CN110749282A - 一种吸头校准设备 - Google Patents

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樊文俊
陈晨
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    • G05D3/00—Control of position or direction
    • G05D3/12—Control of position or direction using feedback

Abstract

本申请的目的是提供一种吸头校准设备，包括聚束镜头、CCD或CMOS相机、第一光源、第二光源、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、双色镜、吸头、机械臂、马达和控制器，所述控制器与马达连接，马达与机械臂连接，机械臂与吸头连接，第一光源和第二光源发射光线照射吸头经过反射镜反射后，再经双色镜反射或透射，形成第一光路和第二光路，最终在CCD或CMOS相机上成像，第一光路和第二光路在CCD或CMOS相机处产生光信号输入所述控制器，再由所述控制器输出信号给马达，通过马达来控制机械臂调整吸头的位置。本申请利用光学成像原理结合机械臂来调整吸头位置，使吸头位置与待拾取细胞的位置精度匹配，能显著提高细胞拾取的准确率。

Description

一种吸头校准设备
技术领域
本发明属于细胞拾取装置，特别涉及一种吸头校准设备。
背景技术
当前市场上现有的细胞拾取仪大多依靠微泵带动注射器通过吸头来拾取特定细胞或组织样品，细胞的粒径多为10μm左右且易碎，要求吸头对准的程度要达到微米量级，这样在拾取时才不会破坏目标细胞。
在此前提下，细胞的拾取是通过操作人员一边观察显微镜的目镜一边手动进行的。操作人员需要将显微镜的观察倍率设置在低倍率侧来观察培养容器的比较宽的范围，查找细胞。然后，使载物台移动而将该细胞配置在物镜的光轴附近，之后将显微镜的观察倍率设置在高倍率侧，确认细胞的位置，最后使显微镜的观察倍率返回到低倍率侧，使用吸头拾取细胞。当前的这种操作方式对细胞的拾取准确率较低，对操作人员的经验要求很高。
发明内容
针对上述现有技术的缺点或不足，本发明要解决的技术问题是如何提高细胞的拾取准确率。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种吸头校准设备，所述吸头校准设备由吸头操作装置和光路装置组成，其中，所述吸头操作装置吸头、机械臂、马达和控制器，所述光路装置包括CCD或CMOS相机、聚束镜头、第一光源、第二光源、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、双色镜、所述控制器与马达连接，马达与机械臂连接，机械臂与吸头连接；
所述第一光源发射光线照射吸头，经过第一反射镜反射至双色镜，然后被双色镜透射，最后经过第三反射镜反射至聚束镜头，形成第一光路；所述第二光源发射光线，经过第二反射镜反射至双色镜，然后被双色镜反射，最后经过第三反射镜反射至聚束镜头，形成第二光路；或；
所述第一光源发射光线照射吸头，经过第一反射镜反射至双色镜，然后被双色镜反射，最后经过第三反射镜反射至聚束镜头，形成第一光路；所述第二光源发射光线，经过第二反射镜反射至双色镜，然后被双色镜透射，最后经过第三反射镜反射至聚束镜头，形成第二光路；
所述第一光路和第二光路使吸头在聚束镜头后的CCD或CMOS相机上成像，所述第一光路和第二光路在聚束镜头后的CCD或CMOS相机处产生光信号，与物镜光轴位置比较输出反馈信号给所述控制器，所述控制器输出信号给马达，通过马达来控制机械臂调整吸头的位置使其位于物镜的光轴上，以拾取位于物镜光轴上的细胞。
进一步地，所述第一光源和第二光源的发光波长不同。
进一步地，所述第一光源和第二光源在吸头外围相互垂直设置。
进一步地，所述第一反射镜与第二反射镜相互平行放置。
进一步地，所述第一反射镜、第二反射镜分别与第三反射镜垂直设置。
进一步地，所述第一反射镜与第一光源所在直线所成的夹角为45°。
进一步地，所述第二反射镜与第二光源所在直线所成的夹角为45°。
进一步地，所述第三反射镜与双色镜所在直线所成的夹角为90°。
进一步地，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均为平面反射镜。
进一步地，所述机械臂为XYZ轴坐标式机械臂，所述机械臂的精度为微米级。
与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：
本申请所提供的吸头校准设备中，包括一套光路装置，光路装置具体包括：在物镜光轴上待拾取细胞的周围设置了两个光源，同时设置了反射镜、双色镜、聚束镜头、CCD或CMOS相机，利用光学成像原理，使吸头在聚束镜头后的CCD或CMOS相机上成像，通过比较成像位置与预设标准位置的差别，所述预设标准位置为物镜光轴在吸头所在平面的位置，反馈信号给机械臂调节吸头位置达到自动校准吸头的目的，以使吸头位置与待拾取细胞的位置精度匹配，能显著提高细胞拾取的准确率，取代人工校准操作，实现吸头校准的自动化，保障拾取细胞的可重复性。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1：本申请一种实施例中一种吸头校准设备的操作示意图；
图2：本申请一种实施例中一种吸头校准设备的俯视示意图；
图3：本申请另一种实施例中一种吸头校准设备的俯视示意图；
附图标记：吸头1，第一光源2，第二光源3，第一反射镜4，第二反射镜5，第三反射镜6，双色镜7，聚束镜头8，CCD或CMOS相机9，机械臂10，马达11，物镜光轴12，细胞13；
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
下面结合附图对本申请作进一步详细描述。
图1结合图2和图3，展示了本申请的一种吸头校准装置的具体工作方式和工作原理。本申请提供的吸头校准设备包含光路装置和吸头操作装置，由光路装置可以确定吸头的具体位置，之后由操作装置调整校准吸头的位置。
