一種共聚焦顯微鏡針孔定位控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光掃描共聚焦顯微鏡的針孔定位步進電機控制方法，具體涉及以針孔定位精度為主并兼顧定位效率的步進電機控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光掃描共聚焦顯微鏡(LaserScanning Confocal Microscopy，LSCM)是研宄亞微米細微結(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中，采用精密針孔濾波技術(shù)，使得只有處于焦平面位置上的信息能夠被探測，最大限度地抑制了非聚焦平面的雜散光，具有很高的成像分辨率和信噪比。
[0003]在激光掃描共聚焦顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)中，由于存在大量需要實時切換的光學(xué)器件并且光學(xué)器件間存在裝調(diào)誤差，因此在不同光學(xué)器件切換后入射激光在針孔面上的位置可能存在漂移，從而需要實時調(diào)節(jié)針孔在針孔面上的位置，使得入射激光光斑與針孔精確重合。通常采用二維電動機構(gòu)對針孔進行二維實時調(diào)節(jié)，針孔的定位精度直接影響成像分辨率和信噪比，因此電動機構(gòu)中電機的控制精度很重要。受限于共聚焦掃描頭的空間尺寸，采用尺寸較大的光電編碼器和伺服電機實現(xiàn)精確閉環(huán)控制的方案無法實現(xiàn)，一般只能采用尺寸較小的光電開關(guān)和步進電機實現(xiàn)開環(huán)控制，開環(huán)控制的精度由提供原點位置的光電開關(guān)的重復(fù)定位精度及步進電機的運動精度決定。
[0004]現(xiàn)有產(chǎn)品一般采用下述方式控制步進電機的運動，步進電機控制器接收到上位機發(fā)送的針孔目的位置坐標(biāo)指令后，根據(jù)針孔當(dāng)前位置坐標(biāo)及目的位置坐標(biāo)計算出相對位置坐標(biāo)，將相對位置坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成步進電機運動的步數(shù)，即相對步數(shù)，然后控制步進電機從當(dāng)前位置直接運動至目的位置，這種方式存在兩個缺點，一方面在步進電機反向運動的情況下會因為運動機構(gòu)的螺紋間隙導(dǎo)致定位誤差偏大；另一方面雖然步進電機不用每次復(fù)位(只需要上電的時候復(fù)位一次)，但因為步進電機控制器的指令順序執(zhí)行特點，一個時刻只能一個電機運動，這樣只有一個電機運動完成后另一個電機才能運動，導(dǎo)致針孔定位速度較慢，定位效率低。
[0005]現(xiàn)有產(chǎn)品針孔電機運動方式如下:
[0006]I)上位機發(fā)送針孔目的位置坐標(biāo)指令給針孔步進電機控制器，控制器計算針孔目的位置坐標(biāo)與當(dāng)前位置坐標(biāo)的差值，設(shè)目的位置坐標(biāo):(Xd, Yd)，當(dāng)前位置坐標(biāo):(Xe，Yc)，差值坐標(biāo):(dX，dY)，關(guān)系如下:dX = Xd-Xc，dY = Yd-Yc ；
[0007]2)控制器判斷dX，dY正負，如果dX >= 0，設(shè)置控制針孔水平方向運動的電機順時針轉(zhuǎn)動，針孔水平正向運動，反之電機逆時針轉(zhuǎn)動，針孔水平反向運動；如果dY >= 0，設(shè)置控制針孔豎直方向運動的電機順時針轉(zhuǎn)動，針孔豎直正向運動，反之電機逆時針轉(zhuǎn)動，針孔豎直反向運動；
[0008]3)控制器設(shè)置水平方向電機的運行步數(shù)為f (|dX|)，豎直方向電機的運行步數(shù)為f (I dY I)，函數(shù)f是針孔坐標(biāo)值與電機步數(shù)的轉(zhuǎn)換函數(shù)；
[0009]4)控制器啟動水平方向電機運動，等到水平方向電機運動完成后啟動豎直方向電機運動，等到豎直方向電機運動完成后，保存目的位置坐標(biāo)為當(dāng)前位置坐標(biāo)，整個控制過程結(jié)束。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種可行的精確、快速控制共聚焦顯微鏡針孔定位的方法，旨消除針孔反向運動時運動機構(gòu)的螺紋間隙帶來的定位誤差，并解決現(xiàn)有技術(shù)中定位速度較慢，定位效率低的問題。
