CN107390362B - 一种光纤螺旋扫描器及其制动方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤螺旋扫描器及其制动方法和应用，应用于光学扫描技术领域，其中，该光纤螺旋扫描器的制动方法包括：分别计算扫描光纤在正交方向上自由衰减震荡的理论阻尼频率值和理论初始相位值；基于第一目标方向对应的理论阻尼频率值和理论初始相位值，在目标方向上进行实验测试，并在目标方向对应的理论值的预设区域内寻找测定实际值；根据目标方向对应的理论阻尼频率值和理论初始相位值以及测定实际值，生成用于初调的制动信号，并通过反馈调节优化目标方向初始相位值以获取最优制动效果；对制动信号进行优化；在第二目标方向上重复以上操作，由获取的制动信号对光纤螺旋扫描器的两个方向分别实现制动，从而提升有效扫描速率。

Description

一种光纤螺旋扫描器及其制动方法和应用
技术领域
本发明属于光学扫描技术领域，更具体地，涉及一种光纤螺旋扫描器及其制动方法和应用。
背景技术
光学扫描器件在工程勘探、位置传感、医疗影像等技术领域和其他相关科学研究中具有重要应用前景。常见的光学扫描器件包括检流计式光学扫描振镜、多面转动式棱镜、声光偏转器件、微光机电一体化系统等。检流计式光学扫描振镜、多面转动式棱镜和声光偏转器件等传统扫描装置体积较大，难以内置在远端微型探头中；而微光机电一体化系统设计制造工艺复杂，成本高昂。
基于单根扫描光纤的微型光学扫描器件结构简单、体积小、灵活性好，且具有扫描范围可调性高、成像结果无蜂窝网格干扰等优势，因而逐渐获得广泛的认可。通常该种光纤扫描器主要采用带四分电极的压电管或者四片式压电方管结构作为主体。
螺旋扫描是上述光纤扫描器最为常见、通用的扫描方式。扫描器的四分电极可分为相互正交的两组方向，对该两对电极分别施加经斜波信号幅值调制的相位差为90度的正弦载波信号进行驱动。其中，正弦载波频率与该单根扫描光纤共振频率一致，以获取共振放大扫描范围。
对于螺旋扫描模式，单个完整扫描周期分为两个时段：其一是在驱动信号作用下光纤尾端由中心原点扩张螺旋式扫描至最大范围处，其扫描轨迹在径向单调匀速扩张；其二是无驱动信号作用下光纤尾端由最大范围处自由阻尼振荡复位，其扫描轨迹在径向非单调非匀速变化。实际应用中，出于准确性的考虑，通常仅使用时段一进行扫描成像，故称时段一为有效时段；而称时段二为非有效时段。一般地，由于光纤扫描器系统阻尼很低，需要花费相当长时间作自由阻尼震荡复位，导致有效时段占比不高，影响整体扫描速率。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光纤螺旋扫描器及其制动方法和应用，由此解决由于光纤扫描器系统阻尼很低，需要花费相当长时间作自由阻尼震荡复位，导致有效时段占比不高，导致整体扫描速率较低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光纤螺旋扫描器的制动方法，应用于基于单根扫描光纤的光纤螺旋扫描器，所述方法包括：
(1)分别计算扫描光纤在正交方向上自由衰减震荡的理论阻尼频率值和理论初始相位值；
(2)基于正交方向中的第一目标方向对应的理论阻尼频率值和理论初始相位值，在第一目标方向上进行实验测试，并在第一目标方向对应的理论值的预设区域内寻找测定实际值；
(3)根据第一目标方向对应的理论阻尼频率值和理论初始相位值以及测定实际值，生成用于初调的第一制动信号，并通过反馈调节优化第一目标方向初始相位值以获取最优制动效果；
(4)对第一制动信号进行优化获取第一目标制动信号；
(5)在正交方向中的第二目标方向上重复步骤(2)～步骤(4)获取第二目标制动信号，由获取的第一目标制动信号与第二目标制动信号对光纤螺旋扫描器的两个方向分别实现制动。
优选地，所述第一目标制动信号与所述第二目标制动信号均与扫描光纤的自由衰减震荡频率一致，且与扫描光纤的运动趋势反向。
按照本发明的另一方面，提供了一种按上述任意一项所述方法进行制动的光纤螺旋扫描器。
按照本发明的另一方面，提供了一种荧光成像系统，包括：由上述光纤螺旋扫描器构成的微型前端。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过对两个方向分别实现制动，从而提升有效扫描速率；
