CN108459407A - 一种适用于显微镜的小体积五轴电动载物台结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于显微镜的小体积五轴电动载物台结构，属于仪器技术领域。所述结构由两维角度调节结构(含载物面)，三维正交坐标系平移结构，侧面照明结构和底座结构构成。该结构能够为现有主流商用显微镜提供精密的五轴自由度的位移调节，包括三维正交平移和两维角度转动，并且确保载物面以光轴为中心。在显微镜同轴光源照明不能获得理想观测的情况下，该结构可提供侧面照明功能，并可以在三个自由度上实现对光源的俯仰角度，水平旋转，垂直升降的控制。该结构相比于商用电动载物台具有更高的性价比，更小的体积，更低的成本，对环境的振动有一定的隔离作用。

Description

一种适用于显微镜的小体积五轴电动载物台结构

技术领域

本发明涉及一种适用于显微镜的小体积五轴电动载物台结构，属于仪器技术领域。

背景技术

光学显微镜在工程，科学研究(物理学，化学，生物学和医学等众多科学技术)以及生产领域发挥着重要作用。随着被测物的不断变化，对显微镜测量精度的要求不断提高，对载物台的位移精度、实现功能要求越来越高，电动化的需求日渐显现，特别是在高倍率物镜下，视野范围小，任何不精准的移动都可能造成被观察的特征移出视野范围的可能。现有手动载物台可以实现多轴的移动或转动调节，并可通过手轮提供精度较高的位移步距。但手动载物台存在一些限制：不能恒定的输出相同的步距，存在人为误差；随使用时间的增加，手轮的阻尼会越来越小，容易出现无法精确定位的情况，且更容易受到外界的干扰；手动载物台需要人为接触操作，当由显示器观察时，因距离的关系操作非常不便，而长时间使用目镜观测会导致眼睛疲劳。电动载物台是放置被测样品并与显微镜光轴垂直的平台。通常装有机械运动装置，以便于物体沿轴移动和绕轴转动，并在轴范围内定位。现在显微镜也会提供一些合作厂家的电动载物台，这些电动载物台能够实现高精度的位移输出，但价格昂贵，且最多只能提供三维方向上的平动调节，无法提供角度偏转调节。用户可以自行购买三维位移平台作为载物台使用，但通用的电动位移台普遍体积较大，在垂直方向和水平方向会与显微镜发生结构干涉。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述问题，提出一种适用于显微镜的小体积五轴电动载物台结构方案。本发明的电动载物台通过购买市面上小尺寸的步进电机配合自行设计的结构，搭建小体积的、高精度的、多轴调节的电动载物台。所发明的电动载物台结构适用于目前市面上多数显微镜，能够满足各个领域对于载物台的需求，并且成本低于电动载物台。

本发明的电动载物台结构提供五轴自由度的精密调节，包括两维水平方向的位移调节，一维垂直方向的位移调节(与光路同方向)，两维角度调整。三维平动的位移精度为0.1μm，每个维度调节范围为10mm。两维角度调节的偏转角度精度为0.1°，每个维度调节范围为±3°。

具体的，一种适用于显微镜的小体积五轴电动载物台结构，能够为现有显微镜提供精密的五轴自由度的位移调节，包括两维角度调节结构(含载物面)，三维正交坐标系平移结构，侧面照明结构和底座结构；实现两维水平方向的位移调节，一维垂直方向的位移调节(与光路同方向)，两维角度转动；结构不会与显微镜发生干涉；对于主流显微镜具有普适性；

底座结构包括底座主体，压块，紧固螺钉，作为电动载物台的支撑平台，结构为载物台上其他结构提供有效的安装配合面；为载物台提供合适的高度；避开显微镜底座突出问题，使得电动载物台的载物面位于光轴中心处；与显微镜紧贴合，减少振动的影响；

三维正交坐标系平移结构包括三个电机，Z方向转接板，角度转接板；该结构可在三维正交坐标系中提供精确的平移，可在显微镜视野内实现被测样品移动和对焦功能；每个维度的移动范围0-10mm；

两维角度调节结构包括载物板，XZ角度电机，YZ角度电机，电机垫块，转动球，固定板及相应的螺钉和拉簧；结构可在垂直于水平X、Y方向上的XZ、YZ两个平面中提供角度偏转功能，角度偏转范围±3°，理论偏转精度可达0.1°；

