CN112346232A - 便携式显微镜及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于显微镜领域，提供了一种便携式显微镜及其工作方法。其中，便携式显微镜包括玻片座，其可在水平及垂直方向上运动；液体自变焦透镜，其设置在玻片座上方；所述液体自变焦透镜包括磁场部和变焦部，变焦部包括柱形腔体，其内封装有不相溶的透明液体，柱形腔体的底板下表面贴设有导磁层，底板上表面沉积有接枝功能基团的纳米磁性颗粒，纳米磁性颗粒的聚集体形态随着磁场强度变化；盖板，其上开设有通光孔；盖板上设置有图像采集显示终端，图像采集显示终端包括图像采集部和显示部，图像采集部用于透过通光孔采集液体自变焦透镜的图像并传送至显示部进行显示。

Description

便携式显微镜及其工作方法

技术领域

本发明属于显微镜领域，尤其涉及一种便携式显微镜及其工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

近年来，随着水体富营养化、全球气候变化等现象加剧，有害藻华的暴发规模和频次呈逐年增加趋势，藻华严重影响着水产养殖业、旅游业、海洋生态系统，甚至危及人类健康。有害藻华大部分是由于微型浮游藻类爆发性繁殖导致的，如赤潮，褐潮等。通过监测水域中微型浮游藻类的种类和密度，研究人员可以对有害藻华的爆发提前预警，并为研究藻华爆发机制提供数据，所以藻类的实时监测显得尤为重要。

发明人发现，传统显微镜体积大，操作复杂，价格高，所以不便携带前往外海取样监测。如果取样带回实验室监测，由于藻类状态发生变化(如死亡，增殖等)会影响监测结果。另外，目前检测藻类密度常用方法包括细胞计数法、可见分光光度法、叶绿素α法、荧光分光光度法等，后三种方法只能得出样本中所有藻类密度或者某几种藻类密度，无法做到精准到一种藻类的密度检测，而细胞计数法虽然能够精准检测某种藻类密度，但操作复杂，工作量大，耗时长，并且对检测人员专业水平要求高。需要检测人员在显微镜和计数板的辅助下，根据自己经验对藻类逐一计数。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明的第一个方面提供一种便携式显微镜，其结构简单且能够对自然水域进行实时实地检测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种便携式显微镜，包括：

玻片座，其可在水平及垂直方向上运动；

液体自变焦透镜，其设置在玻片座上方；所述液体自变焦透镜包括磁场部和变焦部，变焦部包括柱形腔体，其内封装有不相溶的透明液体，柱形腔体的底板下表面贴设有导磁层，底板上表面沉积有接枝功能基团的纳米磁性颗粒，纳米磁性颗粒的聚集体形态随着磁场强度变化；

盖板，其上开设有通光孔；盖板上设置有图像采集显示终端，图像采集显示终端包括图像采集部和显示部，图像采集部用于透过通光孔采集液体自变焦透镜的图像并传送至显示部进行显示。

作为一种实施方式，所述磁场部包括支撑柱和线圈，所述线圈缠绕在支撑柱上；其中，通过改变线圈中的电流强度调控线圈产生的电磁场强度。

上述方案的优点在于，磁场部用于为变焦部提供磁场，利用线圈中电流强度来改变电磁场强度，进而实现纳米磁性颗粒的聚集体形态改变，，比如增强磁场强度，锥形聚集体的锥度变小，从而增大液滴与底板实际接触面积，使底板上表面对与其接触的液体表现为亲水性。因此，通过调节外加磁场的强度，可以调节锥形磁性颗粒聚集体的锥度从而可以改变底板上表面与其接触的液体的实际接触面积，使得底板上表面的亲疏水程度改变，从而实现液珠曲率调节达到变焦目的。

