CN110208936A - 用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置，由设置在下基座上的驱动器支撑上基座并对其进行快速、大行程的一级调节，由安装在上基座上的三维精密微位移平台对针孔盘进行三维方向的精密二级调节，通过上述双级调节可有效消除传统手动调节方式所带来的不确定性和不稳定性，以及现有光路调整机构可调行程小和应用范围受限的缺陷，并且上述一级大行程快速调节部分和二级精密微调部分可单独使用，以应用于相应需求场合。本发明通过控制器控制其进行纳米微位移调节，可使装置在工作过程中运行稳定、重复性好，从而使调节精度得到保障，实用性强。

Description

用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置

技术领域

本发明涉及光学显微成像微位移调节领域，特别是涉及一种用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置。

背景技术

激光共聚焦显微技术是一种高分辨率的显微成像技术。用于激发荧光的激光束透过照明针孔被二向色镜反射，通过显微物镜汇聚后入射于待观察的标本内部焦点处，激光照射所产生的荧光和少量反射激光一起，被物镜重新收集后送往二向色镜；其中携带图像信息的荧光由于波长比较长，直接通过二向色镜并透过探测针孔到达光电探测器，变成电信号后送入计算机，由于二向色镜的分光作用，残余的激光则被二向色镜反射，不会被探测到；在成像过程中，探测针孔的位置需要保证与显微物镜的焦点共轭，才可使得焦平面上的点所发出的光能透过探测针孔，同时焦平面以外的点所发出的光线在探测针孔平面是离焦的，绝大部分无法通过中心的小孔，从而大大提高了显微图像的清晰度和细节分辨能力。然而，由于探测针孔几何尺寸较小，一般在100-200nm之间，因此如何保证探测针孔的位置与显微物镜的焦点共轭成为共聚焦显微成像的关键。

传统用于调整探测针孔与显微物镜焦点共轭的方式为手动调节方式，即通过手动旋转调节螺钉调整光路，再用固紧螺钉将其锁定，采用手动调节方式，会导致在调整过程中，装置产生一定的抖动，使得成像的清晰度无法得到保障；而且在整个调整过程中，因手动操作，不同操作人员会存在感官差异，无法精确控制需要调节的量，调节结果的不确定性明显，此种方式无法满足当前的纳米级精度要求。

为了提高调节精度，现有光路调整多采用压电或电致伸缩微位移器驱动光学调整平台，大多是提供一维或者二维线性位移，通过控制外加电压实现亚微米级甚至纳米级别的调节精度。此类装置虽然稳定性和重复性好、调节精度高，并且能够解决人为操作带来的装置抖动和不确定性，但是由于压电或电致伸缩微位移器自身结构的限制，使得整个装置可调整行程很小，而且装置切向无承载能力，从而也大大限制了应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种调整行程大、应用范围广、调节精度高的用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置，以解决手动调节所带来的不稳定和精度低的问题，以及现有光路调整装置的应用场景和调节行程受限的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置，包括上基座、下基座、驱动器、三维精密微位移平台、针孔盘固定件和控制器，所述下基座用于安装在共聚焦显微镜的显微物镜和二向色镜的安装盒上部，所述上基座的中心开设有第一通光孔，所述下基座的中心开设有第二通光孔，所述上基座设置在所述下基座的上方，所述下基座的底端安装所述驱动器，所述驱动器的驱动内轴顶端贯穿所述下基座与所述上基座的下表面接触，所述上基座的外侧壁和所述下基座的外侧壁之间设置有竖直导向机构，所述驱动器用于驱动所述上基座沿所述竖直导向机构相对所述下基座上下移动；所述上基座的上表面安装所述三维精密微位移平台，所述三维精密微位移平台的上表面安装所述针孔盘固定件，所述针孔盘固定件内用于安装针孔盘，所述针孔盘与所述第一通光孔和所述第二通光孔同轴设置，所述三维精密微位移平台用于对所述针孔盘固定件进行三维方向上的纳米级微位移调节；所述驱动器和所述三维精密微位移平台均与所述控制器电连接。

可选的，所述下基座上开设有转接件通孔，每个所述转接件通孔的侧壁均开设一与所述转接件通孔正交的螺纹孔；所述驱动器的驱动内轴外部套设有外轴，所述外轴的顶端外部螺纹连接一外螺纹转接件，所述外螺纹转接件用于安装在所述转接件通孔内，通过在所述螺纹孔内插入紧固螺钉将所述外螺纹转接件固定在所述转接件通孔内。

可选的，所述竖直导向机构包括微型导轨和微型滑块，所述下基座的侧壁设置有凹槽，所述微型导轨竖直安装在所述凹槽内，所述上基座的侧壁设置有凹口，所述微型滑块固定安装在所述凹口内，所述微型滑块与所述微型导轨匹配安装，当所述驱动器驱动所述上基座上下移动时，所述微型滑块沿所述微型导轨上下移动。

