CN102981259B - 一种光学成像系统的热膨胀补偿装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学成像系统的热膨胀补偿装置和方法，属于医学体外诊断所使用显微图像拍摄系统的热膨胀补偿装置和方法。成像目标载台通过一根连接杆与显微成像系统的固定架体固定连接，物镜与该固定架体固定连接，该连接杆与光轴平行，所述连接杆由2~3段不同热膨胀率的材料连接而成。本发明结构简单，成本低廉，重复性好，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种医学体外诊断所使用显微图像拍摄系统的热膨胀补偿装置和方法。
背景技术
显微成像装置在医学检验领域有着至关重要的作用，由于显微物镜自身的特性，其景深非常小，在微米量级，而且随着放大倍数的增加，景深逐渐减小，例如ZEISS EC Epiplan-Neofluar系列物镜，10倍放大，景深4.4微米；20倍放大，景深只有1.1微米；50倍放大，景深只有0.43微米。
固定显微镜和成像目标的架体都是金属结构，金属会发生线性热膨胀，大部分金属的线性热膨胀系数也在微米量级，如果环境温度发生变化，显微物镜和成像目标的位置都会发生相对移动，使原本处在显微物镜焦点位置的成像目标，移动到了显微物镜的景深范围以外，导致成像不清晰。
对于手动调节的显微镜，即使存在温度变化引起的物镜与成像目标的位置移动，也由于有人随时调节焦距，而体现不出来；但是对于全自动的显微成像分析系统，不能随时调节焦距，所以使样本保持在显微物镜景深范围内的温度补偿技术就显得非常重要。
目前广泛采用的光学系统的温度补偿技术多用于温度对光学系统影响较大的情况，如航天器上所用光学系统、红外光学系统，分为光学补偿和机械补偿两类。光学补偿是利用不同玻璃材料折射率随温度变化的不同实现补偿，机械补偿是通过位移传感器、高精度马达等机械结构移动特定光学元件实现补偿。光学补偿技术需在设计的时候考虑镜片材料的选择，通过不同镜片材料的选择，使物镜的焦距随温度变化与物镜和成像目标的相对距离随温度的变化相一致，从而达到补偿目的，主要应用在热辐射很大的红外成像系统。机械补偿技术需要在光学系统中加入位置传感器、高精度马达及其传动机构，当温度变化导致物镜和成像目标的相对距离变化时，位置传感器会检测到位置变化，从而另高精密度马达驱动特定的光学元件运动，实现补偿。机械补偿技术会使光学系统结构整体复杂化，同时对软件、控制、图像处理等方面都会有较高要求，成本也居高不下，维护不方便，而且通常只在高端产品上采用。
如日本公开专利申请号HSO 60-194416中所公开的镜筒，首先检测出温度变化导致沿光轴方向的膨胀和收缩，再通过机械结构驱动透镜移动，来消除温度的影响，这种装置既包括检测系统，又包括驱动机构，结构较复杂。
如日本公开专利申请号HEI 8-15595中所公开的装置中，一根同样材质的长杆随温度变化沿光轴方向伸长和收缩，再利用杠杆把长杆的运动传到一个臂上，来改变透镜的位置，从而对温度的影响进行补偿，这种通过杠杆传动的结构，使整体变得很复杂。
以上的补偿方法都是移动某一透镜， 而且都使用同一种材质的机械材料。
发明内容
本发明提供一种光学成像系统的热膨胀补偿装置和方法，使用多个不同热膨胀率的材料对光学系统中物镜与成像目标之间的距离变化量进行补偿。
本发明采取的技术方案是：成像目标载台通过一根连接杆与显微成像系统的固定架体固定连接，物镜与该固定架体固定连接，该连接杆与光轴平行，所述连接杆由2~3段不同热膨胀率的材料连接而成。
本发明一种实施方式是：所述连接杆由3段不同热膨胀率的材料连接而成时，中间材料的热膨胀系数值处在两端材料的热膨胀系数值之间，中间材料区段的长度 ，其中，是该中间材料区段的两端中一材料的长度、 是两端中另一材料的长度。
本发明一种光学成像系统的热膨胀补偿方法，包括下列步骤：
显微成像系统的物镜直接固定在固定架体上，成像目标载台使用一根与光轴相平行的连接杆固定到固定架体上，该连接杆由2~3段不同热膨胀率的材料相连接而成，其一端连接成像目标，另一端通过聚焦机构连接固定架体。
