CN1529194A - 显微镜自动操作系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种显微镜的操作方式，特别是显微镜的自动化操作，将显微镜的手工操作变成自动化操作。它由四部分构成：电动载物台、电动物镜转换器、电动调焦机构、控制盒。自动操作系统通过对显微镜的载物台、物镜转换器、调焦机构的改造，使显微镜的镜下观测由传统的手工操作变成自动的。该系统是通过步进电机驱动各自由度，达到精确控制。该系统的主要优点是：实现了显微镜的自动化的智能操作；具有快速、准确、智能化的特点，大大地提高了镜下观测的效率；结构简单、可靠、产品化水平高。

Description

显微镜自动操作系统

技术领域

本发明涉及一种显微镜的操作方式，特别是显微镜的自动化操作，将显微镜的手工操作变成自动化操作。

背景技术

显微镜的很多应用场合，需要操作人员反复多次进行同一种程式化的操作，其中包括：调整显微镜的载物台使之依次到达一系列预定的位置，将物镜和视场亮度调整到预定的使用状态。这种长时间重复进行的操作，枯燥而且容易使人疲劳，也容易使观测的结果出现人为偏差。

发明内容

将显微镜的手工操作变成自动化操作是本发明要解决的问题，也是本发明的目的。本发明利用计算机控制技术和机器人技术，通过专门设计的机构可实现上述操作的自动化。这项发明适用于对传统倒置显微镜的自动化改造，也可用于具有自动控制功能的新型显微镜。

本发明的技术方案是：

在现有的显微镜上增加电动载物台(25)、电动物镜转换器(26)、电动调焦机构(27)、控制台(28)；电动载物台是通过其上的固定架(3)、固定支架(7)、连接支架(6)连接固定在显微镜平台(20)上；电动物镜转换器(26)通过连接支架(12)、和支架(17)连接固定在显微镜上；电动调焦机构(27)分别通过轴套(11、8)将其粗调和细调机构连接固定在显微镜原调焦机构左右两侧；控制盒(28)用电缆和各步进电机(18)连接；显微镜CCD接口(36)上安装摄像机(2)，用电缆(1)与计算机连接。

电动载物台连接固定在显微镜的平台(28)上，精密平台(4)带动固定架(3)做X方向上的运动，精密平台(5)带动精密平台(4)做Y方向上的运动，从而实现固定架(3)的X、Y方向上的运动。

电动物镜转换器(26)采用步进电机(18)驱动蜗杆(14)带动一个非标准异型蜗轮(15)转动，异型蜗轮(15)套在物镜转换器上，物镜转换器位置倾斜，当调焦时要上下移动。

电动调焦机构(27)采用步进电机(18)驱动，带动调焦旋钮转动，完成调焦的功能。

控制盒表面有按键、电源开关(32)、控制盒指示灯(33)、控制盒显示器(19)，电控部分置于控制盒内：包括微处理器I4(40)、存储器I2(41)、显示器R4、R8～R11(19)、电机驱动器(42)、小键盘(39)、电源(32)；微处理器是电控盒的核心器件，其中存储器用于存储示教和扫描数据、显示电路用于显示当前位置和速度，控制盒可以脱离PC机独立完成点示教、扫描以及这两种工作方式之间的切换。

本发明的有益效果：

本发明的控制装置—控制盒，包括一个专用计算机和功率放大器，其作用是通过键盘接受操作员的控制命令，存储示教数据并带动电动执行器(如步进电机等)实现对运动的控制。控制器还可通过计算机接口接受其它外部计算机的控制，代替键盘完成示教和扫描的全部操作，并且向外部计算机送出反映当时运动状态的各种信息(位置、速度、物镜等)。这一结构，使得这一自动控制装置可以与计算机图像识别技术相结合，从而获得广泛的应用。精密平台使得手动载物台从手工操作中解脱出来。由于丝杠、丝母付采用精磨加工及使用专用弹簧消除间隙，使精密平台的综合精度为2微米，完全达到并超过原先手动载物平台的精度要求。电动载物台具有手动载物平台不可比拟的优点。电动载物台使操作人员从手工操作中解脱出来，通过观察监视器屏幕的图像用控制盒按键即可操作载物台运动；此外传统的手动载物台只能一次一个方向运动，而电动载物台可以在X、Y两个方向做复合运动，并能实现点到点及多点运动等智能化操作。

