顯微鏡數(shù)字化的硬件改進(jìn)探究

陳東

摘要：工具顯微鏡的測量過程比較繁瑣，勞動強度大，測量效率低，人為誤差大。根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外同類儀器數(shù)字化的趨勢，應(yīng)用光柵位移測試技術(shù)、CCD攝像技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)，將工具顯微鏡改造成為微機型工具顯微鏡——準(zhǔn)自動化數(shù)字儀器。使之操作簡單，具有豐富測量功能。這樣既簡化了操作過程、提高測量速度，又提升了測量性能。改造后的數(shù)字化顯微鏡能夠測量處于同一平面的各種幾何參數(shù)，計算距離、夾角、位置等簡單的幾何量以及評價二維幾何公差、測量螺紋、齒輪等復(fù)雜參數(shù)。

關(guān)鍵詞：工具顯微鏡；數(shù)字化；硬件

顯微鏡大多數(shù)應(yīng)用在科研機構(gòu)和各高校的科研教學(xué)當(dāng)中，目前所使用的顯微鏡，多數(shù)還是需要手動調(diào)節(jié)，手動對焦，工作效率相對不高。這篇硬件改進(jìn)方案對現(xiàn)有的用途廣泛的工具顯微鏡實行數(shù)字化的改進(jìn)，目標(biāo)在于在限制成本和改造難度的基礎(chǔ)上，把現(xiàn)有儀器改造成自動化的，減少工作量的顯微鏡。方案設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)載物臺和光學(xué)系統(tǒng)的自動控制及自動聚焦，并且能夠?qū)︼@微圖像進(jìn)一步分析處理以滿足不同工作情況的需求。

1 顯微鏡的主要構(gòu)造及成像原理

光學(xué)顯微鏡是利用光學(xué)原理，把人眼所不能分辨的微小部件放大成像，其主要有三部分構(gòu)成：機械部分、光學(xué)部分和照明部分，如圖1所示。[1]第一部分主要由調(diào)焦機構(gòu)、載物臺等夾持部件以及底座等支持部件構(gòu)成；第二部分包括了目鏡、物鏡等光學(xué)機構(gòu)；第三部分是照明部分，涵蓋了光源、反光鏡和集光器，位于載物臺下方的位置。

1.1 顯微鏡的成像原理

顯微鏡的成像原理基于目鏡、物鏡等組成的成像系統(tǒng)。所被觀察的物體經(jīng)過凸透鏡后被兩次放大，首先是被物鏡放大，放大后物體呈倒立放大的實像，然后第一次放大后的實像經(jīng)過目鏡，被目鏡放大后呈正立放大的虛像，最終放大后的虛像便可提供給肉眼進(jìn)行清晰觀察，由成像原理可知，顯微鏡的實際放大倍數(shù)是兩次放大倍數(shù)的乘積。

1.2 數(shù)字化顯微鏡

數(shù)字化顯微鏡的構(gòu)成和普通顯微鏡大致相同，只是加入了攝像機部分，基于普通顯微鏡的硬件部分，我們將數(shù)字技術(shù)融入其中，使顯微鏡所呈現(xiàn)的圖像數(shù)字化，與計算機相連接，使儀器顯示的圖像直接呈現(xiàn)的電腦屏幕之上，并且可以存儲在計算機的硬盤之中，方便工作中各種用途之用。它的主要原理實際是通過攝像技術(shù)將儀器二次放大后所成的像，通過光電轉(zhuǎn)換技術(shù)將采集的信號轉(zhuǎn)換，并通過計算機的顯示器呈現(xiàn)出來。

2 總體方案設(shè)計

顯微鏡數(shù)字化圖像采集系統(tǒng)由計算機、單片機系統(tǒng)、步進(jìn)電機、顯微鏡及自動載物臺、攝像頭等組成。它的工作原理是由計算機對控制器發(fā)出指令，指令被傳輸?shù)絾纹瑱C之中，收到指令后單片機即作出分析判斷，從而依照指令進(jìn)行設(shè)置，包括內(nèi)部步進(jìn)電機的行動距離等數(shù)據(jù)，基于其精密的機械構(gòu)成部分，驅(qū)動對應(yīng)的機械和光學(xué)部分進(jìn)行精確的移動，進(jìn)而實現(xiàn)一次命令執(zhí)行。其控制器經(jīng)單片機的接口向電腦推送一次返回信號，告知計算機本次命令執(zhí)行完畢，等候再次收到指令，控制器按照指令發(fā)出的順序依次執(zhí)行每一次指令，從而實現(xiàn)應(yīng)用電腦對顯微鏡機械部分的連續(xù)控制。

