本实用新型涉及一种共振扫描用机械光调制器，特别是一种基于机械斩光原理实现光学扫描显微镜中的行/场消隐功能的机械光调制器。
背景技术：
在近年来为了实现对活体生物样品及快速变化生理活动的成像（至少需要达到25fps），共振扫描器（Resonant Scanner）因其能够实现快速扫描的优点已经取代了传统的检流计扫描器（Galvanometer Scanner），作为光学扫描显微镜中X轴扫描的主流器件（本文不涉及很少被使用的多边形扫描器（Polygon Scanner））。与具有线性扫描特性，工作在闭环状态的检流计扫描器不同，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：在每一行的两端，其扫描速度为零；在每一行的中央，其扫描速度最快。在每一行中，其扫描速度呈现从零加速至最大，再减速至零从而反向换行的规律。这意味着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；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，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）的方式解决以上问题。
此外，在完成每一帧数百行扫描之后，光学扫描显微镜的扫描头需要回到下一帧的起始位置。此过程大约需要花费完成几行扫描所耗费的时间。在此过程中，也需要切断激光输入。这个过程叫场消隐。
另外，共振扫描器通常可以工作在单向扫描模式或双向扫描模式下。在单向扫描模式下，共振扫描器完成每一行扫描后，切断激光输入同时回到下一行的起点。在双向扫描模式下，共振扫描器完成每一行扫描后换行反向进行下一行扫描，不存在回程消隐。
因此，如何适时快速地进行激光输入的开通与关闭成为采用共振扫描器的光学扫描显微镜中的一项关键技术。目前广泛采用的技术有基于电光调制效应的普克尔盒（Pockel cell）和基于声光调制效应的声光调制器（AOM）。声光调制与电光调制技术相比，它有更高的消光比（一般大于1000：1），更低的驱动功率，更优良的温度稳定性和更好的光点质量以及更低的价格。其缺点是声光调制器的色散严重，会使飞秒激光脉冲明显展宽，造成图像质量下降。这两种技术从性能方面都能满足光学扫描显微镜的基本需求，共同的缺点是价格昂贵。一套典型的用于光学扫描显微镜系统的电光调制器的报价最低要8万人民币左右。虽然这个价格在一套价值数百万的进口光学扫描显微镜系统中所占比例不大，但是开发其廉价替代品对于实现几十万元级别的国产光学扫描显微镜系统意义非常重大。
因此本实用新型提出了一种共振扫描用机械光调制器，特别是一种基于机械斩光原理实现光学扫描显微镜中的行/场消隐功能的机械光调制器。本实用新型能够实现与电光调制器和声光调制器相比更高的消光比（远大于1000：1），价格低廉，无色散效应，适用于各类型光学扫描显微镜，如共聚焦荧光显微镜，各种非线性光学扫描显微镜（多光子，CARS，SHG，STED等）。
技术实现要素：
在本实用新型的目的是实现一种基于机械斩光原理实现光学扫描显微镜中的行/场消隐功能的机械光调制器。机械斩光原理是使用机械旋转机构带动多孔的斩光片转动。当光束遇到斩光片有孔部分时无损通过；当光束遇到斩光片无孔部分时被完全阻挡。因此机械斩光原理可以实现很高的消光比，价格低廉，无色散效应。
为实现上述目的，本实用新型采用技术方案是：它包括外部同步信号接口，锁相电路，电动机伺服电路，电动机，斩光片，外部同步信号接口的输出端与锁相电路的输入端连接，锁相电路的输出端与电动机伺服电路的输出端连接，电动机伺服电路的输出端与电动机的输入端连接，电动机的输出端与斩光片的输入端连接，外部同步信号接口接收光学扫描显微镜中Y轴检流计扫描器的锯齿波场驱动信号，通过锁相电路转换成与光学扫描显微镜中Y轴检流计扫描器的锯齿波场驱动信号同相位位的脉冲信号，再通过电动机伺服电路实现电动机的旋转运动，从而带动斩光片转动实现行/场快速消隐。
所述的外部同步信号接口用于将光学扫描显微镜中Y轴检流计扫描器的锯齿波场驱动信号输入锁相电路；
所述的锁相电路为基于商用锁相环芯片的信号处理电路，用于产生与外部同步信号接口提供的光学扫描显微镜中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，由于市场上已有商用锁相环芯片，此处工作原理不赘述；
