CN110108688B - 一种用于共聚焦显微镜三维成像的控制机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于共聚焦显微镜三维成像的控制机构，该控制机构是由激光焦点轴向移动机构、激光焦点X向移动机构和激光焦点Y向移动机构组装构成；本发明主要应用于皮肤反射式共聚焦显微镜等光学影像设备上，用于实现激光焦点在待检测样本上，进行三维方向移动的功能，进而实现皮肤等人体组织的原位、在体、实时、动态三维成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于共聚焦显微镜三维成像的控制机构，主要应用于皮肤反射式共聚焦显微镜等光学影像设备上，用于实现激光焦点在待检测样本上，进行三维方向移动的功能，进而实现皮肤等人体组织的原位、在体、实时、动态三维成像。
背景技术
激光共聚焦显微镜三维扫描成像的原理，其本质是激光焦点在样本表面上的二维扫描探测和样本垂直方向上的层析探测。这就需要激光焦点相对样本在空间一定范围内做三维运动，即让激光焦点扫描整个需要探测的样本空间。
在材料探测领域上，激光共聚焦成像设备其三维扫描成像的方式多是让激光焦点保持不动，而让固定样本的平台做三维运动，这种扫描方式实现起来相对简单，光路设计也不复杂。但是在医学领域上，由于人体皮肤等组织无法实现空间上的精确位移控制，既无法实现活体组织的原位、在体探测，因此该种方式不适合在医学领域上使用。此外，也可让样品保持不动，而激光焦点做三维运动。这种方式比较适合人体皮肤等活体组织的原位、在体探测，但是该种方式的缺点是光路设计复杂，稳定性差。
激光共聚焦成像设备在医学领域的应用上并不多见，比较成熟的是在皮肤检测领域上的应用，如：美国公司生产的系列皮肤反射式共聚焦显微镜产品。实现皮肤反射式共聚焦显微镜产品的三维成像功能的主要技术难点是大视野高精度层析探测成像，其中轴向的层析探测功能要求控制位移精度极高。目前该类设备轴向层析探测多是使用旋转马达带动齿轮传动或蜗轮蜗杆传动，将旋转运动传递给凸轮槽和带销的物镜固定筒，使凸轮槽驱动物镜固定筒做往复直线运动，实现物镜的前后平移，进而实现设备的轴向层析探测功能。这种轴向层析探测的方式存在一定的缺陷：齿轮传动、蜗轮蜗杆传动和凸轮槽传动都存在较大的固有回程间隙，该间隙会影响设备对皮肤等组织的动态成像，如:在显示界面上回看上一图像时，反向驱动电机，由于是μ级位移驱动，执行机构存在的固有间隙会使马达空转一定角度，因此需要点击驱动按钮多次才能回看的上一图像。即便提高部件的加工和装配精度，由于该类执行机构的传动特点，该回程间隙仍然很大，影响动态成像。使用电控设置弥补该回程间隙，可以解决动态成像问题，但是会增加驱动控制系统的复杂程度，且每一台设备的回程间隙不一样，这就要求电控参数需要根据不同设备去分别设置，不适宜设备量产。另外该类光学精密设备要求齿轮和蜗轮蜗杆传动装配精度较高，装配略紧就会影响齿轮和蜗轮蜗杆的正常传动，发生卡滞现象，给装调工作带来困难。因此，发明一款可应用于皮肤激光共聚焦成像设备上，且能够解决上述问题的三维扫描控制机构，实现对皮肤组织的三维成像功能极具现实意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的上述不足，提供一种用于共聚焦显微镜三维成像的控制机构，该控制机构①使用消间隙的直线驱动机构和导向机构，驱动物镜在轴向上做往复直线运动，实现激光焦点在皮肤组织上的层析探测。避免齿轮/蜗轮蜗杆、凸轮槽等执行机构的固有传动间隙对皮肤组织动态成像的影响；②物镜轴向上，使用直线驱动机构和导向机构不但可以解决齿轮/蜗轮蜗杆、凸轮槽由于高精度装配而产生的传动卡滞现象，还可以简化传动结构，降低装配难度和成本；③二维平面上，分别使用直线驱动机构和导向机构，驱动物镜外罩带动皮肤组织进行小范围的二维移动，配合激光焦点在轴向上的精确移动，实现皮肤组织的原位、在体、实时、动态的三维层析成像。
