CN108020163B - 一种显微追踪微粒三维位移的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种显微追踪微粒三维位移的装置中，本发明技术方案中，两路对称布置的LED光经准直聚焦单元后透过样品池进入显微物镜入瞳，从显微物镜出来的光经反射单元输入到分光单元，被分光单元中的第一透镜会聚后，两路LED光被两块楔形镜分开，通过分光单元中的第二透镜成像到同一图像控制器。由此，图像控制器获取了样品池中目标微粒的双LED光投影，经图像处理得到其三维位移信息。从准直聚焦单元到图像控制器，各单元分别以显微物镜光轴和分光单元光轴为基准定位衔接，整个装置呈L字状布置，具有光路简单，装置结构紧凑以及体积小，测量准确性好的优点。

Description

一种显微追踪微粒三维位移的装置

技术领域

本发明涉及微粒的检测测量装置技术领域，更具体的说，涉及一种显微追踪微粒三维位移的装置。

背景技术

固体以及液体粒子，特别是微小粒子位移的检测对许多领域有着重要的作用。目前对微粒位移的检测已有多种不同方法，其中，应用较为广泛的是光学方法，通过多种不同光学元件构成装置测量微粒的位移。

现有测量微粒位移的装置普遍存在测量光路复杂，光路长，光学器件以及调整架体积大，整个装置占据空间较大，测量精度不高等问题。因此，如何提供一种光路简单，装置结构紧凑以及体积小，测量准确性好的装置用于微粒位移的测量，是微粒检测测量领域一个亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种显微追踪微粒三维位移的装置，具有光路简单，装置结构紧凑以及体积小，测量准确性好的优点。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种显微追踪微粒三维位移的装置，所述装置包括：第一路准直聚焦单元、第二路准直聚焦单元、样品池、显微物镜、反射单元、分光单元以及图像控制器；

所述第一路准直聚焦单元与所述第二路准直聚焦单元对称分布，所述第一路准直聚焦单元与所述第二路准直聚焦单元出射的测试光线依次经过所述样品池和所述显微物镜后入射所述反射单元，经过所述反射单元反射进入所述分光单元，经过所述分光单元后，入射所述图像控制器，所述图像控制器用于检测测试光线，基于检测结果形成图像，对所述图像进行图像处理，以获取目标微粒的三维位移信息。

优选的，在上述装置中，所述分光单元的光轴与图像控制器的光轴重合，且与所述显微物镜的光轴垂直；

所述第一路准直聚焦单元的光轴与所述第二路准直聚焦单元的光轴形成夹角的平分线与所述显微物镜的光轴重合。

优选的，在上述装置中，所述分光单元包括：同光轴的第一透镜、分光元件以及第二透镜，所述反射单元反射的测试光线通过所述第一透镜汇聚后入射所述分光元件，经过所述分光元件分为两路入射所述第二透镜，两路测试光线通过所述第二透镜成像到所述图像控制器。

优选的，在上述装置中，所述第一透镜固定在第一镜筒上，所述第二透镜固定在第二镜筒上，所述第一镜筒与所述第二镜筒的轴向对称线重合，所述轴向对称线为所述分光单元的光轴；

所述分光单元还包括：箱体以及调整机构；所述箱体具有用于固定所述第一镜筒的第一开口以及用于固定所述第二镜筒的第二开口，所述第一开口与所述第二开口在所述分光单元的光轴方向相对设置，使得所述第一透镜与所述第二透镜构成望远镜系统；所述调整机构以及所述分光元件位于所述箱体内部且位于所述分光单元的光轴上；所述调整机构用于调整所述分光元件在所述分光单元的光轴中的位置，以使得所述图像控制器获取所述目标微粒的两个分离的图像。

优选的，在上述装置中，所述分光元件位于所述第一透镜的焦点位置；所述分光元件包括两个楔形棱镜。

优选的，在上述装置中，所述第一路准直聚焦单元与所述第二路准直聚焦单元对称地分布在所述显微物镜的光轴两侧；

所述第一路准直聚焦单元包括：第一LED光源、第一准直镜筒、第一准直镜、第一聚焦镜筒以及第一聚焦镜；所述第一LED光源与所述第一准直镜位于所述第一准直镜筒内，所述第一聚焦镜位于所述第一聚焦镜筒内，所述第一准直镜筒与所述第一聚焦镜筒同轴嵌套，所述第一LED光源出射的测试光线依次经过所述第一准直镜以及第一聚焦镜入射所述样品池；