作为一种实施方式，所述柱形腔体的底板的上表面和下表面相对位置均设有通光区域。

作为一种实施方式，所述通光区域的一侧无导磁层，另一侧未沉积有纳米磁性颗粒。

其中，通光区域用于透光，由于磁轭对磁场线的约束作用，使得底板中心区域没有磁场分布从而没有磁性颗粒，形成了一个光线不被干扰的透光区域。

作为一种实施方式，所述通光区域贯穿整个磁场部。

作为一种实施方式，所述玻片座与水平磁致伸缩装置和垂直磁致伸缩装置分别相连，用于实现玻片座在水平及垂直方向上运动。

上述方案的优点在于，利用电磁装置进行玻片座移动，进而带动玻片移动，省略了复杂的机械结构，同时通过电磁控制玻片微移动，运动更平顺，噪声小。

作为一种实施方式，所述盖板升降可调。

上述方案的优点在于，利用电磁装置进行盖板升降，省略了复杂的机械结构。

作为一种实施方式，所述玻片座上刻有凹槽，以放置玻片。

上述方案的优点在于，这样提高了玻片放置的稳定性。

作为一种实施方式，所述玻片座的底部设置有光源模块，所述玻片座上还设置镂空结构，以保证光线从光源模块射入液体自变焦透镜。

作为一种实施方式，所述盖板底部设置有可变电流线圈，所述可变电流线圈套设在刚性柱底部，所述刚性柱上外套设有弹簧，所述盖板上设置有柱形腔体，柱形腔体只能沿刚性柱中轴线上下移动。

上述方案的优点在于，当可变电流线圈未通电无磁场时，由于盖板重力，弹簧处于轻微压缩状态；随着可变电流线圈的电流增强，则磁场强度增强，对柱形腔体的吸引力增大，弹簧被压缩，盖板整体(包括透镜)下移实现粗准调焦/盖板升降。

作为一种实施方式，所述便携式显微镜还包括图像处理终端，所述图像处理终端用于：

获取显示部所显示的藻类细胞图像；

圈出设定范围内的藻类细胞，识别藻类种类和数量，再与标准藻类浓度照片对比，推算出某种藻类密度区间，从而实现特定藻种密度区间测定。

上述方案的优点在于，可以对自然水域进行实时实地检测，并通过存储和传输藻类显微图片，同时可以检测样本中特定藻类密度，对操作人员专业水平要求低。

本发明的第二个方面提供一种便携式显微镜的工作方法。

一种便携式显微镜的工作方法，包括：

将玻片放置在玻片座上，调整玻片座的位置，使得玻片与液体自变焦透镜相对设置；

调整盖板的高度，对液体自变焦透镜进行粗准调焦；

调整磁场部所产生的磁场强度大小，改变纳米磁性颗粒的聚集体形态，以调节底板上表面的亲疏水性质，实现液体自变焦透镜的细准调焦；

利用图像采集部采集液体自变焦透镜的图像，最后传送至显示部进行显示。

本发明的有益效果是：

(1)采用液体自变焦透镜，，省去了复杂的机械调焦装置，使得显微镜的结构更加简单。

(2)将图像采集显示终端与液体自变焦透镜相结合，增强装置的便利性，可以做到实时存储样本的显微镜图像，可以对自然水域进行实时实地检测，对操作人员专业水平要求低。

(3)利用电磁装置进行玻片移动和盖板升降，省略了复杂的机械结构，同时通过电磁控制玻片微移动，运动更平顺，噪声小。

(4)在标记范围内进行图像处理，不仅能实现样本中海藻种类的识别而且可以实现精确到某一种藻类的密度测量，同时降低了图像处理过程中的数据处理量。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的一种便携式显微镜外观图；

图2是本发明实施例的一种便携式显微镜的内部构造图；

图3是本发明实施例的盖板结构示意图；

图4是本发明实施例的玻片底座移动装置；

图5(a)是本发明实施例的磁致伸缩装置结构示意图；

图5(b)是本发明实施例的触头结构示意图；

图6(a)是本发明实施例的液体自变焦透镜的外观；

图6(b)是本发明实施例的液体自变焦透镜的内部结构示意图；

图7是本发明实施例的图像处理流程；

图8是本发明实施例在盖玻片上刻蚀出圆形区域作为图像提取标记；

图9是本发明实施例的显微镜视野范围示意图；

图10是本发明实施例的感兴趣区域示意图。

其中，1控制电路模块，2电池，3第一刚性柱，4第一弹簧，5第一可变电流线圈，6磁致伸缩装置，6-1磁致外壳，6-2套筒，6-3第二刚性柱，6-4第二弹簧，6-5第二可变电流线圈，6-6空心圆柱端部，6-7空心圆柱，6-8空心圆柱尾部，7玻片底座，8玻片座，9壳体，10触头，11盖板，12圆柱形腔体，13液体自变焦透镜，14光源模块，15凹槽，16通电线圈，17支撑柱，18通光区域，19变焦部，20图像采集显示终端。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

参照图1和图2，本实施例的便携式显微镜，包括玻片座、液体自变焦透镜、盖板和图像采集显示终端。

在一些实施例中，所述盖板升降可调。

在具体实施中，所述盖板底部设置有可变电流线圈，所述可变电流线圈套设在刚性柱底部，所述刚性柱上外套设有弹簧，所述盖板上设置有柱形腔体，柱形腔体只能沿刚性柱中轴线上下移动。

