CN104793327A - 一种显微镜光学变焦控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种显微镜光学变焦控制系统及方法，该控制系统包括步进电机控制器、步进电机驱动器、步进电机、第一齿轮、第二齿轮和传动部件；步进电机控制器对接收的TCP/IP数据包解析获得对步进电机的控制命令，步进电机控制器控制步进电机驱动器而驱动步进电机转动，步进电机通过带动第一、二齿轮转动而带动传动部件转动，从而带动显微镜镜头轴向移动，感应装置与第二齿轮相对设置且随第二齿轮转动，第二齿轮圆周边缘旁设有第一、二限位开关，分别检测感应装置是否转动到极限位置，若转动到极限位置，第一、二限位开关分别产生触发信号并将触发信号反馈到步进电机控制器，控制步进电机作相应运动。本控制系统具有出色的精度和耐久度。

Description

一种显微镜光学变焦控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种显微镜光学变焦控制系统及方法。

背景技术

光学变焦是通过改变显微镜镜头在物体和焦点之间的位置，使观测到的局部图像更加清晰。因此，显微镜镜头大都采用光学变焦，并且对于控制精度要求很高。显微镜变焦的关键是改变镜头的位置，一般场合是由操作人员手动调节，使显微镜镜头到达合适的位置。但手动变焦速度慢、精度低，且容易因人为失误而损坏显微镜镜头，为了得到更精确的观测图像数据，寻求一种操作简便可靠的显微镜光学变焦控制系统及方法是十分必要的。

发明内容

本发明目的在于提出一种显微镜光学变焦远制系统及方法，以解决上述现有技术存在的变焦速度慢、精度低且显微镜镜头安全性得不到保障的技术问题。

为此，本发明提出一种显微镜光学变焦控制系统，包括步进电机控制器、步进电机驱动器、步进电机、第一齿轮、第二齿轮、传动部件、第一限位开关、第二限位开关和感应装置；其中，所述步进电机控制器用于对接收到的远程控制器发送的TCP/IP数据包进行解析获得对步进电机的控制命令，所述TCP/IP数据包封装有对所述步进电机的控制命令，所述步进电机控制器通过控制所述步进电机驱动器而驱动所述步进电机转动，所述步进电机的转轴与第一齿轮连接，所述第二齿轮与第一齿轮啮合，所述传动部件与所述第二齿轮连接，所述步进电机通过带动第一齿轮和第二齿轮转动而带动所述传动部件转动，所述传动部件转动带动显微镜镜头沿轴向移动，所述感应装置与所述第二齿轮相对固定设置，所述感应装置随着所述第二齿轮转动而转动，在所述第二齿轮的圆周边缘旁边设有所述第一限位开关和第二限位开关，所述第一限位开关和第二限位开关分别用于检测所述感应装置是否转动到绝对起点和绝对终点，所述绝对起点和绝对终点分别对应显微镜镜头轴向移动的绝对原点和绝对最远点，所述感应装置分别位于所述绝对起点和绝对终点的情况下，所述第一限位开关和所述第二限位开关分别用于产生 触发信号并将所述触发信号反馈到所述步进电机控制器，所述步进电机控制器控制所述步进电机停止转动或反向转动。

优选地，所述显微镜光学变焦控制系统还包括用于固定所述感应装置的固定装置，所述固定装置与所述第二齿轮固定连接，所述固定装置随着所述第二齿轮的转动而转动。

优选地，所述固定装置呈空心柱体结构，所述固定装置穿设在所述传动部件上，所述第二齿轮穿设在所述固定装置上，所述固定装置的轴向宽度大于所述第二齿轮的轴向宽度，所述第二齿轮、所述固定装置以及传动部件的轴向相互平行，且所述固定装置的内径等于所述传动部件的外径，所述固定装置的外径等于所述第二齿轮的内径；所述感应装置设置在所述固定装置的侧壁上。

优选地，所述显微镜光学变焦控制系统还包括用于固定所述第一限位开关和第二限位开关的固定支架，所述第一限位开关、第二限位开关设置在所述固定支架朝向所述感应装置的表面上。