图1所示的吸头操作装置的操作方式，吸头操作装置包括控制器、机械臂10和马达11，由控制器输出信号给马达11，通过马达11来控制机械臂10调整吸头1的位置使其与待拾取细胞13的位置精度匹配，以拾取位于物镜光轴12上的细胞13。
图2和图3中展示了光路装置中光的传播路径及吸头的成像原理。光路装置包括光源、反射镜、双色镜7、聚束镜头8、CCD或CMOS相机9。光源、反射镜和双色镜7设置在吸头1周围，光源在光的反射或透射过程中，最终使吸头1通过聚束镜头8在CCD相机或CMOS相机9处成像。
本申请所提供的吸头校准设备中，根据光的传播路径，将吸头1、第一光源2、第二光源3、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、双色镜7、聚束镜头8、CCD或CMOS相机9按照光路设置，第一光源2和第二光源3发出的光线照射到吸头1上，经过第一反射镜4、第二反射镜5反射，经过双色镜7反射或透射，最后光线汇聚在第三反射镜6，最终光线经过第三反射镜6反射后汇聚在聚束镜头8上，吸头1通过聚束镜头8在CCD或CMOS相机9处成像。本申请中的双色镜7又称二相色镜，常用于激光技术中，其特点是对一定波长的光几乎完全透射，而对另一些波长的光几乎完全反射。在本申请的实施例中，第一光源2和第二光源3可以采用点光源或面光源。根据双色镜7的特点，第一光源2和第二光源3的波长不同，才能确保双色镜7对第一光源2或第二光源3完全反射或完全透射，例如但不限于，第一光源2采用红光光源，第二光源3采用蓝光光源。
本申请中的聚束镜头8为光学镜头，可以将物体投影到CCD或CMOS相机上，通过调整成像位置与标准位置的偏差实现吸头的自动校准。
根据双色镜7对不同波长光的反射或透射特点，本技术方案中的光路装置会产生不同的光路路径。具体实施例如下：
在本申请的一种实施例中，吸头校准装置包括吸头1、第一光源2、第二光源3、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、双色镜7、聚束镜头8、机械臂10、马达11和控制器，所述控制器与马达11连接，马达11与机械臂10连接，机械臂10与吸头1连接；
双色镜7对第一光源2经过第一反射镜4反射后的光线透射，对第二光源3经过第二反射镜5反射后的光线反射。具体方案为，吸头1放置在第一光源2和第二光源3的照射区域，第一光源2发射光线照射吸头1后，经过第一反射镜4反射至双色镜7，然后被双色镜7透射，最后经过第三反射镜6反射至聚束镜头8，形成第一光路；所述第二光源3发射光线，经过第二反射镜5反射至双色镜7，然后被双色镜7反射，最后经过第三反射镜6反射至聚束镜头8，形成第二光路。
第一光路和第二光路使吸头1在聚束镜头8后的CCD或CMOS相机9上成像，所述第一光路和第二光路在CCD或CMOS相机9处产生光信号，控制器输入光信号，将吸头1的CCD或CMOS成像与事先设置的吸头1的标准位置对比后，会将光信号输出为控制信号反馈给马达11，通过马达11来控制机械臂10在相应的方向上调整吸头1的位置，使吸头1的位置与预设的位置匹配，保障拾取细胞13的准确率和重复操作性。
在本申请的另一种实施例中，吸头校准装置包括吸头1、第一光源2、第二光源3、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、双色镜7、聚束镜头8、CCD或CMOS相机9、机械臂10、马达11和控制器，所述控制器与马达11连接，马达11与机械臂10连接，机械臂10与吸头1连接；
双色镜7对第一光源2经过第一反射镜4反射后的光线反射，对第二光源3经过第二反射镜5反射后的光线透射。具体方案为，吸头1放置在第一光源2和第二光源3的照射区域，第一光源2发射光线照射吸头1后，经过第一反射镜4反射至双色镜7，然后被双色镜7反射，最后经过第三反射镜6反射至聚束镜头8，形成第一光路；所述第二光源3发射光线，经过第二反射镜5反射至双色镜7，然后被双色镜7透射，最后经过第三反射镜6反射至聚束镜头8，形成第二光路。
第一光路和第二光路使吸头1在聚束镜头8后的CCD或CMOS相机9上成像，所述第一光路和第二光路在聚束镜头8处产生光信号，控制器输入光信号，将吸头1的成像位置与事先设置的吸头1的标准位置对比后，会将光信号输出为控制信号反馈给马达11，通过马达11调整吸头1的位置使其位于物镜光轴12上，以拾取位于物镜光轴12上的细胞13，保障拾取细胞13的准确率和重复操作性。
作为上述两种实施例的一种优选方案，第一光源2和第二光源3在吸头1外围相互垂直设置，确保吸头1放置在第一光源2和第二光源3所形成的对角线上，第一光源2和第二光源3照射在吸头1上的光线可以被反射镜完全的反射。
在上述两种实施例中，第一反射镜4、第二反射镜5和第三反射镜6均为平面反射镜。
作为上述两种实施例的优选方案，所述第一反射镜4、第二反射镜5相互平行放置，且所述第一反射镜4、第二反射镜5分别与第三反射镜6垂直设置。
为了保证平面反射效果，将光线汇聚到双色镜7，且光线经过双色镜7反射或透射后能完全汇聚在聚束镜头8上CCD相机上成像，保证CCD相机成像的高分辨率，本实施例中，第一反射镜4与第一光源2所在直线所成的夹角为45°，所述第二反射镜5与第二光源3所在直线所成的夹角也为45°。所述第三反射镜6与双色镜7所在直线所成的夹角为90°，所述聚束镜头8所在的直线与第三反射镜6所在直线所成的夹角为45°。
市面上常用的用于拾取细胞13的吸头1分为玻璃毛细管吸头和不锈钢针吸头，两种吸头都适用于本申请所提供的技术方案。吸头1的位置通过机械臂10来移动调整。本申请实施例中的机械臂10为XYZ轴坐标式机械臂，对吸头1所处的位置能进行前后左右的调整，能确保吸头1的横向和纵向方位均与细胞13所在位置的精度匹配。
由于细胞13的粒径都在10μm左右且在拾取过程中易碎，要求吸头1对准细胞13的程度要达到微米量级，这样在拾取时目标细胞13才不会破坏，因此，本申请实施例中，机械臂10的精度为微米级。
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涵括在本发明内。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。

