音圈致动空心轴显微镜对焦装置
阅读说明：本技术 音圈致动空心轴显微镜对焦装置 (Voice coil actuated hollow shaft microscope focusing device ) 是由 谷朝臣 王子健 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种音圈致动空心轴显微镜对焦装置,包括控制系统、成像系统、位置调节机构、位置反馈组件、装置基板、物镜以及转接器；被测物体放置在所述物镜下方；所述位置调节机构能够沿着靠近所述被测物体或远离所述被测物体的方向运动；所述物镜通过所述转接器与所述位置调节机构相连,且所述物镜能够随着所述位置调节机构的运动而运动；所述位置调节机构以及所述位置反馈组件均与所述控制系统电连接。本发明采用音圈电机驱动物镜对焦,结构简单,安装方便,稳定性好,并且控制精度高,避免了导轨、悬臂横梁引入的物镜光路垂直度装调困难,控制困难、动态响应不高等问题。(The invention provides a voice coil actuated hollow shaft microscope focusing device, which comprises a control system, an imaging system, a position adjusting mechanism, a position feedback assembly, a device substrate, an objective lens and an adapter, wherein the control system is connected with the imaging system through a control system; the object to be measured is placed below the objective lens; the position adjusting mechanism can move along the direction close to the measured object or far away from the measured object; the objective lens is connected with the position adjusting mechanism through the adaptor and can move along with the movement of the position adjusting mechanism; the position adjusting mechanism and the position feedback assembly are electrically connected with the control system. The voice coil motor is adopted to drive the objective lens to focus, the structure is simple, the installation is convenient, the stability is good, the control precision is high, and the problems that the verticality of the objective lens light path introduced by the guide rail and the cantilever beam is difficult to adjust, the control is difficult, the dynamic response is not high and the like are solved.)
技术领域
本发明涉及机电设计、运动控制、显微光学等技术领域，具体地，涉及一种音圈致动空心轴显微镜对焦装置。
背景技术
近年来，随着医药研发、临床检验和数字病理等领域自动化需求的提升，显微镜的数字化、自动化成为趋势，其中，显微镜自动对焦是其中重要环节。
显微镜自动对焦装置，主要分为两类：驱动载物台对焦和驱动物镜对焦。对于无限远成像系统，驱动物镜对焦方式在动态性能和稳定性上具有较大优势。目前，驱动物镜对焦方式通常采用交叉导轨、滑块导轨作为运动导向元件、通过电机-丝杆系统等拖动安装有物镜的悬臂横梁完成对焦运动。但普遍存在如下问题：由导轨和物镜安装法兰存在一定距离，需要靠悬臂梁联结，通常扫描面积和载物台尺寸越大、悬臂梁就越长，导致由导轨、悬臂横梁引入的物镜光路垂直度装调困难，悬臂横梁容易发生振动影响高倍物镜成像质量，丝杠回程间隙导致对焦精度控制困难、动态响应不高等。
专利文献CN109752832 A公开了一种显微镜镜筒在Z轴上的运动控制方法及自动显微镜，显微镜包括一台固设在显微镜镜筒一侧的相机，显微镜镜筒上具有至少一处的可被相机识别的标记点，通过相机获得标记点在当前图像中的当前像素位置；计得当前像素位置与标记点在预先标定时所获得的理想像素位置之间在高度方向上的像素个数差；依据像素个数差信息按预设规则计算出显微镜镜筒当前高度与理想高度之间的高度偏差信息；通过高度偏差信息对显微镜镜筒进行高度调节。但其仍然是采用电机-丝杆结构对物镜进行移动，仍然避免不了上述的，容易发生振动影响高倍物镜成像质量、丝杠回程间隙导致对焦精度控制困难、动态响应不高等问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种音圈致动空心轴显微镜对焦装置。
