共振掃描用機械光調製器的製作方法
2023-05-20 02:14:41 1
本實用新型涉及一種共振掃描用機械光調製器，特別是一種基於機械斬光原理實現光學掃描顯微鏡中的行/場消隱功能的機械光調製器。
背景技術：
在近年來為了實現對活體生物樣品及快速變化生理活動的成像（至少需要達到25fps），共振掃描器（Resonant Scanner）因其能夠實現快速掃描的優點已經取代了傳統的檢流計掃描器（Galvanometer Scanner），作為光學掃描顯微鏡中X軸掃描的主流器件（本文不涉及很少被使用的多邊形掃描器（Polygon Scanner））。與具有線性掃描特性，工作在閉環狀態的檢流計掃描器不同，共振掃描器工作在開環狀態，其掃描速度在每一行中呈現近似正弦變化：在每一行的兩端，其掃描速度為零；在每一行的中央，其掃描速度最快。在每一行中，其掃描速度呈現從零加速至最大，再減速至零從而反向換行的規律。這意味著共振掃描器在掃描每一行的中央部分（大約88%）時，其掃描速度近似勻速；在掃描每一行的兩端時，其掃描速度過慢，容易導致樣品過度曝光，染料漂白等問題。因此需要在掃描每一行的兩端時，通過切斷雷射輸入（而不是關閉雷射器）的方式解決以上問題。
此外，在完成每一幀數百行掃描之後，光學掃描顯微鏡的掃描頭需要回到下一幀的起始位置。此過程大約需要花費完成幾行掃描所耗費的時間。在此過程中，也需要切斷雷射輸入。這個過程叫場消隱。
另外，共振掃描器通常可以工作在單向掃描模式或雙向掃描模式下。在單向掃描模式下，共振掃描器完成每一行掃描後，切斷雷射輸入同時回到下一行的起點。在雙向掃描模式下，共振掃描器完成每一行掃描後換行反向進行下一行掃描，不存在回程消隱。
因此，如何適時快速地進行雷射輸入的開通與關閉成為採用共振掃描器的光學掃描顯微鏡中的一項關鍵技術。目前廣泛採用的技術有基於電光調製效應的普克爾盒（Pockel cell）和基於聲光調製效應的聲光調製器（AOM）。聲光調製與電光調製技術相比，它有更高的消光比（一般大於1000：1），更低的驅動功率，更優良的溫度穩定性和更好的光點質量以及更低的價格。其缺點是聲光調製器的色散嚴重，會使飛秒雷射脈衝明顯展寬，造成圖像質量下降。這兩種技術從性能方面都能滿足光學掃描顯微鏡的基本需求，共同的缺點是價格昂貴。一套典型的用於光學掃描顯微鏡系統的電光調製器的報價最低要8萬人民幣左右。雖然這個價格在一套價值數百萬的進口光學掃描顯微鏡系統中所佔比例不大，但是開發其廉價替代品對於實現幾十萬元級別的國產光學掃描顯微鏡系統意義非常重大。
因此本實用新型提出了一種共振掃描用機械光調製器，特別是一種基於機械斬光原理實現光學掃描顯微鏡中的行/場消隱功能的機械光調製器。本實用新型能夠實現與電光調製器和聲光調製器相比更高的消光比（遠大於1000：1），價格低廉，無色散效應，適用於各類型光學掃描顯微鏡，如共聚焦螢光顯微鏡，各種非線性光學掃描顯微鏡（多光子，CARS，SHG，STED等）。
技術實現要素：
在本實用新型的目的是實現一種基於機械斬光原理實現光學掃描顯微鏡中的行/場消隱功能的機械光調製器。機械斬光原理是使用機械旋轉機構帶動多孔的斬光片轉動。當光束遇到斬光片有孔部分時無損通過；當光束遇到斬光片無孔部分時被完全阻擋。因此機械斬光原理可以實現很高的消光比，價格低廉，無色散效應。
為實現上述目的，本實用新型採用技術方案是：它包括外部同步信號接口，鎖相電路，電動機伺服電路，電動機，斬光片，外部同步信號接口的輸出端與鎖相電路的輸入端連接，鎖相電路的輸出端與電動機伺服電路的輸出端連接，電動機伺服電路的輸出端與電動機的輸入端連接，電動機的輸出端與斬光片的輸入端連接，外部同步信號接口接收光學掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅動信號，通過鎖相電路轉換成與光學掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅動信號同相位位的脈衝信號，再通過電動機伺服電路實現電動機的旋轉運動，從而帶動斬光片轉動實現行/場快速消隱。
