CN115079394A - 一种防震防抖组件、手持显微镜及防震防抖方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防震防抖组件，属于显微镜技术领域，包括图像传感器组件、安装架、驱动线圈、磁铁、位置传感器，磁铁安装于安装架，位置传感器安装于图像传感器组件并检测图像传感器组件在磁铁产生的磁场中的位置，驱动线圈位于磁铁的磁场中，驱动线圈与图像传感器组件连接，驱动线圈通过电流变化带动图像传感器组件进行补偿移动，实现光学防抖，并且整体体积小、重量轻、集成度高。本发明还涉及一种包括上述防震防抖组件的手持显微镜以及手持显微镜的防震防抖方法。

Description

一种防震防抖组件、手持显微镜及防震防抖方法

技术领域

本发明涉及显微镜技术，尤其是涉及一种防震防抖组件、手持显微镜以及防震防抖方法。

背景技术

显微光学系统具有放大倍率大(一般能放大到150X-500X)，景深小的特点(<2μm)。因为放大倍率非常大，因此在观察物体时，经常会因为显微镜与物体之间的位移displacement(也称之为抖动)造成成像模糊和离焦的问题，使得最终成像不清晰。

为了得到显微光学的稳定成像，目前惯用的有效防震防抖手段是将显微镜置于防震桌上，并将样本置于样品移动台上用以隔绝操作者与环境对显微镜成像造成的抖动，这些设备占据相当大的空间(1mx1m)以上且非常笨重(30-50kg)。这种传统的防震方式由于体积和重量较大，可集成性较差，且样本置于防震台不满足活体手持显微镜应用需求，因此针对该类微型显微系统急需找到新的防震防抖解决方案。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种体积小、重量轻、集成度高的防震防抖组件。

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之二在于提供一种能够防震防抖并且体积小、重量轻、集成度高的手持显微镜。

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之三在于提供一种在手持显微镜体积小、重量轻、集成度的基础上实现手持显微镜防震防抖的方法。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种防震防抖组件，包括图像传感器组件、安装框、驱动线圈、磁铁、位置传感器，所述磁铁安装于所述安装框，以及所述位置传感器安装于所述图像传感器组件并检测所述图像传感器组件在所述磁铁产生的磁场中的位置，所述驱动线圈位于所述磁铁的磁场中，所述驱动线圈与所述图像传感器组件连接，所述驱动线圈通过电流变化带动所述图像传感器组件进行补偿移动。

进一步的，所述驱动线圈分为两组，两组所述驱动线圈对称设置，两组所述驱动线圈分别带动所述图像传感器组件沿两个相互垂直的第一方向以及第二方向移动，所述位置传感器的数量为两个，两所述位置传感器分别设置在所述第一方向以及所述第二方向上。

进一步的，所述磁铁的数量为四个，四个所述磁铁环绕所述图像传感器组件并呈45度角分布，所述驱动线圈的数量为四个，四个所述驱动线圈的位置与所述磁铁对应也呈45度角分布。

进一步的，所述图像传感器组件包括传感器主体以及传感器线圈，所述传感器主体与所述传感器线圈连接，所述防震防抖组件还包括音圈电机，所述传感器线圈位于所述音圈电机内，所述传感器线圈通电带动所述传感器主体在垂直于所述第一方向以及所述第二方向的第三方向移动。

进一步的，所述防震防抖组件还包括弹性件以及安装架，所述图像传感器组件位于所述安装架内，所述弹性件包括第一弹片以及第二弹片，所述第一弹片安装于所述安装框以及所述图像传感器组件之间，所述第二弹片位于所述安装架与所述图像传感器组件之间，所述第一弹片以及所述第二弹片沿所述第三方向设置，所述图像传感器组件在所述第三方向移动至两极限位置时分别与所述第一弹片以及所述第二弹片抵触。

进一步的，所述第一弹片以及所述第二弹片分别位于所述图像传感器组件的两端并且所述第一弹片以及所述第二弹片相互平行。

进一步的，所述位置传感器包括霍尔元件、线性放大器和射极跟随器，所述位置传感器测量磁铁产生的磁场在某一方向上的磁场分量，根据磁场分量强度变化的幅值与方向，计算所述图像传感器组件抖动的方向与距离。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种手持显微镜，包括上述任意一种防震防抖组件。

