[發明專利]顯微鏡下的旋轉定位平臺的控制系統和控制方法

有效

• 申請號: 201810064802.7
• 申請日: 2018-01-23
• 公開（公告）號: CN108563246B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 尚萬峰;王春寶;劉銓權;段麗紅;申亞京
• 申請（專利權）人: 廣東銘凱醫療機器人有限公司
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12;G02B21/32
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 孟金喆

本發明公開了一種顯微鏡下的旋轉定位平臺的控制系統和控制方法，該系統包括：旋轉控制臺、第一、第二平移控制臺、樣品臺、視覺反饋子系統、驅動器、和雙閉環定位控制系統，第一、第二平移控制臺的運動方向與所述旋轉控制臺的旋轉軸垂直；雙閉環定位控制系統包括：外部位置控制器計算內環輸入位移量；第一、第二平移控制臺的位移閉環控制子系統包括：插入式重復控制器根據輸入位移量與反饋位移量的誤差計算位移補償控制量；原始閉環位移控制子系統根據輸入位移量與反饋位移量的誤差計算位移控制量，并結合位移補償控制量來控制驅動器驅動第一、第二平移控制臺進行位移。提高顯微鏡下微納米尺度樣本的旋轉定位精度，大大改善了樣品的顯微成像效果。

技術領域

本發明實施例涉及顯微鏡技術，尤其涉及一種顯微鏡下的旋轉定位平臺的控制系統和控制方法。

背景技術

隨著微納米技術的飛速發展，微觀尺度下的樣本定位技術作為顯微鏡下精確成像和原位精確表征的關鍵技術之一，越來越多的引起了人們的廣泛關注。微觀尺度與宏觀尺度所不同的是，顯微鏡環境下的樣品面臨著一些獨特的挑戰，包括狹窄的工作空間，有限的觀察視場以及很少的感測方法和未知的深度信息。因此，微納尺度下的高精度定位需求為傳統的微納米操作系統和技術帶來了新的要求。

目前，大多數微納米操作系統只能觀察在顯微鏡下線性運動的樣本，而旋轉運動樣本的觀察很少被解決。與線性定位相比，旋轉定位對微納米操作系統的要求非常嚴格，因為如果樣本具有一點微小偏心量，則小的旋轉角度可能導致顯微鏡下樣本的大位移變化。在現實的實踐操作中將樣品裝配在絕對旋轉中心是非常困難的。另外，即使微納米機器人操作平臺的小的固有振動也將導致樣品在微納米尺度處的明顯的徑向位移波動。因此，對于旋轉微納米操作平臺，樣品的徑向波動在顯微鏡下樣品旋轉時始終存在，這些樣本的波動特征不可避免地帶來圖像模糊、變形，甚至使樣品移出顯微鏡的觀察視野，從而導致樣本成像和操作的失敗。因此，旋轉樣品的高精度定位仍然是顯微鏡環境下高柔性微納米操作的瓶頸。

發明內容

本發明提供一種顯微鏡下的旋轉定位平臺的控制系統和控制方法，以顯微鏡下微納米尺度樣本的旋轉定位精度，大大改善了樣品的顯微成像效果。

第一方面，本發明實施例提供一種顯微鏡下的旋轉定位平臺的控制系統，包括：旋轉控制臺、第一平移控制臺和第二平移控制臺、樣品臺、視覺反饋子系統、驅動器和雙閉環定位控制系統；

旋轉控制臺、第一平移控制臺和第二平移控制臺均由微納米電機控制；

第一平移控制臺安裝在旋轉控制臺上，第二平移控制臺安裝在第一平移控制臺上，第一平移控制臺與第二平移控制臺的運動方向垂直，且第一平移控制臺和第二平移控制臺的運動方向與旋轉控制臺的旋轉軸垂直；

樣品臺用于放置顯微鏡待觀察樣品，樣品臺連接于第二平移控制臺，且位于旋轉控制臺的旋轉軸上，并垂直于第一平移控制臺和第二平移控制臺的運動方向；

旋轉控制臺用于帶動樣品臺繞旋轉控制臺的旋轉軸勻速旋轉；

視覺反饋子系統用于實時監測樣品臺上的待觀察樣品的成像坐標位置，通過像素當量計算，確定待觀察樣品在旋轉過程中，待觀察樣品上的參考點的位置變化情況，得到反饋位移量；

雙閉環定位控制系統包括外部位置控制器、內環的第一平移控制臺的位移閉環控制子系統和第二平移控制臺的位移閉環控制子系統；外部位置控制器通過整個系統輸入位置與視覺反饋子系統反饋的樣本空間位置的位置誤差，并通過基于旋轉坐標系結構的PID控制器計算內環的第一平移控制臺的輸入位移量和第二平移控制臺的輸入位移量；第一平移控制臺的位移閉環控制子系統和第二平移控制臺的位移閉環控制子系統的結構相同，均包括插入式重復控制器和原始閉環位移控制子系統；插入式重復控制器用于根據內環輸入位移量與驅動器反饋位移量的誤差計算位移補償控制量；原始閉環位移控制子系統用于根據輸入位移量與驅動器反饋位移量的誤差計算第一平移控制臺和第二平移控制臺的位移控制量，并結合位移補償控制量控制驅動器驅動第一平移控制臺和第二平移控制臺進行位移