Claims (10)

1.一种吸头校准设备，其特征在于，所述吸头校准设备由吸头操作装置和光路装置组成，其中，所述吸头操作装置包括吸头、机械臂、马达和控制器，所述光路装置包括聚束镜头、CCD或CMOS相机、第一光源、第二光源、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和双色镜，所述控制器与马达连接，马达与机械臂连接，机械臂与吸头连接；
所述第一光源发射光线照射吸头，经过第一反射镜反射至双色镜，然后被双色镜透射，最后经过第三反射镜反射至聚束镜头，形成第一光路；所述第二光源发射光线，经过第二反射镜反射至双色镜，然后被双色镜反射，最后经过第三反射镜反射至聚束镜头，形成第二光路；或；
所述第一光源发射光线照射吸头，经过第一反射镜反射至双色镜，然后被双色镜反射，最后经过第三反射镜反射至聚束镜头，形成第一光路；所述第二光源发射光线，经过第二反射镜反射至双色镜，然后被双色镜透射，最后经过第三反射镜反射至聚束镜头，形成第二光路；
所述第一光路和第二光路使吸头通过聚束镜头在CCD或CMOS相机上成像，所述第一光路和第二光路在在CCD或CMOS相机处产生光信号输入所述控制器，再由所述控制器输出信号给马达，通过马达来控制机械臂调整吸头的位置。
2.根据权利要求1所述的吸头校准设备，其特征在于，所述第一光源和第二光源的发光波长不同。
3.根据权利要求1所述的吸头校准设备，其特征在于，所述第一光源和第二光源在吸头外围相互垂直设置。
4.根据权利要求1所述的吸头校准设备，其特征在于，所述第一反射镜与第二反射镜相互平行放置。
5.根据权利要求1所述的吸头校准设备，其特征在于，所述第一反射镜、第二反射镜分别与第三反射镜垂直设置。
6.根据权利要求1所述的吸头校准设备，其特征在于，所述第一反射镜与第一光源所在直线所成的夹角为45°。
7.根据权利要求1所述的吸头校准设备，其特征在于，所述第二反射镜与第二光源所在直线所成的夹角为45°。
8.根据权利要求1所述的吸头校准设备，其特征在于，所述第三反射镜与双色镜所在直线所成的夹角为90°。
9.根据权利要求1所述的吸头校准设备，其特征在于，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均为平面反射镜。
10.根据权利要求1所述的吸头校准设备，其特征在于，所述机械臂为XYZ轴坐标式机械臂。
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