当可变电流线圈未通电无磁场时，由于盖板重力，弹簧处于轻微压缩状态；随着可变电流线圈的电流增强，则磁场强度增强，对柱形腔体的吸引力增大，弹簧被压缩，盖板整体(包括透镜)下移实现粗准调焦/盖板升降。本实施例利用电磁装置进行盖板升降，省略了复杂的机械结构。

如图2所示：第一可变电流线圈5，第一弹簧4均为环形结构套在第一刚性圆柱3外侧。如图3所示的圆柱形腔体12套在第一刚性圆柱3上，两者同心限制圆柱形腔体12只能沿第一刚性圆柱3中轴线上下移动，圆形腔体为磁性材料。通过调节第一可变电流线圈5产生的磁场强度，控制盖板上下移动带动透镜移动，实现粗准调焦，保证自变焦透镜的放大倍数(如果镜头离玻片较远，变焦透镜为了增大焦距而减小曲率，会导致放大倍数下降)。通过调节第一可变电流线圈5产生的磁场强度，控制盖板升降，方便玻片座8从玻片底座7中插入或拔出。当第一可变电流线圈5未通电无磁场时，由于盖板重力，第一弹簧4处于轻微压缩状态；随着第一可变电流线圈5产生磁场强度增强，对圆柱形腔体吸引力增大，第一弹簧4被压缩，盖板整体(包括透镜)下移实现粗准调焦/盖板升降。

例如：图2中的第一弹簧4线径为1.2mm,长度为30mm，外径为12mm,盖板升降范围0～15mm。第一可变电流线圈5在无磁场时盖板升降距离记为0mm，随着第一可变电流线圈5产生的磁场强度增强，由于第一可变电流线圈5所产生的磁场对盖板上磁性材料材质的圆柱形腔体12的吸力，第一弹簧4被压缩到极限，此时盖板下移15mm达到最大移动距离。

具体地，玻片座可在水平及垂直方向上运动。

在本实施例中，所述玻片座与磁致伸缩装置相连，其中，磁致伸缩装置包括水平磁致伸缩装置和垂直磁致伸缩装置，用于实现玻片座在水平及垂直方向上运动。

触头10可以在磁致伸缩装置6中伸缩，从而推动玻片底座7沿触头方向运动。如图4所示：触头10与玻片底座7通过导轨相连，保证玻片底座7在随触头10移动的同时也能沿触头10移动方向的垂直方向运动。在平面上垂直放置两个磁致伸缩装置6实现玻片在平面上的横纵向移动。如图4所示可以手动实现从玻片底座7的卡槽中插入或取出玻片座8，玻片座8上刻有凹槽15可以放置玻片，玻片座8中间镂空保证光线可以从光源模块14射入透镜中。

本实施例利用电磁装置进行玻片座移动，进而带动玻片移动，省略了复杂的机械结构，同时通过电磁控制玻片微移动，运动更平顺，噪声小。

在一些实施例中，图2的内部如图5(a)和图5(b)所示，6-1为磁致外壳，空心圆柱6-7外壁与套筒6-2内壁紧贴且套在第二刚性圆柱6-3上，从而保证空心圆柱6-7只能沿套筒中心轴方向移动。空心圆柱尾部6-8为磁性材料，空心圆柱端部6-6为滚动轴承用来减小与玻片底座导轨间的摩擦力。第二弹簧6-4和第二可变电流线圈6-5套在刚性圆柱6-3外壁，空心圆柱尾部6-8通过第二弹簧6-4与第二可变电流线圈6-5相连。通过调节第二可变电流线圈6-5的电流大小，进而控改变磁场强度控制空心圆柱伸缩。当无磁场时，空心圆柱6-7由于第二弹簧6-4的作用力伸出距离最长；随着第二可变电流线圈6-5产生的磁场强度增强，对空心圆柱6-7吸引力增大，第二弹簧6-4被压缩，空心圆柱6-7回缩，当第二弹簧6-4被压缩到极限时，空心圆柱7达到最大回缩距离。通过控制第二可变电流线圈6-5产生的磁场强度变化，可以实现平滑移动(步进电机只能缩小步距角，不能实现真正的平滑移动)，可以通过设定通过磁致伸缩装置6电流的值控制玻片位置，例如通过一个磁致伸缩装置的电流为1A，通过另一磁致伸缩装置的电流为2A，此时观察目标处在视野中央，当通过一个磁致伸缩装置的电流为0，通过另一磁致伸缩装置的电流为2.5A时，玻片座8离壳体9上的开口最近，可手动抽出玻片座8，放置或取下玻片。

