光学显微镜的数字化设计与开发

　　1 引言

　　随着处理样品的增多和对检测速度要求的提高，普通光学显微镜已不能满足需要，因此实现光学显微镜图像自动采集、自动聚集、自动拼接已成为当务之急。显微镜数字化改造设计由计算机、单片机系统、步进电机、显微镜及自动载物台、数字摄像头等组成，如图 1所示。工作原理是由计算机通过 RS232 串口对平台控制器发出指令，控制器中单片机收到指令后，根据指令设置相应内置步进电机的移动步数、移动速度、视场数和方向，通过其精密机械传动机构，使载物台和物境转换器精确移动，完成一次控制操作。控制器通过单片机 RS232 接口向计算机发出一个返回信号，通知计算机此次工作完毕，等待下次指令。控制器依次执行计算机的控制指令，完成对 X- Y- Z 扫描平台和调焦机构的连续控制。

　　2 机械部分设计

　　普通光学显微镜载物台移动、镜头聚焦、物镜转换和照明光源调控等操作均由手动操作完成，无法实现显微图像的智能化处理。要改变这些情况，必须设计数字化显微镜控制系统及配套机械结构，来实现显微镜的自动化控制。

　　2.1 载物台的改造

　　以显微镜 Olympus CX31 为例，对其载物台进行改造的设计是采用单片机控制步进电机转动，而电机轴与载物台传动机构联接，这样把电机的转动转换为载物台 X、Y 方向的平动，以及载物台 Z 向升降运动。

　　标本重量可以忽略不计，对载物台 X 和 Y 方向的改造，仍采用原传动机构，导轨仍沿用原导轨。把步进电机轴通过联轴器与原传动机构按钮联接，使驱动电机与 X向和 Y 向工作台联成一体。

　　调焦最小步长是微动调焦机构决定的，采用步进电机代替粗动和微动调焦手轮。光学显微镜调焦机构的改造，主要是对调焦手轮的改造，通过联轴器与电机相联，用套筒包容电机、联轴器和调节器，并固定在镜柱上，电机再固定在套筒上，如图 2。

　　2.2 物镜转换器的改造

　　本设计采用的是四孔物镜转换器。把电机安装在镜柱内侧, 电机主轴通过联轴器与伞齿传动机构相联, 伞齿传动机构把转动传递给物镜转换器,从而实现物镜转换器的自动旋转，如图 3、图 4。

　　2.3 摄相机的选择

　　在目镜后方安装数字摄像机，将显微镜的物镜或者目镜放大之后所成像部分，通过光电转换，把光信号转换为电信号，接入电脑，在计算机中得到清晰的显微图像，如图 5。

　　2.4 驱动源选择

　　通过控制，步进电机的输出步数总是和输入的电脉冲数相等，在增量运动方面，具有迅速加速、减速和停机能力，还具有低转动惯量、无漂移和无累积定位误差特征。载物台驱动及物镜转换的驱动，均采用步进电机作为驱动源。