CN109884060A - 一种用于数字切片扫描仪的精密对焦装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于数字切片扫描仪的精密对焦装置。本发明包括位移平台、推力连接机构、杠杆机构、顶针与E形固定架；位移平台包括音圈电机、交叉滚子导轨及安装板；推力连接机构由安装在位移平台的推力板与一方形弹性片组成；杠杆机构包括杠杆长杆、杠杆短杆、杠杆支板与长条形弹性片；顶针为一圆球；E形固定架用于固定扫描光源、预览光源、显微光路及运动平台。本发明可以为成像过程中的自动对焦过程提供上下两个紧密运动，得到清晰的成像图像。应用于组织细胞观测、远程病理诊断、病理学教学及专家讨论。
Description
技术领域
本发明涉及一种精密对焦装置，具体涉及一种用于数字切片扫描仪的精密对焦装置。数字切片扫描仪自动对焦、显微镜成像、临床医学诊断、生命科学研究及病理学教学等领域。
背景技术
数字切片扫描仪是一种集合高速运动平台、显微光学与计算机技术为一体的装置。与传统的显微镜不同，它通过高速运动平台移动物理切片，拍摄多个不同视野下的组织细胞图像。再利用计算机技术将拍摄的细胞图像进行图像拼接生成具有完整病变信息的数字切片图像。总的来说，数字切片扫描仪是一种将整个载玻片全信息、全方位快速扫描，使传统物质化的载玻片变成新一代数字化病理切片的装置。
随着网络与计算机技术的发展，图像处理技术的日渐成熟，数字图像被逐渐应用于各种领域中。机器人借助机器视觉拍摄的数字图像进行工件的定位，无损检测中，通过数字图像的相位干涉观察工件的面形情况。数字图像除应用于工业中，也越来越多地应用于医学诊断与病理学中。通过网络传输扫描的数字切片图像，专家可对疑难病症进行远程讨论，进行临床医学诊断。通过观察切片上的细胞情况，可进行生命科学研究。生成的数字切片由于其可复制与远程传输的特性，可脱离必备的显微镜观察，用于病理学教学。方便教学，减少设备费用，解决常见的设备不足问题。
但由于不同细胞大小厚度不同，同类细胞也有可能大小不同，导致制作的物理切片或细胞涂片常厚度不一致。对于定焦距的显微物镜来说，会因为切片不在焦点上而出现数字切片图像模糊的现象。因此有必要开发一种用于数字切片扫描装置的自动聚焦装置，实现对物理切片的精确扫描，拍摄到清晰的数字切片图像。
现有的自动聚焦方法，有利用图像相干方法。根据两幅模糊的图像计算出清晰图像的焦点位置及清晰的图像形貌。但这种方法对于设备的配置要求十分高，同时由于要处理大量的图像数据，聚焦速度极慢。另一种方法是专门配备对应的自动聚焦装置，辅助切片进行聚焦成像。但由于显微成像，单个视野的尺寸仅为1.1mm左右，而整个切片待扫描区域为75mm*55mm。故需要极高的响应频率、速度以及运动精度。现有的运动平台常由于自身运动精度为微米级，无法直接提供自动聚焦运动。音圈电机配合高精度的光栅传感器结合杠杆机构实现对显微聚焦的精密控制。
本发明面向上述需求，通过音圈电机位移台结合杠杆机构支撑病理切片等创新设计，开发一种用于数字切片扫描仪的精密聚焦装置。通过该装置可精密控制物理切片的上下运动，实现切片扫描过程中的自动聚焦。从而拍摄清晰的数字切片，用于临床医疗诊断，病理学教学等。
发明内容
本发明的目的是针对数字切片扫描仪、显微镜成像、临床医学诊断、生命科学研究及病理学教学等场合对精密聚焦成像的应用需求，设计一种能够驱动载玻片实现上下方向精密运动的自动聚焦装置。同时该装置具有机械限位功能，可以为数字切片的清晰成像提供一定范围内的精密运动。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：
一种用于数字切片扫描仪的精密对焦装置，包括位移平台、推力连接机构、杠杆机构、顶针与E形固定架：
位移平台包括音圈电机、交叉滚子导轨及安装板；推力连接机构由安装在位移平台的推力板与一方形弹性片组成；杠杆机构包括杠杆长杆、杠杆短杆、杠杆支板与长条形弹性片；顶针为一圆球；E形固定架用于固定扫描光源、预览光源、显微光路及运动平台，具体的：
