УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ ОПТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к оборудованию для микроскопии и анализа, а конкретнее к элементам для дооснащения различных оптических микроскопов с механизмом грубой и точной фокусировки, предназначенных для исследования гистологических или иных препаратов, и представляет собой устройство для автоматической регулировки фокусного расстояния оптического микроскопа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Микроскопы являются оптическими инструментами, широко используемыми в науке и технике для визуализации объектов или их отдельных деталей, размеры которых являются слишком малыми, чтобы их можно было наблюдать невооруженным глазом. Обычно микроскопы представляют собой сочетание оптического блока, включающего последовательно установленные вдоль оптической оси объектив и окуляр, и штатив. Штатив микроскопа, как правило, содержит фокусировочный механизм для точного позиционирования объекта относительно объектива и модуль подсветки объекта.
У большинства серийно произведенных микроскопов коррекция фокусного расстояния, как правило, осуществляется с помощью рукоятки (рукояток) регулировки вручную. Ручки грубой и точной фокусировки располагаются симметрично по обе стороны микроскопа, либо на одной из сторон. Известны фокусировочные механизмы микроскопов, имеющие одну направляющую для тонкой и грубой подач.
Для расширения функциональности микроскоп можно дооснастить аксессуарами, в том числе, например, моторизованным приводом винта фокусировки. Привод крепится к лимбу винта фокусировки и позволяет перемещать указанный винт по Z на 0,016 мкм со скоростью перемещения - до 600 мкм/с (http://www.mecos.ru/products/oborudovanie-avtomatizatsii-mikroskopa-mekos-ms2). Данный фокусировочный механизм не требует настройки или регулировки, что позволяет лаборанту и врачу значительно ускорять поток проводимых исследований. Известны другие альтернативные выполнения микроскопов с автоматической фокусировкой, раскрытые, например, в US 4695137A, опубл. 22.09.1987; CN 205643838 U, опубл. 12.10.2016.
При этом использование подобных фокусировочных механизмов приводит со временем к ухудшению качества фокусировки вследствие механического износа контактирующих поверхностей. Также указанные механизмы обладают большой сложностью в связи с тем, что для функции автофокусировки предполагается полное конструктивное переоборудование микроскопа. Демонтаж оборудования занимает длительное время и осуществляется индивидуально для каждой марки микроскопа.
Более того, известно, что в патоморфологической практике при сравнительной унификации и стабильном качестве предметных стекол рукоятка грубой фокусировки используется далеко не всегда. При высоком качестве изготовления предметного стекла и препарата на нем в работе используется, в основном, рукоятка тонкой регулировки фокусного расстояния. Угол вращения рукоятки при исследовании препарата может составлять от 60°-90° при высоком качестве стекла, до 360° при наличии деформаций стекла или при неверно приготовленном препарате.
Таким образом, существует потребность в разработке универсального устройства, обладающего простой конструкцией, для автоматического регулирования фокусного расстояния оптического микроскопа. При этом данное устройство должно быть выполнено самостоятельной комплектующей микроскопа и работать в сочетании с микроскопами любых моделей и производителей.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является устройство автоматической регулировки фокусного расстояния с помощью ручки точной настройки микроскопа (CN 203117511 U, опубл. 07.08.2013). Устройство включает в себя двигатель, на валу которого установлен ременной шкив, приводной ремень соединен с ручкой точной настройки микроскопа. При приведении в движение шкива двигателем с помощью ремня привода осуществляется вращение ручки точной настройки. Подобная конструкция имеет широкий диапазон применения, однако, не позволяет плавно и с высокой точностью перемещать ручку тонкой подачи на малый диапазон, а также регулировать высоту и расстояние шкива для возможности использования устройства с микроскопами разных моделей и производителей.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей, на достижение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства для автоматической коррекции фокусного расстояния оптического микроскопа путем воздействия на штатную рукоятку тонкой регулировки микроскопа с максимально упрощенной и унифицированной конструкцией для повышения доступности, надежности и отсутствия необходимости в квалифицированной инженерной поддержке в процессе эксплуатации. Причем указанное устройство должно быть дооснащением уже установленного оптического микроскопа и легко адаптироваться под практический любой оптический микроскоп
Технический результат полезной модели заключается в повышении плавности и точности перемещения фокусирующего механизма микроскопа.
Технический результат достигается за счет того, что устройство для автоматической регулировки фокусного расстояния по оси Z оптического микроскопа включает неподвижное основание, состоящее из нижней и верхней части, при этом верхняя часть выполнена в виде вертикальной стойки; упругую рейку, закрепленную на вертикальной стойке с возможностью ее перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях относительно продольной оси стойки; электропривод и насадку конусовидной формы на рукоятку тонкой регулировки фокусного расстояния микроскопа, при этом электропривод фиксирован на упругой рейке, насадка соединена с электроприводом с помощью механической передачи, а на внутреннюю поверхность насадки нанесено покрытие, имеющее прочное сцепление с поверхностью рукоятки тонкой регулировки фокусного расстояния микроскопа.
