一種共聚焦顯微鏡中光譜狹縫的控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種共聚焦顯微鏡中光譜狹縫的控制方法。所述的共聚焦顯微鏡中光譜狹縫的控制方法，它采用并行調(diào)度控制算法通過單個控制器同時控制兩個步進電機來分別驅(qū)動兩個不透光的狹縫縫片在導(dǎo)軌上滑動，并通過改變所述兩個狹縫縫片之間的距離與位置，使得所述兩個狹縫縫片之間形成所需的光譜狹縫。采用所述的控制方法有效的減少狹縫縫片就位時間，并且采用并行調(diào)度控制算法可以在一個控制器的控制下同時對多個驅(qū)動狹縫縫片的步進電機進行控制?？梢允躬M縫縫片在較低的成本條件下高速且高精度的完成狹縫的就位。
【專利說明】一種共聚焦顯微鏡中光譜狹縫的控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光譜狹縫的控制方法，尤其涉及一種共聚焦顯微鏡中光譜狹縫的控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]激光掃描共焦顯微鏡(LaserScanning Confocal Microscopy，LSCM)是研宄亞微米細(xì)微結(jié)構(gòu)的有效技術(shù)手段，它是國內(nèi)外從事生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)研宄的科技工作者必備的大型科研儀器。在LSCM的工作過程中，同一種激光或者多個波長的激光可以再同時能夠激發(fā)不同的熒光物質(zhì)，不同的熒光物質(zhì)可以發(fā)射不同譜段的熒光。在LSCM采用光譜分光模塊對熒光進行分光，一般的，光譜分光模塊采用棱鏡或光柵，其作用是把一束入射熒光按照波長分散開。為了要探測某一特定波段的熒光，則可用狹縫縫片遮擋不探測的熒光波段，而讓需要探測波段的熒光傳播向探測器。為了使射向探測器的熒光波段比較精準(zhǔn)，則需要狹縫縫片的運動精度很高。在狹縫縫片中，采用步進電機驅(qū)動擋片運動來對特定區(qū)段的波長進行遮擋，為了使步進電機的運動有較高精度，則需要對步進電機的位置進行探測來進行閉環(huán)控制或只允許步進電機采用單方向運動來消除運動機構(gòu)在往返運動中存在精度誤差。在LSCM中，由于光譜分光模塊安裝于掃描頭，掃描頭空間有限，所以選擇位置探測則會大大增大狹縫縫片的復(fù)雜度和體積；采用單向運動的開環(huán)控制運動則需要在保證縫片不碰撞的前提下能精確運動到設(shè)定位置。
[0003]但是，現(xiàn)有共聚焦顯微鏡中采用的調(diào)度方法，在涉及一個狹縫縫片復(fù)位或者兩個狹縫縫片都需要復(fù)位的情況時，會首先將需要復(fù)位的狹縫縫片依次復(fù)位之后再驅(qū)動兩個狹縫縫片運動到位。這就使得狹縫縫片的運動過程中耗時較長，降低了共聚焦顯微鏡的使用效率。
[0004]發(fā)明目的
[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有激光掃描共焦顯微鏡光譜狹縫控制方法存在的在涉及一個狹縫縫片復(fù)位或者兩個狹縫縫片都需要復(fù)位的情況時，會首先將需要復(fù)位的狹縫縫片依次復(fù)位之后再將兩個狹縫縫片運動到位。其運動耗時較長等問題，提出并設(shè)計了并行調(diào)度控制驅(qū)動狹縫縫片運動的步進電機的方法。該方法使驅(qū)動狹縫運動的各個步進電機同時運動，大大減少了狹縫縫片的就位時間。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案概括如下:
[0007]一種共聚焦顯微鏡中光譜狹縫的控制方法，它通過控制器分別控制兩個步進電機來分別驅(qū)動兩個不透光的狹縫縫片，并通過改變所述兩個狹縫縫片之間的距離，使得所述兩個狹縫縫片之間形成一個光譜狹縫，通過改變該光譜狹縫的大小和位置，使得該光譜狹縫只允許某個特定波段的光穿過，其他波段的光被遮擋住。該方法包括:
[0008]步驟一)在所述導(dǎo)軌上對每個狹縫縫片設(shè)立一個初始位置，即復(fù)位位置，其被用于使所述步進電機驅(qū)動所述狹縫縫片回到該初始位置時，能夠消除步進電機的行程誤差。
[0009]步驟二 )設(shè)定每個狹縫縫片分別需要達到的目標(biāo)位置為各自的指令位置；每個狹縫縫片當(dāng)前所在位置為各自的當(dāng)前位置；每個狹縫縫片從各自的初始位置運動到各自的指令位置，步進電機所需運動的步數(shù)為指令位置步數(shù)；狹縫縫片從初始位置運動到當(dāng)前位置步進電機所需運動的步數(shù)為當(dāng)前位置步數(shù)。