电动物镜转换器(26)使原来的物镜器(38)自动准确定位。自动调焦机构(27)采用步进电机驱动，让调焦旋钮转动，自动完成调焦的功能。

附图说明：

图1，现有倒置显微镜的结构示意图

图2，本发明的显微镜的结构示意图

图3，本发明的显微镜各部分装配关系示意图

图4，电动载物台的结构示意图

图5，电动物镜转换器的结构示意图

图6，调焦机构(粗调)

图7，调焦结构(细调)

图8，精密平台结构图

图9，控制盒

图10，显微镜自动操作系统控制电路结构框图

图11(a)显微镜自动操作系统控制电路原理图

图11(b)显微镜自动操作系统控制电路原理图

图11(c)微处理器(40)电路图

图11(d)存储器(41)电路图

图11(e)键盘接口

图11(f)驱动器接口

图11(g)显示器驱动器电路图

图11(h)计算机接口电路图

图11(i)电源电路图

图12，控制盒结构示意图

图13，控制盒面板功能示意图

图14，示教流程框图

图15，载玻片图

图16，载玻片中的一个大格图

其中

1.接计算机的电缆  2.摄像机  3.固定架  4.精密平台  5.精密平台  6.连接支架7.固定支架  8.轴套  9.弹性连轴器  10.电机支撑架  11.轴套  12.连接支架  13.支架  14.蜗杆  15.异型蜗轮  16.光电开关  17.支架  18.步进电机  19.控制盒显示器  20.显微镜平台  21.精密平台静轨  22.精密平台动轨  23.精密平台丝杠24.精密平台丝母  25.电动载物台  26.电动物镜转换器  27.电动调焦机构  28.控制盒  29.手动平台  30.调焦旋钮(细调)  31.调焦旋钮(粗调)  32.电源  33.控制盒指示灯  34.亮度调节旋钮  35.目镜  36.CCD接口  37.照明系统  38.手动物镜转换器  39.小键盘  40.微处理器  41.存储器  42.电机驱动器  43.运动平台44.LED数码管  45.大格序号  46.小格序号  47.速度设定值

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细地说明：

图1是现有的倒置显微镜结构示意图，全部要手动操作。

图2是本发明的安装有自动操作系统的显微镜。

图3是图2的装配示意图，在现有的显微镜上增加电动载物台(25，图4)、电动物镜转换器(26，图5)、电动调焦机构(27，图6，图7)和控制盒(28，图9)四大部分。在显微镜CCD接口(36)上安装摄像机(2)，用电缆线(1)与计算机连接。控制盒用电缆与调焦机构(27)连接(左边的是粗调，轴套11套在调焦旋钮30上；右边是细调，轴套8套在调焦旋钮31上)。

电动载物台(25)由固定支架(3)、两个精密平台(4、5)、连接支架(6、7)固定支架、步进电机(18)组成。也可以说是由X、Y轴二维微型精密平台(4，5)水平垂直搭建组成。通过其上的固定架(3)、固定支架(7)、连接支架(6)连接固定在显微镜的平台(28)上。微型精密平台由动轨(22)、静轨(21)、丝杠(23)、丝母(24)组成。微型精密平台由小型步进电机(18)驱动，通过丝杠(23)的转动带动丝母直线运动，并带动动轨沿静轨方向往复运动。精密平台(4)驱动载物台X方向运动，精密平台(5)驱动载物台Y方向运动，从而实现固定架(3)的X、Y方向上的运动。电动载物台可以沿X、Y单方向运动，也可以做X、Y方向的复合运动。

电动物镜转换器(26)位置是倾斜的，而且调焦聚时需上下运动，所以使用标准的传动方式驱动非常困难。电动物镜转换器(26)采用步进电机(18)驱动蜗杆(14)带动一个非标准异型蜗轮(15)转动，异型蜗轮套在物镜转换器上带动物镜转换器转动，达到物镜转换的功能。如图所示：异型蜗轮(15)套在物镜转换器上，步进电机(18)与蜗杆(14)紧配合连接并固定在支架(13)上，支架(13)固定在连接支架(12)上，连接支架(12)支撑整体并与显微镜平台固定。光电开关(16)与支架(17)连接，支架(17)固定在显微镜上。由于物镜转换器位置倾斜并且当调焦时要上下移动，所以要求当物镜转换器上下移动时，蜗杆与异型蜗轮必须一直啮合。

