CN210376866U

CN210376866U - 一种手持式连续变倍显微镜装置

Info

Publication number: CN210376866U
Application number: CN201921406688.8U
Authority: CN
Inventors: 余飞鸿; 王杰
Original assignee: Hangzhou Touptek Photoelectric Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Touptek Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2020-04-21
Anticipated expiration: 2029-08-27

Abstract

本实用新型公开了一种手持式连续变倍显微镜装置，所述显微镜装置包括外壳主体，所述外壳主体内从下至上依次设有物镜、变倍镜筒和支撑套筒，所述变倍镜筒内设有可沿变倍镜筒轴向移动的电路板移动组件，所述电路板移动组件包括光电图像传感器，所述支撑套筒上设有电路板防转限位槽，所述电路板防转限位槽伸入到变倍镜筒内并穿过电路板移动组件以防止电路板移动组件转动。本实用新型提供的手持式连续变倍显微镜装置可以实现连续的变倍倍率，并且不需要使用传统显微镜的多个物镜的切换或使用连续变镜物镜。

Description

一种手持式连续变倍显微镜装置

技术领域

本实用新型属于数码显微镜系统或装置领域，特别涉及一种手持式连续变倍显微镜装置。

背景技术

显微镜是用于观察微生物、细胞或是一些物质的细微结构的光学装置。传统数码显微镜则是将显微镜三通的像或物镜与目镜中间像投射到光电图像传感器中，经处理以后再经过显示器供用户观看。

光学显微镜主要由反光镜、载物台、物镜和目镜组成。物镜和目镜都是凸透镜，焦距不同。物镜焦距小于目镜焦距。物镜相当于投影仪的镜头，物体通过物镜成倒立、放大的实像。目镜相当于普通的放大镜，物镜的实像通过目镜成正立、放大的虚像。现有生物显微镜使用时如想变大或缩小观察范围需要：

1)通过切换不同倍率的物镜来达到变倍目的，这类显微镜不能连续变倍，这样导致对象微观组织的观察很不方便；

2)为了达到连续变倍的目的，可以通过连续变倍的物镜，该物镜包括物镜座和套接在物镜座外且与物镜座转动配合的变倍套，物镜座内设有可沿物镜座轴线方向移动的补偿组和变倍组，变倍组和补偿组均通过连接件分别与变倍套中的两个曲线导槽插接，物镜座的侧壁上开有供变倍组和补偿组连接件滑动的滑槽，变倍套在物镜座外转动时，曲线导槽通过连接件带动变倍组和补偿组在物镜座内移动以调整补偿组和变倍组间距从而连续调节物镜倍率。这类物镜在一定范围内可以连续变换焦距、从而得到不同大小的影像或不同景物范围，在不改变拍摄距离的情况下，通过变动焦距来改变拍摄范围，非常有利于观察样品的细节或扩大观察范围。一个变焦物镜可以担当起若干个定焦物镜的作用，使用起来相当方便，也节省了更换镜头的时间；

但目前的可以连续变倍的物镜在连续变倍时，即变倍组和补偿组在物镜筒内移动时，变倍组和补偿组之间的同心度很难保证，且变倍组和补偿组分别只靠单个连接件与变倍套中的曲线导槽插接，变倍组和补偿组在移动时，容易出现晃动、偏移的现象，稳定性较差，价格较高且加工复杂，其成像往往都不如简单的定焦镜头来得成像清晰；另一方面，变倍物镜变倍范围都不大，一般在0.7x-4.5x，变倍比在1:6.3左右。

3)利用多共轭距成像原理，也可以实现手持式变倍显微装置，也就是目前市场上的大量出售的手持式数码显微镜。这种显微镜非常便携，使用也相当方便。其主要特点是光电图像传感器固定，镜头在做移动，但其存在a)放大倍率不连续；b)同一对共轭距有两个不同的倍率；c)某些共轭距差别很小的情况存在两个倍率；d)不存在某个参量同倍率的线性关系。