[0011]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0012]一種共聚焦顯微鏡針孔定位控制方法，控制針孔水平運動的電機設(shè)為電機X，用于提供水平方向原點的光電開關(guān)設(shè)為光電開關(guān)X ;控制針孔豎直運動的電機設(shè)為Y，用于提供豎直方向原點的光電開關(guān)設(shè)為光電開關(guān)Y ;針孔當(dāng)前位置絕對坐標(biāo)值設(shè)為(Xe，Yc)，目的位置絕對坐標(biāo)值設(shè)為(Xd，Yd)，針孔坐標(biāo)值與電機步數(shù)的轉(zhuǎn)換函數(shù)設(shè)為f，絕對坐標(biāo)值是以計步原點為參考，包括以下控制流程:
[0013]I)上位機發(fā)送針孔目的位置坐標(biāo)指令給步進電機控制器，控制器計算針孔目的位置坐標(biāo)與當(dāng)前位置坐標(biāo)的差值:dx = Xd-Xc，dY = Yd-Yc ；
[0014]2)控制器創(chuàng)建兩個電機控制任務(wù)A和B，分別處理電機X和電機Y的運動，有以下四種情況:
[0015]a) dX > = 0，dY > = O:任務(wù)A控制電機X直接順時針轉(zhuǎn)動f (dX)步；任務(wù)B控制電機Y直接順時針轉(zhuǎn)動f (dY)步；
[0016]b) dX > = 0，dY < O:任務(wù)A控制電機X直接順時針轉(zhuǎn)動f (dX)步；任務(wù)B控制電機Y先逆時針轉(zhuǎn)動復(fù)位至物理原點，再順時針轉(zhuǎn)動至計步原點開始計步，從計步原點開始順時針轉(zhuǎn)動f(Yd)步；
[0017]c) dX < 0，dY > = O:任務(wù)A控制電機X先逆時針轉(zhuǎn)動復(fù)位至物理原點，再順時針轉(zhuǎn)動至計步原點開始計步，從計步原點開始順時針轉(zhuǎn)動f (Xd)步；任務(wù)B控制電機Y直接順時針轉(zhuǎn)動f(dY)步；
[0018]d) dX < 0，dY < O:任務(wù)A控制電機X先逆時針轉(zhuǎn)動復(fù)位至物理原點，再順時針轉(zhuǎn)動至計步原點開始計步，從計步原點開始順時針轉(zhuǎn)動f (Xd)步；任務(wù)B控制電機Y也是先逆時針轉(zhuǎn)動復(fù)位至物理原點，再順時針轉(zhuǎn)動至計步原點開始計步，從計步原點開始順時針轉(zhuǎn)動 f (Yd)步 5 ;
[0019]3)上述任務(wù)A和任務(wù)B同時啟動執(zhí)行，任務(wù)A在針孔水平方向到位后更新Xe，使Xe = Xd ;任務(wù)B在針孔豎直方向到位后更新Yc，使Yc = Yd ;
[0020]4)控制器一條指令處理結(jié)束，等待下一條上位機指令。
[0021]優(yōu)選的是，所述的共聚焦顯微鏡針孔定位控制方法，其中，所述電機物理原點表示電機反向運動復(fù)位至光電開關(guān)剛好觸發(fā)的位置再運行S/2步，S是光電開關(guān)觸發(fā)區(qū)長度對應(yīng)的電機步數(shù)。
[0022]優(yōu)選的是，所述的共聚焦顯微鏡針孔定位控制方法，其中，所述電機計步原點表示電機從物理原點位置正向運動至光電開關(guān)剛好不觸發(fā)的位置。
[0023]本發(fā)明的有益效果:1)本發(fā)明將針孔電機的物理原點和計步原點分開并配合相應(yīng)的控制策略，消除了針孔反向運動時運動機構(gòu)的螺紋間隙帶來的定位誤差，提高了針孔定位精度；2)在電機控制器中移植精簡的實時操作系統(tǒng)以實現(xiàn)多電機同時工作，創(chuàng)建兩個可以并行執(zhí)行的任務(wù)，一個任務(wù)用于控制水平方向電機運動，另一個任務(wù)用于控制豎直方向電機運動，這樣兩個電機可以同時運動，針孔定位快速，大大提高了針孔定位效率。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明一實施例所述的共聚焦顯微鏡針孔定位控制方法中兩個電機的位置不意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明一實施例所述的共聚焦顯微鏡針孔定位控制方法中dX >= 0，dY >=O時，兩個電機的工作情況；
[0026]圖3為本發(fā)明一實施例所述的共聚焦顯微鏡針孔定位控制方法中d