2.1 載物臺的重新設(shè)計

載物臺屬于顯微鏡的機械部分中比較重要的一部分，其主要用途是承載被檢驗的部件，其主要結(jié)構(gòu)由固定臺座和活動的臺面組成。[2]兩部分之間通過導(dǎo)軌進(jìn)行連接，通過連接的導(dǎo)軌部件，臺面可以進(jìn)行前后的移動，在可移動的臺面部分上有安裝了活動的夾片裝置。要強調(diào)的一點是，活動臺面的可移動范圍是很小的。以圖2所示的顯微鏡為參照，對其載物臺進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，需采用單片機驅(qū)動步進(jìn)電機，使其和活動臺面相連，將步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動傳遞給載物臺，從而實現(xiàn)活動臺面的三坐標(biāo)方向上的移動。導(dǎo)軌可以保證整個位移過程中各移動部分的位移精確程度，還可以用來承載其上方部件的載荷。[3]在設(shè)計過程中，并未對之前的導(dǎo)軌進(jìn)行改變，依然使用顯微鏡的原導(dǎo)軌，橫向工作臺系統(tǒng)由多個精密部分構(gòu)成。重新設(shè)計時，傳動精度對顯微鏡的性能有著比較大的影響，因此把第一部分和第二部分放在一起實行改進(jìn)，在儀器拆裝時要加倍小心，避免不當(dāng)操作導(dǎo)致儀器精度降低。

2.2 轉(zhuǎn)換器的重新設(shè)計

物鏡轉(zhuǎn)換器的好壞通常從它的定位精度和齊焦精度兩方面進(jìn)行評定，精度是直接反應(yīng)轉(zhuǎn)換器質(zhì)量的唯一標(biāo)準(zhǔn)。[4]顯微鏡的轉(zhuǎn)換器部分有固定板和轉(zhuǎn)動版兩個核心部分所構(gòu)成。我們重新設(shè)計的顯微鏡屬于應(yīng)用比較廣泛的工具顯微鏡，大多標(biāo)配有四孔轉(zhuǎn)換器，針對這一部分設(shè)計改良時，我們使用電機來進(jìn)行運動傳遞，基于電機主軸的轉(zhuǎn)動從而帶動轉(zhuǎn)動板運動。首先需要將電機固定在鏡柱的里側(cè)位置，使電機的主軸與顯微鏡的機械傳動部分連接，通過電機主軸的轉(zhuǎn)動將運動傳遞出去，改手動為自動，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)自動化，在省去大部分勞動強度的同時節(jié)省了時間，也保證了精度。

2.3 攝像頭

顯微鏡作為工具本身，需要人從目鏡中得到我們需要的清晰放大的圖像，通過調(diào)節(jié)顯微鏡各部分調(diào)節(jié)按鈕便可以實現(xiàn)這一點，但過程很消耗精力，在標(biāo)本數(shù)量很多時，勞動強度較大。重新設(shè)計之后，在顯微鏡目鏡的后方安裝攝像頭，將本來需要人眼觀察的圖像經(jīng)過圖像傳感器直接獲取并呈現(xiàn)在電腦顯示器上，通過編寫的自動對焦的程序算法，使我們在計算機顯示器上觀察到的圖像足夠清晰，這樣便避免了人工調(diào)節(jié)的整個過程，降低了勞動強度，省時省力。

攝像頭將采集到的經(jīng)過顯微鏡二次放大之后所成的像，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)接嬎銠C之中，在顯示器上清晰地顯示出來，供給工作人員進(jìn)行觀察。[5]這一過程和技術(shù)是顯微鏡數(shù)字化的基礎(chǔ)。

顯微鏡圖像采集系統(tǒng)采用200萬像素以上的USB攝像頭，可以實現(xiàn)顯微鏡自動聚焦與圖像自動采集，USB設(shè)備具有接口安裝簡單，適用性強的優(yōu)勢，擁有較高的性價比。

2.4 載物臺的驅(qū)動設(shè)計

本次設(shè)計運用步進(jìn)電機作為可運動臺面的控制驅(qū)動基礎(chǔ)。它可以實現(xiàn)將脈沖輸入轉(zhuǎn)化成直線運動和旋轉(zhuǎn)。運用科學(xué)的控制驅(qū)動方法，可以保證輸入和輸出的對等，從而便可實現(xiàn)對顯微鏡載物臺位移量的精確控制。同時步進(jìn)電機具有許多優(yōu)點，它在實現(xiàn)快速加減速和驟停方面表現(xiàn)出色，同時也具有無累計誤差的優(yōu)秀品質(zhì)，控制方式簡單，價格方面也相對較低，在應(yīng)用上具有較高的性價比。因此，本次載物臺的驅(qū)動設(shè)計便采用了步進(jìn)電機控制系統(tǒng)。

3 結(jié)論

本次課題對工具顯微鏡各機械部分進(jìn)行了數(shù)字化設(shè)計改進(jìn)，實現(xiàn)了顯微鏡的自動調(diào)焦，為圖像自動化采集奠定了硬件基礎(chǔ)。重新設(shè)計改造之后，在目標(biāo)定位精度和運動控制的精度方面都得到了很大改善，使觀察者在觀察目標(biāo)物體時，降低了勞動強度，提高了圖像獲取質(zhì)量和效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉寶廷，等.步進(jìn)電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.11.

[2]朱佳娜.步進(jìn)電機多軸運動控制系統(tǒng)的研究.碩士學(xué)位論文.四川大學(xué)，2004：118.

[3]吳宏，蔣仕龍，龔小云，等.運動控制器的現(xiàn)狀與發(fā)展.制造技術(shù)與機床，2004.1.

[4]俞斯樂，候正信，馮啟明，李文元.電視原理.北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[5]TVP5150A Quick Start Guide，Texas Instruments Incorporated，2003.10.