[0010]步驟三)所述控制器判斷狹縫縫片的當(dāng)前位置步數(shù)與指令位置步數(shù)的大小關(guān)系，并根據(jù)該大小關(guān)系作出如下操作:
[0011]a)若只有一個狹縫縫片的指令位置步數(shù)小于它的當(dāng)前位置步數(shù)，則該狹縫縫片先被驅(qū)動至初始位置，再被驅(qū)動至指令位置，同時另一個狹縫縫片直接被驅(qū)動至指令位置。
[0012]b)若兩個狹縫縫片的指令位置步數(shù)都大于各自的當(dāng)前位置步數(shù)，則兩個狹縫縫片同時被直接驅(qū)動至指令位置。
[0013]c)若兩個狹縫縫片的指令位置步數(shù)都小于各自的當(dāng)前位置步數(shù)，則兩個狹縫縫片同時被驅(qū)動，運動至各自的初始位置，再被驅(qū)動至指令位置。
[0014]優(yōu)選的是，所述的狹縫縫片被驅(qū)動至初始位置的具體過程為:狹縫縫片先被步進電機驅(qū)動向復(fù)位方向運動，待狹縫縫片達到初始位置后繼續(xù)被步進電機驅(qū)動往該方向運動若干步；之后步進電機驅(qū)動狹縫縫片反向運動至初始位置。
[0015]優(yōu)選的是，所述的狹縫縫片到達初始位置是通過光電開關(guān)判斷的；當(dāng)狹縫縫片到達初始位置時，狹縫縫片外掛的擋板遮住光電開關(guān)中的紅外光線，光電開關(guān)由低電平狀態(tài)變成高電平狀態(tài)；當(dāng)狹縫縫片離開初始位置時，狹縫縫片外掛的擋板不遮住光電開關(guān)中的紅外光線，光電開關(guān)為低電平狀態(tài)。
[0016]優(yōu)選的是，所述的只有一個狹縫縫片的指令位置步數(shù)小于它的當(dāng)前位置步數(shù)情況，以狹縫縫片I需要復(fù)位并運動到位為例。其運動過程如下:
[0017]a控制器初始化，分別獲得狹縫縫片I與狹縫縫片2的當(dāng)前位置步數(shù)與指令位置步數(shù)，分別為:ci為狹縫縫片I當(dāng)前位置步數(shù)；C2為狹縫縫片2當(dāng)前位置步數(shù)；D1為狹縫縫片I指令位置步數(shù)；D2為狹縫縫片2指令位置步數(shù)。
[0018]b在控制指令中加入步進電機2驅(qū)動狹縫縫片2在(D2-C2)個周期內(nèi)向狹縫縫片2的指令位置運動(D2-C2)步的指令。
[0019]c判斷光電開關(guān)是否為高電平狀態(tài)，如果是，則進入d;否則進入g。
[0020]d判斷狹縫縫片運動方向，如果是復(fù)位方向則進入e ;否則進入f。
[0021]e在控制指令中，加入步進電機I驅(qū)動狹縫縫片I從當(dāng)前位置開始的Rl個周期內(nèi)往復(fù)位方向運行Rl步的指令，并且在完成指令后改變運動方向；進入j。
[0022]f在控制命令中，加入步進電機I驅(qū)動狹縫縫片I從當(dāng)前位置開始的Dl個周期內(nèi)往增量方向運行Dl步的指令，進入j。
[0023]g判斷狹縫縫片運動方向，如果是復(fù)位方向則進入h ;否則進入i ;
[0024]h如果狹縫縫片的當(dāng)前位置步數(shù)大于0，加入步進電機I驅(qū)動狹縫縫片I在Cl個周期內(nèi)向復(fù)位方向運動Cl步的指令；進入j。
[0025]i如果狹縫縫片的當(dāng)前位置步數(shù)小于0，加入步進電機I驅(qū)動狹縫縫片I向增量方向運動一步的指令；進入j。
[0026]j更新控制指令隊列；判斷兩個狹縫縫片當(dāng)前位置步數(shù)與指令位置步數(shù)的關(guān)系；如果位置兩個狹縫縫片當(dāng)前位置步數(shù)與指令位置步數(shù)一致，則完成運動；否則步進電機執(zhí)行指令運動，并且更新狹縫縫片當(dāng)前位置步數(shù)；完成運動后進入步驟C。
[0027]優(yōu)選的是所述的兩個狹縫縫片的指令位置步數(shù)都小于它們的當(dāng)前位置步數(shù)情況。其運動過程如下:
[0028]a控制器初始化。分別獲得狹縫縫片I與狹縫縫片2的當(dāng)前位置步數(shù)與指令位置步數(shù)，分別為:ci為狹縫縫片I當(dāng)前位置步數(shù)；C2為狹縫縫片2當(dāng)前位置步數(shù)；D1為狹縫縫片I指令位置步數(shù)；D2為狹縫縫片2指令位置步數(shù).
