显微镜数字化的硬件改进探究

陈东

摘要：工具显微镜的测量过程比较繁琐，劳动强度大，测量效率低，人为误差大。根据当前国内外同类仪器数字化的趋势，应用光栅位移测试技术、CCD摄像技术和数字图像处理技术，将工具显微镜改造成为微机型工具显微镜——准自动化数字仪器。使之操作简单，具有丰富测量功能。这样既简化了操作过程、提高测量速度，又提升了测量性能。改造后的数字化显微镜能够测量处于同一平面的各种几何参数，计算距离、夹角、位置等简单的几何量以及评价二维几何公差、测量螺纹、齿轮等复杂参数。

關键词：工具显微镜；数字化；硬件

显微镜大多数应用在科研机构和各高校的科研教学当中，目前所使用的显微镜，多数还是需要手动调节，手动对焦，工作效率相对不高。这篇硬件改进方案对现有的用途广泛的工具显微镜实行数字化的改进，目标在于在限制成本和改造难度的基础上，把现有仪器改造成自动化的，减少工作量的显微镜。方案设计能够实现载物台和光学系统的自动控制及自动聚焦，并且能够对显微图像进一步分析处理以满足不同工作情况的需求。

1 显微镜的主要构造及成像原理

光学显微镜是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小部件放大成像，其主要有三部分构成：机械部分、光学部分和照明部分，如图1所示。[1]第一部分主要由调焦机构、载物台等夹持部件以及底座等支持部件构成；第二部分包括了目镜、物镜等光学机构；第三部分是照明部分，涵盖了光源、反光镜和集光器，位于载物台下方的位置。

1.1 显微镜的成像原理

显微镜的成像原理基于目镜、物镜等组成的成像系统。所被观察的物体经过凸透镜后被两次放大，首先是被物镜放大，放大后物体呈倒立放大的实像，然后第一次放大后的实像经过目镜，被目镜放大后呈正立放大的虚像，最终放大后的虚像便可提供给肉眼进行清晰观察，由成像原理可知，显微镜的实际放大倍数是两次放大倍数的乘积。

1.2 数字化显微镜

数字化显微镜的构成和普通显微镜大致相同，只是加入了摄像机部分，基于普通显微镜的硬件部分，我们将数字技术融入其中，使显微镜所呈现的图像数字化，与计算机相连接，使仪器显示的图像直接呈现的电脑屏幕之上，并且可以存储在计算机的硬盘之中，方便工作中各种用途之用。它的主要原理实际是通过摄像技术将仪器二次放大后所成的像，通过光电转换技术将采集的信号转换，并通过计算机的显示器呈现出来。

2 总体方案设计

显微镜数字化图像采集系统由计算机、单片机系统、步进电机、显微镜及自动载物台、摄像头等组成。它的工作原理是由计算机对控制器发出指令，指令被传输到单片机之中，收到指令后单片机即作出分析判断，从而依照指令进行设置，包括内部步进电机的行动距离等数据，基于其精密的机械构成部分，驱动对应的机械和光学部分进行精确的移动，进而实现一次命令执行。其控制器经单片机的接口向电脑推送一次返回信号，告知计算机本次命令执行完毕，等候再次收到指令，控制器按照指令发出的顺序依次执行每一次指令，从而实现应用电脑对显微镜机械部分的连续控制。

2.1 载物台的重新设计

载物台属于显微镜的机械部分中比较重要的一部分，其主要用途是承载被检验的部件，其主要结构由固定台座和活动的台面组成。[2]两部分之间通过导轨进行连接，通过连接的导轨部件，台面可以进行前后的移动，在可移动的台面部分上有安装了活动的夹片装置。要强调的一点是，活动台面的可移动范围是很小的。以图2所示的显微镜为参照，对其载物台进行设计改进，需采用单片机驱动步进电机，使其和活动台面相连，将步进电机的转动传递给载物台，从而实现活动台面的三坐标方向上的移动。导轨可以保证整个位移过程中各移动部分的位移精确程度，还可以用来承载其上方部件的载荷。[3]在设计过程中，并未对之前的导轨进行改变，依然使用显微镜的原导轨，横向工作台系统由多个精密部分构成。重新设计时，传动精度对显微镜的性能有着比较大的影响，因此把第一部分和第二部分放在一起实行改进，在仪器拆装时要加倍小心，避免不当操作导致仪器精度降低。

2.2 转换器的重新设计

物镜转换器的好坏通常从它的定位精度和齐焦精度两方面进行评定，精度是直接反应转换器质量的唯一标准。[4]显微镜的转换器部分有固定板和转动版两个核心部分所构成。我们重新设计的显微镜属于应用比较广泛的工具显微镜，大多标配有四孔转换器，针对这一部分设计改良时，我们使用电机来进行运动传递，基于电机主轴的转动从而带动转动板运动。首先需要将电机固定在镜柱的里侧位置，使电机的主轴与显微镜的机械传动部分连接，通过电机主轴的转动将运动传递出去，改手动为自动，进而使得转换器实现自动化，在省去大部分劳动强度的同时节省了时间，也保证了精度。

2.3 摄像头

显微镜作为工具本身，需要人从目镜中得到我们需要的清晰放大的图像，通过调节显微镜各部分调节按钮便可以实现这一点，但过程很消耗精力，在标本数量很多时，劳动强度较大。重新设计之后，在显微镜目镜的后方安装摄像头，将本来需要人眼观察的图像经过图像传感器直接获取并呈现在电脑显示器上，通过编写的自动对焦的程序算法，使我们在计算机显示器上观察到的图像足够清晰，这样便避免了人工调节的整个过程，降低了劳动强度，省时省力。

摄像头将采集到的经过显微镜二次放大之后所成的像，进行光电转换后传输到计算机之中，在显示器上清晰地显示出来，供给工作人员进行观察。[5]这一过程和技术是显微镜数字化的基础。

显微镜图像采集系统采用200万像素以上的USB摄像头，可以实现显微镜自动聚焦与图像自动采集，USB设备具有接口安装简单，适用性强的优势，拥有较高的性价比。

2.4 载物台的驱动设计

本次设计运用步进电机作为可运动台面的控制驱动基础。它可以实现将脉冲输入转化成直线运动和旋转。运用科学的控制驱动方法，可以保证输入和输出的对等，从而便可实现对显微镜载物台位移量的精确控制。同时步进电机具有许多优点，它在实现快速加减速和骤停方面表现出色，同时也具有无累计误差的优秀品质，控制方式简单，价格方面也相对较低，在应用上具有较高的性价比。因此，本次载物台的驱动设计便采用了步进电机控制系统。

3 结论

本次课题对工具显微镜各机械部分进行了数字化设计改进，实现了显微镜的自动调焦，为图像自动化采集奠定了硬件基础。重新设计改造之后，在目标定位精度和运动控制的精度方面都得到了很大改善，使观察者在观察目标物体时，降低了劳动强度，提高了图像获取质量和效率。

参考文献：

[1]刘宝廷，等.步进电动机及其驱动控制系统.哈尔滨工业大学出版社，1997.11.

[2]朱佳娜.步进电机多轴运动控制系统的研究.硕士学位论文.四川大学，2004：118.

[3]吴宏，蒋仕龙，龚小云，等.运动控制器的现状与发展.制造技术与机床，2004.1.

[4]俞斯乐，候正信，冯启明，李文元.电视原理.北京：国防工业出版社，2000.

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