CN108227180A - 一种机械光调制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机械光调制装置，包括控制部分和斩波装置，所述斩波装置设置为电性连接所述控制部分；所述控制部分设置为包括外部同步信号接口、锁相环和伺服电机控制器；所述斩波装置设置为包括斩光片和电机，所述斩光片设置为通过所述电机驱动旋转，所述电机设置为电性连接所述伺服电机控制器。本发明采用该装置，能够在共振扫描消隐过程中实现高消光比的同时，无色散效应，降低生产成本，并可适用于多种类型的共振扫描消隐需求。

Description

一种机械光调制装置

技术领域

本发明涉及共振扫描用辅助设备技术领域，尤其涉及一种机械光调制装置。

背景技术

随着实验观察过程中对活体生物样品及快速变化生理活动成像要求的提高，共振扫描器因其能够进行快速扫描逐步取代了传统的检流计扫描器应用，但是，现有的共振扫描器在实际使用过程中存在如下问题：

1、共振扫描器工作在开环状态，其扫描速度在每一行中呈现近似正弦变化，使得共振扫描器在扫描每一行的中央部分(大约88％)时，其扫描速度近似匀速，而在扫描每一行的两端时，其扫描速度过慢，容易导致样品过度曝光，出现染料漂白等问题，因此，需要在扫描每一行的两端时，通过切断激光输入(而不是关闭激光器)的方法避免该情况，即进行行消隐。

2、共振扫描在完成每一帧数百行扫描之后，扫描头需要回到下一帧的起始位置，此过程大约花费完成几行扫描所耗费的时间，同时也需切断激光输入实现场消隐，另外，共振扫描器通常有单向扫描和双向扫描两种模式，单向扫描模式相对双向扫描模式还存在回程消隐问题，也导致了扫描效率的降低。

3、为实现共振扫描器对激光输入的快速开通与关闭，目前广泛采用基于电光调制效应的普克尔盒和基于声光调制效应的声光调制器，声光调制比电光调制消光比更高(一般大于1000:1)，且驱动效率更低，温度稳定性优良，光点质量更好，价格更低，但其色散严重，会使飞秒激光脉冲明显展宽，造成图像质量的下降，同时，这两种措施均使得成本高。

发明内容

本发明的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种能够在共振扫描消隐过程中实现高消光比的同时，保证无色散效应，且降低生产成本，并可适用于多种类型的共振扫描消隐需求的机械光调制装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种机械光调制装置，其中所述机械光调制装置包括控制部分和斩波装置，所述斩波装置设置为电性连接所述控制部分，由所述控制部分根据外部光学扫描显微镜的信息控制所述斩波装置的工作情况，实现共振扫描过程的行/场消隐；

所述控制部分设置为包括外部同步信号接口、锁相环和伺服电机控制器，所述外部同步信号接口的输入端设置为电性连接外部光学扫描显微镜的Y轴检流计，所述外部同步信号接口用于接收外部光学扫描显微镜中Y轴检流计扫描器的锯齿波场驱动信号，且该外部同步信号接口的输出端设置为电性连接所述锁相环的输入端，通过所述锁相环的锁相电路，将接收到的信号转换成与外部光学扫描显微镜中Y轴检流计扫描器的锯齿波场驱动信号同相位的脉冲信号，所述锁相环的输出端设置为电性连接所述伺服电机控制器的输入端，所述伺服电机控制器用于放大所述锁相环产生的脉冲信号，并提供足够大的驱动电流，所述伺服电机控制器的输出端设置为电性连接所述斩波装置；

所述斩波装置设置为包括斩光片和电机，所述斩光片设置为通过所述电机驱动旋转，所述电机设置为电性连接所述伺服电机控制器，通过所述伺服电机控制器控制所述电机旋转，从而带动所述斩光片转动以切断激光输入光束，进行共振扫描的快速行/场消隐，有效避免扫描速度过慢导致的样品过度曝光或染料漂白等问题。

进一步地，所述斩光片的中心设置一定位孔，所述定位孔内共轴线设置所述电机的输出轴，所述电机带动所述斩光片旋转，从而实现共振扫描过程中的行/场消隐。

进一步地，所述定位孔的周围共圆心均匀设置若干通孔，所述通孔沿径向对称设置，且该通孔的规格和数量设置为依据外部光学扫描显微镜的共振扫描速度、行数和扫描模式而定，为了实现快速消隐，所述通孔的位置要尽量靠近所述斩光片的边缘设置。

进一步地，所述定位孔与所述通孔均设置为采用掩模-化学蚀刻工艺加工。

进一步地，所述斩光片设置为铜、铜合金、铝或铝合金材质。

进一步地，所述电机设置为伺服电机，且该伺服电机的转速设置为100rpm至100000rpm，所述伺服电机具有机电时间常数小、线性度高和始动电圧等特性。

进一步地，所述斩光片与所述电机设置为通过金属夹具固定。

本发明具有的优点和积极效果是：

(1)通过外部同步信号接口、锁相环、伺服电机控制器、斩光片和电机的配合，保证机械光斩波调制功能，且该结构相对于电光调制和声光调制，消光比更高，其消光比远大于1000:1，实现了共振扫描过程中的行/场消隐问题。