[0029]b判斷光電開關(guān)是否為高電平狀態(tài)，如果是，則進入c ;否則進入f。
[0030]c判斷狹縫縫片運動方向，如果是復(fù)位方向則進入d ;否則進入e ；
[0031]d在控制指令中，加入步進電機I驅(qū)動狹縫縫片I從當(dāng)前位置開始的Rl個周期內(nèi)往復(fù)位方向運行Rl步的指令，并且在完成指令后改變運動方向；進入j ；
[0032]e在控制命令中，加入步進電機I驅(qū)動狹縫縫片I從當(dāng)前位置開始的Dl個周期內(nèi)往增量方向運行Dl步的指令，進入j。
[0033]f判斷狹縫縫片運動方向，如果是復(fù)位方向則進入g ;否則進入h。
[0034]g如果狹縫縫片的當(dāng)前位置步數(shù)大于0，加入步進電機I驅(qū)動狹縫縫片I在Cl個周期內(nèi)向復(fù)位方向運動Cl步的指令；進入j。；
[0035]h如果狹縫縫片的當(dāng)前位置步數(shù)小于0，加入步進電機I驅(qū)動狹縫縫片I向增量方向運動一步的指令；進入j。
[0036]i采用與b-h同意的步驟得到狹縫縫片2的運動指令，進入j。
[0037]j更新控制指令隊列；判斷兩個狹縫縫片當(dāng)前位置步數(shù)與指令位置步數(shù)的關(guān)系；如果位置兩個狹縫縫片當(dāng)前位置步數(shù)與指令位置步數(shù)一致，則完成運動；否則步進電機執(zhí)行指令運動，并且更新狹縫縫片當(dāng)前位置步數(shù)；完成運動后進入步驟b ；
[0038]該調(diào)度方法中，控制器控制兩個步進電機同時驅(qū)動狹縫縫片運動，在涉及一個狹縫縫片需要復(fù)位的情況下，需要復(fù)位的狹縫縫片向復(fù)位方向運動一步的同時另一個狹縫縫片向目標(biāo)位置運動一步。步進電機驅(qū)動狹縫縫片運動每一步其運動距離是一致的，所以采用該調(diào)度方法不會出現(xiàn)兩個狹縫縫片相互碰撞的情況。在涉及兩個狹縫縫片需要復(fù)位的時候，在復(fù)位過程中，兩個縫片同時進行復(fù)位運動。同時控制兩個狹縫縫片的復(fù)位運動過程或者增量運動過程，有效的減少了狹縫縫片的就位時間，提高整個光譜模塊的調(diào)整速度。本發(fā)明的有益效果:
[0039]1、本專利采用并行調(diào)度的控制算法同時控制步進電機驅(qū)動狹縫縫片進行運動，大大減少了狹縫縫片的就位時間。
[0040]2、本專利采用并行調(diào)度的控制算法，可以在一個控制器的控制下對多個狹縫縫片的步進電機進行同時控制?？梢允躬M縫縫片在較低的成本條件下高速且高精度的完成狹縫的就位。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1是本發(fā)明提供的光譜狹縫步進電機控制方法的方法流程圖。
[0042]圖2是狹縫機構(gòu)示意圖。
[0043]其中，I狹縫運動控制步進電機1，2防碰撞光電開關(guān)，3狹縫運動控制步進電機3，4步進電機I復(fù)位位置光電開關(guān)，5狹縫縫片1，6狹縫縫片2，7步進電機2復(fù)位位置開關(guān)。
[0044]圖3是兩個狹縫縫片均不需要復(fù)位的調(diào)度流程圖。
[0045]圖4是一個狹縫縫片(以狹縫縫片I為例)需要復(fù)位的調(diào)度流程圖。
[0046]圖5是兩個狹縫縫片都需要復(fù)位的調(diào)度流程圖。
[0047]其中，Cl為狹縫縫片I當(dāng)前位置步數(shù)C2為狹縫縫片2當(dāng)前位置步數(shù)；D1為狹縫縫片I指令位置步數(shù)D2為狹縫縫片2指令位置步數(shù)；R1、R2為不為O的常數(shù)。

【具體實施方式】
[0048]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。
[0049]控制器接收來自顯微鏡的狹縫位置，對比各狹縫縫片當(dāng)前位置步數(shù)與目標(biāo)位置步數(shù)(即指令位置步數(shù))的關(guān)系，確定各狹縫縫片是否需要進行復(fù)位。分為3中情況:
[0050]兩個狹縫縫片都不需要復(fù)位直接運動到位的情況:
[0051]控制命令初始化，隊列中每個控制命令均為不運動，且運動命令隊列中當(dāng)前位置為隊列起始位置。在控制命令中加入步進電機I驅(qū)動狹縫縫片I在(Dl-Cl)周期內(nèi)向目標(biāo)位置運行(Dl-Cl)步，步進電機2驅(qū)動狹縫縫片2在(D2-C2)周期內(nèi)向目標(biāo)位置運行(D2-C2)步，更新控制命令隊列。執(zhí)行控制命令隊列中的控制命令，直至兩個狹縫縫片均達到指令位置，則運動完成。
[0052]一個狹縫縫片(以狹縫縫片I為例)需要復(fù)位的情況:
[0053]a在控制指令中加入步進電機2驅(qū)動狹縫縫片2在(D2-C2)周期內(nèi)向目標(biāo)位置運行(D2-C2)步的指令。
[0054]b分別判斷光電開關(guān)I的狀態(tài)以及狹縫縫片I的運動方向。如果光電開關(guān)為高電平狀態(tài)且狹縫縫片的運動方向為復(fù)位方向，則在控制指令中，加入步進電機I驅(qū)動狹縫縫片I從當(dāng)前位置開始的Rl個周期內(nèi)往復(fù)位方向運行Rl步，并且在完成指令后改變運動方向的指令。如果光電開關(guān)為高電平狀態(tài)且狹縫縫片的運動方向為增量方向，則在在控制命令中，加入步進電機I驅(qū)動狹縫縫片I從當(dāng)前位置開始的Dl個周期內(nèi)往增量方向運行Dl步的指令。如果光電開關(guān)為低電平狀態(tài)且狹縫縫片的運動方向為增量方向，且狹縫縫片的當(dāng)前位置步數(shù)小于0，則加入步進電機I驅(qū)動狹縫縫片增量運動一步的命令。如果光電開關(guān)為低電平狀態(tài)且狹縫縫片的運動方向為復(fù)位方向，且狹縫縫片的當(dāng)前位置步數(shù)大于0，加入步進電機驅(qū)動狹縫縫片I在Cl個周期內(nèi)向復(fù)位方向運動Cl步的指令。
[0055]c更新控制指令隊列，判斷兩個狹縫位置是否已到指定位置，如果是則完成運動，如果不是，控制器控制步進電機執(zhí)行指令驅(qū)動狹縫縫片運動，并且更新狹縫縫片當(dāng)前位置步數(shù)。之后回到a，直至兩個狹縫縫片均運動到指定位置。
[0056]兩個狹縫縫片都不需要復(fù)位直接運動到位的情況:
[0057]a分別判斷光電開關(guān)I的狀態(tài)以及狹縫縫片I的運動方向。如果光電開關(guān)為高電平狀態(tài)且狹縫縫片的運動方向為復(fù)位方向，則在控制指令中，加入步進電機I驅(qū)動狹縫縫片I從當(dāng)前位置開始的Rl個周期內(nèi)往復(fù)位方向運行Rl步，并且在完成指令后改變運動方向的指令。如果光電開關(guān)為高電平狀態(tài)且狹縫縫片的運動方向為增量方向，則在在控制命令中，加入步進電機I驅(qū)動狹縫縫片I從當(dāng)前位置開始的Dl個周期內(nèi)往增量方向運行Dl步的指令。如果光電開關(guān)為低電平狀態(tài)且狹縫縫片的運動方向為增量方向，且狹縫縫片的當(dāng)前位置步數(shù)小于0，則加入步進電機I驅(qū)動狹縫縫片增量運動一步的命令。如果光電開關(guān)為低電平狀態(tài)且狹縫縫片的運動方向為復(fù)位方向，且狹縫縫片的當(dāng)前位置步數(shù)大于O，加入步進電機驅(qū)動狹縫縫片I在Cl個周期內(nèi)向復(fù)位方向運動Cl步的指令。
[0058]b加入采用與a相同的方法獲得的步進電機2驅(qū)動狹縫縫片2的運動指令。
[0059]c更新控制指令隊列，判斷兩個狹縫位置是否已到指定位置，如果是則完成運動，如果不是，控制器控制步進電機執(zhí)行指令驅(qū)動狹縫縫片運動，并且更新狹縫縫片當(dāng)前位置步數(shù)。之后回到a，直至兩個狹縫縫片均運動到指定位置。