可选的，所述下基座为矩形下基座，所述下基座的一对角上分别安装一个所述驱动器；所述下基座的另一对角上分别安装一组所述竖直导向机构。

可选的，所述微型导轨为滚珠式直线导轨。

可选的，还包括转接板，所述三维精密微位移平台的上表面中心开设有安装孔，所述针孔盘固定件的底部开设有与所述安装孔匹配的定位孔，所述转接板固定在所述三维精密微位移平台上部，所述转接板的中心开设有中心螺纹孔，所述针孔盘固定件与所述中心螺纹孔螺纹连接。

可选的，所述针孔盘通过卡环固定在所述针孔盘固定件内。

可选的，所述控制器为多通道同步通信控制器。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明公开的用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置，由设置在下基座上的驱动器支撑上基座并对其进行快速、大行程的一级调节，由三维精密微位移平台对针孔盘进行三维方向的精密二级调节，通过上述双级调节可有效消除传统手动调节方式所带来的不确定性和不稳定性，以及现有光路调整机构可调行程小和应用范围受限的缺陷，并且上述一级大行程快速调节部分和二级精密微调部分可单独使用，以应用于相应需求场合。而且本装置通过控制器控制其进行纳米微位移调节，可使装置在工作过程中运行稳定、重复性好，从而使调节精度得到保障，实用性强。

此外，本发明的竖直导向机构的设置能够控制上、下基座之间的线性位移，起到导向作用；同时将针孔盘与第一通光孔和第二通光孔同轴设置，可使得整个装置位移方向形成通光通道，保证携带信息的荧光光束穿过装置主体并透过探测针孔，以确保共聚焦显微镜的正常工作。

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置的整体结构示意图；

图2为图1用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置的主视图；

其中，附图标记为：1、上基座；2、下基座；3、驱动器；4、三维精密微位移平台；5、针孔盘固定件；6、驱动内轴；7、卡环；8、转接件通孔；9、螺纹孔；10、外螺纹转接件；11、转接板；12、微型导轨；13、微型滑块；14、安装槽。

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。

本发明的目的是提供一种调整行程大、应用范围广、调节精度高的用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置，以解决手动调节所带来的不稳定和精度低的问题，以及现有光路调整装置的应用场景和调节行程受限的问题。

基于此，本发明提供一种用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置，包括上基座、下基座、驱动器、三维精密微位移平台、针孔盘固定件和控制器，下基座用于安装在共聚焦显微镜的显微物镜和二向色镜的安装盒上部，上基座的中心开设有第一通光孔，下基座的中心开设有第二通光孔，上基座设置在下基座的上方，下基座的底端安装驱动器，驱动器的驱动内轴顶端贯穿下基座与上基座的下表面接触，上基座的外侧壁和下基座的外侧壁之间设置有竖直导向机构，驱动器用于驱动上基座沿竖直导向机构相对下基座上下移动；上基座的上表面安装三维精密微位移平台，三维精密微位移平台的上表面安装针孔盘固定件，针孔盘固定件内用于安装针孔盘，针孔盘与第一通光孔和第二通光孔同轴设置，三维精密微位移平台用于对针孔盘固定件进行三维方向上的纳米级微位移调节；驱动器和三维精密微位移平台均与控制器电连接。

本发明公开的用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置，由设置在下基座上的驱动器支撑上基座并对其进行快速、大行程的一级调节，由三维精密微位移平台对针孔盘进行三维方向的精密二级调节，通过上述双级调节可有效消除传统手动调节方式所带来的不确定性和不稳定性，以及现有光路调整机构可调行程小和应用范围受限的缺陷；并且本装置通过控制器控制其进行纳米微位移调节，可使装置在工作过程中运行稳定、重复性好，从而使调节精度得到保障，实用性强。

