高精度直線切換式調焦機構的設計與試驗研究

謝瀚森， 鄭甲紅， 付威威， 張 洋， 劉 敏， 潘 力， 朱海龍， 王 駿， 劉紅葉

(1.陜西科技大學機電工程學院， 西安 7100212； 2.中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所影像室， 蘇州 215163；3.長春市中心醫院檢驗科， 長春 130000)

醫療設備的小型化、快速化、芯片化是現代儀器發展的新趨勢。其中即時檢測指的是利用便攜式設備和配套試劑在短短幾分鐘內得到檢測結果，目的在于減小對大型化高端設備的依賴，降低對使用人員的技術要求，易于普及和推廣，主要應用于血細胞檢測、微生物觀察和病理切片掃描。自1990年，瑞士Ciba-Geigy公司的Manz等[1]首次提出微全分析系統(微流控芯片)的概念以后，即時檢驗設備的尺寸得到進一步縮小[2]。目前，實時檢驗技術在血細胞檢測領域主要有血紅蛋白濃度檢測、白細胞計數和分類及血小板計數等應用。如Thermo Fisher公司的Countess II FL全自動細胞計數儀、Logos Biosystems公司的LUNA-FLTM雙熒光細胞計數儀，在明場或熒光條件下通過單個4X或10X物鏡來檢測 5～180 μm細胞的數量、活率、直徑、濃度等指標。而在病理切片掃描領域，成像細節對于臨床病理醫生的診斷至關重要，為防止拍攝出的圖像細胞內部細節丟失嚴重，日本和美國的行業標準都認為20X拍攝要能分辨0.5 μm/piex，40X拍攝要能分辨0.25 μm/piex。因此為整合不同使用需求，設計并驗證了一種低成本小型化的直線切換式調焦機構，可實現不同倍數物鏡的快速切換與自動對焦。

調焦機構是顯微成像系統的重要組成部分。近年來還出現了某些直線式物鏡轉換器，如EDMUND公司的電動線性物鏡轉換器，采用直線電機、高精度交叉滾子軸承和線性編碼器，能在0.2 s內實現相鄰物鏡的切換，定位精度達到0.1 μm。然而，其物鏡沿軸線方向不能移動，不具有調焦功能，且體積龐大，價格高昂。單物鏡調焦機構有EDMUND顯微物鏡納米級調整件系統，由壓電驅動，壓簧引導，運動范圍100 μm，分辨率1.5 nm，主體材料為鋁和黃銅，定價為每臺20 000元。EDMUND顯微物鏡納米級調整件系統的缺點在于：因為行程較小所以對安裝精度要求較高，否則難以完成對焦。如PI公司的PIFOC物鏡掃描臺，同樣采用壓電驅動，行程可達到2 mm，具有亞納米級分辨率；但同樣由于壓電驅動的使用導致價格昂貴，更重要的是EDMUND顯微物鏡納米級調整件系統和PI公司的PIFOC?物鏡掃描臺都不能實現多個物鏡的切換。因此如何降低成本，并同時實現物鏡的調焦與切換是研究的重點。為此，設計一種直線切換式高精度調焦機構，通過高精度驅動器控制HB(混合)絲桿步進電機運行，用編碼器來防止步進電機不丟步，以實現2個物鏡的切換與調焦，并對其相關性能進行測試。

1 光學系統介紹

圖1 光學系統示意圖Fig.1 Optical system schematic

調焦機構的設計都有著一套與之相配的光學系統，如圖1所示，系統采用熒光成像與落射式結構，激發光與熒光相對物鏡而言方向相反，不會產生互相干擾，且落射照明和觀察面在同一表面，熒光圖象亮度毫無損耗，且對象質也無影響，特別對厚的切片，如菌落和組織培養等更具有獨特的功能[3]。成像光路經過3次反射可以大大減小儀器的外形尺寸。調焦機構針對此類顯微成像系統采用倒置物鏡的形式，以實現不同倍數物鏡切換和自動對焦為目標，配合不同熒光模塊，結合圖像拼接、圖像處理技術，對細胞或微生物的形態、數量等參數進行快速而準確的檢測[4]。

