CN105974580A - 一种数字式快速轴向扫描模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数字式快速轴向扫描模块，其特征在于包括有1个或1个以上的DMD扫描模块，各个DMD扫描模块同光轴排列级联，所述的DMD扫描模块包括有2个DMD，3个平面反射镜和1~2个透镜组，构成两条不同焦距的光路。本发明DMD为高速光开关器件，工作时其响应速度极快，能够实现数字式快速轴向扫描；相比较类似的采用法拉第旋光器和偏振分光棱镜的方法而言，没有元件色散的困扰，提高了整个系统的分辨率；由于采用了数字微镜器件DMD，相对于目前已有的采用电光晶体的变焦透镜等方法而言具有大的通光孔径，因此在轴向扫描范围上有了较大的改善，能够充分满足轴向扫描的要求。

Description

一种数字式快速轴向扫描模块
技术领域
本发明具体涉及一种数字式快速轴向扫描模块，为数字式快速轴向扫描装置的关键部件，属于成像扫描技术领域。
背景技术
关于轴向成像扫描的技术已存在很多，传统的采用移动物镜的方法受限于驱动器以及物镜的机械惯性，扫描速度很难达到KHZ量级。采用电光晶体的扫描方法则受限于电光晶体的通光孔径，无法满足一般的扫描要求。采用空间光调制器的扫描方法利用空间光调制器的相位调制能力，模拟不同焦距的透镜的相位来改变焦距以实现焦点在光轴上的移动，空间光调制器的刷新率只有几十到几百HZ，因此达不到快速扫描的速度要求。采用可变形镜的扫描方法利用可变形镜的镜面变形能力，改变镜面曲率，进而改变光束的发散角，光束聚焦后有不同的焦点，这种方法受限于可变形镜所使用的压电陶瓷等驱动器，在大冲程的情况下速度很慢，致使镜面曲率在改变较大时速度较慢，达不到快速扫描，无法满足例如生物脑神经功能成像的要求。
采用法拉第旋光器与偏振棱镜分光器扫描方式，虽然能够达到扫描的速度要求，但是由于法拉第旋光器和偏振分光棱镜的使用会引入色散，使系统输出光脉冲展宽，焦点处光斑变大，系统的分辨率降低。
数字微镜器件（DMD：Digital Micromirror Device）是一种高速光开关器件，主要由多个高速数字式光反射开关组成，这些光反射开关在工作面上构成光开关阵列。DMD的核心工作单元是微反射镜，这种微反射镜体积很小，DMD工作时在电信号的作用下，DMD中的微反射镜可以进行偏转，偏转角一般在±12°。微反射镜片的尺寸很小，仅在数十微米左右，因此，在工作时其响应速度极快，响应时间最短只有十几微秒。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术存在的的不足，提供一种数字式快速轴向扫描模块，可以实现数字式的高速轴向扫描方法。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
包括有1个或1个以上的DMD扫描模块，各个DMD扫描模块同光轴排列级联，所述的DMD扫描模块包括有2个DMD（数字微镜器件），3个平面反射镜和1~2个透镜组，构成两条不同焦距的光路。
按上述方案，所述的DMD扫描模块中，所述的3个平面反射镜分别为中心反射镜、入射反射镜和射出反射镜，所述的在中心反射镜安设在模块中心，其余2个平面反射镜和2个DMD分别对称中心反射镜安设在模块的四角，且四点相连成矩形，其中2个DMD的连线平行于中心反射镜并间隔位于中心反射镜的正面前方，2个平面反射镜的连线平行于中心反射镜并间隔位于中心反射镜的背面后方。
按上述方案，所述的2个平面反射镜与对称轴成45°角对称安设在中心反射镜背面后方两侧，其中入射反射镜安设在模块的光路入射处，反射镜正面朝向入射光和DMD，射出反射镜对称安设在模块的另一侧，入射反射镜和射出反射镜的连线与光轴重合；所述的2个DMD分为前DMD和后DMD，2个DMD与对称轴成57°角对称安设在中心反射镜正面前方两侧，其中前DMD位于入射反射镜一侧，其正面朝内，后DMD对称安设在模块的另一侧。
按上述方案，所述的模块形成有2条光路，光路一从入射反射镜经前DMD、后DMD至射出反射镜；光路二从入射反射镜经前DMD、中心反射镜、后DMD至射出反射镜。
