CN105814474A - 用于数码显微镜的具有移动装置的图像捕获装置和数码显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于数码显微镜的图像捕获装置以及一种具有这种图像捕获装置的数码显微镜。所述图像捕获装置包括摄像头传感器(26)、用于在所述摄像头传感器(26)上的图像平面中对样品进行成像的光学单元，所述光学单元包括至少一个以可相关于光学轴线垂直移动方式安装的透镜组(24、36、37)，以及移动装置，其具有第一驱动器，所述第一驱动器用于使所述可移动安装的透镜组(24、36、37)的至少一部分进行平行于所述图像平面的相对移动，从而使所述摄像头传感器(26)上对所述样品进行的成像平行于所述图像平面相对移动。根据本发明，所述第一驱动器经在所述移动装置中形成的第一柔性轴承，被联接至所述透镜组(24、36、37)的所述可移动安装部分。

Description

用于数码显微镜的具有移动装置的图像捕获装置和数码显微镜

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序所述的用于在平行于图像平面的摄像头传感器上样品成像相对移动的，具有用于数码显微镜的移动装置(像素偏移单元)的图像捕获装置，以及具有这种图像捕获装置的数码显微镜。

背景技术

像素偏移技术已使用了一段时间，尤其是在数码相机行业中，从而获得分辨率和图像质量的改进。该方法用于图像稳定化、分辨率增强以及保护具有颜色像素的传感器的颜色信息。目前，也有许多在显微镜中的应用。

在像素偏移技术中，如在本申请中要理解的一样，摄像头传感器被用于拍摄两个以上图像，其中物体相对于摄像头传感器的光学成像是通过水平和/或垂直方向上一个或更少像素进行偏移的，因此在摄像头传感器略微偏移的区域上进行成像。摄像头传感器或光学元件可主动地进行移动。根据所记录的各个图像，随后可使用已知的图像处理方法计算出品质上更好的图像。

JP2012-163910A公开了一种显微镜，其中在光学路径中设置有用于分辨率增强的图像偏移装置。该装置根据致动器的设置使光学成像发生偏移。具有突起的平行板玻璃是通过可旋转的凸轮环倾斜的。凸轮环是通过马达驱动的。生产与突起相平行的板玻璃是相对昂贵的。突起的位置牢固地限定了移动路径。作为相对于凸轮环更快的替代方案，提出使用DMD(数字微镜器件)，其倾斜调整了光学成像的移动路径。术语微扫描覆盖了各种可能性。

DE69528915T2描述了一种用于相机的像素偏移方法，其中镜或旋转棱镜倾斜以移动图像或将透镜组垂直移动。在该方法中，可选择相机的操作方式且因此实现图像稳定化或增强的分辨率。

JP2008065340A公开了一种具有两个高速和低速图像捕获装置并且具有与自己相分离的物镜的显微镜。该物镜可通过使用驱动器的复杂机构移动，从而计算物镜远离图像的移动。整个物镜的移动仅可相对缓慢地发生。

Jp2012163616公开了一种为了图像稳定化使用像素偏移的缩放物镜。缩放物镜包括几个透镜组，其中的一个是可移动的。振动检测器检测缩放的振动，并且致动器根据振动进行控制，以相对于光学轴线垂直移动透镜组。

US6397008B2公开了一种具有图像稳定器的相机。相机的移动是通过加速度传感器建立的，且据此确定用于透镜移动的致动器的控制。透镜是通过滑动轴承被弹性安装在三个点上。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于数码显微镜的图像捕获装置，其包括可以成本效益的方式生产出来的快速且非常精确的像素偏移装置。

这个目的是通过具有权利要求1所述特征的用于数码显微镜的图像捕获装置和具有权利要求9所述特征的数码显微镜而实现的。

根据本发明用于数码显微镜的图像捕获装置首先按已知的方式包括用于检测样品图像的摄像头传感器、在摄像头传感器上生成样品图像的光学单元和在摄像头传感器上移动图像的移动装置。在这种情况下，移动装置包括用于光学单元可移动安装透镜组至少一部分相对移动的驱动器。根据本发明，第一驱动器经在移动装置中形成的第一柔性轴承被联接至透镜组的可移动安装部分。