Кроме того, вертикальная стойка и рейка имеют осевые продольные прорези.
Кроме того, упругая рейка закреплена на вертикальной стойке с помощью фиксирующего элемента.
Кроме того, фиксирующий элемент состоит из резьбового стержня и двух крепежных элементов в виде гайки-барашка.
Кроме того, покрытие внутренней поверхности насадки выполнено из адгезионного материала, обладающего свойствами механической адгезии.
Кроме того, покрытие внутренней поверхности насадки выполнено из материала, обладающего магнитными свойствами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют предпочтительный пример исполнения и совместно с вышеприведенным общим описанием полезной модели и нижеприведенным подробным описанием осуществления служат для пояснения принципов настоящей полезной модели. На чертежах одинаковые позиции применяются для обозначения одинаковых частей.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства оптического микроскопа.
На фиг. 2 представлен общий вид устройства для автоматической регулировки фокусного расстояния.
На фиг. 3 схематично изображен электродвигатель, закрепленный на рейке.
На фиг. 4 схематично представлена фиксация рукоятки регулировки фокусного расстояния во втулке.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
В общем, настоящая полезная модель предлагает универсальное устройство, которое автоматизирует процесс автофокусировки и представляет собой механизм помощи при фокусировке для более точной фокусировки и прецизионных измерений по оси Z, дооснащая собой любой оптический микроскоп, практически не занимая лабораторного пространства. Оно монтируется к существующему оптическому микроскопу за несколько минут без внесения изменений в заводскую конструкцию. Демонтаж при необходимости также занимает небольшое время, после чего микроскоп возвращается к исходному состоянию. При этом отсутствует необходимость привлечения квалифицированной инженерной поддержки.
На фиг. 1 представлен общий вид оптического микроскопа. К обязательным конструктивным элементам микроскопа относятся оптическая и осветительная системы, а также рукоятки (4,5) регулировки фокусного расстояния и предметный столик (2). У подавляющего большинства микроскопов предметный столик смещается относительно объектива в горизонтальной плоскости для охвата новых полей зрения (с помощью рукояток (3)) и по вертикали для коррекции фокусного расстояния с помощью рукояток тонкой и грубой регулировки фокусного расстояния (4, 5). В комплектацию многих моделей оптических микроскопов также входит камера (1). При отсутствии штатной камеры микроскопа, не предполагаемой конструкцией, она может устанавливаться дополнительно, вместо одного из окуляров.
В непосредственной близости от оптического микроскопа устанавливается устройство для автоматической коррекции фокусного расстояния, представляющее собой приставку к оптическому микроскопу и осуществляющее привод крутящего момента непосредственно на штатную рукоятку тонкой регулировки фокусного расстояния. Общий вид устройства представлен на фиг. 2.
Так как рукоятки регулировки фокусного расстояния зачастую располагаются на микроскопах с двух боковых сторон, устройство может устанавливаться с любой стороны в зависимости от удобства присоединения или с учетом экономии лабораторного пространства. При наличии рукоятки тонкой фокусировки фокусного расстояния лишь на одной стороне микроскопа, устройство располагается соответствующим образом.
Устройство имеет неподвижное основание (10), представляющее собой устойчивую станину, состоящую из нижней и верхней частей, соединенных между собой болтами или выполненными за одно целое в виде сварной или сварно-литой или литой конструкции. Материалом станины является металл или твердый пластик.
Конструкция, геометрические размеры и форма нижней части станины могут быть различными и определяются геометрическими параметрами оптического микроскопа. Например, нижняя часть станины может быть выполнена в виде плиты или балки С-образной или Г-образной формы. В предпочтительном варианте нижняя часть неподвижного основания (10) выполнена в виде балки Г-образной формы для предотвращения смещения устройства от оптического микроскопа и располагается вдоль передней и одной из боковых сторон микроскопа в зависимости от расположения рукоятки тонкой регулировки фокусного расстояния.
В приведенном ниже описании термины «вверх», «вниз», «вперед», «назад», «слева», «справа», «передняя», «боковая», «задняя» и их производные и следствия должны интерпретироваться с точки зрения стоящего перед оптическим микроскопом для того, чтобы смотреть через окуляры.
Верхняя часть станины представляет собой вертикальную стойку, на которой зафиксирована упругая рейка (7), выполненная из металла или жесткого пластика. Упругая рейка необходима для придания необходимой степени прижатия деталей устройства к рукоятке тонкой регулировки фокусного расстояния (4).
Сочленение рейки (7) и вертикальной стойки неподвижного основания (10) позволяет регулировать перемещения рейки (7) в вертикальной и горизонтальной плоскостях относительно оси вертикальной стойки основания (10) за счет имеющихся продольных прорезей в стойке и на самой рейке. При этом протяженность каждой из прорезей в продольном направлении выполнена равной требуемому перемещению рейки по вертикали и по горизонтали.