(2)通过伺服电机控制器、斩光片和电机的结构设计，能够由伺服电机控制器控制电机的转速，使得经过斩光片的激光光束的直径可调，从而可以降低斩波片的加工难度和聚焦光路的实现难度，另外，如果斩波片采用轻质金属材料，如铝等，在保持斩波片重量变化不大的情况下，斩波片的直径增大，经过斩光片的激光光束的直径可相应增大，进一步改善了斩波片以及聚焦光路的实现程度，以适用于多种类型的共振扫描消隐需求。

(3)通过机械光调制的控制部分和斩波装置的设置，有效避免采用电光调制或声光调制导致的生产成本的增加，且由控制部分和斩波装置相结合，可保证无色散高效共振扫描。

附图说明

图1是本发明的结构框图示意图。

图2是图1中斩光片的结构示意图。

图中：10-控制部分，101-外部同步信号接口，102-锁相环，103-伺服电机控制器，20-斩波装置，201-斩光片，202-电机，203-定位孔，204-通孔。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。

如图1和图2所示，一种机械光调制装置，包括控制部分10和斩波装置20，斩波装置20设置为电性连接控制部分10，由控制部分10根据外部光学扫描显微镜的信息控制斩波装置20的工作情况，实现共振扫描过程的行/场消隐。

控制部分10设置为包括外部同步信号接口101、锁相环102和伺服电机控制器103，外部同步信号接口101的输入端设置为电性连接外部光学扫描显微镜的Y轴检流计，外部同步信号接口101用于接收外部光学扫描显微镜中Y轴检流计扫描器的锯齿波场驱动信号，且该外部同步信号接口101的输出端设置为电性连接锁相环102的输入端，通过锁相环102的锁相电路，将接收到的信号转换成与外部光学扫描显微镜中Y轴检流计扫描器的锯齿波场驱动信号同相位的脉冲信号，锁相环102的输出端设置为电性连接伺服电机控制器103的输入端，伺服电机控制器103用于放大锁相环102产生的脉冲信号，并提供足够大的驱动电流，伺服电机控制器103的输出端设置为电性连接斩波装置20。

斩波装置20设置为包括斩光片201和电机202，斩光片201设置为通过电机202驱动旋转，电机202设置为电性连接伺服电机控制器103，通过伺服电机控制器103控制电机202旋转，从而带动斩光片201转动以切断激光输入光束，进行共振扫描的快速行/场消隐，有效避免扫描速度过慢导致的样品过度曝光或染料漂白等问题。

斩光片201的中心设置一定位孔203，定位孔203内共轴线设置电机202的输出轴，电机202带动斩光片201旋转，从而实现共振扫描过程中的行/场消隐。

定位孔203的周围共圆心均匀设置若干通孔204，通孔204沿径向对称设置，且该通孔204的规格和数量设置为依据外部光学扫描显微镜的共振扫描速度、行数和扫描模式而定，为了实现快速消隐，通孔204的位置要尽量靠近斩光片201的边缘设置。

定位孔203与通孔204均设置为采用掩模-化学蚀刻工艺加工。

斩光片201设置为铜、铜合金、铝或铝合金材质。

电机202设置为伺服电机，且该伺服电机的转速设置为100rpm至100000rpm，伺服电机具有机电时间常数小、线性度高和始动电圧等特性。

斩光片201与电机202设置为通过金属夹具固定。

使用本发明提供的机械光调制装置，能够在共振扫描消隐过程中实现高消光比的同时，保证无色散效应，且降低生产成本，并可适用于多种类型的共振扫描消隐需求。当该装置工作时，外部同步信号接口101接收外部光学扫描显微镜中Y轴检流计扫描器的锯齿波场驱动信号，并通过锁相环102的锁相电路，将接收到的信号转换成与外部光学扫描显微镜中Y轴检流计扫描器的锯齿波场驱动信号同相位的脉冲信号，再由伺服电机控制器103放大锁相环102产生的脉冲信号，且提供足够大的驱动电流，并控制电机202驱动斩光片201旋转，若干通孔204和未开孔位置相配合，使得激光光束通过或阻挡激光实现行/场快速消隐，现以通常广泛采用的美国CTI公司的共振扫描器为例，其具有8KHz左右的共振频率，能够提供15600行/秒的最大扫描速度，因此对于一幅512x512的图像，帧率可以达到最快30帧/秒。对于单向扫描来说，每幅图像包括256个正向扫描行(正向的定义是从左向右)和256个反向扫描行，由于是共振扫描，每行正向扫描和反向扫描所消耗的时间相同。