按上述方案，在光路二的中心反射镜至后DMD的光路中设置一个透镜组。
按上述方案，在光路一的前DMD至后DMD的光路中设置另一个透镜组。
按上述方案，所述的DMD、平面反射镜和透镜组均安设在一块底板上。
按上述方案，在相级联的最后一个DMD扫描模块外的光轴上安设聚焦物镜。
按上述方案，光束通过每一个模块都有两种不同的发散角，相对应两个不同的轴上扫描点（焦点），在通过n个模块之后整个装置就有2n个焦距，相对应的就有2n个轴上聚焦点。
本发明单独DMD扫描模块的工作方式为：以DMD来选择光路，DMD作为光开关有两种状态，相对应的有两条光路可以选择，这两条光路中一条放置一定焦距的透镜组，一条不放置任何透镜或者放置与前面一条光路中的透镜组焦距不同的透镜组。因此光束在DMD的不同选通状态下通过不同的光路后，光束的发散角将会不同，通过聚焦物镜后得到不同的焦距，即对应不同的轴向扫描深度。
对于单独的模块来说，DMD的工作方式决定单独模块只能有两个轴上扫描点，这远远达不到成像扫描的需求。因此采用多模块级联的方式来增加扫描深度。模块级联的方式为在一个模块的后面根据需求依次加上多个模块，光束通过每一个模块都有两种不同的发散角，相对应的两个不同的焦点，在通过n个模块之后整套系统就有2n个焦距，相对应的就有2n个轴上聚焦点。
本发明的有益效果在于：1、DMD为高速光开关器件，工作时其响应速度极快，决定了轴向的速度在KHZ量级以上，能够实现数字式快速轴向扫描；2、采用DMD的数字式轴向扫描方法，相比较类似的采用法拉第旋光器和偏振分光棱镜的方法而言，DMD是反射器件，不会如法拉第旋光器和偏振分光棱镜引入色散影响成像质量，进而提高了整个系统的分辨率；3、采用DMD的数字式轴向扫描方法，由于采用了数字微镜器件，相对于目前已有的采用电光晶体的变焦透镜等方法而言具有大的通光孔径，因此在轴向扫描范围上有了较大的改善，能够充分满足轴向扫描的要求。
附图说明
图1 为本发明一个实施例的结构示意图。
图2为本发明另一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合结合附图对本发明的具体实施例做进一步说明。
实施例1：如图1所示，包括有1个或1个以上的DMD扫描模块，各个DMD扫描模块同光轴排列级联，经过准直的光束进入模块Ⅰ中，模块Ⅰ中主要有个DMD，3个平面反射镜和1个透镜组。所述的3个平面反射镜分别为中心反射镜3、入射反射镜2和射出反射镜5，所述的在中心反射镜安设在模块中心，其余2个平面反射镜和2个DMD分别对称中心反射镜安设在模块的四角，且四点相连成矩形，其中2个DMD的连线平行于中心反射镜并间隔位于中心反射镜的正面前方，2个平面反射镜的连线平行于中心反射镜并间隔位于中心反射镜的背面后方。所述的2个平面反射镜与对称轴成45°角对称安设在中心反射镜背面后方两侧，其中入射反射镜2安设在模块的光路入射处，反射镜正面朝向入射光和DMD，射出反射镜5对称安设在模块的另一侧，入射反射镜和射出反射镜的连线与光轴重合；所述的2个DMD分为前DMD 1和后DMD 6，2个DMD与对称轴成57°角对称安设在中心反射镜正面前方两侧，其中前DMD位于入射反射镜一侧，其正面朝内，后DMD对称安设在模块的另一侧。所述的模块形成有2条光路，光路一从入射反射镜经前DMD、后DMD至射出反射镜，光束通过此光路时其发散角没有变化。光路二从入射反射镜经前DMD、中心反射镜、后DMD至射出反射镜，在中心反射镜至后DMD的光路中设置一个透镜组4。这条光路中因为有透镜组，光束通过后其发散角会发生变化。
光束经入射反射镜发射到前DMD上，前DMD选通on状态或者off状态，当前DMD选通off状态时，光束按照附图中的虚线光路传输，经过透镜组后改变了发散角，当前DMD选通on状态时，光束按照附图中实线光路传输，因光路中没有放置透镜组，因此发散角没有改变，经过前DMD选择的光束按照不同的光路传输之后打在了后DMD上，后DMD则根据前DMD的状态选择工作状态使光束反射到射出反射镜上，光束从模块Ⅰ输出进入模块Ⅱ。在模块Ⅱ中的结构和工作状态与模块Ⅰ完全相同。经过n个模块之后，经过聚焦物镜8聚焦，按照不同的模块的工作状态，最终经过聚焦物镜聚焦之后有2n个焦点，在光轴上可以扫描2n个点。例如，在实际应用中，选择五个模块组合，透镜组的焦距为150mm，物镜工作距为3.5mm，则轴上扫描点有32个，轴上扫描距离为771.1微米，可满足双光子荧光扫描中的轴向扫描要求。