所述的外部同步信號接口用於將光學掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅動信號輸入鎖相電路；
所述的鎖相電路為基於商用鎖相環晶片的信號處理電路，用於產生與外部同步信號接口提供的光學掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅動信號同相位的脈衝信號，由於市場上已有商用鎖相環晶片，此處工作原理不贅述；
所述的電動機伺服電路為基於商用數字電動機驅動晶片的伺服電路，用於放大鎖相電路產生的脈衝信號，並提供足夠大的驅動電流，由於市場上已有商用電動機驅動晶片，此處工作原理不贅述；
所述的電動機為商用伺服電動機，電動機轉子轉速受電動機伺服電路的輸出信號控制，具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，由於市場上已有商用伺服電動機，此處工作原理不贅述；
所述的斬光片為圓形勻質金屬薄片，材質為鋁合金或黃銅，中心開有用於電動機轉子的定位孔，定位孔周圍沿圓心旋轉對稱開有通孔，通孔的寬度，形狀和數量取決於光學掃描顯微鏡中共振掃描的速度，行數和掃描模式，在下文中詳述。
本實用新型的工作原理是這樣的：在使用時，外部同步信號接口的輸出端與鎖相電路的輸入端連接，鎖相電路的輸出端與電動機伺服電路的輸出端連接，電動機伺服電路的輸出端與電動機的輸入端連接，電動機的輸出端與斬光片的輸入端連接，外部同步信號接口接收光學掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅動信號，通過鎖相電路轉換成與光學掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅動信號同相位的脈衝信號，再通過電動機伺服電路實現電動機的旋轉運動，從而帶動斬光片轉動實現行/場快速消隱。下面以某品牌光學掃描顯微鏡為例，具體說明工作原理。通常光學掃描顯微鏡中廣泛採用的共振掃描器為美國CTI公司的產品，具有8KHz左右的共振頻率，能夠提供15600行/秒的最大掃描速度。因此對於一幅512x512的圖像，幀率可以達到最快30幀/秒。對於單向掃描來說，每幅圖像包括256個正向掃描行（正向的定義是從左向右）和256個反向掃描行。由於是共振掃描，每行正向掃描和反向掃描所消耗的時間相同。因此斬光片靠近圓周的部分被等分為520等份。其中512等份部分打孔，每等份中打孔的面積佔每份的88%，不打孔的面積佔12%，分別對應每行88%近似勻速掃描的部分和最左端6%，最右端6%消隱的部分。打孔的部分允許雷射通過；不打孔的部分完全阻擋雷射。餘下8等份不打孔，對應每幀結束後掃描頭回到下一幀第一行起始位置的過程。這個斬光片設計適用於雙向掃描。當共振掃描器開始正向掃描第一行詩時，先經過6%的雷射消隱區，對應斬光片上第一個等份的前6%不打孔區；之後經過88%掃描區，對應斬光片上第一個等份的中間88%打孔區；再經過6%的雷射消隱區，對應斬光片上第一個等份的後6%不打孔區；之後共振掃描器換行開始反向掃描重複上一過程，斬光片繼續轉動進入第二個等份，以此類推......當共振掃描器完成第512行，也就是第256反向掃描行，之後開始進入場消隱階段。掃描頭回到第一行的起始位置。在此過程中，斬光片繼續轉過餘下8等份不打孔區，阻擋雷射以實現場消隱。以一個兼容英國Scitec公司機械斬光器的斬光片設計為例，斬光片的直徑為100mm，厚度為0.5mm，材料為CZ108半硬黃銅。為了實現快速消隱，孔的位置要儘量靠近斬光片的邊緣，以直徑90mm處為例，對應周長約為90mm*3.14=283mm，283mm周長分成520等份，每份長度為0.544mm。其中打孔部分的長度佔88%，約為0.48mm。每行的打孔部分包括512個像素，因此對應的光束直徑約為0.95um。如果光束直徑增大會引起雷射通過與消隱之間的過渡帶變平緩，使掃描圖像邊緣質量變差。可見，每片斬光片上包含實現一幀掃描的完整消隱結構。因此電動機的轉速為1800rpm。