本发明所述的一种光学成像系统的热膨胀补偿方法，当连接杆由2段不同热膨胀率的材料相连接而成时：
；
；
式中，是第一材料的长度，是第一材料的热膨胀系数，是第二材料的长度，是第二材料的热膨胀系数，连接杆长度是；为显微成像系统本身的线性热膨胀系数，为显微成像系统本身的长度；
当连接杆由3段不同热膨胀率的材料相连接而成时：
式中，是第一材料的长度，是第一材料的热膨胀系数，是第二材料的长度，是第二材料的热膨胀系数，是第三材料的长度，是第三材料的热膨胀系数，连接杆长度是,、、中至少有一个大于等效热膨胀系数，而且至少有一个小于。
本发明的优点是结构新颖，当温度变化引起固定架体发生线性变形，连接杆同样会发生线性变形，连接杆的变形补偿了固定架体的变形，从而改变了显微成像系统的物镜与成像目标之间距离的变化趋势，保证成像质量不随温度变化而改变。连接杆的多段不同热膨胀材料的长度可以通过计算得到。
本发明无复杂的机械调整装置，结构简单，成本低廉，重复性好，易于实现。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的连接杆的示意图，图中为三段结构；
图3是显微成像系统热膨胀形变和连接杆热膨胀补偿的示意图。
具体实施方式
成像目标载台4通过一根连接杆1与显微成像系统的固定架体2固定连接，物镜3与该固定架体2固定连接，该连接杆与光轴平行，所述连接杆1由2~3段不同热膨胀率的材料连接而成。
在本发明的一个实施例中，所述连接杆1包括两段不同热膨胀率的材料区段。
在本发明的另一个实施例中：所述连接杆1由3段不同热膨胀率的材料连接而成时，中间材料的热膨胀系数值处在两端材料的热膨胀系数值之间，中间材料区段的长度，其中，是该中间材料区段的两端中一材料的长度、 是两端中另一材料的长度。
本发明一种光学成像系统的热膨胀补偿方法，包括下列步骤：
显微成像系统的物镜直接固定在固定架体上，成像目标载台使用一根与光轴相平行的连接杆固定到固定架体上，该连接杆由2~3段不同热膨胀率的材料相连接而成，其一端连接成像目标，另一端通过聚焦机构连接固定架体。
本发明所述的一种光学成像系统的热膨胀补偿方法，当连接杆由2段不同热膨胀率的材料相连接而成时：
；
；
式中，是第一材料的长度，是第一材料的热膨胀系数，是第二材料的长度，是第二材料的热膨胀系数，连接杆长度是；为显微成像系统本身的线性热膨胀系数，为显微成像系统本身的长度；
当连接杆由3段不同热膨胀率的材料相连接而成时：
式中，是第一材料的长度，是第一材料的热膨胀系数，是第二材料的长度，是第二材料的热膨胀系数，是第三材料的长度，是第三材料的热膨胀系数，连接杆长度是,、、中至少有一个大于等效热膨胀系数，而且至少有一个小于。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图2所示的，所述连接杆1，包括不同热膨胀率的区段101、102，和103。中间区段102的热膨胀率在区段101与区段103之间。
本发明的热膨胀补偿方法，其连接杆1的区段101、区段102、区段103的长度需要具体的计算出来。其计算方法如下。
基本思想：显微成像系统本身的线性热膨胀量与需要连接杆补偿的线性热膨胀量相等，有等式（1），式中表示显微成像系统的架体热膨胀量，表示连接杆的热膨胀量，如图3所示；
（1）
将线性热膨胀公式（2）应用到等式（1），并且等式两边同时除以温度项，得到等式（3），式中为显微成像系统本身的线性热膨胀系数，为显微成像系统本身的长度，为连接杆的等效线性热膨胀系数，为连接杆的长度。
（2）
（3）
对于确定的显微成像系统，的数值是确定的，可以作为已知参数。对于连接杆1，的数值可以由等式（4）计算，式中，是第一材料的长度，是第一材料的热膨胀系数，是第二材料的长度，是第二材料的热膨胀系数，是第三材料的长度，是第三材料的热膨胀系数，连接杆1长度是已知参数；
（4）
对于三种材料区段的长度， （5）
使第二材料的热膨胀系数处在第一材料和第三材料之间，第二材料区段的长度：
（6）
综合求解等式（3）（4）、（5）、（6），可以求解出第一区段101、第二区段102、第三区段103的长度和连接杆的等效热膨胀系数如下：