由此可见，上述现有的显微镜装置在结构与使用上，显然存在不便与缺陷，新的数码时代亟待有新的装置或系统出现。尽管最近手持显微镜取得了比较好的成功，但是其存在的问题，成为我们努力的方向。

鉴于上述存在的问题，本实用新型人基于自身丰富的理论知识以及对成像系统的透彻理解，根据基本的透镜物像成像公式，通过数值模拟，提出了与现有手持式变倍显微装置实现原理完全不一样，但更加符合用户使用习惯的新型手持式连续变倍显微镜装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种手持式连续变倍显微镜，不需要使用传统显微镜的多个物镜的切换或使用连续变倍物镜，就可以实现连续的变倍倍率。

本实用新型提供如下技术方案：

一种手持式连续变倍显微镜装置，所述显微镜装置包括外壳主体，所述外壳主体内从下至上依次设有物镜、变倍镜筒和支撑套筒，所述变倍镜筒内设有可上下移动的电路板移动组件，所述电路板移动组件包括光电图像传感器，所述支撑套筒上设有电路板防转限位槽，所述电路板防转限位槽伸入到变倍镜筒内并穿过电路板移动组件以防止电路板移动组件转动。

本实用新型提供的手持式连续变倍显微镜装置的原理与现有技术中变倍显微镜装置的原理完全不同，是根据基本的透镜物像成像公式，通过数值模拟而提出的，是一种更加符合用户使用习惯的手持式连续变倍显微镜装置。

本实用新型提供的手持式连续变倍显微镜装置的原理为：通过改变物镜与光电图像传感器的距离，即可以实现放大倍率的线性连续变倍，从而实现对观察对象的线性连续放大功能而不需要通过多物镜切换或借助连续变倍物镜实现变倍功能。用户能通过移动光电图像传感器，将光电图像传感器停在某一个位置(线性关系)，然后通过对焦操作(调节物距)，从而得到某种倍率的成像结果。

本实用新型与传统需要多个物镜实现放大倍率切换的系统或使用连续变倍物镜的系统相比，较为便宜且使用方便，同时可实现观察对象不同倍率的快速观察；与现有的手持显微镜相比，则有放大倍率同像距成连续线性正比关系，在光电图像传感器位置确定以后，整个系统的放大倍率是唯一的。

本实用新型提供的手持式连续变倍显微镜装置，所述手持式连续变倍显微镜装置的放大倍率满足如下关系式：

l_z'＝βl_z＝f'β+f' (5)

其中，f'为物镜的焦距，l_z与l_z'分别是观察对象离物镜的物距以及物镜与光电图像传感器之间的像距，L为物像共轭距，系物距l_z与像距l_z'之和，β为当前像距与物距情况下物镜成像的放大倍率。

物距l_z与放大率β的关系由式(1)表示，从该式可以发现，随着放大倍率β的增大(0->1)，l_z会从比较远的地方快速靠近2f'距离，当β进一步增加(1->∞),l_z会慢慢接近透镜的前焦点。

l_z'与β关系如式(2)所示呈线性关系，其斜率为所设计透镜的焦距f'，同时光电图像传感器离物镜最小距离即直线的截距为透镜的焦距f'。当最小同最大的放大倍率β范围确定以后，l_z'的范围也就确定了。一般来讲，l_z'的范围为(f'β_min+f',f'β_max+f')。由式(2)给出的像距l_z'与放大倍率β的数学关系，不难发现，通过选择合适的焦距f'，同时保证光电图像传感器移动在合理的范围内，即可得到想要的随距离变化呈线性关系的连续放大倍率。