Закрепление рейки на вертикальной стойке осуществляется при помощи фиксирующего механизма (6), состоящего из резьбового стержня и фиксирующих крепежных элементов, по меньшей мере один из которых выполнен в виде гайки, предпочтительно в виде гайки-барашка.
Под резьбовым стержнем можно подразумевать любой стержень, который по меньшей мере на отдельных участках имеет наружную резьбу.
В некоторых вариантах воплощения фиксирующий механизм (6) может быть выполнен в виде болта или винта с фиксирующей гайкой или шпильки с двумя гайками, одна из которых предпочтительно гайка-барашек.
Ширина прорезей стойки и рейки является равной или большей диаметра резьбового стержня фиксирующего механизма (6).
На фиксирующем конце стержня, который находится в прорези вертикальной стойки, установлена рейка (7) и зафиксирована крепежными элементами, расположенным по обе стороны от стойки.
На противоположной от стойки неподвижного основания (10) части упругой рейки (7) с помощью винтов жестко зафиксирован электродвигатель (9), имеющий прямой или опосредованный через шестерни привод на конусовидную насадку (8) на штатную рукоятку тонкой регулировки.
В предпочтительном варианте воплощения вал привода электродвигателя проходит через прорезь упругой рейки, а насадка фиксирована на валу привода на другой стороне упругой рейки.
При этом внутренняя поверхность насадки выполнена из адгезионного материала, обладающего свойствами механической адгезии, или из материала, обладающего магнитными свойствами, например из магнитной ленты или магнитного винила.
Сила адгезионного сцепления материала зависит от силы предварительного прижатия. Применение таких материалов сокращает время переналадки оборудования и почти полностью устраняет необходимость его очистки.
Материал, обладающий магнитными свойствами, выполнен на гибкой полимерной основе и предпочтительно является магнитной лентой или магнитным винилом, одна сторона которых служит для фиксации самой полоски на внутреннюю поверхность насадки (8) с помощью клеевой основы.
Так как усилие, прилагаемое на рукоятку тонкой регулировки фокусного расстояния крайне невелико, то нет необходимости в дополнительной жесткой фиксации насадки на рукоятке регулировки.
Так как рукоятки тонкой регулировки фокусного расстояния у оптических микроскопов разных производителей могут значительно отличаться в размерах, то конусовидной форма насадки в сочетании с адгезивным или магнитным материалом, нанесенным на внутреннюю поверхность насадки, обеспечивает применимость устройства практически на всех моделях микроскопов (Фиг. 4).
Устройство для автоматической коррекции фокусного расстояния, описанное выше, устанавливается в непосредственной близости от оптического микроскопа со стороны расположения рукоятки тонкой регулировки фокусного расстояния.
После чего осуществляют регулировку насадки по высоте в зависимости от высоты фокусировочных рукояток за счет перемещения гибкой рейки (7) вдоль оси вертикальной стойки неподвижного основания (10) и подстраивают насадку по горизонтали относительно фокусировочной ручки. Завинчивают крепежные элементы на фиксирующем элементе (6). При этом насадку располагают коаксиально относительно ручки тонкой фокусировки микроскопа и прижимают ее к указанной штатной ручке.
Функция автофокусировки реализуется посредством приведения вращательного момента на штатную рукоятку тонкой регулировки фокусного расстояния посредством электропривода.
Многие модели оптических микроскопов имеют встроенную камеру. При ее отсутствии камера входит в комплект дооснащения и устанавливается на микроскоп вместе с устройством для автофокусировки.
Управление камерой и электроприводом устройства регулировки фокусного расстояния микроскопа может осуществляться при помощи по меньшей мере одного, предпочтительно, одного органа управления - контроллера двигателя. Контроллер может быть интегрирован в вертикальную стойку и решает задачу управления двигателем от блока управления, предпочтительно компьютера.
В другом варианте воплощения камера и электропривод присоединяются к блоку управлению проводным соединением.
Система управления электродвигателем необходима для его включения, выключения, для регулировки скорости двигателя.
Процесс юстировки производится следующим образом. Степень фокусировки определяется с помощью камеры и блока управления, связанного с ней. Также камера обеспечивает возможность сохранения изображений в компьютере.
Перемещение предметных стекол на предметном столике в горизонтальной плоскости может производиться в ручном режиме с помощью штатных рукояток управления (3) или с применением иных устройств, позволяющих проведение препарата под объективом (моторизованные столики, устройство- накладка на предметный столик).
При нарушении фокусировки оптической системы микроскопа, что определяется при помощи данных с камеры, блок управления подает команду управления на электродвигатель устройства фокусировки. Поочередное вращение насадки в разные стороны с увеличивающейся амплитудой происходит до восстановления фокуса. Контроль перемещения рукоятки может осуществляться с помощью энкодеров.
Моторизованный механизм вращения рукоятки тонкой фокусировки микроскопа с управлением от блока управления позволяет осуществлять точное позиционирование по оси Z.
Полезная модель обеспечивает точную и стабильную фокусировку микроскопа независимо от механического износа деталей механизма точной фокусировки, обладает универсальностью и дополняет собой любой оптический микроскоп.