一种共聚焦显微镜中光谱狭缝的控制方法
【专利摘要】本发明提出一种共聚焦显微镜中光谱狭缝的控制方法。所述的共聚焦显微镜中光谱狭缝的控制方法，它采用并行调度控制算法通过单个控制器同时控制两个步进电机来分别驱动两个不透光的狭缝缝片在导轨上滑动，并通过改变所述两个狭缝缝片之间的距离与位置，使得所述两个狭缝缝片之间形成所需的光谱狭缝。采用所述的控制方法有效的减少狭缝缝片就位时间，并且采用并行调度控制算法可以在一个控制器的控制下同时对多个驱动狭缝缝片的步进电机进行控制。可以使狭缝缝片在较低的成本条件下高速且高精度的完成狭缝的就位。
【专利说明】一种共聚焦显微镜中光谱狭缝的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光谱狭缝的控制方法，尤其涉及一种共聚焦显微镜中光谱狭缝的控制方法。
【背景技术】
[0002]激光扫描共焦显微镜(LaserScanning Confocal Microscopy，LSCM)是研宄亚微米细微结构的有效技术手段，它是国内外从事生物医学和材料科学研宄的科技工作者必备的大型科研仪器。在LSCM的工作过程中，同一种激光或者多个波长的激光可以再同时能够激发不同的荧光物质，不同的荧光物质可以发射不同谱段的荧光。在LSCM采用光谱分光模块对荧光进行分光，一般的，光谱分光模块采用棱镜或光栅，其作用是把一束入射荧光按照波长分散开。为了要探测某一特定波段的荧光，则可用狭缝缝片遮挡不探测的荧光波段，而让需要探测波段的荧光传播向探测器。为了使射向探测器的荧光波段比较精准，则需要狭缝缝片的运动精度很高。在狭缝缝片中，采用步进电机驱动挡片运动来对特定区段的波长进行遮挡，为了使步进电机的运动有较高精度，则需要对步进电机的位置进行探测来进行闭环控制或只允许步进电机采用单方向运动来消除运动机构在往返运动中存在精度误差。在LSCM中，由于光谱分光模块安装于扫描头，扫描头空间有限，所以选择位置探测则会大大增大狭缝缝片的复杂度和体积；采用单向运动的开环控制运动则需要在保证缝片不碰撞的前提下能精确运动到设定位置。
[0003]但是，现有共聚焦显微镜中采用的调度方法，在涉及一个狭缝缝片复位或者两个狭缝缝片都需要复位的情况时，会首先将需要复位的狭缝缝片依次复位之后再驱动两个狭缝缝片运动到位。这就使得狭缝缝片的运动过程中耗时较长，降低了共聚焦显微镜的使用效率。
[0004]发明目的
[0005]本发明针对现有激光扫描共焦显微镜光谱狭缝控制方法存在的在涉及一个狭缝缝片复位或者两个狭缝缝片都需要复位的情况时，会首先将需要复位的狭缝缝片依次复位之后再将两个狭缝缝片运动到位。其运动耗时较长等问题，提出并设计了并行调度控制驱动狭缝缝片运动的步进电机的方法。该方法使驱动狭缝运动的各个步进电机同时运动，大大减少了狭缝缝片的就位时间。
[0006]本发明的技术方案概括如下:
[0007]一种共聚焦显微镜中光谱狭缝的控制方法，它通过控制器分别控制两个步进电机来分别驱动两个不透光的狭缝缝片，并通过改变所述两个狭缝缝片之间的距离，使得所述两个狭缝缝片之间形成一个光谱狭缝，通过改变该光谱狭缝的大小和位置，使得该光谱狭缝只允许某个特定波段的光穿过，其他波段的光被遮挡住。该方法包括:
[0008]步骤一)在所述导轨上对每个狭缝缝片设立一个初始位置，即复位位置，其被用于使所述步进电机驱动所述狭缝缝片回到该初始位置时，能够消除步进电机的行程误差。