自动调焦机构(27)采用步进电机驱动(18)，通过弹性连轴器(9)、轴套(8)与显微镜上的调焦旋钮(30，31)相连，带动调焦旋钮转动，完成调焦的功能。套在左边调焦旋钮(30)上的调焦机构是粗调，套在右边调焦旋钮(31)上的调焦机构是细调。支架(10)支撑电机。

电控部分置于一个控制盒内，上面有特定的按键和显示器件。控制盒表面有电源开关(32)、控制盒指示灯(33)、控制盒显示器(19)。电控部分包括微处理器I4(40)、存储器(41)I2、显示器(19)R4、R8～R11、电机驱动器(42)、小键盘(39)、电源(32)键盘扫描电路。其中存储器用于存储示教数据、显示电路用于显示当前位置和速度。控制盒可以脱离PC机独立完成点示教、扫描以及这两种工作方式之间的切换。

微处理器是电控制盒的核心器件，通过I²C总线连接存储器E²PROM；微处理器通过LED显示驱动芯片I3驱动控制盒显示器；小键盘通过键盘接口J2和微处理器相连；微处理器通过JM1口与电机驱动器连接。控制盒通过电缆线与显微镜上的电动机连接起来。

系统有两种工作方式：示教方式和扫描方式。

示教方式：示教方式是显微镜的学习过程。操作员通过控制器上的按键，根据自己的意愿选择设置运动速度，可切换物镜放大倍数，并引导显微镜的载物台依次到达期望的目标位置，在每一个位置点上操作员还要根据自己的需要，通过按键选择物镜和焦距，控制器可以自动记忆这些位置、采用的速度以及相应的物镜和焦距，存储当时的位置坐标并给予顺序编号，由此完成了一个点的示教过程，由它们构成示教数据，除非重新示教，这些数据将永远自动保存，以后可反复利用，断电也不会丢失。

具体过程包括下述步骤：

(1)按下小键盘的“示教”按钮确定工作方式

(2)通过小键盘上的“增速”“减速”按钮选择载物台的移动速度

(3)通过小键盘上的“高倍”“低倍”按钮选择物镜放大倍数

(4)过小键盘上的“↑”、“↓”、“←”、“→”按钮控制载物台前后左右移动

(5)通过小键盘上的“程序1”“程序2”按钮将当时的位置赋给所显示的序号

扫描方式：扫描方式下，一经启动，显微镜将根据所保存的示教数据自动地重现示教过程中的运动(包括载物台的位置、到达每一目标点的速度、停留的时间、以及所选择的物镜和焦距)，直至最后一点，中间过程无需人工干预。这个过程也可以以单步的方式进行，操作员每按一次按键，显微镜就按顺序运动到下一个位置，直到最后。选择一套程序后，任意时间按复位键，将使载物台自动回到初始的0000#位置，以后每按一次“下一格”键，载物台就运动到顺序号加一的位置，并按示教的样子调整物镜，直至最后一个位置。每按一次“上一格”，载物台就运动到顺序号减一的位置，并按示教的样子调整物镜，直至初始的0000#位置。按下小键盘的“扫描”按钮确定工作方式。具体过程包括下述步骤：

(1)按“复位”键载物台自动恢复到初始位置(0#)

(2)“程序1”“程序2”键用于在两套运动程序中进行选择

(3)“上一格”“下一格”用于控制载物台的运动，“前一格”“后一格”键—将使载物台运动到前一大格或后一大格的起始位置

图10是显微镜自动操作系统控制电路结构框图。各部分的连接关系如图11所示。图中单片计算机I4通过I²C总线连接E²PROM存储器I2和LED显示驱动芯片I3。单片计算机I4的10各开关两I/O接口用于按键的控制，它们通过J2与键盘相连；另外还有15各I/O接口用于三个步进电机的控制，它们通过JM1连接器与电机相连。单片机RA0、RA1、RA2三个接口用于光电开关的数据采集，它们通过电连接器JL与光电开关相连。单片机的串口TXD、RXD通过接口芯片I1接至连接口JRS1，它用于与PC机间的通讯。