本发明的目的是这样实现的，一种用于共聚焦显微镜三维成像的控制机构，它是由激光焦点轴向移动机构、激光焦点X向移动机构和激光焦点Y向移动机构组装构成；
所述激光焦点轴向移动机构包括：与光路底板固定用于支撑整个机构的基板，驱动物镜沿轴向移动的第一驱动机构，安装在第一驱动机构上用于消除机构轴向间隙的消间隙机构，用于将第一驱动机构固定在基板上的 第一驱动机构支座，固定在基板上用于限制机构沿轴向移动的Z轴导向机构，固定在Z轴导向机构上的支撑座，用于连接支撑座和第一驱动机构的第一接触块，用于固定物镜的移动筒，光束可通过移动筒入射到物镜后端面上，所述移动筒的后端固定在支撑座上，可由支撑座带动做往复直线运动；通过Z轴传感器支座固定在基板上的第一位置传感器，所述第一位置传感器与固定在支撑座上的第一档片配合，用于物镜的复位控制；
所述的激光焦点X向移动机构包括：通过第二驱动机构支座固定在基板上的第二驱动机构，通过X轴导向机构间接固定在基板上的X向移动基板，所述第二驱动机构可通过推动第二接触块驱动X向移动基板相对基板做正向直线运动，穿过基板固定在X向移动基板上的第二接触块；一端固定在基板上、另一端固定在X向移动基板上的X向弹簧机构，当第二驱动机构反向移动时，可拉动X向移动基板做反向直线运动；与固定在第二接触块上的第二档片配合的第二位置传感器；
所述激光焦点Y向移动机构包括：通过第三驱动机构支座固定在X向移动基板上的第三驱动机构，通过Y轴导向机构间接固定在X向移动基板上的Y向移动基板，固定在Y向移动基板上的第三接触块，一端固定在X向移动基板上、另一端固定在Y向移动基板上的Y向弹簧机构，第三位置传感器与固定在第三接触块上的第三档片配合，用于Y向移动基板的复位控制；移动罩通过隔离柱固定在Y向移动基板上。
本发明的优点和技术效果是：
1、本发明由于使用消间隙的直线驱动机构和导向机构，驱动物镜在轴向上做往复直线运动，实现了激光焦点在皮肤组织上的层析探测。避免现有技术中齿轮/蜗轮蜗杆、凸轮槽等执行机构的固有传动间隙对皮肤组织动态成像的影响。
2、本发明由于在轴向上，使用消除间隙的直线驱动机构和导向机构，取代蜗轮蜗杆或齿轮配合凸轮槽机构，驱动物镜在轴向上做往复直线运动，实现激光焦点在皮肤组织上的断层扫描成像。消除了蜗轮蜗杆或齿轮和凸轮槽机构传动的回程间隙，进而实现皮肤组织的实时动态成像，同时避免了因小公差装配蜗轮蜗杆或齿轮和凸轮槽机构而带来的卡滞问题。
3、本发明由于二维平面上，使用直线驱动机构和导向机构配合回弹机构，控制移动罩带动皮肤组织在二维平面内做直线运动，间接实现激光焦点在皮肤组织上的二维平面扫描成像。
4、本发明通过控制激光焦点在皮肤组织上的轴向移动，并控制机构带动皮肤组织在二维平面内的水平移动，实现对皮肤组织的原位、在体、实时、动态的三维层析成像。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明图1的立体结构示意图。
图3是本发明X向移动机构的结构示意图。
图4是本发明图3的另一角度结构示意图。
图5是本发明Y向移动机构的结构示意图。
图6是本发明图5的另一角度结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的共聚焦显微镜三维成像的控制机构做进一步详细说明，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应视为对本发明公开技术内容的限制。
如图1所示，一种用于共聚焦显微镜三维成像的控制机构，它是由激光焦点轴向移动机构10、激光焦点X向移动机构20和激光焦点Y向移动机构30组装构成。