优选地，所述第一限位开关和所述第二限位开关为近触开关，所述感应装置为金属块。

优选地，所述显微镜光学变焦控制系统还包括显微镜镜头位置查询模块，所述显微镜镜头位置查询模块用于查询显微镜镜头所处位置。

优选地，所述显微镜光学变焦控制系统还包括远程控制器，所述远程控制器用于向所述步进电机控制器发送所述TCP/IP数据包。

本发明还提出一种使用上述显微镜光学变焦控制系统的光学变焦控制方法，包括以下步骤：

S1、所述步进电机控制器发送转动N个脉冲的控制命令给所述步进电机驱动器，所述步进电机驱动器驱动所述步进电机转动，所述步进电机转动驱动所述传动部件转动；

S2、所述显微镜镜头在所述传动部件的带动下从显微镜镜头上次移动停止的位置开始轴向移动；

S3、所述步进电机控制器判断所述感应装置是否转动到所述第一限位开关或第二限位开关位置处，若在转动N个脉冲的过程中，所述感应装置转动到所述第一限位开关或第二限位开关位置处，所述步进电机控制器控制所述步进电机停 止转动或反向转动，若在转动N个脉冲完成时，所述感应装置未转动到所述第一限位开关或第二限位开关位置处，所述步进电机控制器控制所述步进电机停止转动，并锁定所述显微镜镜头；

S4、所述步进电机控制器判断显微镜镜头从最近一次位于所述绝对原点的时刻至当前时刻之间变焦的次数是否达到预设次数，若是，则执行步骤S5；

S5、所述步进电机控制器发送感应装置回到第一限位开关位置的控制命令给所述步进电机驱动器，所述步进电机驱动器驱动所述步进电机转动，所述步进电机转动驱动所述传动部件转动；

S6、所述显微镜镜头在所述传动部件的带动下从显微镜镜头上次移动停止的位置开始轴向移动；

S7、所述步进电机控制器判断所述感应装置是否转动到所述第一限位开关位置处，若是，所述步进电机控制器控制所述步进电机停止转动。

本发明提出的显微镜光学变焦远制系统及方法利用步进电机驱动显微镜镜头焦距变化，使显微镜镜头到达相应位置后被步进电机锁定，确保了显微镜镜头不会由于震动等外部原因产生位置变化，同时利用两个限位开关确保显微镜镜头在移动过程中不会到达不被允许的位置，确保了显微镜镜头的安全性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的显微镜光学变焦控制系统实施框图一；

图2是本发明具体实施方式的显微镜光学变焦控制系统结构示意图一；

图3是本发明具体实施方式的显微镜光学变焦控制系统结构示意图二；

图4是本发明具体实施方式的显微镜光学变焦控制系统实施框图二。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。

本发明提出一种显微镜光学变焦控制系统，参见图1本发明具体实施方式的显微镜光学变焦控制系统实施框图一。该显微镜光学变焦控制系统包括步进电机控制器、步进电机驱动器、步进电机1、传动部件2、第一齿轮3、第二齿轮4、 第一限位开关5、第二限位开关6和感应装置7。其中，步进电机控制器用于对接收到的远程控制器发送的TCP/IP数据包进行解析获得对步进电机1的控制命令，TCP/IP数据包封装有对步进电机1的控制命令，步进电机驱动器接收步进电机控制器发送的控制命令并驱动步进电机1的转轴作相应运动，步进电机1的转轴与第一齿轮3连接，第二齿轮4与第一齿轮3啮合，传动部件2与第二齿轮4连接，步进电机1通过带动第一齿轮3和第二齿轮4转动而带动传动部件2转动，从而传动部件2带动显微镜镜头沿轴向移动。感应装置7与第二齿轮4相对固定设置，感应装置7随着第二齿轮4的转动而转动，在第二齿轮4的圆周边缘旁边设有第一限位开关5和第二限位开关6，第一限位开关5和第二限位开关6分别用于限定第二齿轮4转动的两个极限位置，即转动的绝对起点和绝对终点，这两个极限位置分别对应显微镜镜头轴向移动过程中的两个极限位置，即轴向移动的绝对原点和绝对最远点，第一限位开关5和第二限位开关6分别用于检测感应装置7是否转动到绝对起点和绝对终点；感应装置7分别位于绝对起点和绝对终点的情况下，感应装置7分别与第一限位开关5或第二限位开关6的距离处于预设的检测范围内，第一限位开关5和第二限位开关6分别用于产生触发信号并将触发信号反馈到步进电机控制器，步进电机控制器控制步进电机1停止转动或反向转动，从而通过第一限位开关5和第二限位开关6对显微镜镜头轴向移动的到达位置进行限定。

