110为标准的显微镜零部件，通过转动调焦旋钮105使物镜103上下移动而最后获得清晰的图像，样品盘102可以绕样品盘转轴112旋转，来更换不同的观察对象。用侧面不透明外壳106、不透明背面板107、透明前窗108和透明侧窗109将显微镜主体封闭起来，只露出目镜104和样品盘102的一个边供观众观察和拨动更换观察对象。调焦旋钮105在装配该装置时就调节到清晰位置，这样观众就不再需要调节调焦旋钮105了。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于博物馆、科技馆或科学中心展示使用的高成像品质、中等放大倍数和分辨率的倒置式数字光学显微镜。

本发明采用的技术方案如下：一种用于展示的数字倒置光学显微镜，其主要结构包括：在基板上方的中央固定有中心柱；基板的上表面、中心柱的周围固定有载物台；在载物台的上方、中心柱的周围设置有样品转盘；成像与反射照明装置固定在基板的下表面、样品转盘的下方、载物台的前侧；透射照明装置固定在中心柱顶端的前方、样品转盘的上方；透射照明装置和成像与反射照明装置位于同一竖向轴线上；电源模块位于基板的下方、成像与反射照明装置的后侧；信号处理装置固定在成像与反射照明装置的下方；中心柱顶端的后方固定有显示器支柱，显示器固定在显示器支柱的上方。

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、每两个滑块中间有一个阻尼套管；每个滑块与导轨支架之间有限位弹簧，Y方向推拉把手在Y轴位移台的前方。

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，且位于转盘轴承内圈的外侧上方和转盘轴承外圈的外侧下方，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，每个样品孔的侧壁为螺纹结构，样品盒位于样品孔内，样品盒的外壁有与样品孔侧壁相配合的螺纹结构，样品衬底位于样品盒内部上方、样品盒盖的下方，样品固定在样品衬底的下方。

成像与反射照明装置的结构为：由上向下依次设置有物镜、分光镜、接目镜、反射镜，反射镜的一侧水平方向装设有光电探测器，在分光镜的一侧水平方向装设有反射照明模式需要的集光透镜和LED灯。

透射照明装置的结构为：由下向上依次设置有阿贝聚光镜、孔径光阑、视场光阑、集光透镜、匀光片和LED灯。

上述的电源模块包含3伏、5伏直流电源，分别为LED灯以及信号处理装置供电。

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。

本发明具有以下有益效果：

1、可以观察较厚的、不透明的或活体样品。使用者无须显微镜的使用经验就可获得高品质、中等放大率与分辨率的显微影像。

2、样品转盘和大载物台强化了显微镜的多样品展示功能而且简洁、耐用，经得起博物馆环境中高强度的使用。观众可以直接对样品进行水平面上X、Y方向的移动和旋转样品转盘切换样品，在切换样品转盘后也无需重新调焦。

3、数字化技术的运用省略了显微镜的目镜，观众直接观察显示器屏幕上样品的影像，既安全又卫生。

4、本发明可以对生物切片，古生物标本、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观赏。

5、采用倒置形式和以反射照明为主的光路，给样品转盘上方提供了较大的空间，可以展示不透明的、较厚的甚至是容器中的活体样品；使用单一低倍率物镜，工作距离和景深较大，无须高低Z方向的调焦；观众可以手动旋转样品转盘切换多个样品进行观察，可以在水平面X、Y方向上移动样品观赏不同部位。

6、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显微镜示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3A是图2的X向视图；

图3B是图2的Y向视图；

图4A是本发明的成像与照明装置的光路示意图；

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是本发明的电路控制示意图。

具体实施方式

参照图2、3，本发明提供的一种用于展示的倒置式数字光学显微镜，其主要结构包括：在基板1上方的中央固定有中心柱2；基板1的上表面、中心柱2的周围固定有载物台3；在载物台3的上方、中心柱2的周围设置有样品转盘4；成像与反射照明装置5固定在基板1的下表面、样品转盘4的下方、载物台3的前侧；透射照明装置6固定在中心柱2顶端的前方、样品转盘4的上方；透射照明装置6和成像与反射照明装置5位于同一竖向轴线上；电源模块7位于基板1的下方、成像与反射照明装置5的后侧；信号处理装置8固定在成像与反射照明装置5的下方；中心柱2顶端的后方固定有显示器支柱91，显示器9固定在显示器支柱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、每两个滑块34中间有一个阻尼套管35；每个滑块34与导轨支架33之间有限位弹簧37，Y方向推拉把手36在Y轴位移台31的前方。

观众可以通过推拉把手36前后移动Y轴位移台31并带动样品转盘4，观察样品45在Y方向上的不同部位，阻尼套管35内有阻尼油，使操作的手感舒适；阻尼套管35和限位弹簧37的设置使得滑块34不至于与导轨支架33剧烈碰撞。

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，且位于转盘轴承内圈41的外侧上方和转盘轴承外圈40的外侧下方，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，每个样品孔44的侧壁为螺纹结构，样品盒42位于样品孔44内，样品盒42的外壁有与样品孔44侧壁相配合的螺纹结构，样品衬底45位于样品盒42内部上方、样品盒盖43的下方，样品46固定在样品衬底45的下方。

样品衬底45、样品46及样品盒42在样品转盘4上的高低位置可调节，样品盒42的高度可在装配时调节到所有样品46位于相同的高度，在旋转切换样品转盘4后也无需重新调焦，从而省略了显微镜在竖直Z方向的调节。