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。

实施例一：

如图1-2所示，本实施例提供一种用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置，包括上基座1、下基座2、驱动器3、三维精密微位移平台4、针孔盘固定件5和控制器，下基座2用于安装在共聚焦显微镜的显微物镜和二向色镜的安装盒上部，下基座2与该安装盒上表面接触后通过螺钉紧固。上基座1的中心开设有第一通光孔，下基座2的中心开设有第二通光孔，上述安装盒上部开设有螺纹孔和通光孔，且该通光孔与第一通光孔、和第二通光孔均同轴，上基座1设置在下基座2的正上方，下基座2的底端安装驱动器3，驱动器3的驱动内轴6顶端贯穿下基座2与上基座1的下表面接触，上基座1的外侧壁和下基座2的外侧壁之间设置有竖直导向机构，驱动器3用于驱动上基座1沿竖直导向机构相对下基座2上下移动，其中竖直导向机构起导向作用，确保上基座1相对下基座2仅作竖直上下移动；上基座1的上表面安装三维精密微位移平台4，三维精密微位移平台4的上表面安装针孔盘固定件5，针孔盘固定件5内用于安装针孔盘，针孔盘与第一通光孔和第二通光孔同轴设置，可使得整个装置位移方向形成通光通道，保证携带信息的荧光光束穿过装置主体并透过探测针孔，以确保共聚焦显微镜的正常工作；三维精密微位移平台4用于对针孔盘固定件5进行三维方向上的纳米级微位移调节，其中驱动器3和三维精密微位移平台4均以常规的电控连接方式与控制器电连接，通过控制器控制其进行纳米微位移调节，可使装置在工作过程中运行稳定、重复性好，从而使调节精度得到保障，实用性强。此外，上述驱动器3和三维精密微位移平台4分别采用一种本领域现有的驱动器结构和三维精密微位移平台结构，其中驱动器可以是压电驱动，也可以是电机驱动，上述的驱动内轴6为驱动器中可上下伸缩的轴结构，这是驱动器中的常规结构设置，具体的工作原理和内部结构在此不再赘述。

进一步地，如图1～2所示，下基座2上开设有转接件通孔8，每个转接件通孔8的侧壁均开设一与转接件通孔8正交的螺纹孔9；驱动器3的驱动内轴6的外部套设有外轴，外轴的顶端外部设置有精密细螺纹，该精密细螺纹用于与一外螺纹转接件10螺纹连接，外螺纹转接件10用于安装在转接件通孔8内，可通过在螺纹孔9内插入紧固螺钉将外螺纹转接件10固定在转接件通孔8内，从而实现驱动器3在下基座2底端面的固定，这种安装方式不会影响驱动器3的正常使用功能。本实施例中的驱动器3可通过控制器控制其线性位移，如图1～2所示，驱动器3的下后方还设置有手动调节螺丝，可通过手拧螺丝实现对驱动器3内驱动内轴6伸缩的手动调节。

进一步地，本实施例中竖直导向机构优选包括微型导轨12和微型滑块13，下基座2的侧壁设置有凹槽，微型导轨12可通过螺钉或螺栓竖直安装在该凹槽内，此处优选过盈配合安装；上基座1的侧壁对应设置有凹口，微型滑块13可通过螺钉或螺栓固定安装在该凹口内，微型滑块13与微型导轨12匹配安装，当驱动器3驱动上基座1上下移动时，微型滑块13可沿微型导轨12上下移动。如图1～2所示，本实施例中微型导轨12优选为凹形导轨结构，微型滑块13优选为凹形滑块结构，凹形滑块结构与凹形导轨结构的凹口相对且垂直交叉，形成相互咬合的状态，在凹形导轨结构的导向作用下，凹形滑块结构仅在凹形导轨结构内作竖直方向的移动，保证了下基座2和上基座1之间的平行状态，有利于提高装置的调节精度。

进一步地，下基座2优选为矩形下基座，上基座1也优选为矩形上基座，且上基座1平行设置在下基座2的正上方；如图1～2所示，下基座2的一对角上分别安装一个驱动器3，即下基座2的一对角上分别开设有一转接件通孔8用于安装驱动器3，而下基座2的另一对角上分别安装一组上述竖直导向机构，通过控制器控制两个驱动器3同步运动时，驱动器3和竖直导向机构呈对角交叉分布，有利于保证调节过程中下基座2和上基座1之间的平行状态，从而实现装置的一级大范围、快速的微位移定位。需要说明的是，本发明中驱动器3和竖直导向机构的相对安装位置并不限于上述方式，可以根据实际需求分别调整驱动器3和竖直导向机构的安装组数和安装位置。

进一步地，本实施例中微型导轨12还可优选为滚珠式直线导轨，相应的，微型滑块2的结构应能够与滚珠式直线导轨相匹配。

进一步地，如图1～2所示，本实施例还包括转接板11，三维精密微位移平台4的上表面中心开设有安装孔，针孔盘固定件5的底部开设有与该安装孔匹配的定位孔，转接板11可通过螺栓或螺钉安装在三维精密微位移平台4上部，转接板11的中心开设有中心螺纹孔，针孔盘固定件5与该中心螺纹孔螺纹连接，从而实现针孔盘固定件5在转接板11上的安装固定。

进一步地，本实施例中针孔盘可通过卡环7固定在针孔盘固定件5内。如图1所示，卡环7安装在针孔盘固定件5的内壁。

进一步地，本实施例中控制器优选为多通道同步通信控制器。

下面对本实施例作具体工作原理说明。其中，驱动器3可提供10-100纳米级别分辨率，三维精密微位移平台4限1-5纳米级别分辨率，三维精密微位移平台4为直线压电陶瓷促动器驱动。驱动器3和竖直导向机构分别设置两组且如图1～2所示在下基座2上呈对角交叉分布。