实施例2：如附图2所示，模块Ⅰa与实施例1中模块Ⅰ的主要不同之处在在光路一的前DMD至后DMD的光路中设置另一个透镜组7。其它结构与实施例1相同。
光束经入射反射镜发射到前DMD上，前DMD选通on状态或者off状态，当前DMD选通off状态时，光束按照附图中的虚线光路传输，经过透镜组4后改变了发散角，当前DMD选通on状态时，光束按照附图中实线光路传输，经过透镜组7后改变了发散角，因透镜组4和透镜组7的焦距不同，二者产生的光束发散角也不同，经过前DMD选择的光束按照不同的光路传输之后打在了后DMD上，后DMD则根据前DMD的状态选择工作状态使光束反射到射出反射镜上，光束从模块Ⅰa输出进入模块Ⅱa。模块Ⅱa中的结构和工作状态与模块Ⅰa中完全相同。经过n个模块之后，最后经过聚焦物镜8聚焦，按照不同的模块的工作状态，最终经过聚焦物镜聚焦之后有2n个焦点，在光轴上可以扫描2n个点。

Claims (10)

1.一种数字式快速轴向扫描模块，其特征在于包括有1个或1个以上的DMD扫描模块，各个DMD扫描模块同光轴排列级联，所述的DMD扫描模块包括有2个DMD，3个平面反射镜和1~2个透镜组，构成两条不同焦距的光路。
2.根据权利要求1所述的数字式快速轴向扫描模块，其特征在于所述的DMD扫描模块中，所述的3个平面反射镜分别为中心反射镜、入射反射镜和射出反射镜，所述的在中心反射镜安设在模块中心，其余2个平面反射镜和2个DMD分别对称中心反射镜安设在模块的四角，且四点相连成矩形，其中2个DMD的连线平行于中心反射镜并间隔位于中心反射镜的正面前方，2个平面反射镜的连线平行于中心反射镜并间隔位于中心反射镜的背面后方。
3.根据权利要求2所述的数字式快速轴向扫描模块，其特征在于所述的2个平面反射镜与对称轴成45°角对称安设在中心反射镜背面后方两侧，其中入射反射镜安设在模块的光路入射处，反射镜正面朝向入射光和DMD，射出反射镜对称安设在模块的另一侧，入射反射镜和射出反射镜的连线与光轴重合；所述的2个DMD分为前DMD和后DMD，2个DMD与对称轴成57°角对称安设在中心反射镜正面前方两侧，其中前DMD位于入射反射镜一侧，其正面朝内，后DMD对称安设在模块的另一侧。
4.根据权利要求3所述的数字式快速轴向扫描模块，其特征在于所述的模块形成有2条光路，光路一从入射反射镜经前DMD、后DMD至射出反射镜；光路二从入射反射镜经前DMD、中心反射镜、后DMD至射出反射镜。
5.根据权利要求4所述的数字式快速轴向扫描模块，其特征在于在光路二的中心反射镜至后DMD的光路中设置一个透镜组。
6.根据权利要求4或5所述的数字式快速轴向扫描模块，其特征在于在光路一的前DMD至后DMD的光路中设置另一个透镜组。
7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的数字式快速轴向扫描模块，其特征在于所述的DMD、平面反射镜和透镜组均安设在一块底板上。
8.根据权利要求1或2或3或4或5所述的数字式快速轴向扫描模块，其特征在于在相级联的最后一个DMD扫描模块外的光轴上安设聚焦物镜。
9.根据权利要求4或5所述快速轴向扫描模块，其特征在于所述的DMD作为光开关切换光路，DMD有两种工作状态，两种工作状态对应两条不同光路，光束经过不同的光路之后产生不同的发散角，经聚焦物镜聚焦后产生不同深度的焦点。
10.根据权利要求9所述的快速轴向扫描模块，其特征在于，每一个单独的模块产生两种不同的光束发散角，n个模块级联，则产生2n中光束发散角，经聚焦物镜聚焦后在光轴上产生2n个不同深度的焦点，即轴上扫描点。
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