在一个具体实施例中，参见图2是本发明具体实施方式的显微镜光学变焦控制系统结构示意图一，图3是本发明具体实施方式的显微镜光学变焦控制系统结构示意图二，本控制系统还包括用于固定感应装置7的固定装置8，固定装置8与第二齿轮4固定连接，固定装置8随着第二齿轮4的转动而转动。更进一步地，固定装置8呈空心柱体结构，其穿设在传动部件2上，第二齿轮4穿设在固定装置8上，传动部件2、固定装置8以及第二齿轮4的轴向相互平行，且固定装置8的内径等于传动部件2的外径，固定装置8的外径等于第二齿轮4的内径，感应装置7设置在固定装置8的侧壁上，从而第二齿轮4转动的同时带动固定装置8和传动部件2同步转动，由于固定装置8的轴向宽度大于第二齿轮4的轴向宽度，因此，通过固定装置8的连接增加了第二齿轮4与传动部件2之间的摩擦力，确保了步进电机对显微镜镜头移动更可靠地控制。另外，本控制系 统还包括用于固定第一限位开关5和第二限位开关6的固定支架9，固定支架9不随传动部件2的转动而运动，第一限位开关5和第二限位开关6设置在固定支架9朝向感应装置7的表面上。

对上述显微镜光学变焦控制系统的工作过程，以显微镜上电开始工作后的两次连续变焦为例予以说明：

第一次变焦：假设显微镜镜头期望的焦距值为f1

S1、步进电机控制器根据期望的焦距值f1，获取显微镜镜头相对于绝对原点需轴向移动的位移量、步进电机1转动角度及所需要的脉冲数N1；由于焦距f1对应的焦点在远离绝对原点的位置，步进电机控制器发送正向转动N1个脉冲的控制命令给步进电机驱动器；

S2、步进电机驱动器通过步进电机1上的A+、A-和B+、B-接口驱动步进电机1转动，步进电机1正向转动带动传动部件2正向转动，从而带动显微镜镜头沿轴向正向移动；

S3、步进电机控制器判断感应装置7是否转动到第一限位开关5或第二限位开关6位置处，如果完成N1个脉冲且未到达任意一个限位开关位置处，则表明显微镜镜头既没有到达移动的绝对原点也没有到达移动的绝对最远点，这次转动是成功的，步进电机1停止转动，并将显微镜镜头锁定在其本次移动停止的位置；如果转动过程中感应装置7到达任意一个限位开关位置处，则表明显微镜镜头到达移动的绝对原点或绝对最远点，这次转动失败，步进电机1立即停止转动；

第二次变焦：假设显微镜镜头期望的焦距值为f2，且f2＜f1

S1＇、步进电机控制器根据期望的焦距值f2，获取显微镜镜头相对于其第一次停止移动位置需轴向移动的位移量、步进电机1转动角度及所需要的脉冲数N2；由于焦距f2对应的焦点相对于焦距f1对应的焦点在更靠近绝对原点的位置，步进电机控制器发送反向转动N2个脉冲的控制命令给步进电机驱动器；

S2＇、步进电机驱动器通过步进电机1上的A+、A-和B+、B-接口驱动步进电机1转动，步进电机1反向转动带动传动部件2反向转动，从而带动显微镜镜头沿轴向反向移动；

S3＇、步进电机控制器判断感应装置7是否转动到第一限位开关5或第二限 位开关6位置处，如果完成N2个脉冲且未到达任意一个限位开关位置处，则表明显微镜镜头既没有到达移动的绝对原点也没有到达移动的绝对最远点，这次转动是成功的，步进电机1停止转动，并将显微镜镜头锁定在其本次移动停止的位置；如果转动过程中感应装置7到达任意一个限位开关位置处，则表明显微镜镜头到达移动的绝对原点或绝对最远点，这次转动失败，步进电机1立即停止转动。

第三次变焦、第四次变焦、......、第M次变焦的执行过程类似，在此不再赘述。

由上述工作过程可知，本控制系统利用步进电机驱动显微镜镜头焦距变化，使显微镜镜头到达相应位置后被步进电机锁定，确保了显微镜镜头不会由于震动等外部原因产生位置变化，同时利用两个限位开关确保显微镜镜头在移动过程中不会到达不被允许的位置，确保了显微镜镜头的安全性。然而，由于显微镜镜头每一次变焦都是以上一次变焦结束时所处位置作为相对原点开始轴向移动，在多次变焦操作后，有可能实际相对原点离理想相对原点有一定的位置偏差，使得本次获取到的焦距精度降低。因此，步进电机控制器判断显微镜镜头从最近一次位于绝对原点的时刻至当前时刻之间变焦的次数是否达到预设次数，若是，工作过程还包括以下步骤：