系统的最小尺寸关系则由式(3)决定，为4倍透镜的焦距4f'(β＝1时)，只要满足这一条件，就可保证有清晰实像存在。

优选的，在本实用新型提供的手持式连续变倍显微镜装置中，所述像距、焦距和放大倍率满足如下关系：

3mm﹤l_z'﹤300mm，3≤f'≤25，0.1≤β≤20。

所述物镜通过物镜安装座安装在外壳主体的下部；所述电路板移动组件包括电路板和用于安装电路板的电路板安装座，所述电路板上集成有光电图像传感器，所述电路板安装座通过两侧设有的凸块嵌入到变倍镜筒的内壁螺旋槽中，所述变倍镜筒的外壁设有用于调焦的变倍滚花。

所述物镜通过螺纹的方式连接到物镜安装座上。所述变倍滚花露在外壳主体外。通过手指转动变倍滚花就可以实现电路板移动组件沿着变倍镜筒相对物镜上下移动，从而改变电路板上的图像传感器相对物镜的距离，从而达到线性连续变倍功能。

所述物镜安装座的两端设有支撑套筒卡槽嵌位台，所述支撑套筒穿过电路板安装座后嵌入到支撑套筒卡槽嵌位台。通过上述设置可以保证支撑套筒的稳定性与防转性。

所述支撑套筒的上部设有变倍组整体防转凸块，所述外壳主体的相应位置上设有支撑套筒卡口。通过上述设置可以进一步保证支撑套筒的稳定性与防转性。

所述显微镜装置还包括与电路板相连接的USB线缆。

所述物镜满足连续变倍范围内的所有物像共轭距都可以成清晰像，所述光电图像传感器为面阵CMOS或CCD光电图像传感器。

本实用新型提供的手持式连续变倍显微镜装置的使用方法为：

(1)变倍：通过转动变倍镜筒将光电图像传感器相对物镜移动一定距离，得到一个倍率；

(2)对焦：移动物体或物镜的距离，得到当前倍率情况下的清晰图像。

整个过程称之为先变倍，再对焦，具体为：物镜焦距及其位置固定，通过移动光电图像传感器相对物镜的距离，再调整观察对象相对物镜的距离，直到观察对象清晰为止。

在变倍的过程中，当物镜与光电图像传感器的距离取较大值时，可以得到大倍率的影像，当物镜与光电图像传感器的距离取较小值，放大倍率较小，可以观察更大的范围；当光电图像传感器从靠近物镜到慢慢远离物镜时，放大倍率同像距参数成正比的关系增加，并且在最小距离与最大距离之间的放大倍率变化是连续的。

本实用新型提供的手持式连续变倍显微镜装置，在对焦之后，其孔径光阑根据成像距离或当前的倍率可自动或手动调节光阑的大小以保证物镜的数值孔径与当前倍率相匹配，实现尽可能小的杂散光以及更高的图像对比度。

本实用新型提供的手持式连续变倍显微镜装置的优点主要有：1)克服了目前变倍显微镜装置存在的需要传统的变倍物镜功能；2)不会出现目前市场上手持显微镜的物镜移动方案存在的变倍倍率不连续以及低倍同高倍之间放大倍率出现部份缺失情况；3)不会出现物镜移动手持显微镜同一共轭距两个位置成像清晰情况；4)不存在工作距离同放大倍率之间跳跃现象；5)其放大倍率范围超过目前的连续变倍显微镜系统，但结构更为简单，成本更低，光学系统质量更好。

与现有技术相比，本实用新型通过利用多个共轭距离成像清晰的固定焦距物镜，通过固定物镜，同时拉大物镜与光电图像传感器的距离(光电图像传感器后移或上移)，可以实现观察对象的连续放大观察，不需要使用传统显微镜的多个物镜的切换也不需使用连续变镜物镜，成本低，体积小巧，物镜设计也简单，成像质量好，可以作为一种便携式装置用于微小物体或生物切片的观察。