根据本发明的数码显微镜包括这种图像捕获装置。

在一个优选实施例中，摄像头传感器为CMOS传感器，然而也可使用任何其他合适的摄像头传感器。例如，传感器也可以是具有拜尔模式的CCD传感器。

光学单元优选为光学元件的一部分，其为数码显微镜中所必须，且优选包括物镜和缩放组件。在大多数的实施例中，物镜和缩放组件是空间上分开的组件，其中缩放组件为或可被集成在被称之为“光学引擎”的部件中，其额外地还包括数码显微镜的控制组件和图像处理组件。然而，根据本发明也可同样进行设置，例如，缩放组件可被集成在物镜中。

根据本发明，移动装置(像素偏移单元)被集成在光学单元的可移动透镜组中，其中透镜组的至少一部分可通过第一驱动器相关于光学轴线垂直地进行主动移动，所述第一驱动器优选为压电致动器，且第一驱动器通过柔性轴承被联接至透镜组的可移动部分。压电致动器也可以是一堆单个压电致动器。

本发明意义内的柔性轴承被理解成具有特定变形行为的整体结构，所述整体结构至少载有或接收透镜组的可移动部分且具有用于压电致动器的触点。

在本发明的优选实施例中，柔性轴承是在整体基体中形成的，在所述整体基体径向中心区域中，透镜组的可移动部分被安装在透镜开口中，且在所述整体基体径向周边致动器区域中，设有用于驱动器的触点。

特别有利的移动装置是由在优选中心光学区域中载有透镜组以及在优选周边致动器区域中载有驱动器/压电致动器的板或圆盘形式的整体配置基体形成的。在这种情况下，柔性轴承是由在板或圆盘中限定材料的切口形成的。其允许在光学区域和致动器区域之间通过可逆弯曲实现相对移动。

此类柔性轴承可在已知的FEM模拟的帮助下由不同的材料制成所需尺寸。

有利地，可设有第二驱动器或压电致动器以允许在平行于摄像头传感器的第二方向上实现透镜组或其至少一部分的移动。当然，透镜组的各个透镜也可通过彼此偏离90°的驱动器或压电致动器进行移动。

在数码显微镜的优选实施例中，可移动透镜组为分离的缩放组件的一部分。

在进一步的实施例中，可移动透镜组可被安装为基体/像素偏移单元中的完整透镜组。在这种情况下，像素偏移单元优选地被构造成两轴系统，其接收全部透镜组或其至少一部分，以及一个以上驱动器或压电致动器，其中柔性轴承被设置在这些组件之间。

在替代实施例中，可能的情况是透镜组仅有单个透镜移动，或在每种情况下，透镜中的两个是通过一个压电致动器进行移动的。在这种情况下，基体可被形成为二维或三维结构。

在具有两个驱动器的另一个有利的实施例中，图像捕获装置还包括调节单元，其以使成像在连续循环中相继被移动至三个不同限定像素偏移位置的方式控制第一和第二驱动器，其中在每种情况下，在到达每个像素偏移位置后，用摄像头传感器拍摄一个图像。在图像处理单元中，对这些各个图像进行计算以得到高分辨率的图像。此外，按已知的方式将关于各个图像的信息用于不同的颜色、边缘和图像校正。

根据本发明的数码显微镜包括具有上述特性的图像捕获装置。光学单元是否被集成在物镜或缩放组件中或者在缩放物镜中则是不重要的。光学单元优选为被集成在光学引擎中的缩放组件的一部分。在这种情况下，光学引擎还包括一个图像处理单元。

附图说明

下面将参照附图更详细地解释本发明的优选实施例，其中：

图1示出用于移动装置(像素偏移单元)的柔性轴承的第一优选实施例；

图2示出图1柔性轴承不同位置的放大细节图；

图3示出具有图1柔性轴承的移动装置；

图4示出具有图3所示移动装置的数码显微镜的局部视图；

图5示出不同视图中本发明移动装置的第二优选实施例；

图6示出不同视图中本发明移动装置第三个优选实施例。

具体实施方式

图1以平面图(图a)和立体图(图b)示出了根据本发明用于移动装置的柔性轴承的第一优选实施例。单片基体01为盘形且在其中心区域中具有其中可接收透镜或透镜组(未示出)的透镜开口02。在所示实施例中，基体01由厚度为约5mm的铝板制成。该实施例有利地提供了良好的刚性和稳定性以及用于透镜安装件的有利条件。通过侵蚀进行的机加工是可能的。

在替代实施例中，可使用其他材料，例如塑料(可选为纤维强化的)或其他材料。尺寸可根据材料的选择而适当地进行调整。

用于接收压电致动器的两个凹部04、05被设置在基体01的周边区域03中。

对于本领域的人员来说明显的是，这里原则上可使用任何其他合适的驱动器，其可由，例如可旋转的凸轮盘或凸轮或者以某种其他方式形成。

在凹部04、05和中心区域之间，即，透镜开口02处，轴向连续的狭缝06被加工到基体01中以形成柔性轴承。每个凹部04、05设有一个接触表面07，在其上面通过延伸的压电致动器施加力。