本发明的目的之三采用如下技术方案实现：

一种手持显微镜防震防抖方法，包括以下步骤：

利用内窥镜获取显微镜实时图像，使用位置传感器实时检测内窥镜的抖动方向与幅度；

采集位置传感器、图像传感器和音圈电机的数据，对数据进行处理以获取抖动的方向、速度、移动量信号，计算出需抵消抖动的图像传感器移动量；

根据计算出的图像传感器移动量控制电流在驱动线圈中的流动方向来吸引或排斥相应的磁铁，使驱动线圈和磁铁之间产生相对运动，从而使图像传感器在相互垂直的第一方向以及第二方向移动；

通过控制传感器线圈的电流使传感器线圈相对音圈电机在垂直于第一方向以及第二方向的第三方向移动，实现显微镜自动对焦。

进一步的，使用位置传感器实时检测内窥镜的抖动方向与幅度具体为：位置传感器位于磁铁产生的磁场中，位置传感器测量磁铁产生的磁场在某一方向上的磁场分量，根据磁场分量强度变化的幅值与方向，计算所述图像传感器组件抖动的方向与幅度。

相比现有技术，本发明防震防抖组件磁铁安装于安装框，以及位置传感器安装于图像传感器组件并检测图像传感器组件在磁铁产生的磁场中的位置，驱动线圈位于磁铁的磁场中，驱动线圈与图像传感器组件连接，驱动线圈通过电流变化带动图像传感器组件进行补偿移动，实现光学防抖，并且整体体积小、重量轻、集成度高。

附图说明

图1为本发明手持显微镜的立体图；

图2为图1的手持显微镜的分解图；

图3为图1的手持显微镜的防震防抖组件的立体图；

图4为图3的防震防抖组件的分解图；

图5为图3的防震防抖组件的立体剖视图；

图6为图3的防震防抖组件的内部结构示意图。

图中：10、线缆导管；20、外壳；21、前端壳体；22、中部壳体；23、底部壳体；30、操作按钮；40、透镜支撑件；50、中继镜；60、光源接口；70、镜鞘；80、防震防抖组件；81、盖体；810、上盖；811、底盖；82、安装架；820、顶部支架；821、底部支架；823、悬丝；83、安装框；84、驱动线圈；85、磁铁；86、位置传感器；87、弹性件；870、第一弹片；871、第二弹片；88、图像传感器组件；880、传感器主体；881、电路板；882、传感器线圈；89、音圈电机。

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。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1至图6为本申请手持显微镜，手持显微镜包括线缆导管10、外壳20、操作按钮30、透镜支撑件40、中继镜50、光源接口60、镜鞘70以及防震防抖组件80。

线缆导管10安装于外壳20。

外壳20包括前端壳体21、中部壳体22以及底部壳体23。前端壳体21、中部壳体22以及底部壳体23依次固定连接形成中空腔体结构。

操作按钮30安装于中部壳体22的顶部。

透镜支撑件40安装于前端壳体21。

中继镜50安装于透镜支撑件40的端部。

光源接口60安装于中继镜50，镜鞘70安装于光源接口60。

防震防抖组件80安装于外壳20内部。

防震防抖组件80包括盖体81、安装架82、安装框83、驱动线圈84、磁铁85、位置传感器86、弹性件87、图像传感器组件88以及音圈电机89。

盖体81包括上盖810以及底盖811，上盖810以及底盖811均设有圆孔，上盖810的圆孔用于传感器主体880获取图像。上盖810与底盖811固定连接，上盖810与底盖811之间形成空腔，用于收容安装架82、安装框83、驱动线圈84、磁铁85、位置传感器86、弹性件87、图像传感器组件88以及音圈电机89。

安装架82包括顶部支架820、底部支架821以及悬丝823。顶部支架820以及底部支架821可拆卸连接，顶部支架820以及底部支架821之间形成空腔，用于收容安装框83、驱动线圈84、磁铁85、位置传感器86、弹性件87、图像传感器组件88以及音圈电机89。悬丝823固定于底部支架821，顶部支架820相对底部支架821移动时，移动至极限位置时，顶部支架820与悬丝823抵触，限制顶部支架820的移动范围。