本實用新型由於採用了上述技術方案，具有如下優點：
1、相對於電光調製和聲光調製，實現很高的消光比，遠大於1000:1；
2、相對於電光調製和聲光調製，成本低至1/10，無色散效應；
3、斬光片可靈活定製，適應共振掃描器的不同掃描模式。
附圖說明
圖1為本實用新型的結構框圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明：如圖1所示，它包括外部同步信號接口1，鎖相電路2，電動機伺服電路3，電動機4，斬光片5，外部同步信號接口1的輸出端與鎖相電路2的輸入端連接，鎖相電路2的輸出端與電動機伺服電路3的輸出端連接，電動機伺服電路3的輸出端與電動機4的輸入端連接，電動機4的輸出端與斬光片5的輸入端連接，外部同步信號接口1接收光學掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅動信號，通過鎖相電路2轉換成與光學掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅動信號同相位的脈衝信號，再通過電動機伺服電路3實現電動機4的旋轉運動，從而帶動斬光片5轉動實現行/場快速消隱。
所述的外部同步信號接口1用於將光學掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅動信號輸入鎖相電路2；
所述的鎖相電路2為基於商用鎖相環晶片的信號處理電路，用於產生與外部同步信號接口提供的光學掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅動信號同相位的脈衝信號，由於市場上已有商用鎖相環晶片，此處工作原理不贅述；
所述的電動機伺服電路3為基於商用數字電動機驅動晶片的伺服電路，用於放大鎖相電路2產生的脈衝信號，並提供足夠大的驅動電流，由於市場上已有商用電動機驅動晶片，此處工作原理不贅述；
所述的電動機4為商用伺服電動機，電動機4轉子轉速受電動機伺服電路的輸出信號控制，具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，由於市場上已有商用伺服電動機，此處工作原理不贅述；
所述的斬光片5為圓形勻質金屬薄片，材質為鋁合金或黃銅，中心開有用於電動機轉子的定位孔，定位孔周圍沿圓心旋轉對稱開有通孔，通孔的寬度，形狀和數量取決於光學掃描顯微鏡中共振掃描的速度，行數和掃描模式，在下文中詳述。
本實用新型的工作原理是這樣的：在使用時，外部同步信號接口1的輸出端與鎖相電路2的輸入端連接，鎖相電路2的輸出端與電動機伺服電路3的輸出端連接，電動機伺服電路3的輸出端與電動機4的輸入端連接，電動機4的輸出端與斬光片5的輸入端連接，外部同步信號接口1接收光學掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅動信號，通過鎖相電路2轉換成與光學掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅動信號同相位的脈衝信號，再通過電動機伺服電路3實現電動機4的旋轉運動，從而帶動斬光片5轉動實現行/場快速消隱。下面以某品牌光學掃描顯微鏡為例，具體說明工作原理。通常光學掃描顯微鏡中廣泛採用的共振掃描器為美國CTI公司的產品，具有8KHz左右的共振頻率，能夠提供15600行/秒的最大掃描速度。因此對於一幅512x512的圖像，幀率可以達到最快30幀/秒。對於單向掃描來說，每幅圖像包括256個正向掃描行（正向的定義是從左向右）和256個反向掃描行。由於是共振掃描，每行正向掃描和反向掃描所消耗的時間相同。