如图1、2所示：所述激光焦点轴向移动机构10包括：与光路底板固定用于支撑整个机构的基板101，驱动物镜沿轴向移动的第一驱动机构102，安装在第一驱动机构102上用于消除机构轴向间隙的消间隙机构103，用于将第一驱动机构102固定在基板101上的第一驱动机构支座104，固定在基板101上用于限制机构沿轴向移动的Z轴导向机构105，固定在Z轴导向机构105上的支撑座106，用于连接支撑座106和第一驱动机构102的第一接触块107，所述第一接触块107可由第一驱动机构102驱动并由Z轴导向机构105导向做往复直线运动；用于固定物镜108的移动筒109，光束可通过移动筒109入射到物镜108后端面上，所述移动筒109的后端固定在支撑座106上，可由支撑座106带动做往复直线运动；通过Z轴传感器支座111固定在基板101上的第一位置传感器110，所述第一位置传感器110与固定在支撑座106上的第一档片112配合，用于物镜108的复位控制；
如图1、3、4所示：所述的激光焦点X向移动机构20包括：通过第二驱动机构支座201固定在基板101上的第二驱动机构202，通过X轴导向机构203间接固定在基板101上的X向移动基板204，所述第二驱动机构202可通过推动第二接触块205驱动X向移动基板204相对基板101做正向直线运动，穿过基板101固定在X向移动基板204上的第二接触块205；一端固定在基板101上、另一端固定在X向移动基板204上的X向弹簧机构206，当第二驱动机构202反向移动时，可拉动X向移动基板204做反向直线运动；与固定在第二接触块205上的第二档片208配合的第二位置传感器207，第二位置传感器207所述用于X向移动基板204的复位控制。
如图1、5、6所示：所述激光焦点Y向移动机构30包括：通过第三驱动机构支座301固定在X向移动基板204上的第三驱动机构302，通过Y轴导向机构303间接固定在X向移动基板204上的Y向移动基板304，第三驱动机构302可通过推动第三接触块305驱动Y向移动基板304相对X向移动基板204做正向直线运动，其中第三接触块305固定在Y向移动基板304上；Y向弹簧机构306一端固定在X向移动基板204上、另一端固定在Y向移动基板304上，当第三驱动机构302反向移动时，可拉动Y向移动基板304做反向直线运动；第三位置传感器307与固定在第三接触块305上的第三档片308配合，用于Y向移动基板304的复位控制；移动罩309通过隔离柱310固定在Y向移动基板304上，其中，移动罩309可压在皮肤组织上，带动皮肤组织做二维平面内的移动，间接实现激光焦点在水平面上的二维移动。
该控制机构的工作原理如下：将控制机构的移动罩309压在待测皮肤组织上，使移动罩309的中心对准皮损位置，开机启动仪器，控制机构首先进行复位运动，其中第一驱动机构102反向驱动物镜108向后移动，当第一档片112与第一位置传感器110触碰时，第一驱动机构102正向驱动物镜108向前移动至事先设置好的位置，此时激光焦点处于皮肤表皮与真皮浅层之间；第二驱动机构202和第三驱动机构302分别正向驱动移动罩309并带动皮肤组织向右和向下移动，当第二档片208和第三档片308分别与第二位置传感器207和第三位置传感器307触碰时，第二驱动机构202和第三驱动机构302分别反向驱动移动罩309并带动皮肤组织向左和向上移动至事先设置好的位置，此时移动罩309与物镜108同轴，激光焦点位于视场中心并对准皮损位置。
第二驱动机构202驱动移动罩309带动皮肤组织向右移动，相当于激光焦点相对皮肤组织向左移动，第二驱动机构202和X向弹簧机构206配合拉动移动罩309带动皮肤组织向左移动,相当于激光焦点相对皮肤组织向右移动，从而实现激光焦点在二维平面内的X方向扫描；第三驱动机构302驱动移动罩309带动皮肤组织向上移动，相当于激光焦点相对皮肤组织向下移动，第三驱动机构302和Y向弹簧机构306配合拉动移动罩309带动皮肤组织向下运动，相当于激光焦点相对皮肤组织向上移动，从而实现激光焦点在二维平面内的Y方向扫描；移动罩309带动皮肤组织在二维平面内的移动，实现了激光焦点相对皮肤组织的二维扫描。第一驱动机构102驱动物镜108向前移动，使得激光焦点深入至皮肤组织里侧直至真皮浅层，第一驱动机构102驱动物镜108向后移动，使得激光焦点相对皮肤组织向外侧移动至表层，进而实现激光焦点在皮肤组织深度上的扫描。激光焦点在深度上的断层扫描成像和不同层上的二维扫描成像，共同构成了激光焦点对皮肤组织皮损位置的三维扫描成像。