安装框83用于固定磁铁85。

驱动线圈84的数量为四个，四个驱动线圈84分别与图像传感器组件88连接，四个驱动线圈84均匀分布于图像传感器组件88四周，相邻两驱动线圈84之间夹角为45度角。四个驱动线圈84分别位于两相互垂直的方向上，两相互垂直的方向分别为第一方向和第二方向。

磁铁85的数量为四个，四个磁铁85均匀固定于底部支架821四角，相邻两磁铁85之间夹角为45度角。四个磁铁85分别位于两相互垂直的方向上，两相互垂直的方向分别为第一方向和第二方向。第一方向和第二方向形成一垂直于镜鞘70的平面。四个梯形磁铁85按照N极朝外，S极面向图像传感器组件88的布局安装。通过交替改变驱动线圈84中的电流方向，即可实现驱动线圈84与磁铁85产生相对运动。由于驱动线圈84与图像传感器组件88相连接，从而推动图像传感器组件88进行补偿运动。

位置传感器86的数量为两个，两位置传感器86分别设置在第一方向和第二方向。位置传感器86为线性霍尔传感器，位置传感器86实时检测图像传感器组件88的位置信息。位置传感器86包括霍尔元件、线性放大器和射极跟随器，位置传感器86用来测量磁体产生的磁场在某一方向上的磁场分量，根据磁场分量强度变化的幅值与方向，计算出抖动的方向与距离。当位置传感器86在磁场线中与磁铁85发生相对运动时，其检测到的第一方向和第二方向磁场分量强度将发生变化，并对变化的信号进行滤波放大和模数转换后获得补偿运动的方向与幅度。

弹性件87包括第一弹片870以及第二弹片871，第一弹片870安装于图像传感器组件88与安装框83之间，第二弹片871安装于图像传感器组件88与底部支架821之间，当图像传感器组件88在垂直于第一方向以及第二方向的第三方向移动时，当图像传感器组件88移动至两极限位置时，图像传感器组件88分别与第一弹片870以及第二弹片871抵触，起到缓冲的作用，保持图像传感器组件88的稳定性。

图像传感器组件88包括传感器主体880、电路板881以及传感器线圈882，传感器主体880为CMOS传感器，电路板881与传感器主体880电性连接为传感器主体880供电。传感器线圈882驱动传感器主体880在第三方向移动。

音圈电机89用于驱动图像传感器组件88在第三方向移动。图像传感器组件88的传感器线圈882收容于音圈电机89。

使用本申请手持显微镜时，利用内窥镜获取实时图像，使用位置传感器86实时检测内窥镜的抖动方向与幅度；并行采集位置传感器86、图像传感器组件88和音圈电机89的三组数据，高速并行处理数据以获取抖动的方向、速度、移动量信号，最终计算出需抵消抖动的传感器主体880的移动量；根据计算出的补偿量设计逻辑控制时序，多个时序流以ns级别精准控制电流在驱动线圈84中的流动方向来吸引或排斥相应的磁铁85，产生驱动线圈84和磁铁85之间的相对运动；通过电流使驱动线圈84实现图像传感器组件88在光轴x-y平面内(第一方向以及第二方向形成的平面)的补偿运动；通过电流使传感器线圈882实现图像传感器组件88在光轴正交的z方向(第三方向)上的自动对焦运动。当图像处理函数迭代到最大清晰度时，机械运动对焦完成并输出清晰稳定的图像，最终实现光学防抖和自动对焦。

本发明还涉及通过上述手持显微镜实现的一种手持显微镜防震防抖方法，包括以下步骤：

利用内窥镜获取显微镜实时图像，使用位置传感器86实时检测内窥镜的抖动方向与幅度；

采集位置传感器86、图像传感器和音圈电机89的数据，对数据进行处理以获取抖动的方向、速度、移动量信号，计算出需抵消抖动的图像传感器移动量；

根据计算出的图像传感器移动量控制电流在驱动线圈84中的流动方向来吸引或排斥相应的磁铁85，使驱动线圈84和磁铁85之间产生相对运动，从而使图像传感器在相互垂直的第一方向以及第二方向移动；