附图说明

图1为物镜固定、像距后移情况下的成像系统原理图；

图2为物镜焦距分别为5，10，15，20，25mm时不同倍率下物镜与观察对象的距离；

图3为物镜焦距分别为5，10，15，20，25mm时不同倍率下光电图像传感器与物镜的距离

图4为手持式连续变倍显微镜装置的原理图；

图5为本实用新型中光电图像传感器远离物镜时的结构图(大倍率)；

图6为本实用新型中光电图像传感器靠近物镜时的结构图(小倍率)；

图7为本实用新型提供的显微镜装置的外形图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为实现预定的实用新型目的所采取的具体实现方式或方法，以下结合附图与实例，对根据本实用新型提出的连续变倍显微镜装置的具体实施方式、结构、特征及其功能。详细说明如下：

本实用新型提供的手持式连续变倍显微镜装置的原理为：通过改变物镜与光电图像传感器的距离，即可以实现放大倍率的线性连续变倍，从而实现对观察对象的线性连续放大功能而不需要通过多物镜切换或借助连续变倍物镜实现变倍功能。具体阐述如下：

如图1所示，本实用新型提供的手持式连续变倍显微镜装置中，放大倍率满足如下关系式：

l_z'＝βl_z＝f'β+f' (8)

物距l_z与放大率β的关系由式(1)表示，从该式可以发现，随着放大倍率β的增大(0->1)，l_z会从比较远的地方快速靠近2f'距离，当β进一步增加(1->∞),l_z会慢慢接近透镜的前焦点。图2给出了这一关系的曲线。

l_z'与β关系如式(2)所示呈线性关系，其斜率为所设计透镜的焦距f'，同时光电图像传感器离物镜最小距离即直线的截距为透镜的焦距f'。当最小同最大的放大倍率β范围确定以后，l_z'的范围也就确定了。一般来讲，l_z'的范围为(f'β_min+f',f'β_max+f')。由式(2)给出的像距l_z'与放大倍率β的数学关系，不难发现，通过选择合适的焦距f'，同时保证光电图像传感器移动在合理的范围内，即可得到想要的随距离变化呈线性关系的连续放大倍率，其关系如图3所示。

如图4-7所示，本实用新型提供的手持式连续变倍显微镜装置包括：外壳主体10，物镜20，物镜安装座30，变倍镜筒40，电路板安装座50，电路板60，支撑套筒70，后盖80以及USB线缆90。

物镜20通过螺纹的方式连接到物镜安装座30，充满物镜安装座中间的孔31，物镜安装座30安装在外壳主体10的下部。

电路板60和用于安装电路板的电路板安装座50组成电路板移动组件(电路板60通过螺钉固定在电路板安装座50上)，电路板60上设有光电图像传感器61，电路板安装座50通过两侧设有的凸块51嵌入到变倍镜筒40的内壁螺旋槽中(电路板移动组件上的凸块51对准变倍镜筒40上的两个电路板安装入口42推入)，变倍镜筒40的外壁设有用于调焦的变倍滚花41。变倍滚花41露在外壳主体10的变倍调节开口11处。

通过手指转动变倍滚花就可以实现电路板移动组件沿着变倍镜筒相对物镜上下移动，从而改变电路板上的图像传感器相对物镜的距离，从而达到线性连续变倍功能。

支撑套筒70上设有电路板防转限位槽71，电路板防转限位槽71对准电路板安装座50上的电路板防转凸块52并插入到变倍镜筒40的穿孔44中。穿过电路板移动组件后嵌入到物镜安装座30上的支撑套筒卡槽嵌位台32上。并且，支撑套筒70的上部设有变倍组整体防转凸块72，外壳主体10的相应位置上设有支撑套筒卡口12，变倍组整体防转凸块72安装在支撑套筒卡口12上。

