[发明专利]显微镜下的旋转定位平台的控制系统和控制方法

说明书

本发明公开了一种显微镜下的旋转定位平台的控制系统和控制方法，该系统包括：旋转控制台、第一、第二平移控制台、样品台、视觉反馈子系统、驱动器、和双闭环定位控制系统，第一、第二平移控制台的运动方向与所述旋转控制台的旋转轴垂直；双闭环定位控制系统包括：外部位置控制器计算内环输入位移量；第一、第二平移控制台的位移闭环控制子系统包括：插入式重复控制器根据输入位移量与反馈位移量的误差计算位移补偿控制量；原始闭环位移控制子系统根据输入位移量与反馈位移量的误差计算位移控制量，并结合位移补偿控制量来控制驱动器驱动第一、第二平移控制台进行位移。提高显微镜下微纳米尺度样本的旋转定位精度，大大改善了样品的显微成像效果。

技术领域

本发明实施例涉及显微镜技术，尤其涉及一种显微镜下的旋转定位平台的控制系统和控制方法。

背景技术

随着微纳米技术的飞速发展，微观尺度下的样本定位技术作为显微镜下精确成像和原位精确表征的关键技术之一，越来越多的引起了人们的广泛关注。微观尺度与宏观尺度所不同的是，显微镜环境下的样品面临着一些独特的挑战，包括狭窄的工作空间，有限的观察视场以及很少的感测方法和未知的深度信息。因此，微纳尺度下的高精度定位需求为传统的微纳米操作系统和技术带来了新的要求。

目前，大多数微纳米操作系统只能观察在显微镜下线性运动的样本，而旋转运动样本的观察很少被解决。与线性定位相比，旋转定位对微纳米操作系统的要求非常严格，因为如果样本具有一点微小偏心量，则小的旋转角度可能导致显微镜下样本的大位移变化。在现实的实践操作中将样品装配在绝对旋转中心是非常困难的。另外，即使微纳米机器人操作平台的小的固有振动也将导致样品在微纳米尺度处的明显的径向位移波动。因此，对于旋转微纳米操作平台，样品的径向波动在显微镜下样品旋转时始终存在，这些样本的波动特征不可避免地带来图像模糊、变形，甚至使样品移出显微镜的观察视野，从而导致样本成像和操作的失败。因此，旋转样品的高精度定位仍然是显微镜环境下高柔性微纳米操作的瓶颈。

发明内容

本发明提供一种显微镜下的旋转定位平台的控制系统和控制方法，以显微镜下微纳米尺度样本的旋转定位精度，大大改善了样品的显微成像效果。

第一方面，本发明实施例提供一种显微镜下的旋转定位平台的控制系统，包括：旋转控制台、第一平移控制台和第二平移控制台、样品台、视觉反馈子系统、驱动器和双闭环定位控制系统；

旋转控制台、第一平移控制台和第二平移控制台均由微纳米电机控制；

第一平移控制台安装在旋转控制台上，第二平移控制台安装在第一平移控制台上，第一平移控制台与第二平移控制台的运动方向垂直，且第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向与旋转控制台的旋转轴垂直；

样品台用于放置显微镜待观察样品，样品台连接于第二平移控制台，且位于旋转控制台的旋转轴上，并垂直于第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向；

旋转控制台用于带动样品台绕旋转控制台的旋转轴匀速旋转；

视觉反馈子系统用于实时监测样品台上的待观察样品的成像坐标位置，通过像素当量计算，确定待观察样品在旋转过程中，待观察样品上的参考点的位置变化情况，得到反馈位移量；

双闭环定位控制系统包括外部位置控制器、内环的第一平移控制台的位移闭环控制子系统和第二平移控制台的位移闭环控制子系统；外部位置控制器通过整个系统输入位置与视觉反馈子系统反馈的样本空间位置的位置误差，并通过基于旋转坐标系结构的PID控制器计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量；第一平移控制台的位移闭环控制子系统和第二平移控制台的位移闭环控制子系统的结构相同，均包括插入式重复控制器和原始闭环位移控制子系统；插入式重复控制器用于根据内环输入位移量与驱动器反馈位移量的误差计算位移补偿控制量；原始闭环位移控制子系统用于根据输入位移量与驱动器反馈位移量的误差计算第一平移控制台和第二平移控制台的位移控制量，并结合位移补偿控制量控制驱动器驱动第一平移控制台和第二平移控制台进行位移