所述第二路准直聚焦单元包括：第二LED光源、第二准直镜筒、第二准直镜、第二聚焦镜筒以及第二聚焦镜；所述第二LED光源与所述第二准直镜位于所述第二准直镜筒内，所述第二聚焦镜位于所述第二聚焦镜筒内，所述第二准直镜筒与所述第二聚焦镜筒同轴嵌套，所述第二LED光源出射的测试光线依次经过所述第二准直镜以及第二聚焦镜入射所述样品池。

优选的，在上述装置中，所述第一路准直聚焦单元与所述第二路准直聚焦单元固定在同一支架上。

优选的，在上述装置中，所述反射单元包括：反射镜筒以及固定在所述反射镜筒上的反射镜；

所述反射镜与所述显微物镜的光轴以及所述分光单元的光轴均成45°夹角。

优选的，在上述装置中，所述显微物镜的光轴竖直分布；所述分光单元的光轴水平分布。

优选的，在上述装置中，所述图像控制器为CCD。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的显微追踪微粒三维位移的装置中，两路对称布置的LED光经准直聚焦单元后透过样品池进入显微物镜入瞳，从显微物镜出来的光经反射单元输入到分光单元，被分光单元中的第一透镜会聚后，两路LED光被两块楔形镜分开，通过分光单元中的第二透镜成像到同一图像控制器。由此，图像控制器获取了样品池中目标微粒的双LED光投影，经图像处理得到其三维位移信息。从准直聚焦单元到图像控制器，各单元分别以显微物镜光轴和分光单元光轴为基准定位衔接，整个装置呈L字状布置，具有光路简单，装置结构紧凑以及体积小，测量准确性好的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种显微追踪微粒三维位移装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种显微追踪微粒三维位移的装置的结构示意图，该装置包括：第一路准直聚焦单元10、第二路准直聚焦单元20、样品池40、显微物镜50、反射单元60、分光单元70以及图像控制器80。其中，所述图像控制器80可以为CCD。

所述第一路准直聚焦单元10与所述第二路准直聚焦单元20对称分布，所述第一路准直聚焦单元10与所述第二路准直聚焦单元20出射的测试光线依次经过所述样品池40和所述显微物镜50后入射所述反射单元60，经过所述反射单元60反射进入所述分光单元70，经过所述分光单元70后，入射所述图像控制器80，所述图像控制器80用于检测测试光线，基于检测结果形成图像，对所述图像进行图像处理，以获取目标微粒的三维位移信息。

所述分光单元70的光轴与图像控制器80的光轴重合，且与所述显微物镜50的光轴垂直。所述第一路准直聚焦单元10的光轴与所述第二路准直聚焦单元20的光轴形成夹角的平分线与所述显微物镜50的光轴重合，二者相对于所述显微物镜50的光轴对称分布。所述显微物镜50的光轴竖直分布，所述分光单元70的光轴水平分布，以便于样品池40水平放置，便于装置中各个单元的安装放置。

所述第一路准直聚焦单元10与所述第二路准直聚焦单元20对称地分布在所述显微物镜50的光轴两侧。所述第一路准直聚焦单元10的光轴与所述显微物镜50的光轴之间的夹角范围可以是30°-60°，包括端点值。

所述第一路准直聚焦单元10包括：第一LED光源11、第一准直镜筒12、第一准直镜13、第一聚焦镜筒14以及第一聚焦镜15。为了使得整个装置紧凑，所述第一LED光源11与所述第一准直镜13位于所述第一准直镜筒12内，所述第一聚焦镜15位于所述第一聚焦镜筒14内，所述第一准直镜筒12与所述第一聚焦镜筒14同轴嵌套。所述第一LED光源11出射的测试光线依次经过所述第一准直镜13以及第一聚焦镜15入射所述样品池40。