例如：第二弹簧6-4线径为0.8mm,长度为20mm,外径为8mm,触头伸缩范围为0～10mm。当电磁铁6-5无磁场时触头移动距离记为0mm,随着第二可变电流线圈6-5产生的磁场强度增强，由于第二可变电流线圈6-5产生的对磁性材料材质的空心圆柱6-7的吸力，第二弹簧4被压缩到极限，此时空心圆柱6-7向磁致外壳6-1中缩进10mm，此时触头达到最大移动距离，记为触头移动10mm。)当两触头移动距离均为5mm时，玻片中心处在光源孔与透镜中间，完成对焦。

其中，第一可变电流线圈、第二可变电流线圈和通电线圈均与电池2相连。

在一些实例中，液体自变焦透镜设置在玻片座上方；所述液体自变焦透镜包括磁场部和变焦部，变焦部包括柱形腔体，其内封装有不相溶的透明液体，柱形腔体的底板下表面贴设有导磁层，底板上表面沉积有接枝功能基团的纳米磁性颗粒，纳米磁性颗粒的聚集体形态随着磁场强度变化。

液体自变焦透镜整体外观如图6(a)所示。液体自变焦透镜13的内部结构如图6(b)所示：缠绕在支撑柱17上的通电线圈16为变焦部19提供磁场，通光区域18贯穿整个液体自变焦透镜13的上半部分，也就是磁场部；液体自变焦透镜13的下半部分也就是变焦部19，为磁感应液体自变焦透镜。通过改变通电线圈16中的电流强度调控其产生的电磁场强度，进而调节磁感应液体自变焦透镜的焦距。

例如：液体自变焦透镜高10mm，外直径为6mm。线圈部分高3mm,线圈匝数为200，变焦部高4mm,外直径为6mm。

在具体实施中，所述磁场部包括支撑柱和线圈，所述线圈缠绕在支撑柱上；其中，通过改变线圈中的电流强度调控线圈产生的电磁场强度。

其中，磁场部用于为变焦部提供磁场，利用线圈中电流强度来改变电磁场强度，进而实现纳米磁性颗粒的聚集体形态改变，比如增强磁场强度，锥形聚集体的锥度变小，从而增大液滴与底板实际接触面积，使底板上表面对与其接触的液体表现为亲水性。因此，通过调节外加磁场的强度，可以调节锥形磁性颗粒聚集体的锥度从而可以改变底板上表面与其接触的液体的实际接触面积，使得底板上表面的亲疏水程度改变，从而实现液珠曲率调节达到变焦目的。

在一些实施例中，所述柱形腔体的底板的上表面和下表面相对位置均设有通光区域。所述通光区域的一侧无导磁层，另一侧未沉积有纳米磁性颗粒。

其中，通光区域用于透光，由于磁轭对磁场线的约束作用，使得底板中心区域没有磁场分布从而没有磁性颗粒，形成了一个光线不被干扰的透光区域。

在一些实施例中，盖板上开设有通光孔；盖板11上设置有图像采集显示终端20，图像采集显示终端包括图像采集部和显示部，图像采集部用于透过通光孔采集液体自变焦透镜的图像并传送至显示部进行显示。

在本实施例中，图像采集显示终端采用手机来实现。

此处需要说明的是，在其他实施例中，图像采集显示终端也可采用其他具有图像采集和显示功能的智能终端来实现。

在一些实施例中，所述便携式显微镜还包括图像处理终端，如图7所示，所述图像处理终端用于：

获取显示部所显示的藻类细胞图像；

圈出设定范围内的藻类细胞，识别藻类种类和数量，再与标准藻类浓度照片对比，推算出某种藻类密度区间，从而实现特定藻种密度区间测定。

为了减小图像数据处理计算量，在显微镜视野中，圈出一定范围内的藻类细胞，通过特定图像处理算法识别藻类种类和数量，与标准藻类浓度照片对比，大致推算某种藻类密度区间，从而实现特定藻种密度区间测定。例如通过该发明装置测出在标记范围内东海原甲藻(卵圆形，长35～70μm，宽20～50μm)的数量为80，通过查询自建的标准密度藻类镜检结果库知：直径为50μm左右的球形藻类，当浓度在0.4×10⁷cell/L左右时，标记范围内藻类数量为80～100，从而确定取样水域中东海原甲藻密度在0.4×10⁷cell/L左右。在盖玻片上刻蚀出圆形范围，作为图像提取时的感兴趣区域，如图8-图10所示。