通过控制传感器线圈882的电流使传感器线圈882相对音圈电机89在垂直于第一方向以及第二方向的第三方向移动，实现显微镜自动对焦。

进一步的，使用位置传感器86实时检测内窥镜的抖动方向与幅度具体为：位置传感器86位于磁铁85产生的磁场中，位置传感器86测量磁铁85产生的磁场在某一方向上的磁场分量，根据磁场分量强度变化的幅值与方向，计算所述图像传感器组件88抖动的方向与幅度。

本申请在实现手持显微镜防震防抖的前提下，手持显微镜体积小、重量轻、集成度高。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种防震防抖组件，包括图像传感器组件，其特征在于：所述防震防抖组件还包括安装架、驱动线圈、磁铁、位置传感器，所述磁铁固定于所述安装架，所述位置传感器安装于所述图像传感器组件并检测所述图像传感器组件在所述磁铁产生的磁场中的位置，所述驱动线圈位于所述磁铁的磁场中，所述驱动线圈与所述图像传感器组件连接，所述驱动线圈通过电流变化带动所述图像传感器组件进行补偿移动。

2.根据权利要求1所述的防震防抖组件，其特征在于：所述驱动线圈分为两组，两组所述驱动线圈对称设置，两组所述驱动线圈分别带动所述图像传感器组件沿两个相互垂直的第一方向以及第二方向移动，所述位置传感器的数量为两个，两所述位置传感器分别设置在所述第一方向以及所述第二方向上。

3.根据权利要求2所述的防震防抖组件，其特征在于：所述磁铁的数量为四个，四个所述磁铁环绕所述图像传感器组件并呈45度角分布，所述驱动线圈的数量为四个，四个所述驱动线圈的位置与所述磁铁对应也呈45度角分布。

4.根据权利要求2所述的防震防抖组件，其特征在于：所述图像传感器组件包括传感器主体以及传感器线圈，所述传感器主体与所述传感器线圈连接，所述防震防抖组件还包括音圈电机，所述传感器线圈位于所述音圈电机内，所述传感器线圈通电带动所述传感器主体在垂直于所述第一方向以及所述第二方向的第三方向移动。

5.根据权利要求4所述的防震防抖组件，其特征在于：所述防震防抖组件还包括弹性件以及安装框，所述图像传感器组件位于所述安装架内，所述弹性件包括第一弹片以及第二弹片，所述第一弹片安装于所述安装框以及所述图像传感器组件之间，所述第二弹片位于所述安装架与所述图像传感器组件之间，所述第一弹片以及所述第二弹片沿所述第三方向设置，所述图像传感器组件在所述第三方向移动至两极限位置时分别与所述第一弹片以及所述第二弹片抵触。

6.根据权利要求5所述的防震防抖组件，其特征在于：所述第一弹片以及所述第二弹片分别位于所述图像传感器组件的两端并且所述第一弹片以及所述第二弹片相互平行。

7.根据权利要求1所述的防震防抖组件，其特征在于：所述位置传感器包括霍尔元件、线性放大器和射极跟随器，所述位置传感器测量磁铁产生的磁场在某一方向上的磁场分量，根据磁场分量强度变化的幅值与方向，计算所述图像传感器组件抖动的方向与距离。

8.一种手持显微镜，其特征在于：包括如权利要求1-7任意一项所述的防震防抖组件。

9.一种手持显微镜防震防抖方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用内窥镜获取显微镜实时图像，使用位置传感器实时检测内窥镜的抖动方向与幅度；

采集位置传感器、图像传感器和音圈电机的数据，对数据进行处理以获取抖动的方向、速度、移动量信号，计算出需抵消抖动的图像传感器移动量；

根据计算出的图像传感器移动量控制电流在驱动线圈中的流动方向来吸引或排斥相应的磁铁，使驱动线圈和磁铁之间产生相对运动，从而使图像传感器在相互垂直的第一方向以及第二方向移动；

通过控制传感器线圈的电流使传感器线圈相对音圈电机在垂直于第一方向以及第二方向的第三方向移动，实现显微镜自动对焦。

10.根据权利要求9所述的手持显微镜防震防抖方法，其特征在于：使用位置传感器实时检测内窥镜的抖动方向与幅度具体为：位置传感器位于磁铁产生的磁场中，位置传感器测量磁铁产生的磁场在某一方向上的磁场分量，根据磁场分量强度变化的幅值与方向，计算所述图像传感器组件抖动的方向与幅度。

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