2 調焦原理

目前，對焦方式有相位對焦與反差對焦2種。相位對焦通過感應互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)上的一個對焦點對應的兩個線型感應器測量通過分光鏡片(二次成像鏡片)的2個像之間的距離，與合焦標準量作比較來對焦，在暗處時信號不強烈難以對焦。而小型化顯微成像系統多是封閉式結構，暗背景形成的高對比度更適合采用反差對焦技術。隨著對焦鏡片開始移動，畫面逐漸清晰，對比度開始上升；當畫面最清晰，對比度最高時，其實已經處于合焦狀態，但相機并不知道，所以會繼續移動鏡頭，當發現對比度開始下降。進一步移動鏡片，發現對比度進一步下降，相機知道已經錯過焦點；鏡片回退至對比度最高的位置，完成對焦[5]。

圖2 電機運動方式Fig.2 Motor movement

電機的具體運動方式如圖2所示，按照HB絲桿電機單步長0.762 μm為間隔設置2 000個測量點，預計調焦范圍為1.524 mm。電機從零點開始逐點掃描，將焦點上獲得的影像數字化，得到一組整數矩陣，并傳遞給圖像處理器，然后計算反差量，對比篩選出反差最大的。然后電機回到零位，再驅動物鏡將焦點放置在反差值最大的最佳測量點nX1。電機再次正轉5個單步長，反轉10個單步長，得到10個測量數據，計算反差量得到最大的最佳測量點nX2，電機驅動物鏡完成對焦。

2.1 調焦機構的組成

調焦機構使用絲杠螺母副進行調焦，其組成如圖3所示，主要由HB絲桿電機、消間隙螺母、導軌滑塊、交叉滾子導軌、編碼器、位置傳感器、基座板、物鏡切換板、調焦移動板、調焦固定板、電機固定板組成。其中兩個絲桿電機分別為物鏡的垂直和水平運動提供動力。使用絲桿電機的優點是省去了傳統的聯軸器連接形式，不僅降低了對安裝同軸度的要求，也消除了由聯軸器產生的空行程。消間隙螺母消除了空回誤差，進一步提高了運動精度。垂直方向使用THK公司的高精度導軌，具有很好的剛度與直線度。水平方向使用Igus公司的免潤滑導軌，安裝方便、無油污。同時，同一條軸線上的多個軸孔采用線切割方式一次成型，保證了較高的同軸度，降低了安裝難度[6-8]。

物鏡的切換：在平臺基座上兩個固定位置A、B安裝有光電開關發射器，分別對應A、B物鏡與光軸對齊時的位置。在移動板上安裝有光電開關接收器。電機從零位開始正轉，當接收器第一次收到信號時，物鏡A與光軸對齊，第二次接收到信號時，物鏡B與光軸對齊。

圖3 調焦機構的組成Fig.3 Composition of the focusing mechanism

圖4 HB絲桿電機實物Fig.4 Screw motor physical

2.2 調焦驅動力矩計算

如圖4所示該電機主要由步進電機主體、驅動絲杠和消隙螺母3部分組成。其中，步進電機主體為電機的定子，而驅動絲杠和消隙螺母為電機的轉子。當直線電機通電工作后，電機驅動絲杠回轉，繼而通過螺紋連接副將絲杠的回轉運動轉變為消隙螺母的直線運動，以實現電機直線方向動力的輸出以及驅動力的放大。該直線電機相比普通型步進電機的突出優勢是：省去了聯軸節器，不僅使調焦平臺的結構更加緊湊，降低了裝調難度，而且有利于提高調焦平臺的工作可靠性。此外，消隙螺母消除了驅動絲杠與螺母間的空回，提高了調焦平臺的運動精度[9]。

10X物鏡重m1=0.075 kg，20X物鏡重m2=0.095 kg，驅動板重m3=0.1 kg，負載力矩TL計算公式如式(1)所示：

(1)

式(1)中：PB為絲桿導程；η為傳動效率；i為傳動比；m為負載物體總質量。將上述數值代入得到：

1.3×10-3N·m

(2)

選用MOONS’LE11S-E05006-30-BR1-E-100型步進電機的靜力矩為6×10-2，其主要性能指標如表1所示。由表1可知，MOONS’LE11S-E05006型步進電機可以滿足使用要求。

表1 MOONS’ LE11S-E05006-30-BR1-E-100電機組件的主要性能指標Table 1 Main performance indicators of MOONS’ LE11S-E05006-30-BR1-E-100 motor components

2.3 調焦機構精度分析

無限遠光路數字顯微鏡的景深計算公式如式(3)所示：

(3)