例如：以图像采集显示终端为手机来举例说明：

手机通过蓝牙与显微镜装置相连，蓝牙模块集成在控制电路模块1上，手机发送信号控制盖板带动镜头上移，将玻片座8从玻片底座7中抽出，将制作的玻片放入玻片座8中，将玻片座8插回玻片底座7中。

手机发送信号，通过磁致伸缩装置将玻片移动到适当位置，样本中心处在光源孔位置，控制盖板下移到适当位置完成粗准调焦。手机发送信号调节镜头磁场，完成镜头调焦。

通过手机相机拍摄样本显微图片，根据视场观察情况通过磁致伸缩装置控制玻片微移动，扩大观察范围，如要观察动态图像可开启手机摄像模式。将手机拍摄的信号进行图像处理得出样本中藻类种类和目标藻类密度。

此处需要说明的是，控制电路模块结构属于现有结构，此处不再累述。

本实施例的便携式显微镜的工作方法，包括：

将玻片放置在玻片座上，调整玻片座的位置，使得玻片与液体自变焦透镜相对设置；

调整盖板的高度，对液体自变焦透镜进行粗准调焦；

调整磁场部所产生的磁场强度大小，改变纳米磁性颗粒的聚集体形态，以调节底板上表面的亲疏水性质，实现液体自变焦透镜的细准调焦；

利用图像采集部采集液体自变焦透镜的图像，最后传送至显示部进行显示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种便携式显微镜，其特征在于，包括：

玻片座，其可在水平及垂直方向上运动；

液体自变焦透镜，其设置在玻片座上方；所述液体自变焦透镜包括磁场部和变焦部，变焦部包括柱形腔体，其内封装有不相溶的透明液体，柱形腔体的底板下表面贴设有导磁层，底板上表面沉积有接枝功能基团的纳米磁性颗粒，纳米磁性颗粒的聚集体形态随着磁场强度变化；

盖板，其上开设有通光孔；盖板上设置有图像采集显示终端，图像采集显示终端包括图像采集部和显示部，图像采集部用于透过通光孔采集液体自变焦透镜的图像并传送至显示部进行显示。

2.如权利要求1所述的便携式显微镜，其特征在于，所述磁场部包括支撑柱和线圈，所述线圈缠绕在支撑柱上；其中，通过改变线圈中的电流强度调控线圈产生的电磁场强度。

3.如权利要求1所述的便携式显微镜，其特征在于，所述柱形腔体的底板的上表面和下表面相对位置均设有通光区域。

4.如权利要求3所述的便携式显微镜，其特征在于，所述通光区域的一侧无导磁层，另一侧未沉积有纳米磁性颗粒；

或所述通光区域贯穿整个磁场部。

5.如权利要求1所述的便携式显微镜，其特征在于，所述玻片座与水平磁致伸缩装置和垂直磁致伸缩装置分别相连，用于实现玻片座在水平及垂直方向上运动。

6.如权利要求1所述的便携式显微镜，其特征在于，所述玻片座上刻有凹槽，以放置玻片；

或所述玻片座的底部设置有光源模块，所述玻片座上还设置镂空结构，以保证光线从光源模块射入液体自变焦透镜中。

7.如权利要求1所述的便携式显微镜，其特征在于，所述盖板升降可调。

8.如权利要求1或7所述的便携式显微镜，其特征在于，所述盖板底部设置有可变电流线圈，所述可变电流线圈套设在刚性柱底部，所述刚性柱上外套设有弹簧，所述盖板上设置有柱形腔体，柱形腔体只能沿刚性柱中轴线上下移动。

9.如权利要求1所述的便携式显微镜，其特征在于，所述便携式显微镜还包括图像处理终端，所述图像处理终端用于：

获取显示部所显示的藻类细胞图像；

圈出设定范围内的藻类细胞，识别藻类种类和数量，再与标准藻类浓度照片对比，推算出某种藻类密度区间，从而实现特定藻种密度区间测定。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的便携式显微镜的工作方法，其特征在于，包括：

将玻片放置在玻片座上，调整玻片座的位置，使得玻片与液体自变焦透镜相对设置；

调整盖板的高度，对液体自变焦透镜进行粗准调焦；

调整磁场部所产生的磁场强度大小，改变纳米磁性颗粒的聚集体形态，以调节底板上表面的亲疏水性质，实现液体自变焦透镜的细准调焦；

利用图像采集部采集液体自变焦透镜的图像，最后传送至显示部进行显示。

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