一种双物镜自动切换及对焦装置

技术领域

本发明涉及显微镜领域，尤其是涉及一种双物镜自动切换及对焦装置。

背景技术

染色体核型分析需要使用光学显微镜对染色体样本进行显微成像，在成像过程中需要低倍和高倍物镜配合使用，通常为10

物镜的自动切换及对焦功能是实现染色体显微成像及核型分析的关键所在。现有技术多为在传统显微镜基础上进行升级改造，在物镜切换方面，传统结构多为多孔位旋转塔轮，可同时安装4-6个物镜，塔轮倾斜安装，结构复杂，加工制造成本高；在物镜对焦方面，传统结构多为塔轮整体Z向升降调焦，不同倍率物镜的调焦速度、行程范围、调焦精度没有区别。

在物镜调焦方面,为了同时保证低倍物镜的大行程、高速度调焦以及高倍物镜的小行程、高精度调焦，现有技术方案通常采用粗精两级传动结构实现。传统显微镜机构通常采用多级齿轮及齿条结构实现粗调与精调，以手动旋钮或步进电机作为驱动力进行调焦，该类调焦方案调节速度慢、调焦精度低、调焦步距大，调焦运动稳定性差且很难调整到最佳位置，往往需要多次、反复调整。申请号为201910045016.7，名为“显微镜Z轴调焦机构”的专利中，在传统调焦方案基础上，采用手动与电动的结合，通过粗动驱动补件和微动驱动部件旋转过程中产生电脉冲信号对调焦步进电机进行控制，以此驱动精密丝杠进行调焦。该方案结构过于复杂，且与传统调焦方案并无太大本质区别，仅是通过增大电机的步进分辨率来提高调焦精度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种双物镜自动切换及对焦装置，该装置结构简单，能够满足不同倍率物镜的调焦速度、行程范围、调焦精度的需要。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种双物镜自动切换及对焦装置，包括支座、低倍物镜组件、高倍物镜组件、切换结构、对焦驱动组件以及微位移对焦结构，所述切换结构包括切换驱动件以及与所述切换驱动件连接的转动座，所述转动座转动安装于所述支座，所述低倍物镜组件以及所述高倍物镜组件分别滑动安装于所述转动座并形成夹角，所述对焦驱动组件安装于所述转动座并与所述低倍物镜组件连接以驱动所述低倍物镜组件相对所述转动座沿第一方向移动以调节焦距，所述微位移对焦结构包括楔形块以及抵触结构，所述楔形块固定于所述低倍物镜组件，所述楔形块设有斜面，所述抵触结构包括固定座、弹性件以及顶杆，所述固定座固定于所述转动座，所述顶杆活动安装于所述固定座并与所述斜面抵触，所述弹性件两端分别与所述固定座以及所述顶杆抵触，所述高倍物镜组件与所述顶杆连接，所述低倍物镜组件带动所述楔形块沿第一方向移动移动时，所述楔形块抵触所述顶杆，使所述顶杆带动所述高倍物镜组件沿第二方向移动。

进一步的，所述双物镜自动切换及对焦装置还包括限位件，所述限位件包括限位座以及安装于所述限位座的磁铁，所述限位座固定于所述支座，所述转动座包括吸附件，所述吸附件与所述磁铁吸附使所述转动座相对所述支座定位。

进一步的，所述转动座还包括主体以及从所述主体延伸而出的两凸起，所述吸附件的数量为两个，两所述吸附件分别安装于两所述凸起，所述低倍物镜组件工作时，一所述吸附件与所述限位座一侧面贴合并与所述磁铁吸附；所述高倍物镜组件工作时，另一所述吸附件与所述限位座另一侧面贴合并与所述磁铁吸附。

进一步的，所述限位座的两侧面相互平行并且平行度小于等于2μm。

进一步的，两所述凸起相互垂直并且垂直度小于等于5μm。

进一步的，所述双物镜自动切换及对焦装置还包括两切换感应件，两所述切换感应件分别固定于所述支座，所述转动座还包括两挡片，每一所述挡片固定于一所述凸起端部，当所述低倍物镜组件工作时，一所述挡片位于一所述切换感应件中，当所述高倍物镜组件工作时，另一所述挡片位于另一所述切换感应件中。

进一步的，所述对焦驱动组件包括对焦驱动件以及对焦传动件，所述对焦驱动件固定于所述转动座，所述对焦传动件与所述对焦驱动件连接并与所述低倍物镜组件连接，所述对焦驱动件通过所述对焦传动件带动所述低倍物镜组件移动。

进一步的，所述对焦驱动件为步进电机，所述对焦传动件包括第一传动件以及第二传动件，所述第一传动件为丝杠，所述第二传动件为丝母，所述丝杠与所述对焦驱动件连接，所述丝母安装于所述丝杠并与所述低倍物镜组件连接。