电机安装座(201)固定音圈电机(207)于E形固定架213上，音圈电机(207)的运动部分与推力板连接，并与推力板间设置有电机机械限位结构，电机安装座(201)与推力板(205)配合限制音圈电机(207)的运动位移；交叉滚子导轨(204)固定于电机安装座(201)与推力板(205)上，交叉滚子导轨(204)一侧与电机固定座连接，另一侧与推力板(205)连接，音圈电机(207)的运动将带动推力板的运动，交叉滚子导轨将保证运动的平行度与垂直度；交叉滚子导轨(204)上安装有光栅传感器(203)及其相应的读数头，实时监控反馈音圈电机(207)的运动位移；所述推力板为一L形，其一端与音圈电机运动侧连接，另一端分别与交叉滚子运动侧及方形弹性片连接；推力板随音圈电机(207)运动，为交叉滚子导轨、光栅传感器及杠杆机构提供运动；推力板(205)与电机安装座(201)上的螺纹孔配合，通过螺钉、弹簧实现对音圈电机(207)运动的限位；方形弹性片(206)驱动杠杆长杆(208)运动，杠杆长杆(208)一端受到长条形弹性片的弹性回复力的作用，停止运动；同时杠杆短杆(211)由于受到弹性力的作用，产生与杠杆长杆一端运动方向相反的运动；带动杠杆短杆(211)上的顶针(212)运动，驱动物理玻璃切片上下运动实现精密聚焦。
杠杆机构具体包括方形弹性片(206)、杠杆长杆(208)、杠杆支板(219)、长条形弹性片(210)、方形小垫片(214)、杠杆短杆(211)、顶针(212)；所述杠杆长杆(208)通过方形弹性片(206)的两个通孔连接与位移平台的推力板上；所述方形弹性片(206)上面有四个通孔；两通孔用于连接位移平台的推力板，另外两通孔用于连接杠杆长杆。
所述推力板为一L形推力板，其一端与音圈电机运动侧连接，另一端分别与交叉滚子运动侧及方形弹性片连接。推力板随电机运动，为交叉滚子导轨、光栅传感器及杠杆机构提供运动。同时推力板上的螺纹孔与电机安装座上的螺纹孔配合，通过螺钉、弹簧实现对电机运动的限位。
所述方形弹性片分别连接着推力板与杠杆长杆，传递推力板的推力，通过自身变形为杠杆机构提供动力。所述方形弹性片包括但不限于弹簧钢、不锈钢片等材料。
所述杠杆机构由杠杆长杆、长条形弹性片、杠杆短杆及杠杆支座组成。杠杆长杆的一端有两螺纹孔与方形弹性片连接，杠杆长杆的另一端通过长条形弹性片与杠杆短杆连接传递动力。长条形弹性片固定于杠杆支板上，杠杆支板固定杠杆机构于E形固定板上。杠杆长杆为一长T形杆，杠杆短杆也为一T形杆。杠杆长杆有螺纹孔与E形固定板上的螺纹孔配合，实现对载玻片上下运动的限位。
所述杠杆短杆的一端有一大的光孔，与显微光路同轴，保证成像光线穿过显微物镜，成像于扫描相机。在圆孔靠近边缘处有一半球形槽，用于安装固定顶针。
所述杠杆机构的长短杆尺寸成一定的比例，用于缩放长杆一端与短杆一端的顶针运动位移。同时也缩放了运动误差，提高对焦精度。长条形弹性片结合杠杆固定支板通过自身变形实现杠杆长杆与杠杆短杆间运动位移的传递。
所述顶针凸出杠杆短杆表面约1.5mm，与物理切片的下表面接触，支撑物理切片的上下运动。所述顶针包括红宝石、氮化硅、陶瓷、不锈钢等材料，本发明优先使用红宝石材料。
E形固定架的下部固定光源与音圈电机运动平台，其中音圈电机位移平台固定座固定于E形固定架的背面。所述E形固定架的中部固定杠杆支板与预览部分，传递力与运动。所述E形板的中部开有一定高度的方孔，用于通过杠杆长杆，实现杠杆机构的上下运动。E形板的上部固定显微物镜、扫描相机及其光路，实现了整个数字切片扫描装置光学结构的机械设计，并将所需的各个模块集成为一体，实现了显微光路的集成化设计。
所述物理切片在XY平面平动，由音圈电机驱动杠杆机构上下运动、杠杆长短杆通过尺寸比例缩放运动位移传递运动，杠杆短杆上的顶针驱动载玻片上下精密运动。