2、本发明中产生的制动信号为标准方波信号，容易产生，易于根据具体需求方便调节，大幅缩短了扫描光纤复位等待的非成像时段，提升了整体扫描成像帧速率；
3、本发明中的制动信号与光纤运动趋势精确匹配，能够在数个制动周期内实现光纤复位，将大大压缩用于等待其复位的非有效时段，大幅提升了有效扫描速率；
4、通过本发明将原本100-150毫秒时长的非有效时段大幅压缩至不超过5毫秒；将有效时段占比由40％提升至80-95％。
附图说明
图1为本发明实施例公开的一种光纤螺旋扫描器的制动方法的流程示意图；
图2为本发明实施例公开的一种光纤扫描器的结构示意图；
图3为光纤扫描器未经制动时的实测扫描轨迹时序图；
图4为本发明产生的制动信号示意图；
图5为本发明实施例光学显微扫描探头未制动与制动后实测扫描轨迹时序和二维扫描轨迹对比图；
图6为本发明实施例公开的一种荧光成像系统的结构示意图；
图7为本发明实施例公开的一种荧光小球成像结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示为本发明实施例公开的一种光纤螺旋扫描器的制动方法的流程示意图，该方法应用于基于单根扫描光纤的光纤螺旋扫描器，该制动方法按如下步骤进行：
(1)分别计算扫描光纤在正交方向上自由衰减震荡的理论阻尼频率值和理论初始相位值；
(2)基于正交方向中的第一目标方向对应的理论阻尼频率值和理论初始相位值，在第一目标方向上进行实验测试，并在第一目标方向对应的理论值的预设区域内寻找测定实际值，其中，预设区域可以根据试验或者实际需求进行确定；
(3)根据第一目标方向对应的理论阻尼频率值和理论初始相位值以及测定实际值，生成用于初调的第一制动信号，并通过反馈调节优化第一目标方向初始相位值以获取最优制动效果；
(4)对第一制动信号进行优化获取第一目标制动信号；
(5)在正交方向中的第二目标方向上重复步骤(2)～步骤(4)获取第二目标制动信号，由获取的第一目标制动信号与第二目标制动信号对光纤螺旋扫描器的两个方向分别实现制动。
其中，第一目标方向与第二目标方向为正交方向中的两个相互垂直的方向。
其中，第一目标制动信号与第二目标制动信号均与扫描光纤的自由衰减震荡频率一致，且与扫描光纤的运动趋势反向。
其中，上述光纤螺旋扫描器包括：单根扫描光纤，包裹在扫描光纤外并实现与扫描光纤联动的光纤螺旋扫描器，以及按照上述方法生成的制动信号。且该光纤螺旋扫描器是能够接收驱动、制动信号并驱动、制动单根扫描光纤在其共振频率附近进行二维振动的扫描器件，构成二维振动的两个互相垂直的方向上的振动互相独立。
在本发明实施例中所述的光纤螺旋扫描器，可以是任何能够驱动单根扫描光纤进行二维振动，并且两个互相垂直的方向上的振动互相独立的扫描器件。光纤螺旋扫描器利用单根扫描光纤的共振效应实现扫描功能，当光纤在两个方向上同时振动时，即实现二维扫描。螺旋扫描的向外扩张阶段是通过在两个正交方向上施加经幅值调制的相位差90度的正弦波驱动信号而实现的；然而，在无驱动信号作用下需要花费相当长时间等待光纤作自由阻尼震荡复位，导致有效时段占比不高，影响整体扫描速率。
因此，通过本发明中的制动方法，根据理论计算预计和实测光纤悬臂的运动参数，向其施加与其运动趋势反向的制动信号，能够在数个制动信号周期内实现光纤复位。
首先通过分析计算光纤自由衰减震荡的阻尼频率和初始相位；然后进行实验测试，进一步在理论值区域附近寻找测定实际值；接下来根据实际情况通过反馈调节对诸如制动信号幅值、偏置、周期数等参数综合优化，以获得最优制动效果。
下面以四片式结构的二维压电光纤悬臂共振型扫描器作为实现螺旋式扫描制动的器件为例说明本发明实施例中的光纤螺旋扫描器的制动方法的具体实施过程：
实施例中采用的二维压电光纤悬臂共振型扫描器如图2所示，包括一段光纤和四片压电陶瓷，四片压电陶瓷包裹一段光纤，将四片压电陶瓷块的两头粘在光纤周围并露出一段光纤悬臂。
光纤悬臂一端固定在扫描器上由驱动结构(本实施例中为压电片)激发振动，悬臂另一端为自由端，自由端由于振动产生扫描。可以通过以下步骤实现制动：
(1)通过分析计算光纤悬臂自由衰减震荡的阻尼频率和初始相位；