小键盘面板功能说明：

1)扫描键、示教键——用于工作方式选择。点亮的工作方式指示灯表示出当前所选中的工作方式。

2)数码管显示——最高位显示所选择的速度档，最多四档；次高两位显示当时的大格序号(两位十进制数)；最低两位显示当时的小格序号(两位十进制数)。0速是最高速，3速是最低速。

3)复位键——使系统运动到所示教的0000#位置和物镜低倍位置，复位速度默认为最高速度。

4)高倍、低倍键——示教方式下，用于物镜放大倍数的选择。高倍键在扫描方式下无效，低倍键在扫描方式下可以实现整个大格的快速浏览。

5)增速、减速键——示教方式下，用于设置载物台的移动速度，速度共四档，每按一次增速或减速键，速度就提高或降低一档。选中的速度档次在LED显示区用最低位显示。增速、减速键在扫描方式下无效。

6)↑、↓、←、→键——示教方式下，用于控制载物台前后左右移动。按下键时载物台运动、抬起后运动停止。这些键在扫描方式下无效。

7)上一小格、下一小格键——扫描方式下，按一次“下一小格”键，将使载物台运动到当前小格序号增一的位置，如果当前大格数据已经满了，则自动调整到下一大格位置，小格置0，LED显示区的高四位在运动开始时随之改变；每按一次“上一小格”键，载物台就退回到当前位置序号减一的位置附近，显示的位置序号随之改变。示教方式下，按下“下一小格”键，将把显示的小格序号增一，如果已经超过16，则大格数增1，小格置0；“上一小格”键将小格序号减1，如果小于0，则大格数减1，小格置0。

8)前一大格、后一大格键——扫描方式下，按下前一大格、后一大格键之一，将使载物台运动到前一大格或后一大格的起始位置(小格序号为零的位置)，显示的位置序号随之改变；示教方式下，按下“后一大格”键，将把显示的大格序号增一，并使小格序号为零；“前一大格”键，将把显示的大格序号减1，并使小格序号置0。见图15。

选择运动程序1时的运动序

9)程序1、程序2键——控制盒可保存两套运动程序，分别称“程序1”和“程序2”。LED显示的大格序号在1～49范围内属于运动程序1；在50～99范围内属于运动程序2。目前程序2的功能没有实现。扫描方式下，程序1键不响应。示教方式下，按下程序1键，则将当时的位置保存到E2PROM中(注意：在每个位置处，不要按动两次程序1键，这样做会将有效数据冲刷掉)。

实施例

1.系统加电，载物台回到0000#位置，“大格小格”显示0000#，速度为0(最高速)，此时默认为“扫描”状态，扫描指示灯亮。

2.想进行扫描演示，那么按动“下一大格”键，“大格小格”显示0100#，载物台相应地运动到存储的0100#位置处。此时，速度值、显微镜高低倍值相应地恢复成存储时的速度值和高低倍值。此后依次按动“下一大格”，则载物台依次运动到相应的大格存储位置处。在每一个大格起始位置，按动“低倍”键，可以快速遍历浏览整个大格。

如果想详细查看大格内的情况，可以按“下一小格”键，则载物台进入相应的小格位置处。

3.要进行“示教”，先按“示教”键，则示教指示灯亮。此时，可以按动方向键，使载物台移动到适当的位置，然后按动“大格”“小格”键，调整“大格小格”的显示值，再按“程序1”键，则当前的状态被保存到存储器中。在每个位置处，“程序1”只能被按动一次，如果多次按动，那么存储的数据是不正确的。

0000#位置不可以存储(对“程序1”键不响应)，其它能显示的位置处都能存储数据。

如果要修改前面的数据，则修改处往后的数据被冲刷掉。

4.“示教”完成后，按“扫描”键，则整个系统再次复位。以下的操作可以参照步骤2或者步骤3。

注意：在“示教”时，每个大格的起始位置请设置在如下(1.5，1.5)处(这是为了快速浏览的功能便于实现而要求的)。见图16。

Claims (6)