[0009]步骤二 )设定每个狭缝缝片分别需要达到的目标位置为各自的指令位置；每个狭缝缝片当前所在位置为各自的当前位置；每个狭缝缝片从各自的初始位置运动到各自的指令位置，步进电机所需运动的步数为指令位置步数；狭缝缝片从初始位置运动到当前位置步进电机所需运动的步数为当前位置步数。
[0010]步骤三)所述控制器判断狭缝缝片的当前位置步数与指令位置步数的大小关系，并根据该大小关系作出如下操作:
[0011]a)若只有一个狭缝缝片的指令位置步数小于它的当前位置步数，则该狭缝缝片先被驱动至初始位置，再被驱动至指令位置，同时另一个狭缝缝片直接被驱动至指令位置。
[0012]b)若两个狭缝缝片的指令位置步数都大于各自的当前位置步数，则两个狭缝缝片同时被直接驱动至指令位置。
[0013]c)若两个狭缝缝片的指令位置步数都小于各自的当前位置步数，则两个狭缝缝片同时被驱动，运动至各自的初始位置，再被驱动至指令位置。
[0014]优选的是，所述的狭缝缝片被驱动至初始位置的具体过程为:狭缝缝片先被步进电机驱动向复位方向运动，待狭缝缝片达到初始位置后继续被步进电机驱动往该方向运动若干步；之后步进电机驱动狭缝缝片反向运动至初始位置。
[0015]优选的是，所述的狭缝缝片到达初始位置是通过光电开关判断的；当狭缝缝片到达初始位置时，狭缝缝片外挂的挡板遮住光电开关中的红外光线，光电开关由低电平状态变成高电平状态；当狭缝缝片离开初始位置时，狭缝缝片外挂的挡板不遮住光电开关中的红外光线，光电开关为低电平状态。
[0016]优选的是，所述的只有一个狭缝缝片的指令位置步数小于它的当前位置步数情况，以狭缝缝片I需要复位并运动到位为例。其运动过程如下:
[0017]a控制器初始化，分别获得狭缝缝片I与狭缝缝片2的当前位置步数与指令位置步数，分别为:ci为狭缝缝片I当前位置步数；C2为狭缝缝片2当前位置步数；D1为狭缝缝片I指令位置步数；D2为狭缝缝片2指令位置步数。
[0018]b在控制指令中加入步进电机2驱动狭缝缝片2在(D2-C2)个周期内向狭缝缝片2的指令位置运动(D2-C2)步的指令。
[0019]c判断光电开关是否为高电平状态，如果是，则进入d;否则进入g。
[0020]d判断狭缝缝片运动方向，如果是复位方向则进入e ;否则进入f。
[0021]e在控制指令中，加入步进电机I驱动狭缝缝片I从当前位置开始的Rl个周期内往复位方向运行Rl步的指令，并且在完成指令后改变运动方向；进入j。
[0022]f在控制命令中，加入步进电机I驱动狭缝缝片I从当前位置开始的Dl个周期内往增量方向运行Dl步的指令，进入j。
[0023]g判断狭缝缝片运动方向，如果是复位方向则进入h ;否则进入i ;
[0024]h如果狭缝缝片的当前位置步数大于0，加入步进电机I驱动狭缝缝片I在Cl个周期内向复位方向运动Cl步的指令；进入j。
[0025]i如果狭缝缝片的当前位置步数小于0，加入步进电机I驱动狭缝缝片I向增量方向运动一步的指令；进入j。
[0026]j更新控制指令队列；判断两个狭缝缝片当前位置步数与指令位置步数的关系；如果位置两个狭缝缝片当前位置步数与指令位置步数一致，则完成运动；否则步进电机执行指令运动，并且更新狭缝缝片当前位置步数；完成运动后进入步骤C。
[0027]优选的是所述的两个狭缝缝片的指令位置步数都小于它们的当前位置步数情况。其运动过程如下:
[0028]a控制器初始化。分别获得狭缝缝片I与狭缝缝片2的当前位置步数与指令位置步数，分别为:ci为狭缝缝片I当前位置步数；C2为狭缝缝片2当前位置步数；D1为狭缝缝片I指令位置步数；D2为狭缝缝片2指令位置步数.
