本實用新型涉及一種共振掃描用機(jī)械光調(diào)制器，特別是一種基于機(jī)械斬光原理實現(xiàn)光學(xué)掃描顯微鏡中的行/場消隱功能的機(jī)械光調(diào)制器。

背景技術(shù)：

在近年來為了實現(xiàn)對活體生物樣品及快速變化生理活動的成像（至少需要達(dá)到25fps），共振掃描器（Resonant Scanner）因其能夠?qū)崿F(xiàn)快速掃描的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的檢流計掃描器（Galvanometer Scanner），作為光學(xué)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(huán)狀態(tài)的檢流計掃描器不同，共振掃描器工作在開環(huán)狀態(tài)，其掃描速度在每一行中呈現(xiàn)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(xiàn)從零加速至最大，再減速至零從而反向換行的規(guī)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(dǎo)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，通過切斷激光輸入（而不是關(guān)閉激光器）的方式解決以上問題。

此外，在完成每一幀數(shù)百行掃描之后，光學(xué)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(fèi)完成幾行掃描所耗費(fèi)的時間。在此過程中，也需要切斷激光輸入。這個過程叫場消隱。

另外，共振掃描器通?？梢怨ぷ髟趩蜗驋呙枘Ｊ交螂p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后，切斷激光輸入同時回到下一行的起點(diǎn)。在雙向掃描模式下，共振掃描器完成每一行掃描后換行反向進(jìn)行下一行掃描，不存在回程消隱。

因此，如何適時快速地進(jìn)行激光輸入的開通與關(guān)閉成為采用共振掃描器的光學(xué)掃描顯微鏡中的一項關(guān)鍵技術(shù)。目前廣泛采用的技術(shù)有基于電光調(diào)制效應(yīng)的普克爾盒（Pockel cell）和基于聲光調(diào)制效應(yīng)的聲光調(diào)制器（AOM）。聲光調(diào)制與電光調(diào)制技術(shù)相比，它有更高的消光比（一般大于1000：1），更低的驅(qū)動功率，更優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性和更好的光點(diǎn)質(zhì)量以及更低的價格。其缺點(diǎn)是聲光調(diào)制器的色散嚴(yán)重，會使飛秒激光脈沖明顯展寬，造成圖像質(zhì)量下降。這兩種技術(shù)從性能方面都能滿足光學(xué)掃描顯微鏡的基本需求，共同的缺點(diǎn)是價格昂貴。一套典型的用于光學(xué)掃描顯微鏡系統(tǒng)的電光調(diào)制器的報價最低要8萬人民幣左右。雖然這個價格在一套價值數(shù)百萬的進(jìn)口光學(xué)掃描顯微鏡系統(tǒng)中所占比例不大，但是開發(fā)其廉價替代品對于實現(xiàn)幾十萬元級別的國產(chǎn)光學(xué)掃描顯微鏡系統(tǒng)意義非常重大。

因此本實用新型提出了一種共振掃描用機(jī)械光調(diào)制器，特別是一種基于機(jī)械斬光原理實現(xiàn)光學(xué)掃描顯微鏡中的行/場消隱功能的機(jī)械光調(diào)制器。本實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)與電光調(diào)制器和聲光調(diào)制器相比更高的消光比（遠(yuǎn)大于1000：1），價格低廉，無色散效應(yīng)，適用于各類型光學(xué)掃描顯微鏡，如共聚焦熒光顯微鏡，各種非線性光學(xué)掃描顯微鏡（多光子，CARS，SHG，STED等）。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在本實用新型的目的是實現(xiàn)一種基于機(jī)械斬光原理實現(xiàn)光學(xué)掃描顯微鏡中的行/場消隱功能的機(jī)械光調(diào)制器。機(jī)械斬光原理是使用機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動多孔的斬光片轉(zhuǎn)動。當(dāng)光束遇到斬光片有孔部分時無損通過；當(dāng)光束遇到斬光片無孔部分時被完全阻擋。因此機(jī)械斬光原理可以實現(xiàn)很高的消光比，價格低廉，無色散效應(yīng)。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用技術(shù)方案是：它包括外部同步信號接口，鎖相電路，電動機(jī)伺服電路，電動機(jī)，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(jī)伺服電路的輸出端連接，電動機(jī)伺服電路的輸出端與電動機(jī)的輸入端連接，電動機(jī)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(xué)掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅(qū)動信號，通過鎖相電路轉(zhuǎn)換成與光學(xué)掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅(qū)動信號同相位位的脈沖信號，再通過電動機(jī)伺服電路實現(xiàn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而帶動斬光片轉(zhuǎn)動實現(xiàn)行/場快速消隱。