式(3)中：n為顯微鏡物空間折射率，通常干鏡頭取值為1，浸油鏡頭取值為1.515；λ為人眼最敏感譜線的波長，在熒光顯微鏡中，熒光的顏色通常為藍色、紅色、黃色和綠色，所以仍可取0.55 μm作為平均值；NA(numerical aperture)為物鏡的數值孔徑；β和βr分別為物鏡和轉接鏡的橫向放大率；e為2倍電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)像素尺寸。以20倍物鏡為例,NA=0.4，BASLER ML230-40c相機的像素尺寸為4.8 μm。

(4)

按照工程經驗，電機最小步進應小于：

σx/4=1.33 μm

(5)

HB絲桿電機LE11S-E05006-30-BR1-E-10的絲桿導程0.609 6 mm，步距角1.8°。因為細分數大于8細分時，步進電機細分的不均勻性有顯著提高，所以對電機進行1/4細分后，單步長S為

(6)

式(6)計算結果<1.33 μm，說明滿足理論要求[10-11]。

2.4 模態分析

由于電機固定在平板上，通過絲桿螺母來驅動2個物鏡調焦，所以對結構件的模態分析十分必要。結構件主要由Z形板、L形板、電機固定架、平板組成，整體材料使用鋁合金2A12-T4經過CNC加工制成，具有較好的工藝品質。(表面粗糙度Ra=1.6，平面度1/1 000 mm，垂直度1/1 000 mm，圓度0.001 mm，同軸度0.001 mm)。Ansys workbench劃分網后得到72 194個微元，結構件的1階模態為548.72 Hz，2階模態為1 123.8 Hz，遠遠大于步進電機振動頻率(小于10 Hz)，不會引起共振，滿足應用要求。結構件的剛度薄弱點如圖5所示出現在物鏡安裝板處，表明基座的安裝基準面更加穩定可靠。因此，該平臺基座的設計滿足應用需求。

圖5 調焦機構的有限元模態分析Fig.5 Finite element modal analysis of focusing mechanism

3 調焦機構精度測試

測量實驗采用Agilent雙頻激光干涉儀來測量步進分辨率。被測系統全部放置在隔震平臺上，以減少環境或人為振動的干擾。為減小外部光源對雙頻激光干涉儀發出激光的干擾，避免測量值的漂移，選擇實驗室照度在1 lx以下進行測量。同時測量過程中還使用了2個傳感器，進行溫度補償和材料補償，自動調節環境對激光讀數的影響，搭建方式如圖6所示[12-13]。

圖6 調焦機構單步精度測量Fig.6 Focusing mechanism single step accuracy measurement

3.1 運動精度測量

調焦機構在2 mm行程內，分別在距離起始位置0、0.5、1、1.5、2 mm處進行往復運動，單向運動10個步進，得到圖7所示的位置時間關系折線圖。最終測得的單步最大位移約為1 μm，滿足設計<1.33 μm的要求。

圖7 調焦機構單步精度測量結果Fig.7 The measurement results of focusing mechanism single step accuracy

3.2 垂直度測量

調焦機構的垂直度采用TRIOPTICS自準直儀來測量，測量系統與調焦系統均放置在隔震平臺上，測量環境依然選擇相對較暗的實驗室[14]。反射鏡用轉接件與調焦機構相連，用反射回來的十字叉絲與發射出的十字叉絲的偏差來反映運動軸線與基準軸線的偏角。最終用x方向偏差值(俯仰)與y方向(偏轉)偏差值的幾何平均值作為最終的偏差值。搭建方式如圖8所示。

圖8 調焦機構垂直度測量Fig.8 Focusing mechanism verticality measurement

測量時以距離0.2 mm劃分10個點，得到10組垂直度偏差，結果如表2所示。由表2可知，所設計調焦機構垂直偏角≤10″，滿足光學設計的要求。

表2 調焦機構垂直度測量結果Table.2 The results of focusing mechanism verticality measurement

4 結論

(1)設計一種將物鏡的直線切換與調焦功能集于一體的機構，并對調焦方法進行了設計，對材料選取與結構振動進行了分析，解算了驅動力矩與調焦量。最終進行單步精度測試與垂直度檢測，在不加光柵尺的條件下，在2 mm行程內，調焦分辨力<1 μm，垂直度偏差<10″，已達到同類國外產品指標，成本為同類產品的1/4，滿足了顯微成像系統需求。

(2)設計并實驗的高精度直線切換式調焦機構，響應速度快、精度高、一致性好、成本低，對即時檢測設備的小型化提供了良好的借鑒意義。