因为样品转盘4直径很大，所以可以用样品转盘4的转动兼做水平面左右X方向的移动，观众可以通过轻微转动样品转盘4，观察样品46在X方向上的不同部位。对于中等放大倍率的显微镜，由于观察区域较大，样品46无须精确定位，所以样品转盘4的转动机构采用滑动轴承而不是滚珠轴承，并且在接触面上加阻尼油，使转动样品转盘4的操作手感舒适且不至于转速太快。

参照图4A、4B，成像与反射照明装置5的结构为：由上向下依次设置有物镜51、分光镜52、接目镜53、反射镜54，反射镜54的一侧水平方向装设有光电探测器55，在分光镜52的一侧水平方向装设有反射照明模式需要的集光透镜58和LED灯57。

透射照明装置6的结构为：由下向上依次设置有阿贝聚光镜61、孔径光阑62、视场光阑63、集光透镜64、匀光片65和LED灯66。

参照图5，本发明的电源模块7包含3伏、5伏直流电源，分别为LED灯57、66以及信号处理装置8供电。

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。

本发明采用250倍倒置式显微镜，可得到分辨率1.2微米的清晰显微图像，达到了理论的极限。

本发明采用倒置式的成像光路和反射为主的观察方式给载物台上的样品提供了较大的空间，可以观察不透明的较大块状样品；由于采用低倍率的显微物镜，工作距离和景深较长，加上样品盒的高度可在装配时调节到所有样品位于相同的高度，使得展示专用的倒置式数字光学显微镜能够观察较厚的透明样品甚至是活体样品，在旋转切换样品转盘后也无需重新调焦，从而省略了竖直Z方向的调节。因为样品转盘直径很大，所以可以用样品转盘的转动兼做水平面左右X方向的移动。观众无须培训就可以对样品进行水平面上X、Y方向的浏览和直接旋转样品转盘切换观赏不同样品。

本发明的优化设计为采用10倍的平场消色差物镜，0.5倍的接目镜，1/2英寸靶面的光电探测器。

本发明通过采用单一的10倍物镜51并在设计上使照明系统恒定满足该物镜51所要求的最优化工作条件，得到了中等放大倍数与分辨率下的高反衬度影像，不需要使用通用显微镜时繁琐的聚光镜调节过程。在透射式库勒照明光路中使用LED光源，通过优化设计阿贝聚光镜、集光透镜、孔径光阑与视场光阑的形状、尺寸与位置等参数，实现聚光镜61与物镜51间的孔径及视场匹配，在保证影像分辨率的同时减小了杂散光对影像反衬度的不良影响，使250倍的图像足够清晰。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

1.一种用于展示的倒置式数字光学显微镜，其特征在于，在基板(1)上方的中央固定有中心柱(2)；基板(1)的上表面、中心柱(2)的周围固定有载物台(3)；在载物台(3)的上方、中心柱(2)的周围设置有样品转盘(4)；成像与反射照明装置(5)固定在基板(1)的下表面、样品转盘(4)的下方、载物台(3)的前侧；透射照明装置(6)固定在中心柱(2)顶端的前方、样品转盘(4)的上方；透射照明装置(6)和成像与反射照明装置(5)位于同一竖向轴线上；电源模块(7)位于基板(1)的下方、成像与反射照明装置(5)的后侧；信号处理装置(8)固定在成像与反射照明装置(5)的下方；中心柱(2)顶端的后方固定有显示器支柱(91)，显示器(9)固定在显示器支柱(91)的上方。

2.如权利要求1所述的用于展示的倒置式数字光学显微镜，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、每两个滑块(34)中间有一个阻尼套管(35)；每个滑块(34)与导轨支架(33)之间有限位弹簧(37)，Y方向推拉把手(36)在Y轴位移台(31)的前方。

3.如权利要求2所述的用于展示的倒置式数字光学显微镜，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，且位于转盘轴承内圈(41)的外侧上方和转盘轴承外圈(40)的外侧下方，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)，每个样品孔(44)的侧壁为螺纹结构，样品盒(42)位于样品孔(44)内，样品盒(42)的外壁有与样品孔(44)侧壁相配合的螺纹结构，样品衬底(45)位于样品盒(42)内部上方、样品盒盖(43)的下方，样品(46)固定在样品衬底(45)的下方。

4.如权利要求3所述的用于展示的倒置式数字光学显微镜，其特征在于，所述的成像与反射照明装置(5)的结构为：由上向下依次设置有物镜(51)、分光镜(52)、接目镜(53)、反射镜(54)，反射镜(54)的一侧水平方向装设有光电探测器(55)，在分光镜(52)的一侧水平方向装设有反射照明模式需要的集光透镜(58)和LED灯(57)。

5.如权利要求4所述的用于展示的倒置式数字光学显微镜，其特征在于，所述的透射照明装置(6)的结构为：由下向上依次设置有阿贝聚光镜(61)、孔径光阑(62)、视场光阑(63)、集光透镜(64)、匀光片(65)和LED灯(66)。

6.如权利要求5所述的用于展示的倒置式数字光学显微镜，其特征在于，所述的电源模块(7)包含3伏、5伏直流电源，分别为LED灯(57、66)以及信号处理装置(8)供电。

7.如权利要求6所述的用于展示的倒置式数字光学显微镜，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)。