1.一种显微镜自动操作系统，其特征在于：在现有的显微镜上增加电动载物台(25)、电动物镜转换器(26)、电动调焦机构(27)、控制台(28)；电动载物台是通过其上的固定架(3)、固定支架(7)、连接支架(6)连接固定在显微镜平台(20)上；电动物镜转换器(26)通过连接支架(12)、和支架(17)连接固定在显微镜上；电动调焦机构(27)分别通过轴套(11、8)将其粗调和细调机构连接固定在显微镜原调焦机构左右两侧；控制盒(28)用电缆和各步进电机(18)连接；显微镜CCD接口(36)上安装摄像机(2)，用电缆(1)与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的显微镜自动操作系统，其特征在于：电动载物台(25)由固定支架(3)、精密平台(4、5)、连接支架(6)、固定支架(7)、步进电机组成(18)，通过其上的固定架(3)、固定支架(7)、连接支架(6)连接固定在显微镜的平台(28)上，精密平台(5)的动轨与固定支架(7)连接，固定不动，精密平台(4)通过连接支架(6)与精密平台(5)连接；微型精密平台由动轨(22)、静轨(21)、丝杠(23)、丝母(24)组成，由小型步进电机(18)驱动，通过丝杠(23)的转动带动丝母直线运动，并带动动轨沿静轨方向往复运动；精密平台(4)的动轨滑块与固定架(3)连接并带动固定架(3)做X方向上的运动，精密平台(5)带动精密平台(4)做Y方向上的运动，从而实现固定架(3)的X、Y方向上的运动。

3.根据权利要求1所述的显微镜自动操作系统，其特征在于：电动物镜转换器(26)采用步进电机(18)驱动蜗杆(14)带动一个非标准异型蜗轮(15)转动，异型蜗轮(15)套在物镜转换器上，步进电机(18)与蜗杆(14)紧配合连接并固定在支架(13)上，支架(13)固定在连接支架(12)上，连接支架(12)支撑整体并与显微镜平台固定，光电开关(16)与支架(17)连接，支架(17)固定在显微镜上，异型蜗轮带动物镜转换器转动，由于物镜转换器位置倾斜并且当调焦时要上下移动，所以要求当物镜转换器上下移动时，蜗杆与异型蜗轮必须一直啮合。

4.根据权利要求1所述的显微镜自动操作系统，其特征在于：电动调焦机构(27)采用步进电机(18)驱动，通过弹性连轴器(9)、轴套(8)与显微镜上的调焦旋钮(30，31)相连，带动调焦旋钮转动，完成调焦的功能；套在左边调焦旋钮(30)上的调焦机构是粗调，套在右边调焦旋钮(31)上的调焦机构是细调；支架(10)支撑电机。

5.根据权利要求1所述的显微镜自动操作系统，控制盒表面有按键、电源开关(32)、控制盒指示灯(33)、控制盒显示器(19)，电控部分置于控制盒内，其特征在于：电控部分包括微处理器I4(40)、存储器I2(41)、显示器R4、R8～R11(19)、电机驱动器(42)、小键盘(39)、电源(32)；微处理器是电控盒的核心器件，微处理器通过I²C总线连接存储器E²PROM；微处理器通过LED显示驱动芯片I3驱动控制盒显示器；小键盘通过键盘接口J2和微处理器相连；微处理器通过JM1口与电机驱动器连接，控制盒通过电缆线与显微镜上的步进电机(18)连接起来；其中存储器用于存储示教和扫描数据、显示电路用于显示当前位置和速度，控制盒可以脱离PC机独立完成点示教、扫描以及这两种工作方式之间的切换。

6.根据权利要求1所述的显微镜自动控制系统的操作方法，其特征在于：它包括示教和扫描两种方式，示教方式包括下述步骤：

(1)按下小键盘的“示教”按钮确定工作方式

(2)通过小键盘上的“增速”“减速”按钮选择载物台的移动速度

(3)通过小键盘上的“高倍”“低倍”按钮选择物镜放大倍数

(4)通过小键盘上的“↑”、“↓”、“←”、“→”按钮控制载物台前后左右移动

(5)通过小键盘上的“程序1”“程序2”按钮将当时的位置赋于所显示的序号

扫描方式包括下述步骤：

(1)按下小键盘的“扫描”按钮确定工作方式

(2)按“复位”键载物台自动恢复到初始位置(0#)

(3)“程序1”“程序2”键用于在两套运动程序中进行选择

“上一格”“下一格”用于控制载物台的运动；“前一格”“后一格”键—将使载物台运动到前一大格或后一大格的起始位置。

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