所述的外部同步信號接口用于將光學(xué)掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅(qū)動信號輸入鎖相電路；

所述的鎖相電路為基于商用鎖相環(huán)芯片的信號處理電路，用于產(chǎn)生與外部同步信號接口提供的光學(xué)掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅(qū)動信號同相位的脈沖信號，由于市場上已有商用鎖相環(huán)芯片，此處工作原理不贅述；

所述的電動機(jī)伺服電路為基于商用數(shù)字電動機(jī)驅(qū)動芯片的伺服電路，用于放大鎖相電路產(chǎn)生的脈沖信號，并提供足夠大的驅(qū)動電流，由于市場上已有商用電動機(jī)驅(qū)動芯片，此處工作原理不贅述；

所述的電動機(jī)為商用伺服電動機(jī)，電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受電動機(jī)伺服電路的輸出信號控制，具有機(jī)電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，由于市場上已有商用伺服電動機(jī)，此處工作原理不贅述；

所述的斬光片為圓形勻質(zhì)金屬薄片，材質(zhì)為鋁合金或黃銅，中心開有用于電動機(jī)轉(zhuǎn)子的定位孔，定位孔周圍沿圓心旋轉(zhuǎn)對稱開有通孔，通孔的寬度，形狀和數(shù)量取決于光學(xué)掃描顯微鏡中共振掃描的速度，行數(shù)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(jī)伺服電路的輸出端連接，電動機(jī)伺服電路的輸出端與電動機(jī)的輸入端連接，電動機(jī)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(xué)掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅(qū)動信號，通過鎖相電路轉(zhuǎn)換成與光學(xué)掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅(qū)動信號同相位的脈沖信號，再通過電動機(jī)伺服電路實現(xiàn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而帶動斬光片轉(zhuǎn)動實現(xiàn)行/場快速消隱。下面以某品牌光學(xué)掃描顯微鏡為例，具體說明工作原理。通常光學(xué)掃描顯微鏡中廣泛采用的共振掃描器為美國CTI公司的產(chǎn)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。因此對于一幅512x512的圖像，幀率可以達(dá)到最快30幀/秒。對于單向掃描來說，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。由于是共振掃描，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占每份的88%，不打孔的面積占12%，分別對應(yīng)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。打孔的部分允許激光通過；不打孔的部分完全阻擋激光。余下8等份不打孔，對應(yīng)每幀結(jié)束后掃描頭回到下一幀第一行起始位置的過程。這個斬光片設(shè)計適用于雙向掃描。當(dāng)共振掃描器開始正向掃描第一行詩時，先經(jīng)過6%的激光消隱區(qū)，對應(yīng)斬光片上第一個等份的前6%不打孔區(qū)；之后經(jīng)過88%掃描區(qū)，對應(yīng)斬光片上第一個等份的中間88%打孔區(qū)；再經(jīng)過6%的激光消隱區(qū)，對應(yīng)斬光片上第一個等份的后6%不打孔區(qū)；之后共振掃描器換行開始反向掃描重復(fù)上一過程，斬光片繼續(xù)轉(zhuǎn)動進(jìn)入第二個等份，以此類推......當(dāng)共振掃描器完成第512行，也就是第256反向掃描行，之后開始進(jìn)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(xù)轉(zhuǎn)過余下8等份不打孔區(qū)，阻擋激光以實現(xiàn)場消隱。以一個兼容英國Scitec公司機(jī)械斬光器的斬光片設(shè)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(xiàn)快速消隱，孔的位置要盡量靠近斬光片的邊緣，以直徑90mm處為例，對應(yīng)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占88%，約為0.48mm。每行的打孔部分包括512個像素，因此對應(yīng)的光束直徑約為0.95um。如果光束直徑增大會引起激光通過與消隱之間的過渡帶變平緩，使掃描圖像邊緣質(zhì)量變差。可見，每片斬光片上包含實現(xiàn)一幀掃描的完整消隱結(jié)構(gòu)。因此電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為1800rpm。