所述第二路准直聚焦单元20包括：第二LED光源21、第二准直镜筒22、第二准直镜23、第二聚焦镜筒24以及第二聚焦镜25。为了使得整个装置紧凑，所述第二LED光源21与所述第二准直镜23位于所述第二准直镜筒22内，所述第二聚焦镜25位于所述第二聚焦镜筒24内，所述第二准直镜筒22与所述第二聚焦镜筒24同轴嵌套。所述第二LED光源21出射的测试光线依次经过所述第二准直镜23以及第二聚焦镜25入射所述样品池40。

在对微粒位移进行测量时，从两个准直聚焦单元出射的LED光线穿过样品池，进入显微物镜50入瞳。

可选的，所述第一路准直聚焦单元10与所述第二路准直聚焦单元20固定在同一支架30上。可以设置所述第一准直镜筒12和所述第二准直镜筒22均固定在所述支架30上。

所述分光单元70包括：同光轴的第一透镜71、分光元件74以及第二透镜75，所述反射单元60反射的测试光线通过所述第一透镜71汇聚后入射所述分光元件74，经过所述分光元件74分为两路入射所述第二透镜75，两路测试光线通过所述第二透镜75成像到所述图像控制器80。

所述第一透镜71固定在第一镜筒72上，所述第二透镜75固定在第二镜筒76上，所述第一镜筒72与所述第二镜筒76的轴向对称线重合，所述轴向对称线为所述分光单元70的光轴。所述分光单元70还包括：箱体77以及调整机构73；所述箱体77具有用于固定所述第一镜筒72的第一开口以及用于固定所述第二镜筒76的第二开口，所述第一开口与所述第二开口在所述分光单元70的光轴方向相对设置，使得所述第一透镜71与所述第二透镜75构成望远镜系统，可以在图像控制器80形成缩小的图像，以便于同时获取同一目标微粒的两个图像。所述调整机构73以及所述分光元件74位于所述箱体77内部且位于所述分光单元70的光轴上；所述调整机构73用于调整所述分光元件74在所述分光单元70的光轴中的位置，以使得所述图像控制器80获取所述目标微粒的两个分离的图像。箱体77可以是一个体积较小的箱体结构，可以为一个中空的立方体结构。箱体77可以防止环境光干扰以及灰尘污染透镜。

所述分光元件74位于所述第一透镜71的焦点位置或是该焦点的附近，以便于通过第二透镜75在图像控制器80上形成两个图像。所述分光元件74包括两个楔形棱镜。

所述反射单元60包括：反射镜筒62以及固定在所述反射镜筒62上的反射镜61；所述反射镜61与所述显微物镜50的光轴以及所述分光单元70的光轴均成45°夹角。反射镜筒62固定在分光单元70的第一镜筒72上，与第一镜筒72同轴装配。

本发明实施例所述装置中，各个单元分别以显微物镜50的光轴以及所述分光单元70的光轴为基准定位衔接，便于各个单元的位置校对以及安装，整个装置呈L型，装置长度较短，系统结构简单，体积小。通过显微物镜50、具有望远镜系统的分光单元70以及CCD，可以进行高准确度的微粒位移测量。CCD可以同时接受分离的载有样品池中目标微粒位置信息的双LED光，通过图像处理，得到该目标微粒的三维位移信息。

考虑到各单元在布置时，位置不一定正好吻合，有时需要进行微调。本发明优选实施例中，所述第一路准直聚焦单元10与所述第二路准直聚焦单元20安装在支架30上，可以通过支架30调整所述第一路准直聚焦单元10与所述第二路准直聚焦单元20与显微物镜50光轴之间的角度；分光元件74安装在调整机构73上，调整机构73固定在小箱体77内壁上，通过调整机构73可以调整分光元件74相对于分光单元70光轴和第一透镜71的位置。可选的，反射单元60、分光单元70和图像控制器80共轴地连成一体，直接或间接地固定在小箱体77上，使得装置结构紧凑，体积小，便于携带。

本发明实施例所述显微追踪微粒三维位移的装置中，对微粒三维位移进行测量时，两路对称布置的LED光经准直聚焦单元后透过样品池40进入显微物镜50入瞳，从显微物镜50出来的光经反射单元60输入到分光单元70，被分光单元70中的第一透镜71会聚后，两路LED光被分光元件74分开，通过分光单元70中的第二透镜75成像到同一图像控制器80。由此，图像控制器80获取了样品池40中目标微粒的双LED光投影，经图像处理得到其三维位移信息。从准直聚焦单元到图像控制器80，各单元分别以显微物镜50的光轴和分光单元70的光轴为基准定位衔接，整个装置呈L字状布置。