侧面照明结构包括固定杆，调节杆，转接件，光源固定座，光源及紧固螺钉；在观测被测样品过程中，当显微镜的同轴光源系统不能提供理想的照明时，结构中的侧面照明结构为被测样品提供侧面照明；整个侧面照明结构通过底部的外螺纹与底座固定在一起，可选择底座两个定位孔之一进行固定，提供两个方向的选择；结构本身可实现光源的俯仰，水平旋转，垂直升降调节。

本发明的优点在于：

发明中的结构为显微镜提供了一种体积小，高精度，低成本的多轴电动载物台方案。相比于自带的手动载物台，发明中的结构能够输出更加精确，更加准确的量化步距，并且可以稳定的连续输出恒定的步距，让使用者在单一维度匀速观察样品细节成为可能；更加自动化，观察者可以通过显示器观测样品并控制样品定量移动，实时性和操作性更好。相比于的电动载物台或电动位移台，发明中的结构比相同位移精度的结构具有更高的性价比，在不损失精度的情况下，整体价格更低，体积更小，保证载物面移动范围是以光轴为中心对称的。另外，发明中的结构实现了五轴自由度的调节，包括三维正交平移和两维角度转动。结构一般只提供三维正交平移，没有角度调节。若在三维结构上叠加的二维角度结构，整体体积过大，并且易出现偏心的可能。发明所述的结构很好地修正了电动位移台的不足。

附图说明

图1为本发明电动载物台整体结构示意图；

图2a为两维角度调节结构(含载物面)的三维图；

图2b为两维角度调节结构(含载物面)的顶部；

图2c为两维角度调节结构(含载物面)的底部；

图3-1为本发明三维正交坐标系平移结构示意图

图3-2a为X、Y方向电机(A型电机)顶部；

图3-2b为X、Y方向电机(A型电机)侧面；

图3-2c为X、Y方向电机(A型电机)底部；

图3-3a为Z方向电机(B型电机)正面；

图3-3b为Z方向电机(B型电机)背面；

图3-4为本发明Z方向转接板示意图；

图3-5为本发明角度转接板；

图4a为侧面照明结构整体图；

图4b为侧面照明结构分解图；

图5a为底座结构整体图；

图5b为底座结构分解图；

图5c为底座结构孔说明；

图5d为底座结构安装示意图；

图6a为本发明所述结构配合显微镜的侧视效果图；

图6b为本发明所述结构配合显微镜的上下二等角轴测效果图；

图6c为本发明所述结构配合显微镜的左右二等角轴测效果图；

图中：

1-电动载物台 2-两维角度调节结构 3-三维正交坐标系平移结构

4-侧面照明结构 5-底座结构

21-载物板 22-XZ角度电机 23-电机垫块

24-转动球 25-固定板 26-YZ角度电机

31-X方向电机 32-Y方向电机 33-Z方向电机

34-Z方向转接板 35-角度转接板

41-固定杆 42-紧固螺钉 43-调节杆

44-紧固螺钉 45-转接件 46-光源固定座

47-光源

51-底座主体 52-压块 53-紧固螺钉

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种适用于显微镜的电动载物台结构，整体图如图1所示，电动载物台1包括两维角度调节结构(含载物面)2、三维正交坐标系平移结构3、侧面照明结构4和底座结构5。

两维角度调节结构(含载物面)2如图2a、2b、2c所示，在垂直于水平X、Y方向上的XZ、YZ两个垂面中提供角度偏转功能，角度偏转范围±3°，理论偏转精度可达0.1°，结构包括载物板21、XZ角度电机22、电机垫块23(两个)、转动球24、固定板25、YZ角度电机26及相应的螺钉和拉簧。

载物板21的横截面为四边形，上下表面具有很高的平面度，侧面四周每个面具有3个螺纹孔，载物板21上表面作为被测样品的放置面，表面带有7条一维的三角槽，减少被测样品在角度倾斜时发生侧滑，载物板21下表面四边形的一个角处，设有凹球面，侧面与凹球面距离最近的螺纹孔中设置螺钉；