本實用新型由于采用了上述技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、相對于電光調(diào)制和聲光調(diào)制，實現(xiàn)很高的消光比，遠(yuǎn)大于1000:1；

2、相對于電光調(diào)制和聲光調(diào)制，成本低至1/10，無色散效應(yīng)；

3、斬光片可靈活定制，適應(yīng)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(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)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(jī)伺服電路3，電動機(jī)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(jī)伺服電路3的輸出端連接，電動機(jī)伺服電路3的輸出端與電動機(jī)4的輸入端連接，電動機(jī)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(xué)掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅(qū)動信號，通過鎖相電路2轉(zhuǎn)換成與光學(xué)掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅(qū)動信號同相位的脈沖信號，再通過電動機(jī)伺服電路3實現(xiàn)電動機(jī)4的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而帶動斬光片5轉(zhuǎn)動實現(xiàn)行/場快速消隱。

所述的外部同步信號接口1用于將光學(xué)掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅(qū)動信號輸入鎖相電路2；

所述的鎖相電路2為基于商用鎖相環(huán)芯片的信號處理電路，用于產(chǎn)生與外部同步信號接口提供的光學(xué)掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅(qū)動信號同相位的脈沖信號，由于市場上已有商用鎖相環(huán)芯片，此處工作原理不贅述；

所述的電動機(jī)伺服電路3為基于商用數(shù)字電動機(jī)驅(qū)動芯片的伺服電路，用于放大鎖相電路2產(chǎn)生的脈沖信號，并提供足夠大的驅(qū)動電流，由于市場上已有商用電動機(jī)驅(qū)動芯片，此處工作原理不贅述；

所述的電動機(jī)4為商用伺服電動機(jī)，電動機(jī)4轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受電動機(jī)伺服電路的輸出信號控制，具有機(jī)電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，由于市場上已有商用伺服電動機(jī)，此處工作原理不贅述；