所述的精密对焦装置有极限范围内，向上运动的工作模式与极限范围内，向下运动的两种工作模式。
所述的精密对焦装置在极限范围内，向上运动的工作模式：音圈电机带动交叉滚子导轨向下运动，杠杆长杆也随之向下运动。杠杆长杆的另一端由于受到弹性恢复力的作用，驱动杠杆短杆向上运动。由此杠杆短杆上的顶针也随之向上运动，驱动载玻片也向上运动，实现自动聚焦。
所述的精密对焦装置在极限范围内，向下运动的工作模式：音圈电机带动交叉滚子导轨向上运动，杠杆长杆也随之向上运动。杠杆长杆的另一端由于受到弹性恢复力的作用，驱动杠杆短杆向下运动。由此杠杆短杆上的顶针也随之向下运动，驱动载玻片也向下运动，实现自动聚焦。
本发明相对于现有技术的有益效果为：
第一，本发明可以提供用于数字切片扫描仪的紧密对焦，改变以往数字切片因对焦问题而产生的图像不清晰，甚至模糊的情况；第二，本发明提供的紧密对焦装置具有多种工作模式，既可以用驱动载玻片运动实现精密对焦，也可以向上运动调整载玻片的平行度，可生成清晰的数字切片图像，进行细胞观测，应用于临床医学诊断、生命科学研究与病理学教学等。
附图说明
图1是本发明实施例的杠杆机构的结构示意图；
图2是本发明实施例的精密自动聚焦装置结构示意图；
图3是本发明实施例的驱动载玻片自动调焦的应用框架图；
图4是本发明实施例的驱动载玻片至限位位置的工作示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做具体说明。
本发明的实施例涉及一种用于数字切片扫描仪的自动聚焦装置，具有驱动载玻片上下运动、自动聚焦的工作模式，可用于数字切片扫描仪、显微镜成像的自动聚焦。生成清晰的数字图像用于临床医学诊断、生命科学研究及病理学教学等领域。
一种用于数字切片扫描仪的精密对焦装置，包括位移平台、推力连接机构、杠杆机构、顶针与E形固定架。位移平台包括音圈电机、交叉滚子导轨及安装板；推力连接机构由安装在位移平台的推力板与一方形弹性片组成；杠杆机构包括杠杆长杆、杠杆短杆、杠杆支板与长条形弹性片；顶针为一圆球；E形固定架用于固定扫描光源、预览光源、显微光路及运动平台为一整体。
其中核心机构为杠杆机构如图1所示，包括方形弹性片、杠杆长杆、杠杆支板、长条形弹性片、方形小垫片、杠杆短杆、顶针(212)。所述杠杆长杆通过方形弹性片的两个通孔连接与位移平台的推力板上。所述方形弹性片上面有四个通孔。两通孔用于连接位移平台的推力板，另外两通孔用于连接杠杆长杆。所述方形弹性片可采用弹簧钢、不锈钢片等材料，本发明优先采用弹簧钢。本发明所用弹簧片的厚度为0.35mm，长18mm，宽22.5mm。
所述杠杆长杆为一长T字形结构。T形头部有两螺纹通孔与杠杆短杆头部的螺纹孔相配合，实现杠杆长杆与杠杆短杆的连接。杠杆长杆上有设置有一个通孔，通过该通孔与固定板上的螺纹孔配合，实现对杠杆运动位移的限制。本发明采用的杠杆长杆长175mm，宽分别为18mm与34mm，高9mm。采用铝合金材料，表面发黑处理。
所述杠杆支板是一内部设置有中心对称U型槽的方形铝合金块。其上表面开有一螺纹孔，用于将杠杆支板固定在安装板上。其侧面开有一螺纹孔，用于固定长条形弹性片，且该侧面螺纹孔下端设有台阶，用于定位方形小垫片。长条形弹性片上有四个通孔，分别为连接杠杆长杆与杠杆短杆，与杠杆支板螺纹孔配合固定长条形弹性片的作用。本发明采用的长条形弹性片，长50mm、宽6mm、厚0.2mm。长条形弹性片可采用不锈钢片、铝片、弹簧钢片等材料。本发明优先使用弹簧钢片。
所述方形小垫片设置有中心通孔，配合螺纹固定长条形弹性片。
所述杠杆短杆呈T字形结构，T形两边的螺纹孔用于通过长条形弹性片连接杠杆长杆。杠杆短杆的长条形的一端设置有中心对称的光孔，用于贯穿透过玻璃切片的光线，成像于显微物镜。在杠杆短杆的长条一端，有一半球形圆槽用于固定顶针(212)。
本发明杠杆短杆与杠杆长杆的比例为1比7，且在杠杆长杆的一端施加推力，杠杆短杆的一端驱动玻璃切片。根据几何关系近似，可得玻片运动与位移平台的运动的高度比为1：7。由此缩小了运动量程，降低了运动误差，提高了运动精度。