固定板25与载物板21大小相同，侧面四周每个面具有3个螺纹孔，固定板25的下表面设有安装孔251，在固定板25上表面四边形的一个角处，设有凹球面，侧面与凹球面距离最近的螺纹孔中设置螺钉，固定板25的凹球面与载物板21的凹球面相对应，之间设有转动球24；

固定板25中，与凹球面相邻的两个角处，设有两个通孔，用于穿过XZ角度电机22和YZ角度电机26的输出轴，固定板25侧面距离通孔距离最近的两个螺纹孔中设置螺钉；

XZ角度电机22的输出轴穿过电机垫块23、固定板25的通孔，固定连接载物板21，YZ角度电机26的输出轴穿过电机垫块23、固定板25的通孔，固定连接载物板21，两个电机垫块23分别位于XZ角度电机22、YZ角度电机26与固定板25之间，载物板21侧面距离YZ角度电机26输出轴最近的两个螺纹孔中设置螺钉，载物板21侧面距离XZ角度电机22输出轴最近的两个螺纹孔中设置螺钉；

载物板21与固定板25四周相对应的6对螺钉之间通过拉簧连接；

XZ角度电机22、YZ角度电机26是购买的步进电机，两维角度调节结构(含载物面)2中需要2个电机提供两维的角度调节。通过计算并考虑到XZ角度电机22、YZ角度电机26的行程，为了使得载物板的偏转角度范围达到±3°，增加电机垫块23来满足设计要求，使得XZ角度电机22、YZ角度电机26不直接与固定板25接触，减小了载物板21和固定板25之间的距离，增加了载物台的稳定性。

本发明中的结构选取两个电机和转动球24所在的三个边角两侧的螺纹孔作固定孔，先将螺钉旋入螺纹孔，再用拉簧将对应的两个螺钉固定在一起，形成3对固定结构，如图2b所示，给载物板21在垂直方向上的转动提供预紧力。载物板21和固定板25在转动球24的配合面均有相应的凹球面结构，与3对弹簧固定结构共同防止载物板在角度偏转时发生侧滑。

三维正交坐标系平移结构3如图3-1所示，为载物台提供三维正交坐标系中X、Y、Z方向上的平移运动，每个方向上的移动范围为0-10mm，定位精度0.1μm，结构包括X方向电机31、Y方向电机32、Z方向电机33、Z方向转接板34和角度转接板35。

X方向电机31、Y方向电机32、Z方向电机33是购买的步进电机，X方向电机31、Y方向电机32是同一型号A电机，如图3-2所示(3-2a图为A电机顶部图，标注顶部安装孔321；3-2b图为A电机侧视图；3-2c图为A电机底部图，标注底部安装孔322)，Z方向电机33是型号B电机，如图3-3所示(3-3a图为B电机正面图，标注安装面33A和安装孔331；3-3b图为B电机背面图，标准安装面33B和安装孔332)。

X方向电机31在电机顶部设有安装孔321，底部有安装孔322，Y方向电机32在电机顶部设有安装孔323，底部有安装孔324，X方向电机31与Y方向电机32呈正交叠放，将X方向电机31的安装孔321与Y方向电机32的安装孔324对齐安装，使得X方向电机31与Y方向电机32固定组成XY方向水平移动机构。

Z方向转接板34的作用是将Z方向电机33放置在垂直于XY方向平面的Z平面中，与X方向电机31、Y方向电机32构成正交坐标系。

如图3-4所示，Z方向转接板34底部设有安装孔341，侧面设有安装孔342，Z方向转接板34的安装孔341与Y方向电机32顶部的安装孔323对齐，并用螺钉拧紧固定，使得Z方向转接板34的底面34A与Y方向电机32的顶面贴合，完成Z方向转接板与两位水平电机的固定，

Z方向电机33一面设有安装孔331，另一面设有安装孔332，用螺钉穿过Z方向电机33的安装孔331固定在Z方向转接板34的安装孔342处，使得Z方向电机33的一面33A与Z方向转接板34的侧面34B贴合，完成三维正交坐标系平移结构。