由于柔性轴承的机械预紧以及可绕旋转点08枢转的杆09、10和在基体01中的狭缝06之间的相互作用，透镜开口02根据柔性轴承的尺寸标注而移动。

在修改的实施例中，压电致动器可被设置在杆9、10的每一侧上，从而在每种情况下在压电致动器中的一个的控制下在两个方向上实现有效的杆移动。

压电致动器各自的行进可通过在柔性轴承内的不同杆的动作而进行优化。通过对杆09、10和狭缝06进行的尺寸标注，也可就力效应进行压电致动器的选择。在该连接中应注意的是，随着力效应的增加，可缩短行进。本领域的技术人员能够对适于柔性轴承的压电致动器进行选择和尺寸标注。

在该实施例中，柔性轴承是由在狭缝06之间保留的板簧、杆9、10和旋转点08而形成的。

在示出的情况下，第一压电致动器的力F1将通过柔性轴承被传输至透镜开口且将在那里激活方向F2上的移动(通过135°旋转)。这些均是在微米范围内的运动且在图中无法真实地按比例示出。所指示的力的箭头F1和F2仅用于说明所涉及的原理，其长度不以任何方式与所施加的力或移动距离相关联。

例如，如果要在12点钟的方向移动透镜开口02，则必须在6点钟方向移动两个杆09和10，即通过(两个)驱动器的延伸而进行移动。

原则上，柔性轴承或透镜安装件被设计成侧向或偏离中心的力输入F1，在方向F2(远离中心)上提供所产生的移动，通过135°旋转(在旋转的数学正意义上)。通过在杆10上的相对的第二压电致动器的力输入，实现了与之前的方向F2偏离90°的移动。以这样的方式，通过对相对的压电致动器的有针对性的控制，可在垂直于彼此和垂直于光学轴线的两个方向上生成透镜精确、对称以及线性的调整。

对于像素移位循环而言，要按已知的方式通过相应数量的步骤移动透镜开口。必须要在压电致动器的控制和偏转中选择相应的算法。

图2示出了具有已参照图1，以平面图(图a)和侧视图(图b)进行解释的基体01的移动装置。

两个压电致动器13的堆11、12被接收在两个凹部04和05中的每一个中。通过板14和保持在基板01中的螺纹销15，堆11、12中的每一个均受到限定的预紧(见图3b)。

在替代实施例中，当然可使用具有集成预紧或具有主动预紧布置的压电致动器(相反作用的两个致动器、对称动作的推-拉驱动器)。

印刷电路板16优选为通过螺钉17被固定在基体01上。通往压电致动器13的电子驱动电路18和线19被设置在印刷电路板16上。

图3在不按真实比例示出的细节视图中示出了根据图1的杆9的两个端部位置(图a和b)。图a示出了预紧第一端部位置，且图b示出了第二端部位置。在像素移位单元的装配过程中，通过螺纹销15的机械预紧设置第一端部位置。应尽可能地避免杆09与周边区域03的接触。图b示出杆09的第二端部位置，其可通过堆11的激活或完全偏转而进行控制(在这里未示出)。

图4示出了集成在数码显微镜光学单元中的上述移动装置。在纵向截面图(图a)和分解图(图b)中仅示出了主壳体的一部分。

在光学轴线22上，轴向可移动的透镜组23、可关于光学轴线22垂直移动的透镜组24以及在基板27上的摄像头传感器26被布置在圆柱形壳体21中。

透镜组24为正负组，其被安装在移动装置的基体01中。

图5以侧视图(图a)、截面图(图b和c)以及立体图(图d)示出了根据本发明用于数码显微镜的移动装置的第二优选实施例。在该实施例中，形成了具有整体三维结构的基体30。

基体30具有正环31、负环32以及在环31、32之间轴向延伸的四个腹板33，该腹板33中的每一个绕光学轴线34彼此偏离90°并且与其平行延伸。在特别有利的实施例中，腹板33的布置或其离光学轴线34的距离与摄像头传感器的格式相对应。

正环31载有正组36且负环32载有负组37。彼此偏离90°并垂直于光学轴线32的压电致动器38、39作用于在正组36的轴向区域中的腹板33中的两个上，使得一旦压电致动器38、39中的一个或两个激活后，它们可以从光学轴线32向外移动。