USB线缆90插入到USB线缆穿线口81，并将带有插头的一段连接到电路板60上的USB线缆连接器62上。后盖80通过螺纹拧到外壳主体10的后盖连接螺纹14上。

物镜20对物方成的像由电路板60上的光电图像传感器61接收形成数码影像，通过USB线缆90传输给显示装置，如计算机等。

本实用新型提供的手持式连续变倍显微镜装置的使用方法为：用手指转动变倍镜筒40上的变倍滚花43即可上下移动电路板安装座50以及电路板60，从而改变电路板60上的光电图像传感器61相对镜头20的距离，实现变倍。当变倍到设想的倍率时，调节物镜10相对观察对象的距离直到清楚为止，即可实现清晰获取当前倍率下的图像。整个过程称之为先变倍，再对焦。在变倍过程中，当光电图像传感器61远离物镜时，放大倍率最大，这一过程如图5所示；反之当光电图像传感器61靠近物镜时，放大倍率最小，这一位置如图6所示。

借用上面描述的技术手段，通过变倍镜筒组件可以调整显微镜装置的放大率，再通过调整显微镜装置与观察对象的距离，不需要更换不同的物镜，利用一个简单的普通物镜，即可以实现连续变倍显微镜功能。相对于传统的物镜切换镜显微镜、连续变倍显微镜以及最新的手持式显微镜，整个系统除却便宜以外，更具有连续线性变倍的功能，是目前市场上的手持式显微镜所不具备的。而且变倍倍率可以达到10:1以上。实施结构组装好以后的最终结构如图7所示。

以上所述的，仅仅是本实用新型的较佳实施例子，并没有对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型的例子以较佳实施例示意如上，但并不能用于限制本实用新型。任何利用上述原理以及披露的实施例子做出少许改动或修饰都视为等同变化的等效实施例子，凡是未偏离本实用新型基本思想的内容，依据本实施例子技术原理对以上实施例子所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims

1.一种手持式连续变倍显微镜装置，所述显微镜装置包括外壳主体，其特征在于，所述外壳主体内从下至上依次设有物镜、变倍镜筒和支撑套筒，所述变倍镜筒内设有可沿变倍镜筒轴向移动的电路板移动组件，所述电路板移动组件包括光电图像传感器，所述支撑套筒上设有电路板防转限位槽，所述电路板防转限位槽伸入到变倍镜筒内并穿过电路板移动组件以防止电路板移动组件转动。

2.根据权利要求1所述的手持式连续变倍显微镜装置，其特征在于，所述手持式连续变倍显微镜装置的放大倍率满足如下关系式：

l_z'＝βl_z＝f'β+f' (2)

3.根据权利要求2所述的手持式连续变倍显微镜装置，其特征在于，所述像距、焦距和放大倍率满足如下关系：

3mm﹤l_z'﹤300mm，3≤f'≤25，0.1≤β≤20。

4.根据权利要求1所述的手持式连续变倍显微镜装置，其特征在于，所述物镜通过物镜安装座安装在外壳主体的下部；所述电路板移动组件包括电路板和用于安装电路板的电路板安装座，所述电路板上集成有光电图像传感器，所述电路板安装座通过两侧设有的凸块嵌入到变倍镜筒的内壁螺旋槽中，所述变倍镜筒的外壁设有用于调焦的变倍滚花。

5.根据权利要求4所述的手持式连续变倍显微镜装置，其特征在于，所述物镜安装座的两端设有支撑套筒卡槽嵌位台，所述支撑套筒穿过电路板安装座后嵌入到支撑套筒卡槽嵌位台。

6.根据权利要求4所述的手持式连续变倍显微镜装置，其特征在于，所述支撑套筒的上部设有变倍组整体防转凸块，所述外壳主体的相应位置上设有支撑套筒卡口。

7.根据权利要求4所述的手持式连续变倍显微镜装置，其特征在于，所述显微镜装置还包括与电路板相连接的USB线缆。

8.根据权利要求1所述的手持式连续变倍显微镜装置，其特征在于，所述物镜连续变倍范围内的所有物像共轭距都可以成清晰像，所述光电图像传感器为面阵CMOS或CCD光电图像传感器。