(2)根据(1)中计算的理论值，进行实验测试，可通过在理论值区域附近扫频寻找测定实际共振频率值；
(3)根据(1)、(2)所得参数，生成如V(t)＝V0sgn[sin(ωdt+φ)]形式的用于初调的制动信号，即幅值电压为V0频率为ωd初始相位为φ的方波信号。并通过反馈调节，优化初始相位值以获取最优制动效果；
(4)根据应用需求，对诸如制动信号幅值、偏置、周期数等参数综合优化；
(5)在另一路上重复(2)～(4)，对扫描器两个方向分别实现制动，从而提升有效扫描速率。
实施例1：采用该制动方法的光纤显微扫描探头
通过对共振状态下的光纤悬臂模型分析，可计算预计光纤悬臂自由阻尼振荡的运动信息。在理论预计值的指导下，可通过位置敏感探测器实测其衰减振荡频率，并通过记录下的一系列位置时序信息得出如速度、初速度等参数。
实际应用中，根据成像需求，会选用不同型号的光纤。一般地，在扫描器设计环节会尽可能地降低系统阻尼，以实现对如350微米直径双包层光子晶体光纤等大尺寸特种光纤的驱动。然而，过低的系统阻尼意味着在光纤悬臂自由衰减振荡时，需要冗长的复位等待时间。如图3所示，在0-100ms时段内，在驱动信号下光纤悬臂扫描范围逐渐扩张至最大值；100-250ms时段内，无外加驱动(制动)信号作用，光纤悬臂呈自由衰减阻尼振荡。显然地，在无外加制动信号时，该扫描器有效时段占比仅有40％左右。
本发明产生的制动信号如图4所示，当光纤悬臂到达设计的最大扫描范围处时，停止施加驱动信号，并变为施加本发明的制动信号。该信号的特征是保持与光纤悬臂自由衰减震荡频率一致，且始终与之反向，即对光纤悬臂起减速抑制当前运动趋势的作用。最终在数个制动信号周期内完成制动复位。
图5展示了施加经反馈调节优化后的制动信号的光纤悬臂的位置反馈时序信息。在5个制动周期(约5毫秒内)完成了对光纤悬臂的制动复位。成功地将用于等待复位的非成像时段由图3中的约150毫秒大幅降低至约5毫秒。
理论上，通过引入本发明的制动信号，实施例1中的扫描器有效时段占比能够由40％提升至95％。
实施例2：成像系统
采用螺旋式扫描制动方法的荧光成像系统如图6所示：
其中，压电光纤悬臂共振型扫描器和微型透镜封装组合套管中，共同构成成像系统的微型前端。通过本发明的制动方法，结合传统的二维螺旋扫描驱动，能够实现快速复位的二维螺旋式扫描。
系统采用690-1040nm波长范围的飞秒激光作为照明激发光源，飞秒光脉冲经光栅对色散预补偿后，通过一只10×0.3NA的耦合物镜进入到特种光纤中传输。荧光信号经光纤回传，由二向色镜反射分离，经滤光片后最终通过光电倍增管收集探测。
图7展示了实施例2中使用了本发明制动方法的荧光成像系统对荧光小球标准样品的成像结果。图像清晰无畸变，证明了本发明的制动方法不会对扫描成像质量产生负面作用。
附加适用于小鼠的头戴式固定配件后，该探头可用于活体小鼠脑功能钙成像应用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光纤螺旋扫描器的制动方法，其特征在于，应用于基于单根扫描光纤的光纤螺旋扫描器，所述方法包括：
(1)分别计算扫描光纤在正交方向上自由衰减震荡的理论阻尼频率值和理论初始相位值；
(2)基于正交方向中的第一目标方向对应的理论阻尼频率值和理论初始相位值，在第一目标方向上进行实验测试，以在第一目标方向对应的理论值的预设区域内寻找测定实际值；
(3)根据第一目标方向对应的理论阻尼频率值和理论初始相位值以及测定实际值，生成用于初调的第一制动信号，并通过反馈调节优化第一目标方向初始相位值以获取最优制动效果；
(4)对第一制动信号进行优化获取第一目标制动信号；
(5)在正交方向中的第二目标方向上重复步骤(2)～步骤(4)获取第二目标制动信号，由获取的第一目标制动信号与第二目标制动信号对光纤螺旋扫描器的两个方向分别实现制动；
所述第一目标制动信号与所述第二目标制动信号均与扫描光纤的自由衰减震荡频率一致，且与扫描光纤的运动趋势反向。
2.一种如权利要求1所述方法进行制动的光纤螺旋扫描器。
3.一种荧光成像系统，其特征在于，包括：由权利要求2所述的光纤螺旋扫描器构成的微型前端。
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