S4、步进电机控制器发送感应装置回到第一限位开关位置的控制命令给步进电机驱动器；

S5、步进电机驱动器通过步进电机1上的A+、A-和B+、B-接口驱动步进电机转动，步进电机1带动感应装置7朝着第一限位开关5位置处转动，并带动显微镜镜头朝着绝对原点位置处轴向移动；

S6、步进电机控制器判断感应装置7是否到达第一限位开关5位置处，如果到达，则感应装置7回到第一限位开关位置成功，同时，显微镜镜头到达移动的绝对原点处，步进电机1立即停止转动。

通过上述步骤S4-S6，显微镜镜头回到绝对原点处，这样下一次变焦又以绝对原点为计算开始点，从而利用物理方法消除了多次变焦操作后显微镜镜头移动位置可能存在的偏差。在利用第一限位开关保护显微镜镜头不被损坏的同时，还 利用第一限位开关确保了显微镜镜头的重复一致性。在一些实施例中，可以使得每次调整的实际焦距与理想焦距的偏差可达到0.01mm以下。显微镜镜头焦距重新回到初始状态的过程不需要通过步进电机断电后的复位操作来实现，节省了步进电机断电、上电、程序启动等一系列操作运行时间，在保证显微镜变焦精度与显微镜镜头安全性的同时，还实现了快速、连续变焦，确保了试样成像的稳定跟踪，满足了显微镜精确可靠的测量要求。特别地，当使用显微镜观测生物体或分子原子的生长过程或运动路线时，若变焦过程过长或因断电中断，都会严重影响观测数据的实时性和准确性。另一方面，通过上述步骤可有效避免对步进电机频繁地开/关电源，这样也可减小对步进电机内部电器元件的损害，延长显微镜的使用寿命。

具体地，第一限位开关、第二限位开关都采用近触开关，在本实施例中也称为第一近触开关、第二近触开关，感应装置7采用金属块。当金属块与第一近触开关或第二近触开关的距离在一定的感应范围内时，表明显微镜镜头已经移动到极限位置，此时，第一近触开关或第二近触开关产生触发信号并将触发信号反馈到步进电机控制器，由步进电机控制器控制步进电机1停止转动或反向转动。近触开关反应灵敏，金属块体积小、质量轻，不会对显微镜镜头的移动造成过大的阻力，使得显微镜镜头正常范围内移动时不受外力影响，且移动到极限位置时能平稳停止。

在本发明的一个具体实施例中，本控制系统还包括显微镜镜头位置查询模块，用于获取显微镜镜头当前所处的位置。每次变焦结束，若显微镜镜头移动成功，显微镜镜头位置查询模块就根据显微镜镜头上次移动完成时所处位置获取显微镜镜头本次移动完成时所处位置。

在本发明的一个具体实施例中，参见图4是本发明具体实施方式的显微镜光学变焦控制系统实施框图二，本控制系统还包括远程控制器。远程控制器用于向步进电机控制器发送封装有控制命令的TCP/IP数据包，控制命令包括感应装置回到第一限位开关位置、正向转动N个脉冲、反向转动N个脉冲和查询显微镜镜头当前位置等，同时，远程控制器还接收步进电机控制器的反馈信息。例如，远程控制器发送封装有控制命令为正向/反向转动N个脉冲的TCP/IP数据包给步 进电机控制器，步进电机控制器控制步进电机转动，若转动失败，步进电机控制器发送转动失败的信号给远程控制器，请求进行下一步操作；远程控制器发送封装有控制命令为感应装置回到第一限位开关位置的TCP/IP数据包给步进电机控制器，步进电机控制器控制步进电机带动显微镜镜头轴向移动回到移动的绝对原点处；远程控制器发送封装有控制命令为查询显微镜镜头当前位置的TCP/IP数据包给步进电机控制器，步进电机控制器获取显微镜镜头当前位置后发送给远程控制器，便于操作人员掌握显微镜镜头的位置情况。在操作人员不能到达的一些特定场合，或者为了更精确的观测一些特定位置的图像数据，采用TCP/IP网络协议实现远程数据交换，方便操作人员异地控制显微镜以及观测显微镜样品台上的试样，突破了传统的232串口数据传输距离的局限性，实现了真正意义上的远程控制。更进一步地，步进电机控制器还可同时远程控制多台显微镜，对获取到的多幅数据图像作对比分析，以得到更全面的观测结果。

本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例仅是用来描述一个或多个特定实施方式。

尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims (8)