首先，将下基座2通过相关组件安装在共聚焦显微镜的载物台上；之后，首先通过控制器驱动两个驱动器3同步运动，使两个驱动器3内的驱动内轴6在竖直方向发生线性位移，从而驱动上基座1上下线性位移，实现一级大范围、快速的微位移定位；之后，通过控制器控制三维精密微位移平台4在三维方向上提供纳米级别分辨率的微位移，使针孔盘固定件5能够在三维方向上实现纳米微位移调节，从而实现装置的二级精密调节，直至调节至针孔盘上的探测针孔与显微物镜的焦点共轭。通过上述双级调节可有效消除传统手动调节方式所带来的不确定性和不稳定性，以及现有光路调整机构可调行程小和应用范围受限的缺陷；并且本装置通过控制器控制其进行纳米微位移调节，可使装置在工作过程中运行稳定、重复性好，从而使调节精度得到保障，实用性强。

本发明的上述一级大行程快速调节部分和二级精密微调部分可单独使用，以应用于相应需求场合；竖直导向机构的设置能够控制上、下基座之间的线性位移，起到导向作用；同时将针孔盘与第一通光孔和第二通光孔同轴设置，可使得整个装置位移方向形成通光通道，保证携带信息的荧光光束穿过装置主体并透过探测针孔，以确保共聚焦显微镜的正常工作。

需要说明的是，本实施例使用了两个驱动器，但本发明不限于使用两个驱动器；其中驱动器的驱动内轴触头可与上基座的底面接触，也可在上基座的底端面设置凹槽，将驱动内轴的触头伸入上述凹槽内部；同时，本实施例使用两组竖直导向机构来控制上下基座的线性位移，本发明中微型导轨的工作方式不限，竖直导向机构和驱动器的安装组数以及相对安装位置也不限制于上述实施例。综上所述，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置，其特征在于：包括上基座、下基座、驱动器、三维精密微位移平台、针孔盘固定件和控制器，所述下基座用于安装在共聚焦显微镜的显微物镜和二向色镜的安装盒上部，所述上基座的中心开设有第一通光孔，所述下基座的中心开设有第二通光孔，所述上基座设置在所述下基座的上方，所述下基座的底端安装所述驱动器，所述驱动器的驱动内轴顶端贯穿所述下基座与所述上基座的下表面接触，所述上基座的外侧壁和所述下基座的外侧壁之间设置有竖直导向机构，所述驱动器用于驱动所述上基座沿所述竖直导向机构相对所述下基座上下移动；所述上基座的上表面安装所述三维精密微位移平台，所述三维精密微位移平台的上表面安装所述针孔盘固定件，所述针孔盘固定件内用于安装针孔盘，所述针孔盘与所述第一通光孔和所述第二通光孔同轴设置，所述三维精密微位移平台用于对所述针孔盘固定件进行三维方向上的纳米级微位移调节；所述驱动器和所述三维精密微位移平台均与所述控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置，其特征在于：所述下基座上开设有转接件通孔，每个所述转接件通孔的侧壁均开设一与所述转接件通孔正交的螺纹孔；所述驱动器的驱动内轴外部套设有外轴，所述外轴的顶端外部螺纹连接一外螺纹转接件，所述外螺纹转接件用于安装在所述转接件通孔内，通过在所述螺纹孔内插入紧固螺钉将所述外螺纹转接件固定在所述转接件通孔内。

3.根据权利要求1所述的用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置，其特征在于：所述竖直导向机构包括微型导轨和微型滑块，所述下基座的侧壁设置有凹槽，所述微型导轨竖直安装在所述凹槽内，所述上基座的侧壁设置有凹口，所述微型滑块固定安装在所述凹口内，所述微型滑块与所述微型导轨匹配安装，当所述驱动器驱动所述上基座上下移动时，所述微型滑块沿所述微型导轨上下移动。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置，其特征在于：所述下基座为矩形下基座，所述下基座的一对角上分别安装一个所述驱动器；所述下基座的另一对角上分别安装一组所述竖直导向机构。

5.根据权利要求3所述的用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置，其特征在于：所述微型导轨为滚珠式直线导轨。

6.根据权利要求1所述的用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置，其特征在于：还包括转接板，所述三维精密微位移平台的上表面中心开设有安装孔，所述针孔盘固定件的底部开设有与所述安装孔匹配的定位孔，所述转接板固定在所述三维精密微位移平台上部，所述转接板的中心开设有中心螺纹孔，所述针孔盘固定件与所述中心螺纹孔螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置，其特征在于：所述针孔盘通过卡环固定在所述针孔盘固定件内。

8.根据权利要求1所述的用于共聚焦显微镜探测针孔的纳米级微位移调节装置，其特征在于：所述控制器为多通道同步通信控制器。