[0029]b判断光电开关是否为高电平状态，如果是，则进入c ;否则进入f。
[0030]c判断狭缝缝片运动方向，如果是复位方向则进入d ;否则进入e ；
[0031]d在控制指令中，加入步进电机I驱动狭缝缝片I从当前位置开始的Rl个周期内往复位方向运行Rl步的指令，并且在完成指令后改变运动方向；进入j ；
[0032]e在控制命令中，加入步进电机I驱动狭缝缝片I从当前位置开始的Dl个周期内往增量方向运行Dl步的指令，进入j。
[0033]f判断狭缝缝片运动方向，如果是复位方向则进入g ;否则进入h。
[0034]g如果狭缝缝片的当前位置步数大于0，加入步进电机I驱动狭缝缝片I在Cl个周期内向复位方向运动Cl步的指令；进入j。；
[0035]h如果狭缝缝片的当前位置步数小于0，加入步进电机I驱动狭缝缝片I向增量方向运动一步的指令；进入j。
[0036]i采用与b-h同意的步骤得到狭缝缝片2的运动指令，进入j。
[0037]j更新控制指令队列；判断两个狭缝缝片当前位置步数与指令位置步数的关系；如果位置两个狭缝缝片当前位置步数与指令位置步数一致，则完成运动；否则步进电机执行指令运动，并且更新狭缝缝片当前位置步数；完成运动后进入步骤b ；
[0038]该调度方法中，控制器控制两个步进电机同时驱动狭缝缝片运动，在涉及一个狭缝缝片需要复位的情况下，需要复位的狭缝缝片向复位方向运动一步的同时另一个狭缝缝片向目标位置运动一步。步进电机驱动狭缝缝片运动每一步其运动距离是一致的，所以采用该调度方法不会出现两个狭缝缝片相互碰撞的情况。在涉及两个狭缝缝片需要复位的时候，在复位过程中，两个缝片同时进行复位运动。同时控制两个狭缝缝片的复位运动过程或者增量运动过程，有效的减少了狭缝缝片的就位时间，提高整个光谱模块的调整速度。本发明的有益效果:
[0039]1、本专利采用并行调度的控制算法同时控制步进电机驱动狭缝缝片进行运动，大大减少了狭缝缝片的就位时间。
[0040]2、本专利采用并行调度的控制算法，可以在一个控制器的控制下对多个狭缝缝片的步进电机进行同时控制。可以使狭缝缝片在较低的成本条件下高速且高精度的完成狭缝的就位。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1是本发明提供的光谱狭缝步进电机控制方法的方法流程图。
[0042]图2是狭缝机构示意图。
[0043]其中，I狭缝运动控制步进电机1，2防碰撞光电开关，3狭缝运动控制步进电机3，4步进电机I复位位置光电开关，5狭缝缝片1，6狭缝缝片2，7步进电机2复位位置开关。
[0044]图3是两个狭缝缝片均不需要复位的调度流程图。
[0045]图4是一个狭缝缝片(以狭缝缝片I为例)需要复位的调度流程图。
[0046]图5是两个狭缝缝片都需要复位的调度流程图。
[0047]其中，Cl为狭缝缝片I当前位置步数C2为狭缝缝片2当前位置步数；D1为狭缝缝片I指令位置步数D2为狭缝缝片2指令位置步数；R1、R2为不为O的常数。
【具体实施方式】
[0048]下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0049]控制器接收来自显微镜的狭缝位置，对比各狭缝缝片当前位置步数与目标位置步数(即指令位置步数)的关系，确定各狭缝缝片是否需要进行复位。分为3中情况:
[0050]两个狭缝缝片都不需要复位直接运动到位的情况:
[0051]控制命令初始化，队列中每个控制命令均为不运动，且运动命令队列中当前位置为队列起始位置。在控制命令中加入步进电机I驱动狭缝缝片I在(Dl-Cl)周期内向目标位置运行(Dl-Cl)步，步进电机2驱动狭缝缝片2在(D2-C2)周期内向目标位置运行(D2-C2)步，更新控制命令队列。执行控制命令队列中的控制命令，直至两个狭缝缝片均达到指令位置，则运动完成。
[0052]一个狭缝缝片(以狭缝缝片I为例)需要复位的情况:
[0053]a在控制指令中加入步进电机2驱动狭缝缝片2在(D2-C2)周期内向目标位置运行(D2-C2)步的指令。
[0054]b分别判断光电开关I的状态以及狭缝缝片I的运动方向。如果光电开关为高电平状态且狭缝缝片的运动方向为复位方向，则在控制指令中，加入步进电机I驱动狭缝缝片I从当前位置开始的Rl个周期内往复位方向运行Rl步，并且在完成指令后改变运动方向的指令。如果光电开关为高电平状态且狭缝缝片的运动方向为增量方向，则在在控制命令中，加入步进电机I驱动狭缝缝片I从当前位置开始的Dl个周期内往增量方向运行Dl步的指令。如果光电开关为低电平状态且狭缝缝片的运动方向为增量方向，且狭缝缝片的当前位置步数小于0，则加入步进电机I驱动狭缝缝片增量运动一步的命令。如果光电开关为低电平状态且狭缝缝片的运动方向为复位方向，且狭缝缝片的当前位置步数大于0，加入步进电机驱动狭缝缝片I在Cl个周期内向复位方向运动Cl步的指令。