[0060]盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用。它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域。對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實現(xiàn)另外的修改。因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。
【權(quán)利要求】
1.一種共聚焦顯微鏡中光譜狹縫的控制方法，它通過單個控制器同時控制兩個步進電機來分別驅(qū)動兩個不透光的狹縫縫片在導(dǎo)軌上滑動，并通過改變所述兩個狹縫縫片之間的距離，使得所述兩個狹縫縫片之間形成一個光譜狹縫，通過改變兩個光譜狹縫縫片位置，使得該光譜狹縫只允許某個特定波段的光穿過，其他波段的光被遮擋住；包括以下步驟: 步驟一)在所述導(dǎo)軌上對每個狹縫縫片設(shè)立一個初始位置，即復(fù)位位置；其用于使所述步進電機驅(qū)動所述狹縫縫片回到該初始位置時，能夠消除步進電機的行程誤差； 步驟二)設(shè)定每個狹縫縫片分別需要達到的目標(biāo)位置為各自的指令位置；每個狹縫縫片當(dāng)前所在位置為各自的當(dāng)前位置；每個狹縫縫片從各自的初始位置運動到各自的指令位置，步進電機所需運動的步數(shù)為指令位置步數(shù)；狹縫縫片從初始位置運動到當(dāng)前位置步進電機所需運動的步數(shù)為當(dāng)前位置步數(shù)； 步驟三)所述控制器判斷狹縫縫片的當(dāng)前位置步數(shù)與指令位置步數(shù)的大小關(guān)系，并根據(jù)該大小關(guān)系作出如下操作: a)若只有一個狹縫縫片的指令位置步數(shù)小于它的當(dāng)前位置步數(shù)，則該狹縫縫片先被驅(qū)動至初始位置，再被驅(qū)動至指令位置，同時另一個狹縫縫片直接被驅(qū)動至指令位置； b)若兩個狹縫縫片的指令位置步數(shù)都大于各自的當(dāng)前位置步數(shù)，則兩個狹縫縫片同時被直接驅(qū)動至指令位置； c)若兩個狹縫縫片的指令位置步數(shù)都小于各自的當(dāng)前位置步數(shù)，則兩個狹縫縫片同時被驅(qū)動，運動至各自的初始位置，再被驅(qū)動至指令位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共聚焦顯微鏡中光譜狹縫的控制方法，其特征在于，所述的狹縫縫片被驅(qū)動至初始位置的具體過程為:狹縫縫片先被步進電機驅(qū)動向復(fù)位方向運動，待狹縫縫片達到初始位置后繼續(xù)被步進電機驅(qū)動往該方向運動若干步；之后步進電機驅(qū)動狹縫縫片反向運動至初始位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共聚焦顯微鏡中光譜狹縫的控制方法，其特征在于，該方法可以在一個控制器的控制下同時對多個驅(qū)動狹縫縫片的步進電機進行控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的共聚焦顯微鏡中光譜狹縫的控制方法，其特征在于，所述的狹縫縫片到達初始位置是通過光電開關(guān)判斷的；當(dāng)狹縫縫片到達初始位置時，狹縫縫片外掛的擋板遮住光電開關(guān)中的紅外光線，光電開關(guān)由低電平狀態(tài)變成高電平狀態(tài)；當(dāng)狹縫縫片離開初始位置時，狹縫縫片外掛的擋板不遮住光電開關(guān)中的紅外光線，光電開關(guān)為低電平狀態(tài)。
【文檔編號】G02B21/00GK104502316SQ201410766187
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】黃維, 張運海 申請人:中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所