本发明实施例所述装置光路简洁，整个装置结构紧凑、体积小，便于安装、携带、搬运。可用于测量、追踪显微环境下被流体、光镊、磁镊等操控的微观粒子的三维位移。由于采用一个CCD同时接受样品池中目标微粒的两路LED投影光，因而能获取较高的测量精度。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种显微追踪微粒三维位移的装置，其特征在于，所述装置包括：第一路准直聚焦单元、第二路准直聚焦单元、样品池、显微物镜、反射单元、分光单元以及图像控制器；

所述第一路准直聚焦单元与所述第二路准直聚焦单元对称分布，所述第一路准直聚焦单元与所述第二路准直聚焦单元出射的测试光线依次经过所述样品池和所述显微物镜后入射所述反射单元，经过所述反射单元反射进入所述分光单元，经过所述分光单元后，入射所述图像控制器，所述图像控制器用于检测测试光线，基于检测结果形成图像，对所述图像进行图像处理，以获取目标微粒的三维位移信息；

所述分光单元的光轴与图像控制器的光轴重合，且与所述显微物镜的光轴垂直；所述第一路准直聚焦单元的光轴与所述第二路准直聚焦单元的光轴形成夹角的平分线与所述显微物镜的光轴重合，二者相对于所述显微物镜的光轴对称分布；所述显微物镜的光轴竖直分布，所述分光单元的光轴水平分布；所述第一路准直聚焦单元与所述第二路准直聚焦单元对称地分布在所述显微物镜的光轴两侧。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分光单元包括：同光轴的第一透镜、分光元件以及第二透镜，所述反射单元反射的测试光线通过所述第一透镜汇聚后入射所述分光元件，经过所述分光元件分为两路入射所述第二透镜，两路测试光线通过所述第二透镜成像到所述图像控制器。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一透镜固定在第一镜筒上，所述第二透镜固定在第二镜筒上，所述第一镜筒与所述第二镜筒的轴向对称线重合，所述轴向对称线为所述分光单元的光轴；

所述分光单元还包括：箱体以及调整机构；所述箱体具有用于固定所述第一镜筒的第一开口以及用于固定所述第二镜筒的第二开口，所述第一开口与所述第二开口在所述分光单元的光轴方向相对设置，使得所述第一透镜与所述第二透镜构成望远镜系统；所述调整机构以及所述分光元件位于所述箱体内部且位于所述分光单元的光轴上；所述调整机构用于调整所述分光元件在所述分光单元的光轴中的位置，以使得所述图像控制器获取所述目标微粒的两个分离的图像。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述分光元件位于所述第一透镜的焦点位置；所述分光元件包括两个楔形棱镜。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述第一路准直聚焦单元包括：第一LED光源、第一准直镜筒、第一准直镜、第一聚焦镜筒以及第一聚焦镜；所述第一LED光源与所述第一准直镜位于所述第一准直镜筒内，所述第一聚焦镜位于所述第一聚焦镜筒内，所述第一准直镜筒与所述第一聚焦镜筒同轴嵌套，所述第一LED光源出射的测试光线依次经过所述第一准直镜以及第一聚焦镜入射所述样品池；

所述第二路准直聚焦单元包括：第二LED光源、第二准直镜筒、第二准直镜、第二聚焦镜筒以及第二聚焦镜；所述第二LED光源与所述第二准直镜位于所述第二准直镜筒内，所述第二聚焦镜位于所述第二聚焦镜筒内，所述第二准直镜筒与所述第二聚焦镜筒同轴嵌套，所述第二LED光源出射的测试光线依次经过所述第二准直镜以及第二聚焦镜入射所述样品池。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一路准直聚焦单元与所述第二路准直聚焦单元固定在同一支架上。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反射单元包括：反射镜筒以及固定在所述反射镜筒上的反射镜；

所述反射镜与所述显微物镜的光轴以及所述分光单元的光轴均成45°夹角。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述图像控制器为CCD。

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