图2显示了用于数字切片扫描仪的精密对焦装置200的结构示意图，该精密对焦装置包括电机安装座201、音圈电机207、读数头及其安装座202、光栅尺203、交叉滚子导轨204、推力板205、方形弹性片206、杠杆长杆208、杠杆支板209、长条形弹性片210、杠杆短杆211、顶针212及E形固定架213。电机安装座201固定安装电机于E形固定架213上，与推力板205配合限制电机207的运动位移。交叉滚子导轨204固定于电机安装座201与推力板205上，为推力板205的运动提供平稳、均匀的动力。交叉滚子导轨204上安装有光栅传感器203，实时监控反馈音圈电机207的运动位移。推力板205与电机安装座201上的螺纹孔配合，实现对音圈电机207运动位移的控制。方形弹性片206驱动杠杆长杆208运动，杠杆长杆一端受到长条形弹性片力的弹性回复力的作用，停止运动。同时杠杆短杆211由于受到弹性力的作用，产生与杠杆长杆一端运动方向相反的运动。带动杠杆短杆上的顶针212运动，驱动物理玻璃切片上下运动实现精密聚焦。
图3显示了数字切片扫描装置的精密聚焦装置的驱动载玻片自动调焦的应用框架图。扫描光源301固定于E形固定架上，经45度光学调整架302上的反光镜反射光线进入聚光镜303。聚光镜聚拢进入的光线，穿过杠杆短杆211的光孔，透过物理玻璃切片充满整个显微物镜305像方视野。经显微物镜的成像光线，经安装于E形固定板上的45度的第二反光镜307反射的光线308经同轴透镜309进入扫描相机311。轴透镜309经过固定架310固定在E形固定架201。精密对焦装置通过顶针驱动物理玻璃切片上下运动，确保切片上细胞始终在显微物镜的焦点上，实现精密对焦。
图4显示了本发明实施例的精密对焦装置驱动载玻片至极限位置的工作示意图。音圈电机201向上运动，驱动杠杆长杆208连接方形弹性片的一端向上运动。长条形弹性片由于受到杠杆长杆的拉力作用，产生与其相抵抗的弹性能够回复力F。同时连接于长条形弹簧片的杠杆短杆受到弹簧回复力的作用，产生向上的运动。杠杆短杆上的顶针212驱动物理切片运动。杠杆运动至一定距离后，杠杆长杆上的螺纹结构将限制其运动，此时切片停止运动。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于数字切片扫描仪的精密对焦装置，包括位移平台、推力连接机构、杠杆机构、顶针与E形固定架，其特征在于：
位移平台包括音圈电机、交叉滚子导轨及安装板；推力连接机构由安装在位移平台的推力板与一方形弹性片组成；杠杆机构包括杠杆长杆、杠杆短杆、杠杆支板与长条形弹性片；顶针为一圆球；E形固定架用于固定扫描光源、预览光源、显微光路及运动平台，具体的：
电机安装座(201)固定音圈电机(207)于E形固定架213上，音圈电机(207)的运动部分与推力板连接，并与推力板间设设置有电机机械限位结构，电机安装座(201)与推力板(205)配合限制音圈电机(207)的运动位移；交叉滚子导轨(204)固定于电机安装座(201)与推力板(205)上，交叉滚子导轨(204)一侧与电机固定座连接，另一侧与推力板(205)连接，音圈电机(207)的运动将带动推力板的运动，交叉滚子导轨将保证运动的平行度与垂直度；交叉滚子导轨(204)上安装有光栅传感器(203)及其相应的读数头，实时监控反馈音圈电机(207)的运动位移；所述推力板为一L形，其一端与音圈电机运动侧连接，另一端分别与交叉滚子运动侧及方形弹性片连接；推力板随音圈电机(207)运动，为交叉滚子导轨、光栅传感器及杠杆机构提供运动；推力板(205)与电机安装座(201)上的螺纹孔配合，通过螺钉、弹簧实现对音圈电机(207)运动的限位；方形弹性片(206)驱动杠杆长杆(208)运动，杠杆长杆(208)一端受到长条形弹性片力的弹性回复力的作用，停止运动；同时杠杆短杆(211)由于受到弹性力的作用，产生与杠杆长杆一端运动方向相反的运动；带动杠杆短杆(211)上的顶针(212)运动，驱动物理玻璃切片上下运动实现精密聚焦。