实施实例一：每片斩光片201的直径为100mm，片上包含实现一帧扫描的完整消隐结构。因此电机202的转速为1800rpm，相当于30fps。斩光片201靠近圆周的部分被等分为520等份(15600除以30)，其中512等份部分打孔，每等份中打孔的面积占每份的88％，不打孔的面积占12％，分别对应每行88％近似匀速扫描的部分和最左端6％，最右端6％消隐的部分，打孔的部分允许激光通过；不打孔的部分完全阻挡激光。余下8等份不打孔，对应每帧结束后扫描头回到下一帧第一行起始位置的过程。这个斩光片设计适用于双向扫描。当共振扫描器开始正向扫描第一行时，先经过6％的激光消隐区，对应斩光片201上第一个等份的前6％不打孔区；之后经过88％扫描区，对应斩光片201上第一个等份的中间88％打孔区；再经过15％的激光消隐区，对应斩光片201上第一个等份的后6％不打孔区；之后共振扫描器换行开始反向扫描重复上一过程，斩光片201继续转动进入第二个等份，以此类推......当共振扫描器完成第512行，也就是第256反向扫描行，之后开始进入场消隐阶段。扫描头回到第一行的起始位置。在此过程中，斩光片201继续转过余下8等份不打孔区，阻挡激光以实现场消隐。以一个兼容英国Scitec公司机械斩光器的斩光片201为例，斩光片201的直径为100mm，厚度为0.5mm，材料为CZ108半硬黄铜。为了实现快速消隐，通孔204的位置要尽量靠近斩光片201的边缘，以直径90mm处为例，对应周长为90mm*3.14＝283mm，283mm周长分成520等份，每份长度为0.544mm。其中打孔部分的长度占88％，约为0.48mm。每行的打孔部分包括512个像素，因此对应的光束直径约为0.95um。如果光束直径增大会引起激光通过与消隐之间的过渡带变平缓，使扫描图像边缘质量变差。此实施例适用于连续波激光光源等，不适用于飞秒激光光源等严格要求脉冲宽度的场合，因为将约为1.2mm直径的飞秒激光光束聚焦至0.95um直径的光路会引入一定的脉冲展宽，虽然这种程度的脉冲展宽可以由脉宽压缩器补偿。

实施实例二：电机202转速提高N倍，则每片斩波片201包含的扫描行数降低N倍，通过斩光片201的激光光束直径增大N倍，这样可以降低斩波片201的加工难度和聚焦光路的实现难度。以英国Scitec公司的C-995型机械斩波器为例，其电动机最高转速为10020rpm。在本申请中，可以将电机302转速设定为9000rpm，提高了5倍，则每片斩波片201包含的扫描行数降低5倍，为104行，通过斩光片201的激光光束直径增大5倍，为4.75um。在此基础上，如果斩波片201换用轻质金属材料，如铝等，保持斩波片201重量变化不大的前提下，斩波片201直径增大M倍(M小于等于3)，设计不变，通过斩光片201的激光光束直径增大M倍，为14.25um，进一步降低了斩波片201的加工难度和聚焦光路的实现难度。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种机械光调制装置，其特征在于：所述机械光调制装置包括控制部分和斩波装置，所述斩波装置设置为电性连接所述控制部分；

所述控制部分设置为包括外部同步信号接口、锁相环和伺服电机控制器，所述外部同步信号接口的输入端设置为电性连接外部光学扫描显微镜的Y轴检流计，且该外部同步信号接口的输出端设置为电性连接所述锁相环的输入端，所述锁相环的输出端设置为电性连接所述伺服电机控制器的输入端，所述伺服电机控制器的输出端设置为电性连接所述斩波装置；

所述斩波装置设置为包括斩光片和电机，所述斩光片设置为通过所述电机驱动旋转，所述电机设置为电性连接所述伺服电机控制器。

2.根据权利要求1所述的机械光调制装置，其特征在于：所述斩光片的中心设置一定位孔，所述定位孔内共轴线设置所述电机的输出轴。

3.根据权利要求2所述的机械光调制装置，其特征在于：所述定位孔的周围共圆心均匀设置若干通孔，所述通孔的位置靠近所述斩光片的边缘并沿径向对称设置，且该通孔的规格和数量设置为依据外部光学扫描显微镜的共振扫描速度、行数和扫描模式而定。

4.根据权利要求3所述的机械光调制装置，其特征在于：所述定位孔与所述通孔均设置为采用掩模-化学蚀刻工艺加工。

5.根据权利要求1所述的机械光调制装置，其特征在于：所述斩光片设置为铜、铜合金、铝或铝合金材质。

6.根据权利要求1所述的机械光调制装置，其特征在于：所述电机设置为伺服电机，且该伺服电机的转速设置为100rpm至100000rpm。

7.根据权利要求1所述的机械光调制装置，其特征在于：所述斩光片与所述电机设置为通过金属夹具固定。