（7）
（8）
（9）
（10）
为了更进一步描述本发明的热膨胀补偿方法和机构，下面列举两个具体实施例。
通过实验测定某仪器在温度变化量为4℃时热膨胀量为15微米，也就是0.015mm。连接杆的长度为115mm。使用不锈钢和共聚甲醛两种材料制作连接杆，不锈钢的热膨胀系数为17×10-6/℃，共聚甲醛的热膨胀系数为85×10-6/℃。
应用方程（2）可计算其线性热膨胀的数值：
应用方程（4）（5）计算两种材料的长度：
计算可得，，即采用88.6mm的不锈钢和26.4mm的共聚甲醛材料组合成连接杆，可以满足补偿要求。
在本发明的另一实施例中，仪器温度变化量为4℃时热膨胀量为15微米，也就是0.015mm。连接杆的长度为115mm。使用不锈钢、聚氯乙烯、共聚甲醛三种材料制作连接杆，其中聚氯乙烯的线性热膨胀系数为60×10-6/℃。
直接应用方程（7）（8）（9）计算三种材料的长度：
即采用74.51mm的不锈钢、38.33mm的聚氯乙烯和2.16mm的共聚甲醛材料组合成连接杆，可以满足补偿要求。
需要说明的是，本实施例使用了三种材料共计三个部分对温度进行补偿，但本发明的补偿方法不限于使用三种材料，也不限于使用三个部分。可以使用一种材料，或多种材料，或者多个部分。对仅使用一种材料的连接杆，按等式（3）进行计算；对两种材料或者两个部分，可以求解等式（3）、（4）、（5）进行计算；对于多于三种材料或多于三个部分的情况，可先由使用条件确定某一部分或几个部分的长度或长度限制条件，再结合等式（3）、（4）、（5）计算得出各部分的长度。此计算对于本领域技术人员没有障碍。
应当注意的是，本发明所述的连接杆，并不限于杆状，还可以使用块状结构、或者块状和杆状结合的结构等简单变形的结构代替，这些结构都应属于本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种光学成像系统的热膨胀补偿装置，其特征在于：成像目标载台通过一根连接杆与显微成像系统的固定架体固定连接，物镜与该固定架体固定连接，该连接杆与光轴平行，所述连接杆由3段不同热膨胀率的材料连接而成，中间材料的热膨胀系数值处在两端材料的热膨胀系数值之间，中间材料区段的长度lr2＝(lr1+lr3)/2，其中，lr1是该中间材料区段的两端中一材料的长度、lr3是两端中另一材料的长度。
2.一种光学成像系统的热膨胀补偿方法，其特征在于包括下列步骤：
显微成像系统的物镜直接固定在固定架体上，成像目标载台使用一根与光轴相平行的连接杆固定到固定架体上；该连接杆由2段不同热膨胀率的材料相连接而成，其一端连接成像目标，另一端通过聚焦机构连接固定架体；
lr1＝(αolo-αr2lr)/(αr1-αr2)，
lr2＝(αolo-αr1lr)/(αr2-αr1)，
式中，lr1是第一材料的长度，αr1是第一材料的热膨胀系数，lr2是第二材料的长度，αr2是第二材料的热膨胀系数，连接杆长度是lr，αo为显微成像系统本身的线性热膨胀系数，lo为显微成像系统本身的长度。
3.一种光学成像系统的热膨胀补偿方法，其特征在于包括下列步骤：
显微成像系统的物镜直接固定在固定架体上，成像目标载台使用一根与光轴相平行的连接杆固定到固定架体上；该连接杆由3段不同热膨胀率的材料相连接而成，其一端连接成像目标，另一端通过聚焦机构连接固定架体；
lr1＝(αolo-(2αr3+αr2)lr/3)/(αr1-αr3)，
lr2＝lr/3，
lr3＝(αolo-(2αr1+αr2)lr/3)/(αr3-αr1)，
式中，lr1是第一材料的长度，αr1是第一材料的热膨胀系数，lr2是第二材料的长度，αr2是第二材料的热膨胀系数，lr3是第三材料的长度，αr3是第三材料的热膨胀系数，连接杆长度是lr，αo为显微成像系统本身的线性热膨胀系数，lo为显微成像系统本身的长度，αr1、αr2、αr3中至少有一个大于等效热膨胀系数αr，而且至少有一个小于αr，其中αr＝αolo/lr。
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