角度转接板35是两维角度调节结构2与Z方向电机33之间的转接件，角度转接板35底部设有安装孔351，侧面设有安装孔352，角度转接板35的安装孔352与Z方向电机33的安装孔332配合，将角度转接板35的侧面35A与Z方向电机33的一面33B固定在一起，角度转接板35的安装孔351与固定板25的安装孔251配合，将角度转接板35底端的面35B与固定板25的底面25B面通过螺钉固定在一起。

侧面照明结构4如图4a、4b所示，包括固定杆41、调节杆43、转接件45、光源固定座46、光源47及紧固螺钉42、紧固螺钉44。

在使用显微镜实际观测时，当同轴照明不能提供理想的照明时，需要用外部光源提供一定角度的侧面照明。

固定杆41底部设有外螺纹，侧面设有螺纹孔，用于配合紧固螺钉42，调节杆43一端位于固定杆41内，通过紧固螺钉42可以调节固定杆41和调节杆43的总长度，固定杆41底部外螺纹与底座5的孔512固定连接，将整个照明结构4固定在底座5上，通过调节紧固螺钉42和调节杆43，可以控制光源在Z方向上的高度，以及在XY平面内的角度。

转接件45通过底部的外螺纹452固定在调节杆43顶部的内螺纹孔431内，转接件45的侧面设有孔451；

光源固定座46底端设有安装孔462，用于固定连接光源47，光源固定座46侧面设有安装孔461，通过调整光源固定座46的位置控制光源的俯仰角，紧固螺钉44通过转接件45的孔451和光源固定座46的安装孔461固定转接件45和光源固定座46，从而保证俯仰角不变，光源47内设有LED光源。

底座结构5如图5a、5b、5c、5d所示，包括底座主体51、压块52和紧固螺钉53。

底座主体51上设有一组定位孔511，X方向电机31的底部安装孔322与底座主体51上的定位孔511重合，用螺钉进行固定；

底座主体51上设有孔512，用于固定侧面照明结构4的固定杆41；

底座主体51的底端设有底座固定孔513，通过底座固定孔513可将整个结构固定在光学平台上，使结构更加稳定。

底座主体51的两个侧面分别设有通孔，紧固螺钉53穿过通孔，连接压块52，通过旋转紧固螺钉53，使得压块52前后移动，从而两个压块从两侧压紧显微镜底座，使其显微镜与电动载物台两者紧贴合，增加结构稳定性。

底座结构主要作用是支撑电动位移台，避开显微镜底座突出问题，使得电动载物台的载物面位于光轴中心处，与显微镜紧贴合，减少振动的影响。底座主体51上表面设置的为一组定位孔511，方便X方向电机31在一定范围内更改安装位置，这样可以根据显微镜的尺寸不同，选用不同的定位孔，以保证载物面在光轴中心。

本发明的一种适用于显微镜的电动载物台结构的详细安装步骤如下：

(1)组装底座结构5，按照图5d所示，将螺钉53依次穿过51、52，并用M2螺钉固定。

(2)将电机22和26的位移调整到全行程的中间位置，断电。

(3)将电机22和26固定在固定板25上，两者之间用垫块23隔离。用M2螺钉自上而下依次穿过25,23,31(32)。

(4)将转动球24放入25中的凹槽内，再将载物板21扣上，并在21和25相同的位置旋入M2螺钉，扣上拉簧，完成两维角度调节结构的组装。

(5)将M3螺钉依次通过电机31的孔322和结构5中的孔511，完成X方向电机与底座的固定。

(6)同样用M3螺钉将电机32与电机31正交固定，完成XY平面位移结构。

(7)将M3螺钉依次穿过Z方向转接板34的孔341和32的323，完成34与32的相对固定。

(8)将M3螺钉依次穿过电机33的孔331和34的342，实现XYZ三维位移结构。

(9)将M3螺钉依次穿过角度转接板35的孔352和33的孔332，完成三维正交坐标系平移结构。

(10)将M3螺钉依次穿过35的孔351和25的孔251，完成五轴自由度调节结构。

(11)将47旋入46中的孔462，用44穿过451、461将46和45固定；将452旋入43中的431，将43放入41中，用42固定。最后将41旋入孔512，完成侧面照明结构的安装。