2.根据权利要求1所述的一种用于数字切片扫描仪的精密对焦装置，其特征在于杠杆机构具体包括方形弹性片(206)、杠杆长杆(208)、杠杆支板(219)、长条形弹性片(210)、方形小垫片、杠杆短杆(211)、顶针(212)；所述杠杆长杆(208)通过方形弹性片(206)的两个通孔连接与位移平台的推力板上；所述方形弹性片(206)上面有四个通孔；两通孔用于连接位移平台的推力板，另外两通孔用于连接杠杆长杆。
3.根据权利要求2所述的一种用于数字切片扫描仪的精密对焦装置，其特征在于所述杠杆长杆(208)为一长T字形结构；T形头部有两螺纹通孔与杠杆短杆(211)头部的螺纹孔相配合，实现杠杆长杆(208)与杠杆短杆(211)的连接；杠杆长杆(208)上有设置有一个通孔，通过该通孔与固定板上的螺纹孔配合，实现对杠杆运动位移的限制。
4.根据权利要求3所述的一种用于数字切片扫描仪的精密对焦装置，其特征在于所述杠杆支板(219)是一内部设置有中心对称U型槽的方形铝合金块；其上表面开有一螺纹孔，用于将杠杆支板(219)固定在安装板上；其侧面开有一螺纹孔，用于固定长条形弹性片(210)，且该侧面螺纹孔下端设有台阶，用于定位方形小垫片；长条形弹性片(210)上有四个通孔，分别为连接杠杆长杆(208)与杠杆短杆(211)，与杠杆支板螺纹孔配合固定长条形弹性片的作用。
5.根据权利要求4所述的一种用于数字切片扫描仪的精密对焦装置，其特征在于所述杠杆短杆(211)呈T字形结构，T形两边的螺纹孔用于通过长条形弹性片(210)连接杠杆长杆(208)；杠杆短杆的长条形的一端设置有中心对称的光孔，用于贯穿透过玻璃切片的光线，成像于显微物镜；在杠杆短杆的长条一端，有一半球形圆槽用于固定顶针(212)。
6.根据权利要求5所述的一种用于数字切片扫描仪的精密对焦装置，其特征在于所述方形小垫片设置有中心通孔，配合螺纹固定长条形弹性片(210)，且方形弹性片采用弹簧钢，且所用弹簧片的厚度为0.35mm，长18mm，宽22.5mm；所述的长条形弹性片采用弹簧钢片，长50mm、宽6mm、厚0.2mm；所述杠杆长杆长175mm，宽分别为18mm与34mm，高9mm；采用铝合金材料，表面发黑处理；所述的读数头安装座安装固定在交叉滚子导轨的固定安装测，光栅尺安装在交叉滚子导轨的运动侧；光栅尺相对读数头运动，读出位移平台的运动距离。
7.根据权利要求5或6所述的一种用于数字切片扫描仪的精密对焦装置，其特征在于所述的杠杆短杆与杠杆长杆的比例为1比7，且在杠杆长杆的一端施加推力，杠杆短杆的一端驱动玻璃切片，根据几何关系可得玻璃切片运动与位移平台的运动的高度比为1：7。
8.根据权利要求7所述的一种用于数字切片扫描仪的精密对焦装置，其特征在于该装置对焦过程如下：
扫描光源(301)固定于E形固定架上，经光学调整架上设置的45度的第一反光镜(302)反射的光线进入聚光镜(303)；聚光镜聚拢进入的光线，穿过杠杆短杆(211)的光孔，透过物理玻璃切片充满整个显微物镜(305)像方视野；经显微物镜的成像光线，经安装于E形固定板上的45度的第二反光镜(307)反射的光线(308)经同轴透镜(309)进入扫描相机(311)；透镜(309)经过固定架(310)固定在E形固定架(201)；
当音圈电机(201)向上运动，驱动杠杆长杆(208)连接方形弹性片的一端向上运动；长条形弹性片由于受到杠杆长杆的拉力作用，产生与其相抵抗的弹性能够回复力F；同时连接于长条形弹簧片的杠杆短杆受到弹簧回复力的作用，产生向上的运动；杠杆短杆上的顶针(212)驱动物理玻璃切片上下运动，从而确保切片上细胞始终在显微物镜的焦点上，实现精密对焦。
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