在图6中示出了第三实施例，其中正组36和负组37相对于彼此倾斜。在图6中，图a示出了侧视图，图b示出了沿图a中的截面线B-B的截面图，图c示出了沿图b中的截面线C-C截面图，且图d示出了立体图。

光学单元此处被定位在用万向架安装的枢转装置的中心处。在该实施例中，基体具有多个部分。其包括其中安装有正组36和负组37的内套管以及其中安装有压电致动器38、39的外套管42(外围)，其中这些中的每一个均具有在内套管41上的接触表面43。

在该实施例中，柔性轴承由万向盘44形成，所述万向盘44使每个驱动器具有两个半环狭缝，其中每个驱动器的环均以90°彼此偏离。圆盘44连接内套管41和外套管42。在狭缝之间保留的网状物限定了在圆盘44平面中的旋转轴线。

旋转轴线优选为离光学单元36、37一段距离，从而通过与传感器对齐的旋转轴线的旋转，使光学单元从光学轴线34向外枢转。通过压电致动器38、39的致动，在所需的方向上移动中心。

旋转轴线有利地位于正组36和负组37之间，这是因为组件实现了用该布置添加的相反效果，其结果是更短的行进距离就已足够。

附图标记列表

01基体

02开口

03周边区域

04凹部

05凹部

06狭缝

07接触表面

08旋转点

09杆

10杆

11堆

12压电致动器

13压电致动器

14板

15螺纹销

16印刷电路板

17螺钉

18驱动电路

19线

20-

21壳体

22光学轴线

23透镜组

24透镜组

25-

26摄像头传感器

27基板

28-

29-

30基体

31正环

32负环

33腹板

34光学轴线

35-

36正组

37负组

38压电致动器

39压电致动器

40-

41内套管

42外套管

43接触表面

44万向盘

Claims (10)

1.一种用于数码显微镜的图像捕获装置，其包括

-摄像头传感器(26)，

-用于在所述摄像头传感器(26)上的图像平面中对样品进行成像的光学单元，所述光学单元包括至少一个以可相关于光学轴线垂直移动方式安装的透镜组(24、36、37)，

-移动装置，其具有第一驱动器，所述第一驱动器用于使所述可移动安装的透镜组(24、36、37)的至少一部分进行平行于所述图像平面的相对移动，从而使所述摄像头传感器(26)上对所述样品进行的成像平行于所述图像平面相对移动，

其特征在于所述第一驱动器经在所述移动装置中形成的第一柔性轴承，被联接至所述透镜组(24、36、37)的所述可移动安装部分。

2.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其特征在于所述第一驱动器为压电致动器(11、12、38、39)。

3.根据权利要求1或2所述的图像捕获装置，其特征在于所述第一柔性轴承是在整体基体(01)中形成的，在其径向中心区域中，所述透镜组的所述可移动部分被安装在透镜开口(02)中，且在其径向周边致动器区域(03)中，设有用于所述驱动器的接触表面(07)。

4.根据权利要求3所述的图像捕获装置，其特征在于所述整体基体(01)为圆盘形，且具有至少部分围绕所述透镜开口(02)延伸远至杆(9、10)的狭缝(06)，所述杆(9、10)具有用于所述第一驱动器的所述接触表面(07)。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的图像捕获装置，其特征在于所述柔性轴承绕所述驱动器的偏移路径进行机械性预紧。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的图像捕获装置，其特征在于其包括第二驱动器，所述第二驱动器经第二柔性轴承被联接至所述移动装置。

7.根据权利要求6引用权利要求4时所述的图像捕获装置，其特征在于所述整体基体(01、30)为两轴系统，其中中心平台形成透镜安装件，且在所述整体基体(01、30)外围，安装有所述第一和第二驱动器(11、12、38、39)，且其中所述第一和第二柔性轴承形成于所述中心平台和所述外围之间。

8.根据权利要求6或7所述的图像捕获装置，其特征在于其包括调节单元，所述调节单元以使所述成像在连续循环中相继被移动至三个不同限定像素偏移位置的方式控制所述第一和所述第二驱动器，其中在每种情况下，在到达每个像素偏移位置后，用所述摄像头传感器拍摄一个图像。

9.一种数码显微镜，其特征在于其具有如权利要求1至8中的一项所要求的图像捕获装置。

10.根据权利要求9所述的数码显微镜，其特征在于所述可移动透镜组(24、36、37)被集成在所述数码显微镜的缩放组件中。