李贺禹 苏雷
昆明物理研究所 云南昆明 650223
摘要：调焦机构的设计都有着一套与之相配的光学系统，系统采用荧光成像与落射式结构，激发光与荧光相对物镜而言方向相反，不会产生互相干扰，且落射照明和观察面在同一表面，荧光图象亮度毫无损耗，且对象质也无影响。成像光路经过三次反射可以减小仪器的外形尺寸。调焦机构针对此类显微成像系统采用倒置物镜的形式，以实现不同倍数物镜切换和自动对焦为目标，配合不同荧光模块，结合图像拼接、图像处理技术。本文主要探讨一种直线切换式高精度调焦机构的设计，可供参阅。
关键词：高精度；直线切换式；调焦机构；设计
一、调焦机构的组成
调焦机构使用丝杠螺母副进行调焦，其组成如图1所示，主要由HB丝杆电机、消间隙螺母、导轨滑块、交叉滚子导轨、编码器等组成。
.png)
其中两个丝杆电机分别为物镜的垂直和水平运动提供动力。使用丝杆电机的优点是省去了传统的联轴器连接形式，不仅降低了对安装同轴度的要求，也消除了由联轴器产生的空行程。消间隙螺母消除了空回误差，提高了运动精度。垂直方向使用THK公司的高精度导轨，具有很好的刚度与直线度。水平方向使用Igus公司的免润滑导轨，安装方便、无油污。同时，同一条轴线上的多个轴孔采用线切割方式一次成型，保证了较高的同轴度，降低了安装难度。
物镜的切换：在平台基座上两个固定位置A、B安装有光电开关发射器，分别对应A、B物镜与光轴对齐时的位置。在移动板上安装有光电开关接收器。电机从零位开始正转，当接收器第一次收到信号时，物镜A与光轴对齐，第二次接收到信号时，物镜B与光轴对齐。
.png)
二、调焦驱动力矩计算
如图2所示，该电机主要由步进电机主体、驱动丝杠和消隙螺母三部分组成。其中，步进电机主体为电机的定子，而驱动丝杠和消隙螺母为电机的转子。当直线电机通电工作后，电机驱动丝杠回转，继而通过螺纹连接副将丝杠的回转运动转变为消隙螺母的直线运动，以实现电机直线方向动力的输出以及驱动力的放大。该直线电机相比普通型步进电机的突出优势是：省去了联轴节器，不仅使调焦平台的结构更加紧凑，降低了装调难度，而且有利于提高调焦平台的工作可靠性。此外，消隙螺母消除了驱动丝杠与螺母间的空回，提高了调焦平台的运动精度。
10X物镜重m1=0.075kg，20X物镜重m2=0.095kg，驱动板重m3=0.1kg，负载力矩T计算公式如式（1）所示：
.png)
选用MOONS'LE11S-E05006-30-BR1-E-100型步进电机的静力矩为6x10-2，其主要性能指标如表1所示。由表1可知，MOONS'LE11S-E05006型步进电机可以满足使用要求。
.png)
三、调焦机构精度分析
无限远光路数字显微镜的景深计算公式如式(３)所示：
.png)
式(3)中：n为显微镜物空间折射率，通常干镜头取值为1，浸油镜头取值为1.515；λ为人眼最敏感谱线的波长，在荧光显微镜中，荧光的颜色通常为蓝色、红色、黄色和绿色，所以仍可取0.55μmn作为平均值；N为物镜的数值孔径；β和β，分别为物镜和转接镜的横向放大率；e为2倍电荷耦合元件(CCD)像素尺寸。以20倍物镜为例，NA=0.4，BASLERML230-40c相机的像素尺寸为4.8μm。
.png)
HB丝杆电机LE11S-E05006-30-BR1-E-10的丝杆导程0.6096mm，步距角1.8°。因为细分数大于8细分时，步进电机细分的不均匀性有显著提高，所以对电机进行1/4细分后，单步长S为
.png)
式(6)计算结果<1.33μum，说明满足理论要求。
四、模态分析
由于电机固定在平板上，通过丝杆螺母来驱动2个物镜调焦，所以对结构件的模态分析十分必要。结构件主要由Z形板、L形板、电机固定架、平板组成，整体材料使用铝合金2A12-T4经过CNC加工制成，具有较好的工艺品质。(表面粗糙度Ra=1.6，平面度1/1000mm，垂直度1/1000mm，圆度0.001mm，同轴度0.001mm)。Ansysworkbench划分网后得到72194个微元，结构件的1阶模态为548.72Hz，2阶模态为1123.8Hz，远远大于步进电机振动频率(小于10Hz)，不会引起共振，满足应用要求。结构件的刚度薄弱点如图3所示出现在物镜安装板处，表明基座的安装基准面更加稳定可靠。因此，该平台基座的设计满足应用需求。
.png)
五、结语
综上所述，本文探讨的内容主要包括调焦机构的组成、调焦驱动力矩计算、调焦机构精度分析以及模态分析，希望能够给有关工作人员提供一定的参考价值。
参考文献
[1]杜一民.高分辨率空间相机调焦机构设计与分析[D].中国科学院大学，2018.
[2]刘晓.面向隧道视觉检测的多轴调焦机构设计[J].筑路机械与施工机械化,2018,35(1):102-105.
[3]姜紫庆，贾建军.空间相机透镜调焦机构的设计与测试[J].光学精密工程，2018，26(12).