进一步的，所述双物镜自动切换及对焦装置还包括对焦感应件，所述对焦感应件固定于所述转动座，所述低倍物镜组件移动至预设位置时触发所述对焦感应件。

进一步的，所述斜面的倾角正弦值为0.1。

相比现有技术，本发明双物镜自动切换及对焦装置的切换驱动件驱动转动座相对支座转动，实现低倍物镜组件以及所述高倍物镜组件的切换；楔形块固定于低倍物镜组件，楔形块设有斜面，抵触结构包括固定座、弹性件以及顶杆，固定座固定于转动座，顶杆活动安装于固定座并与斜面抵触，弹性件两端分别与固定座以及顶杆抵触，高倍物镜组件与顶杆连接，低倍物镜组件带动楔形块沿第一方向移动移动时，楔形块抵触顶杆，使顶杆带动高倍物镜组件沿第二方向移动，通过上述设计，使用同一套驱动机构，实现低倍物镜组件以及所述高倍物镜组件不同量级的对焦精度，可以以简洁、廉价的方式同时满足低倍物镜对焦距离长，对焦速度快，高倍物镜对焦精度高的全部实际要求。

附图说明

图1为本发明双物镜自动切换及对焦装置的低倍物镜工作时的立体图；

图2为图1的双物镜自动切换及对焦装置的立体剖视图；

图3为图1的双物镜自动切换及对焦装置的一局部结构立体图；

图4为图1的双物镜自动切换及对焦装置的另一局部结构立体图；

图5为图1的双物镜自动切换及对焦装置的又一局部结构立体图；

图6为图1的双物镜自动切换及对焦装置的高倍物镜调焦示意图；

图7为图6的高倍物镜调焦立体剖视图；

图8为本发明双物镜自动切换及对焦装置的高倍物镜工作时的立体图。

图中：10、支座；11、安装部；12、固定部；120、固定孔；20、切换结构；21、切换驱动件；22、轴套；23、转动座；230、主体；2301、开口；231、凸起；232、吸附件；233、挡片；30、对焦驱动组件；31、对焦驱动件；32、第一传动件；33、第二传动件；40、低倍物镜组件；41、低倍物镜座；42、低倍物镜主体；50、第一滑动结构；51、第一滑轨；52、第一滑块；60、微位移对焦结构；61、楔形块；610、斜面；62、抵触结构；620、固定座；621、顶杆；6210、挡圈；6211、抵触端；622、弹性件；70、高倍物镜组件；71、高倍物镜座；72、高倍物镜主体；80、第二滑动结构；81、第二滑轨；82、第二滑块；90、限位件；91、限位座；92、磁铁；93、切换感应件；94、对焦感应件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图8所示，本发明双物镜自动切换及对焦装置包括支座10、切换结构20、对焦驱动组件30、低倍物镜组件40、第一滑动结构50、微位移对焦结构60、高倍物镜组件70、第二滑动结构80、限位件90、切换感应件93以及对焦感应件94。

支座10包括安装部11以及固定部12，固定部12从安装部11底部延伸而出并与安装部11垂直。支座10整体呈L形。固定部12设有固定孔120，固定孔120用于将支座10固定于显微镜支架上。

切换结构20包括切换驱动件21、轴套22以及转动座23。切换驱动件21固定于支座10的安装部11，具体的，在本实施例中，切换驱动件21为步进电机。轴套22固定于切换驱动件21的输出轴，转动座23通过轴套22与切换驱动件21传动连接。

转动座23包括主体230、两凸起231、两吸附件232以及两挡片233。主体230整体呈圆形，主体230上设有开口2301，开口2301的位置用于安装对焦驱动件31，节约空间，减小装置体积。两凸起231分别位于主体230的边缘并从主体230边缘延伸而出。具体的，两凸起231的夹角呈90°并且垂直度小于等于5μm。两吸附件232分别固定于两凸起231。具体的，吸附件232为磁铁。两挡片233分别固定于两凸起231的端部，挡片233用于检测低倍物镜组件40以及高倍物镜组件70是否切换到位。

对焦驱动组件30包括对焦驱动件31以及对焦传动件。对焦驱动件31固定于主体230并位于开口2301处。对焦传动件与对焦驱动件31连接并与低倍物镜组件40连接。具体的，在本实施例中，对焦驱动件31为步进电机。对焦传动件包括第一传动件32以及第二传动件33。第一传动件32为丝杠，第二传动件33为丝母。步进电机、丝杠以及丝母的驱动方式，通过电机细分和减小丝杠导程，可以将可靠的对焦步距稳定的达到1μm量级，这可以满足低倍物镜组件40(10

低倍物镜组件40包括低倍物镜座41以及固定于低倍物镜座41的低倍物镜主体42。在本实施例中，低倍物镜主体42的放大倍数为10倍。低倍物镜组件40滑动安装于转动座23。

第一滑动结构50包括第一滑轨51以及第一滑块52。第一滑轨51固定于转动座23，第一滑块52固定于低倍物镜座41，第一滑块52与第一滑轨51配合，使低倍物镜座41滑动安装于转动座23。

微位移对焦结构60包括楔形块61以及抵触结构62。楔形块61设有斜面610，斜面610的倾斜角度决定了高倍物镜主体72的调焦精度。在本实施例中，斜面610的倾斜角正弦值为0.1。具体的，设楔角α满足tanα＝1/10,则、高倍物镜组件70(100