根据本发明提供的一种音圈致动空心轴显微镜对焦装置，包括控制系统、成像系统、位置调节机构、位置反馈组件、装置基板、物镜以及转接器；
被测物体放置在所述物镜下方；
所述位置调节机构能够沿着靠近所述被测物体或远离所述被测物体的方向运动；
所述物镜通过所述转接器与所述位置调节机构相连，且所述物镜能够随着所述位置调节机构的运动而运动；
所述位置调节机构以及位置反馈组件均安装在所述装置基板上；
所述位置反馈组件与所述位置调节机构相连接；
所述位置调节机构以及所述位置反馈组件均与所述控制系统电连接。
优选地，所述位置调节机构包括空心轴滑动组件、音圈电机、以及致动连接板；
所述空心轴滑动组件的一端紧固安装在所述致动连接板的第一预留通孔内，所述空心轴滑动组件的另一端穿过所述装置基板，延伸至所述装置基板外部，与所述转接器相连；
所述音圈电机所具有的线圈端紧固安装在所述致动连接板的第二预留通孔内，所述音圈电机所具有的永磁机座端紧固安装在所述装置基板的第三预留通孔内；随着所述音圈电机的线圈端的上下运动，所述致动连接板能够沿着远离所述被测物体或靠近所述被测物体的方向运动；所述音圈电机与所述控制系统电连接。
优选地，所述位置调节机构还包括定位轴组件，所述定位轴组件贯穿所述致动连接板，且所述定位轴组件的一端连接所述装置基板；所述定位轴组件能够防止所述空心轴滑动组件带动所述致动连接板绕空心轴滑动组件的轴心转动。
优选地，还包括限位元件；；
所述限位元件的最底端始终低于所述成像系统的最底端，所述限位元件用于防止致动连接板与成像系统接触而破坏所述成像系统。
优选地，所述空心轴滑动组件包括空心轴和第一轴承套；
所述空心轴的一端安装在所述第一预留通孔内，所述空心轴的另一端穿过所述装置基板与所述转接器相连；
所述第一轴承套通过安装端与所述装置基板紧固连接，所述第一轴承套与所述空心轴同轴布置，且套装在所述空心轴外，所述空心轴能够在所述第一轴承套内移动。
优选地，所述定位轴组件包括定位轴；
所述定位轴贯穿所述致动连接板，且所述定位轴的一端连接所述装置基板；；所述定位轴与所述空心轴配合，防止所述空心轴带动所述致动连接板绕空心轴的轴心转动。
优选地，所述空心轴为空心花键轴，所述第一轴承套为与所述空心花键轴配套的花键轴承套；通过空心轴与第一轴承套的花键设计，能够防止所述空心轴绕空心轴的轴心旋转，从而防止所述空心轴绕空心轴的轴心旋转带来的致动连接板绕空心轴的轴心转动。
优选地，所述位置反馈元件包括光栅尺、读头、栅尺固定板、读头固定板；
所述光栅尺通过栅尺固定板与致动连接板紧固连接，读头通过读头固定板与装置基板固定连接；
所述读头与所述控制系统电连接
所述成像系统包括成像光路、相机；
成像光路的一端与所述相机紧固连接，光线能够经过所述物镜通过所述空心轴进入到成像光路内。
优选地，所述成像系统还包括光路折返元件，所述光路折返元件位于所述成像光路的另一端，所述光路折返元件能够改变光线方向，所述光线经过所述物镜通过所述空心轴到达所述光路折返元件改变方向后，进入到成像光路内。
优选地，还包括重力平衡弹簧，所述重力平衡弹簧的一端与所述致动连接板相连，所述重力平衡弹簧的另一端与所述装置基板相连。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用音圈电机驱动物镜对焦，结构简单，安装方便，稳定性好，并且控制精度高，避免了导轨、悬臂横梁引入的物镜光路垂直度装调困难，控制困难、动态响应不高等问题。
2、本发明采用光栅尺与读头对物镜的移动距离进行测量，能更精确的确定物镜所移动的实际距离，及时反馈给控制系统，以达到更好的对焦效果。
3、本发明在致动连接板上设置有限位元件，防止了音圈电机损坏或操作人员不当操作时，致动连接板与成像系统的碰撞。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明采用空心光轴方案的结构示意图；
图2为图1的爆炸图示意图；
图3为本发明采用空心花键轴方案的爆炸图示意图。
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种音圈致动空心轴显微镜对焦装置，包括控制系统、成像系统、位置调节机构、位置反馈组件、装置基板1、物镜2以及转接器3。被测物体放置在所述物镜2下方；
所述位置调节机构用于调节物镜与被测物体的距离以达到对焦的目的，且所述位置调节机构能够沿着靠近所述被测物体或远离所述被测物体的方向运动。
所述物镜2通过所述转接器3与所述位置调节机构相连，且所述物镜2能够随着所述位置调节机构的运动而运动所述位置调节机构以及位置反馈组件均安装在所述装置基板1上，所述位置反馈组件与所述位置调节机构相连接；
所述位置调节机构以及所述位置反馈组件均与所述控制系统电连接。
如图1与图2所示，所述位置调节机构包括空心轴滑动组件7、音圈电机9、以及致动连接板10；所述空心轴滑动组件7的一端紧固安装在所述致动连接板10的第一预留通孔4内，所述空心轴滑动组件7的另一端穿过所述装置基板1，延伸至所述装置基板1外部，与所述转接器3相连；