[0055]c更新控制指令队列，判断两个狭缝位置是否已到指定位置，如果是则完成运动，如果不是，控制器控制步进电机执行指令驱动狭缝缝片运动，并且更新狭缝缝片当前位置步数。之后回到a，直至两个狭缝缝片均运动到指定位置。
[0056]两个狭缝缝片都不需要复位直接运动到位的情况:
[0057]a分别判断光电开关I的状态以及狭缝缝片I的运动方向。如果光电开关为高电平状态且狭缝缝片的运动方向为复位方向，则在控制指令中，加入步进电机I驱动狭缝缝片I从当前位置开始的Rl个周期内往复位方向运行Rl步，并且在完成指令后改变运动方向的指令。如果光电开关为高电平状态且狭缝缝片的运动方向为增量方向，则在在控制命令中，加入步进电机I驱动狭缝缝片I从当前位置开始的Dl个周期内往增量方向运行Dl步的指令。如果光电开关为低电平状态且狭缝缝片的运动方向为增量方向，且狭缝缝片的当前位置步数小于0，则加入步进电机I驱动狭缝缝片增量运动一步的命令。如果光电开关为低电平状态且狭缝缝片的运动方向为复位方向，且狭缝缝片的当前位置步数大于O，加入步进电机驱动狭缝缝片I在Cl个周期内向复位方向运动Cl步的指令。
[0058]b加入采用与a相同的方法获得的步进电机2驱动狭缝缝片2的运动指令。
[0059]c更新控制指令队列，判断两个狭缝位置是否已到指定位置，如果是则完成运动，如果不是，控制器控制步进电机执行指令驱动狭缝缝片运动，并且更新狭缝缝片当前位置步数。之后回到a，直至两个狭缝缝片均运动到指定位置。
[0060]尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
【权利要求】
1.一种共聚焦显微镜中光谱狭缝的控制方法，它通过单个控制器同时控制两个步进电机来分别驱动两个不透光的狭缝缝片在导轨上滑动，并通过改变所述两个狭缝缝片之间的距离，使得所述两个狭缝缝片之间形成一个光谱狭缝，通过改变两个光谱狭缝缝片位置，使得该光谱狭缝只允许某个特定波段的光穿过，其他波段的光被遮挡住；包括以下步骤: 步骤一)在所述导轨上对每个狭缝缝片设立一个初始位置，即复位位置；其用于使所述步进电机驱动所述狭缝缝片回到该初始位置时，能够消除步进电机的行程误差； 步骤二)设定每个狭缝缝片分别需要达到的目标位置为各自的指令位置；每个狭缝缝片当前所在位置为各自的当前位置；每个狭缝缝片从各自的初始位置运动到各自的指令位置，步进电机所需运动的步数为指令位置步数；狭缝缝片从初始位置运动到当前位置步进电机所需运动的步数为当前位置步数； 步骤三)所述控制器判断狭缝缝片的当前位置步数与指令位置步数的大小关系，并根据该大小关系作出如下操作: a)若只有一个狭缝缝片的指令位置步数小于它的当前位置步数，则该狭缝缝片先被驱动至初始位置，再被驱动至指令位置，同时另一个狭缝缝片直接被驱动至指令位置； b)若两个狭缝缝片的指令位置步数都大于各自的当前位置步数，则两个狭缝缝片同时被直接驱动至指令位置； c)若两个狭缝缝片的指令位置步数都小于各自的当前位置步数，则两个狭缝缝片同时被驱动，运动至各自的初始位置，再被驱动至指令位置。
2.根据权利要求1所述的共聚焦显微镜中光谱狭缝的控制方法，其特征在于，所述的狭缝缝片被驱动至初始位置的具体过程为:狭缝缝片先被步进电机驱动向复位方向运动，待狭缝缝片达到初始位置后继续被步进电机驱动往该方向运动若干步；之后步进电机驱动狭缝缝片反向运动至初始位置。
3.根据权利要求1所述的共聚焦显微镜中光谱狭缝的控制方法，其特征在于，该方法可以在一个控制器的控制下同时对多个驱动狭缝缝片的步进电机进行控制。
4.根据权利要求1或2所述的共聚焦显微镜中光谱狭缝的控制方法，其特征在于，所述的狭缝缝片到达初始位置是通过光电开关判断的；当狭缝缝片到达初始位置时，狭缝缝片外挂的挡板遮住光电开关中的红外光线，光电开关由低电平状态变成高电平状态；当狭缝缝片离开初始位置时，狭缝缝片外挂的挡板不遮住光电开关中的红外光线，光电开关为低电平状态。
【文档编号】G02B21/00GK104502316SQ201410766187
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】黄维, 张运海 申请人:中国科学院苏州生物医学工程技术研究所