1.一种显微镜光学变焦控制系统，其特征在于，包括步进电机控制器、步进电机驱动器、步进电机、第一齿轮、第二齿轮、传动部件、第一限位开关、第二限位开关和感应装置；其中，所述步进电机控制器用于对接收到的远程控制器发送的TCP/IP数据包进行解析获得对步进电机的控制命令，所述TCP/IP数据包封装有对所述步进电机的控制命令，所述步进电机控制器通过控制所述步进电机驱动器而驱动所述步进电机转动，所述步进电机的转轴与第一齿轮连接，所述第二齿轮与第一齿轮啮合，所述传动部件与所述第二齿轮连接，所述步进电机通过带动第一齿轮和第二齿轮转动而带动所述传动部件转动，所述传动部件转动带动显微镜镜头沿轴向移动，所述感应装置与所述第二齿轮相对固定设置，所述感应装置随着所述第二齿轮转动而转动，在所述第二齿轮的圆周边缘旁边设有所述第一限位开关和第二限位开关，所述第一限位开关和第二限位开关分别用于检测所述感应装置是否转动到绝对起点和绝对终点，所述绝对起点和绝对终点分别对应显微镜镜头轴向移动的绝对原点和绝对最远点，所述感应装置分别位于所述绝对起点和绝对终点的情况下，所述第一限位开关和所述第二限位开关分别用于产生触发信号并将所述触发信号反馈到所述步进电机控制器，所述步进电机控制器控制所述步进电机停止转动或反向转动。

2.如权利要求1所述的显微镜光学变焦控制系统，其特征在于，所述显微镜光学变焦控制系统还包括用于固定所述感应装置的固定装置，所述固定装置与所述第二齿轮固定连接，所述固定装置随着所述第二齿轮的转动而转动。

3.如权利要求2所述的显微镜光学变焦控制系统，其特征在于，所述固定装置呈空心柱体结构，所述固定装置穿设在所述传动部件上，所述第二齿轮穿设在所述固定装置上，所述固定装置的轴向宽度大于所述第二齿轮的轴向宽度，所述第二齿轮、所述固定装置以及传动部件的轴向相互平行，且所述固定装置的内径等于所述传动部件的外径，所述固定装置的外径等于所述第二齿轮的内径；所述感应装置设置在所述固定装置的侧壁上。

4.如权利要求1所述的显微镜光学变焦控制系统，其特征在于，所述显微镜光学变焦控制系统还包括用于固定所述第一限位开关和第二限位开关的固定支架，所述第一限位开关、第二限位开关设置在所述固定支架朝向所述感应装置的表面上。

5.如权利要求1-4任一项所述的显微镜光学变焦控制系统，其特征在于，所述第一限位开关和所述第二限位开关为近触开关，所述感应装置为金属块。

6.如权利要求1所述的显微镜光学变焦控制系统，其特征在于，所述显微镜光学变焦控制系统还包括显微镜镜头位置查询模块，所述显微镜镜头位置查询模块用于查询显微镜镜头所处位置。

7.如权利要求1所述的显微镜光学变焦控制系统，其特征在于，所述显微镜光学变焦控制系统还包括远程控制器，所述远程控制器用于向所述步进电机控制器发送所述TCP/IP数据包。

8.一种使用如权利要求1所述的显微镜光学变焦控制系统的光学变焦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、所述步进电机控制器发送转动N个脉冲的控制命令给所述步进电机驱动器，所述步进电机驱动器驱动所述步进电机转动，所述步进电机转动驱动所述传动部件转动；

S2、所述显微镜镜头在所述传动部件的带动下从显微镜镜头上次移动停止的位置开始轴向移动；

S3、所述步进电机控制器判断所述感应装置是否转动到所述第一限位开关或第二限位开关位置处，若在转动N个脉冲的过程中，所述感应装置转动到所述第一限位开关或第二限位开关位置处，所述步进电机控制器控制所述步进电机停止转动或反向转动，若在转动N个脉冲完成时，所述感应装置未转动到所述第一限位开关或第二限位开关位置处，所述步进电机控制器控制所述步进电机停止转动，并锁定所述显微镜镜头；

S4、所述步进电机控制器判断显微镜镜头从最近一次位于所述绝对原点的时刻至当前时刻之间变焦的次数是否达到预设次数，若是，则执行步骤S5；

S5、所述步进电机控制器发送感应装置回到第一限位开关位置的控制命令给所述步进电机驱动器，所述步进电机驱动器驱动所述步进电机转动，所述步进电机转动驱动所述传动部件转动；

S6、所述显微镜镜头在所述传动部件的带动下从显微镜镜头上次移动停止的位置开始轴向移动；

S7、所述步进电机控制器判断所述感应装置是否转动到所述第一限位开关位置处，若是，所述步进电机控制器控制所述步进电机停止转动。