所述音圈电机9所具有的线圈端25紧固安装在所述致动连接板10的第二预留通孔5内，所述音圈电机9所具有的永磁机座端26紧固安装在所述装置基板1的第三预留通孔6内；随着所述音圈电机9的线圈端25的上下运动，所述致动连接板10能够沿着远离所述被测物体或靠近所述被测物体的方向运动，所述致动连接板10驱动所述物镜2运动，达到调焦的目的。所述致动连接板10驱动所述物镜2运动，达到调焦的目的。所述音圈电机9与所述控制系统电连接。所述控制系统用于调整所述音圈电机9的开启/关闭以及运动方向。
所述成像系统包括成像光路21、相机22；所述成像光路21的一端与所述相机22紧固连接，在一个实施例中，所述成像光路21位于所述位置调节机构的上方，且与所述物镜2同轴，光线能够直接经过所述物镜2通过所述空心轴12进入到成像光路21内。在另一实施例中，如图1、图2以及图3所示，所述成像光路21还包括光路折返元件19，此时，所述成像系统通过第一支架安装在所述装置基板1上，所述光路折返元件19位于所述成像光路21的另一端，所述光路折返元件19能够改变光线方向，实现成像光路横置，以压缩装置在竖直方向的尺寸，所述光线经过所述物镜2通过所述空心轴12到达所述光路折返元件19改变方向后，再进入到成像光路21内，所述光路折返元可采用全反射棱镜等。
如图1、图2以及图3所示，所述空心轴滑动组件7包括所述空心轴滑动组件7包括空心轴12和第一轴承套13；所述空心轴12的一端安装在所述第一预留通孔4内，所述空心轴12的另一端穿过所述装置基板1与所述转接器3相连；所述第一轴承套13通过安装端16与所述装置基板1紧固连接，所述安装端16与所述装置基板1通过连接件紧固连接。所述第一轴承套13与所述空心轴12同轴布置，且套装在所述空心轴12外，所述空心轴12能够在所述第一轴承套13内移动。所述空心轴12能够随着所述致动连接板10的上下运动通过所述转接器3带动所述物镜上下运动。
所述位置反馈元件包括光栅尺17、读头18、栅尺固定板23、读头固定板24；所述光栅尺17通过栅尺固定板23与致动连接板10紧固连接，读头18通过读头固定板24与装置基板1固定连接；所述读头18与所述控制系统电连接。在致动连接板10带动物镜2上下移动的过程中，位置反馈元件能够精确地测定与反馈物镜2的实际位置，及时对音圈电机9作出调整，以达到更好的对焦效果。反馈信号精度可以达到0.1微米，甚至0.01微米。
如图3所示，在一个优选例中，所述空心轴12为空心花键轴，所述第一轴承套13为与所述空心花键轴配套的花键轴承套；通过空心轴12与第一轴承套13的花键设计，能够防止所述空心轴12绕空心轴12的轴心旋转，从而防止所述空心轴12绕空心轴12的轴心旋转带来的致动连接板10绕空心轴12的轴心转动。
如图1以及图2所示，在另一个优选例中，所述空心轴12为空心光轴，所述位置调节机构还包括定位轴组件8，所述定位轴组件8贯穿所述致动连接板10，且所述定位轴组件8的一端连接所述装置基板1；所述定位轴组件能够防止所述空心轴滑动组件7带动所述致动连接板10绕空心轴滑动组件7的轴心转动，除此之外，所述定位轴组件8能够起到增强对焦运动导向的作用。所述定位轴组件8包括定位轴14和第二轴承套15；所述定位轴14贯穿所述致动连接板10，且所述定位轴14的一端连接所述装置基板1；所述第二轴承套15与所述致动连接板10紧固连接，所述第二轴承套15与所述定位轴14同轴布置，且套装在所述定位轴14外；所述定位轴14与所述空心光轴配合，防止所述空心光轴带动所述致动连接板10绕空心光轴的轴心转动，可以避免由于所述致动连接板10绕空心光轴轴心旋转导致的音圈电机出现偏摆，磁隙变化、线圈磨损等问题的效果。
如图1、图2以及图3所示，所述音圈致动空心轴显微镜对焦装置还可以包括限位元件11。图1、图2中，所述限位元件11安装在所述定位轴组件8的另一端，所述限位元件11的最底端始终低于所述成像系统的最底端，所述限位元件11用于防止致动连接板10与成像系统接触而破坏所述成像系统。当所述致动连接板10由于音圈电机9损坏或操作人员误操作等原因，不断向上运动时，致动连接板10会先接触所述限位元件11的最底端，而不是所述成像系统的最底端，且当连接板10接触所述限位元件11的最底端时，限位元件11会限制所述致动连接板10继续向上运动，从而起到防止致动连接板10与成像系统接触的作用。
如图1、图2以及图3所示，所述音圈致动空心轴显微镜对焦装置还可以包括重力平衡弹簧20。如图1、图2所述重力平衡弹簧20套装在所述定位轴14上，所述重力平衡弹簧20的一端与所述致动连接板10相连，所述重力平衡弹簧20的另一端与所述装置基板1相连。所述重力平衡弹簧20具有平衡空心轴12、物镜2、致动连接板10等运动部件重量，提升音圈电机的负载特性和动态特性的作用。在音圈电机9未通电时，所述物镜2与所述致动连接板10在重力平衡弹簧20的作用下，均处于最高位置。
本发明的工作过程如下：
在对焦时，所述音圈电机9通电，所述音圈致动空心轴显微镜对焦装置将通过控制系统对音圈电机9发送信号，驱动所述线圈端25运动，所述音圈电机9通过驱使所述致动连接板10到第一位置来调整物镜2的高度，以达到对焦的效果。所述第一位置的确定方法有多种，如利用田畔等《显微镜自动对焦方法研究综述》中提到的方法来确定致动连接板10及物镜2的运动方向与运动距离。在致动连接板10及物镜2运动的过程中，所述位置反馈组件会随时向所述控制系统反馈致动连接板10及物镜2的实际运动方向与距离，使控制系统能及时对音圈电机9作出调整，以达到更好的对焦效果。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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