實施實例之一：每片斬光片5的直徑為100mm，片上包含實現一幀掃描的完整消隱結構。因此電動機的轉速為1800rpm，相當於30fps。斬光片5靠近圓周的部分被等分為520等份（15600除以30），其中512等份部分打孔，每等份中打孔的面積佔每份的88%，不打孔的面積佔12%，分別對應每行88%近似勻速掃描的部分和最左端6%，最右端6%消隱的部分。打孔的部分允許雷射通過；不打孔的部分完全阻擋雷射。餘下8等份不打孔，對應每幀結束後掃描頭回到下一幀第一行起始位置的過程。這個斬光片設計適用於雙向掃描。當共振掃描器開始正向掃描第一行詩時，先經過6%的雷射消隱區，對應斬光片5上第一個等份的前6%不打孔區；之後經過88%掃描區，對應斬光片5上第一個等份的中間88%打孔區；再經過15%的雷射消隱區，對應斬光片5上第一個等份的後6%不打孔區；之後共振掃描器換行開始反向掃描重複上一過程，斬光片5繼續轉動進入第二個等份，以此類推......當共振掃描器完成第512行，也就是第256反向掃描行，之後開始進入場消隱階段。掃描頭回到第一行的起始位置。在此過程中，斬光片5繼續轉過餘下8等份不打孔區，阻擋雷射以實現場消隱。以一個兼容英國Scitec公司機械斬光器的斬光片5為例，斬光片5的直徑為100mm，厚度為0.5mm，材料為CZ108半硬黃銅。為了實現快速消隱，孔的位置要儘量靠近斬光片5的邊緣，以直徑90mm處為例，對應周長為90mm*3.14=283mm，283mm周長分成520等份，每份長度為0.544mm。其中打孔部分的長度佔88%，約為0.48mm。每行的打孔部分包括512個像素，因此對應的光束直徑約為0.95um。如果光束直徑增大會引起雷射通過與消隱之間的過渡帶變平緩，使掃描圖像邊緣質量變差。此實施例適用於連續波雷射光源等，不適用於飛秒雷射光源等嚴格要求脈衝寬度的場合，因為將約為1.2mm直徑的飛秒雷射光束聚焦至0.95um直徑的光路會引入一定的脈衝展寬，雖然這種程度的脈衝展寬可以由脈寬壓縮器補償。
實施實例之二：電動機轉速提高N倍，則每片斬波片包含的掃描行數降低N倍，通過斬光片的雷射光束直徑增大N倍，這樣可以降低斬波片的加工難度和聚焦光路的實現難度。以英國Scitec公司的C-995型機械斬波器為例，其電動機最高轉速為10020rpm。對於我們的設計，可以將電動機轉速設定為9000rpm，提高了5倍。則每片斬波片包含的掃描行數降低5倍，為104行，通過斬光片的雷射光束直徑增大5倍，為4.75um。在此基礎上，如果斬波片換用輕質金屬材料，如鋁等，保持斬波片重量變化不大的前提下，斬波片直徑增大M倍（M小於等於3），設計不變，通過斬光片的雷射光束直徑增大M倍，為14.25um。進一步降低了斬波片的加工難度和聚焦光路的實現難度。
本實用新型所述的鎖相電路2為基於商用鎖相環晶片的信號處理電路，已屬於現有技術，故本實用新型在此不再累述。
本實用新型所述的電動機伺服電路3為基於商用數字電動機驅動晶片的伺服電路，已屬於現有技術，故本實用新型在此不再累述。
本實用新型所述的電動機4為商用伺服電動機，已屬於現有技術，故本實用新型在此不再累述。
本實用新型所述的電動機4的轉速為100rpm至100000rpm。
本實用新型所述的斬光片5的材料為銅、銅合金、鋁或鋁合金。
本實用新型所述的斬光片5的形狀為旋轉對稱形狀。
本實用新型所述的斬光片5的開孔採用掩模-化學蝕刻工藝加工。
本實用新型所述的電動機4與斬光片5之間採用金屬夾具固定。