抵触结构62包括固定座620、顶杆621以及弹性件622。固定座620固定于转动座23。顶杆621端部活动安装于固定座620。顶杆621另一端为抵触端6211，抵触端6211与斜面610抵触，抵触端6211呈球形，以减少与斜面610的摩擦。顶杆621还设有挡圈6210，高倍物镜座71安装于顶杆621并与挡圈6210抵触。高倍物镜座71随顶杆621移动。弹性件622为弹簧，弹性件622两端分别与顶杆621以及固定座620抵触，弹性件622为顶杆621提供复位的弹力。

高倍物镜组件70包括高倍物镜座71以及高倍物镜主体72，高倍物镜主体72固定于高倍物镜座71。高倍物镜主体72的放大倍数为100倍。高倍物镜组件70滑动安装于转动座23。高倍物镜座71安装于顶杆621，通过顶杆621的移动带动高倍物镜组件70滑动。

第二滑动结构80包括第二滑轨81以及第二滑块82。第二滑轨81固定于转动座23，第二滑块82固定于高倍物镜座71，第二滑块82与第二滑轨81配合使高倍物镜座71滑动安装于物镜座71。高倍物镜组件70以及低倍物镜组件40两个位置圆周方向相隔90°，可以确保一个物镜在工作过程中，另一个物镜不会与样品台或玻片产生位置干涉。

限位件90包括限位座91以及磁铁92，限位座91固定于支座10的安装部11，磁铁92安装于限位座91。当需要切换物镜时，切换驱动件21驱动转动座23相对支座10转动，实现低倍物镜组件40以及高倍物镜组件70的切换。物镜切换过程中，通过两个切换感应件93反馈当前角度位置。在本实施例中，切换感应件93为光电开关。在切换至相应的位置后，切换驱动件21断电，通过限位件90与转动座23的吸附件232进行相吸，实现物镜切换的精确定位。具体的，当低倍物镜组件40工作时，转动座23的一凸起231与限位座91一侧贴合，吸附件232与磁铁92相吸。当高倍物镜组件70工作时，转动座23的另一凸起231与限位座91另一侧贴合，另一吸附件232与磁铁92相吸。为确保物镜切换精度，通过机械加工保证限位限位座91的两侧接触面之间平行度在2μm以内，保证转动座23的两个凸起231的接触面直接垂直度在5μm以内。这样的设计，相较于传统塔轮结构，更容易保证物镜切换后，两个物镜在工作时的轴线与显微镜光轴重合的精度。

切换感应件93固定于支座10，切换感应件93的数量为两个，两切换感应件93固定于支座10，两切换感应件93分别与两凸起231上的挡片233对应。物镜切换过程中，通过两个切换感应件93反馈当前角度位置。

对焦感应件94感应低倍物镜组件40的位置。

使用双物镜自动切换及对焦装置时，在物镜自动切换的工作过程中，切换驱动件21驱动转动座23相对支座10转动，实现低倍物镜组件40以及高倍物镜组件70的切换。物镜切换过程中，通过两个切换感应件93反馈当前角度位置。在切换至相应的位置后，切换驱动件21断电，通过限位件90与转动座23的吸附件232进行相吸，实现物镜切换的精确定位。在物镜自动对焦的工作过程中，对焦驱动件31通过第一传动件32以及第二传动件33带动低倍物镜组件40沿第一滑轨51进行Z向运动实现低倍物镜组件40的自动对焦功能。与此同时，与低倍物镜座41固定在一起的楔形块61也沿Z向运动，楔形块41的Z向运动会推动顶杆621产生X向运动，固定座620在对焦过程中保持不动，压缩弹性件622提供弹簧力，使顶杆621的球头面始终与楔形块41的斜面610保持接触。在顶杆621产生X向运动的过程中，与其固定在一起的高倍物镜组件70沿第二滑轨81在X向产生位移。

以上物镜自动对焦工作过程是以低倍物镜组件40作为工作物镜进行阐述的，切换为高倍物镜组件70作为工作物镜时，装置运动方式不变，进运动方向和调焦精度发生改变。高倍物镜组件70作为工作物镜时，首先需要进行物镜切换，对焦驱动件31带动低倍物镜组件40沿X向运动，由于楔形块61的作用，高倍物镜组件70沿Z向运动，实现自动对焦。

本申请针对染色体核型分析中显微成像的需求特点，提出一种双物镜自动切换及对焦装置，与现有技术相比，可以用更简洁的机械结构、更廉价的驱动和反馈原件、更简单的控制方式来实现高低倍双物镜的快速、高精度切换，以及与不同方法倍率物镜相匹配的对焦速度、行程及精度。90°转动物镜切换机构，既比传统塔轮切换机构简单、高效，也比直线切换结构减小了位置干涉风险。楔形微位移技术方案，可以使用同一套驱动机构，实现低倍物镜组件40和高倍物镜组件70不同量级的对焦精度，可以以简洁、廉价的方式同时满足低倍物镜对焦距离长，对焦速度快，高倍物镜对焦精度高的全部实际要求，比现有方案具备更强的可行性、便捷性和经济性。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。