所述的斬光片5為圓形勻質(zhì)金屬薄片，材質(zhì)為鋁合金或黃銅，中心開有用于電動機(jī)轉(zhuǎn)子的定位孔，定位孔周圍沿圓心旋轉(zhuǎn)對稱開有通孔，通孔的寬度，形狀和數(shù)量取決于光學(xué)掃描顯微鏡中共振掃描的速度，行數(shù)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(jī)伺服電路3的輸出端連接，電動機(jī)伺服電路3的輸出端與電動機(jī)4的輸入端連接，電動機(jī)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(xué)掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅(qū)動信號，通過鎖相電路2轉(zhuǎn)換成與光學(xué)掃描顯微鏡中Y軸檢流計掃描器的鋸齒波場驅(qū)動信號同相位的脈沖信號，再通過電動機(jī)伺服電路3實現(xiàn)電動機(jī)4的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而帶動斬光片5轉(zhuǎn)動實現(xiàn)行/場快速消隱。下面以某品牌光學(xué)掃描顯微鏡為例，具體說明工作原理。通常光學(xué)掃描顯微鏡中廣泛采用的共振掃描器為美國CTI公司的產(chǎn)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。因此對于一幅512x512的圖像，幀率可以達(dá)到最快30幀/秒。對于單向掃描來說，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。由于是共振掃描，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(xiàn)一幀掃描的完整消隱結(jié)構(gòu)。因此電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為1800rpm，相當(dāng)于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占每份的88%，不打孔的面積占12%，分別對應(yīng)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。打孔的部分允許激光通過；不打孔的部分完全阻擋激光。余下8等份不打孔，對應(yīng)每幀結(jié)束后掃描頭回到下一幀第一行起始位置的過程。這個斬光片設(shè)計適用于雙向掃描。當(dāng)共振掃描器開始正向掃描第一行詩時，先經(jīng)過6%的激光消隱區(qū)，對應(yīng)斬光片5上第一個等份的前6%不打孔區(qū)；之后經(jīng)過88%掃描區(qū)，對應(yīng)斬光片5上第一個等份的中間88%打孔區(qū)；再經(jīng)過15%的激光消隱區(qū)，對應(yīng)斬光片5上第一個等份的后6%不打孔區(qū)；之后共振掃描器換行開始反向掃描重復(fù)上一過程，斬光片5繼續(xù)轉(zhuǎn)動進(jìn)入第二個等份，以此類推......當(dāng)共振掃描器完成第512行，也就是第256反向掃描行，之后開始進(jìn)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(xù)轉(zhuǎn)過余下8等份不打孔區(qū)，阻擋激光以實現(xiàn)場消隱。以一個兼容英國Scitec公司機(jī)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(xiàn)快速消隱，孔的位置要盡量靠近斬光片5的邊緣，以直徑90mm處為例，對應(yīng)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占88%，約為0.48mm。每行的打孔部分包括512個像素，因此對應(yīng)的光束直徑約為0.95um。如果光束直徑增大會引起激光通過與消隱之間的過渡帶變平緩，使掃描圖像邊緣質(zhì)量變差。此實施例適用于連續(xù)波激光光源等，不適用于飛秒激光光源等嚴(yán)格要求脈沖寬度的場合，因為將約為1.2mm直徑的飛秒激光光束聚焦至0.95um直徑的光路會引入一定的脈沖展寬，雖然這種程度的脈沖展寬可以由脈寬壓縮器補(bǔ)償。

實施實例之二：電動機(jī)轉(zhuǎn)速提高N倍，則每片斬波片包含的掃描行數(shù)降低N倍，通過斬光片的激光光束直徑增大N倍，這樣可以降低斬波片的加工難度和聚焦光路的實現(xiàn)難度。以英國Scitec公司的C-995型機(jī)械斬波器為例，其電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速為10020rpm。對于我們的設(shè)計，可以將電動機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為9000rpm，提高了5倍。則每片斬波片包含的掃描行數(shù)降低5倍，為104行，通過斬光片的激光光束直徑增大5倍，為4.75um。在此基礎(chǔ)上，如果斬波片換用輕質(zhì)金屬材料，如鋁等，保持?jǐn)夭ㄆ亓孔兓淮蟮那疤嵯拢瑪夭ㄆ睆皆龃驧倍（M小于等于3），設(shè)計不變，通過斬光片的激光光束直徑增大M倍，為14.25um。進(jìn)一步降低了斬波片的加工難度和聚焦光路的實現(xiàn)難度。

本實用新型所述的鎖相電路2為基于商用鎖相環(huán)芯片的信號處理電路，已屬于現(xiàn)有技術(shù)，故本實用新型在此不再累述。

本實用新型所述的電動機(jī)伺服電路3為基于商用數(shù)字電動機(jī)驅(qū)動芯片的伺服電路，已屬于現(xiàn)有技術(shù)，故本實用新型在此不再累述。

本實用新型所述的電動機(jī)4為商用伺服電動機(jī)，已屬于現(xiàn)有技術(shù)，故本實用新型在此不再累述。

本實用新型所述的電動機(jī)4的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)對稱形狀。

本實用新型所述的斬光片5的開孔采用掩模-化學(xué)蝕刻工藝加工。

本實用新型所述的電動機(jī)4與斬光片5之間采用金屬夾具固定。