(12)通过用M6的螺钉穿过底座结构5中的定位孔513，将底座结构固定在光学平台上。

(13)将显微镜推入结构5中，找到合适位置，旋紧53，使得压块52与显微镜底部紧密贴合。

(14)最终效果图如图6a、6b、6c所示。

本发明所述结构由两维角度调节结构(含载物面)，三维正交坐标系平移结构，侧面照明结构和底座结构构成。该结构能够为现有主流商用显微镜提供精密的五轴自由度的位移调节，包括三维正交平移和两维角度转动，并且确保载物面以光轴为中心。在显微镜同轴光源照明不能获得理想观测的情况下，该结构可提供侧面照明功能，并可以在三个自由度上实现对光源的俯仰角度，水平旋转，垂直升降的控制。该结构相比于商用电动载物台具有更高的性价比，更小的体积，更低的成本，对环境的振动有一定的隔离作用。

Claims (5)

1.一种适用于显微镜的电动载物台结构，其特征在于，电动载物台包括两维角度调节结构、三维正交坐标系平移结构、侧面照明结构和底座结构；

两维角度调节结构和三维正交坐标系平移结构实现两维水平方向的位移调节，一维垂直方向的位移调节，两维角度转动，侧面照明结构提供侧面照明，底座结构用于载物台的固定。

2.根据权利要求1所述的一种适用于显微镜的电动载物台结构，其特征在于，所述的两维角度调节结构包括载物板、XZ角度电机、电机垫块、转动球、固定板、YZ角度电机；

载物板的横截面为四边形，侧面四周每个面均设有螺纹孔，载物板上表面为被测样品的放置面，表面设有一维的三角槽，载物板下表面四边形的一个角处，设有凹球面，侧面与凹球面距离最近的螺纹孔中设置螺钉；

固定板与载物板大小相同，侧面四周每个面均设有螺纹孔，在固定板上表面四边形的一个角处，设有凹球面，侧面与凹球面距离最近的螺纹孔中设置螺钉，固定板的凹球面与载物板的凹球面相对应，之间设有转动球；

固定板中，与凹球面相邻的两个角处，设有两个通孔，用于穿过XZ角度电机和YZ角度电机的输出轴，固定板侧面距离通孔距离最近的两个螺纹孔中设置螺钉；

XZ角度电机的输出轴穿过电机垫块、固定板的通孔，固定连接载物板，YZ角度电机的输出轴穿过电机垫块、固定板的通孔，固定连接载物板，载物板侧面距离YZ角度电机输出轴最近的两个螺纹孔中设置螺钉，载物板侧面距离XZ角度电机输出轴最近的两个螺纹孔中设置螺钉；

载物板与固定板四周相对应的6对螺钉之间通过拉簧连接。

3.根据权利要求1所述的一种适用于显微镜的电动载物台结构，其特征在于，所述的三维正交坐标系平移结构包括X方向电机、Y方向电机、Z方向电机、Z方向转接板和角度转接板；

X方向电机与Y方向电机呈正交叠放，X方向电机与Y方向电机固定组成XY方向水平移动机构；Z方向转接板底部与Y方向电机顶部固定连接，侧面与Z方向电机固定连接；角度转接板侧面固定连接Z方向电机，底部固定连接两维角度调节结构的固定板。

4.根据权利要求1所述的一种适用于显微镜的电动载物台结构，其特征在于，所述的侧面照明结构包括固定杆、调节杆、转接件、光源固定座、光源和紧固螺钉；

调节杆一端位于固定杆内，通过紧固螺钉能够调节固定杆和调节杆的总长度，固定杆底部固定连接底座；调节杆的另一端连接转接件，光源固定座底端固定连接光源，侧面设有安装孔，通过调整光源固定座的位置控制光源的俯仰角，紧固螺钉通过转接件的孔和光源固定座的安装孔固定转接件和光源固定座光源内设有LED光源。

5.根据权利要求1所述的一种适用于显微镜的电动载物台结构，其特征在于，所述的底座结构包括底座主体、压块和紧固螺钉；

底座主体与X方向电机连接；底座主体的底端设有底座固定孔，底座主体的两个侧面分别设有通孔，紧固螺钉穿过通孔，连接压块，通过旋转紧固螺钉，使得压块前后移动，从而两个压块从两侧压紧显微镜底座。