Claims (5)
1.一种用于共聚焦显微镜三维成像的控制机构，其特征在于：它是由激光焦点轴向移动机构(10)、激光焦点X向移动机构(20)和激光焦点Y向移动机构(30)组装构成；
所述激光焦点轴向移动机构(10)包括：与光路底板固定用于支撑整个机构的基板(101)，驱动物镜沿轴向移动的第一驱动机构(102)，安装在第一驱动机构(102)上用于消除机构轴向间隙的消间隙机构(103)，用于将第一驱动机构(102)固定在基板(101)上的第一驱动机构支座 (104)，固定在基板(101)上用于限制机构沿轴向移动的Z轴导向机构(105)，固定在Z轴导向机构(105)上的支撑座(106)，用于连接支撑座(106)和第一驱动机构(102)的第一接触块 (107)，用于固定物镜(108)的移动筒(109)，光束可通过移动筒(109)入射到物镜(108)后端面上，所述移动筒(109)的后端固定在支撑座(106)上，可由支撑座(106)带动做往复直线运动；通过Z轴传感器支座(111)固定在基板(101)上的第一位置传感器(110)，所述第一位置传感器(110)与固定在支撑座(106)上的第一档片(112)配合，用于物镜(108)的复位控制；
所述的激光焦点X向移动机构(20)包括：通过第二驱动机构支座(201)固定在基板(101)上的第二驱动机构(202)，通过X轴导向机构(203)间接固定在基板(101)上的X向移动基板(204)，所述第二驱动机构(202)可通过推动第二接触块(205)驱动X向移动基板(204)相对基板(101)做正向直线运动，穿过基板(101)固定在X向移动基板(204)上的第二接触块(205)；一端固定在基板(101)上、另一端固定在X向移动基板(204)上的X向弹簧机构(206)，当第二驱动机构（202）反向移动时，可拉动X向移动基板（204）做反向直线运动；与固定在第二接触块（205）上的第二档片（208）配合的第二位置传感器（207）；
所述激光焦点Y向移动机构（30）包括：通过第三驱动机构支座（301）固定在X向移动基板（204）上的第三驱动机构（302），通过Y轴导向机构（303）间接固定在X向移动基板（204）上的Y向移动基板（304），固定在Y向移动基板（304）上的第三接触块（305），一端固定在X向移动基板（204）上、另一端固定在Y向移动基板（304）上的Y向弹簧机构（306），第三位置传感器（307）与固定在第三接触块（305）上的第三档片（308）配合，用于Y向移动基板（304）的复位控制；移动罩（309）通过隔离柱（310）固定在Y向移动基板（304）上。
2.根据权利要求1所述的一种用于共聚焦显微镜三维成像的控制机构，其特征在于：所述第一接触块（107）可由第一驱动机构（102）直线驱动，并由Z轴导向机构（105）导向做往复直线运动。
3.根据权利要求1所述的一种用于共聚焦显微镜三维成像的控制机构，其特征在于：所述第二位置传感器（207）用于所述X向移动基板（204）的复位控制。
4.根据权利要求1所述的一种用于共聚焦显微镜三维成像的控制机构，其特征在于：所述第三驱动机构（302）可通过推动第三接触块（305）驱动Y向移动基板（304）相对X向移动基板（204）做正向直线运动，当第三驱动机构（302）反向移动时，可拉动Y向移动基板（304）做反向直线运动。
5.根据权利要求1所述的一种用于共聚焦显微镜三维成像的控制机构，其特征在于：所述移动罩（309）可压在皮肤组织上，带动皮肤组织做二维平面内的移动，间接实现激光焦点在水平面上的二维移动。
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