所述的电动机伺服电路为基于商用数字电动机驱动芯片的伺服电路，用于放大锁相电路产生的脉冲信号，并提供足够大的驱动电流，由于市场上已有商用电动机驱动芯片，此处工作原理不赘述；
所述的电动机为商用伺服电动机，电动机转子转速受电动机伺服电路的输出信号控制，具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，由于市场上已有商用伺服电动机，此处工作原理不赘述；
所述的斩光片为圆形匀质金属薄片，材质为铝合金或黄铜，中心开有用于电动机转子的定位孔，定位孔周围沿圆心旋转对称开有通孔，通孔的宽度，形状和数量取决于光学扫描显微镜中共振扫描的速度，行数和扫描模式，在下文中详述。
本实用新型的工作原理是这样的：在使用时，外部同步信号接口的输出端与锁相电路的输入端连接，锁相电路的输出端与电动机伺服电路的输出端连接，电动机伺服电路的输出端与电动机的输入端连接，电动机的输出端与斩光片的输入端连接，外部同步信号接口接收光学扫描显微镜中Y轴检流计扫描器的锯齿波场驱动信号，通过锁相电路转换成与光学扫描显微镜中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，再通过电动机伺服电路实现电动机的旋转运动，从而带动斩光片转动实现行/场快速消隐。下面以某品牌光学扫描显微镜为例，具体说明工作原理。通常光学扫描显微镜中广泛采用的共振扫描器为美国CTI公司的产品，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。因此斩光片靠近圆周的部分被等分为520等份。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诗时，先经过6%的激光消隐区，对应斩光片上第一个等份的前6%不打孔区；之后经过88%扫描区，对应斩光片上第一个等份的中间88%打孔区；再经过6%的激光消隐区，对应斩光片上第一个等份的后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设计为例，斩光片的直径为100mm，厚度为0.5mm，材料为CZ108半硬黄铜。为了实现快速消隐，孔的位置要尽量靠近斩光片的边缘，以直径90mm处为例，对应周长约为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。可见，每片斩光片上包含实现一帧扫描的完整消隐结构。因此电动机的转速为1800rpm。
本实用新型由于采用了上述技术方案，具有如下优点：
1、相对于电光调制和声光调制，实现很高的消光比，远大于1000:1；
2、相对于电光调制和声光调制，成本低至1/10，无色散效应；
3、斩光片可灵活定制，适应共振扫描器的不同扫描模式。
附图说明
图1为本实用新型的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：如图1所示，它包括外部同步信号接口1，锁相电路2，电动机伺服电路3，电动机4，斩光片5，外部同步信号接口1的输出端与锁相电路2的输入端连接，锁相电路2的输出端与电动机伺服电路3的输出端连接，电动机伺服电路3的输出端与电动机4的输入端连接，电动机4的输出端与斩光片5的输入端连接，外部同步信号接口1接收光学扫描显微镜中Y轴检流计扫描器的锯齿波场驱动信号，通过锁相电路2转换成与光学扫描显微镜中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，再通过电动机伺服电路3实现电动机4的旋转运动，从而带动斩光片5转动实现行/场快速消隐。
所述的外部同步信号接口1用于将光学扫描显微镜中Y轴检流计扫描器的锯齿波场驱动信号输入锁相电路2；
所述的锁相电路2为基于商用锁相环芯片的信号处理电路，用于产生与外部同步信号接口提供的光学扫描显微镜中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，由于市场上已有商用锁相环芯片，此处工作原理不赘述；
所述的电动机伺服电路3为基于商用数字电动机驱动芯片的伺服电路，用于放大锁相电路2产生的脉冲信号，并提供足够大的驱动电流，由于市场上已有商用电动机驱动芯片，此处工作原理不赘述；
所述的电动机4为商用伺服电动机，电动机4转子转速受电动机伺服电路的输出信号控制，具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，由于市场上已有商用伺服电动机，此处工作原理不赘述；
所述的斩光片5为圆形匀质金属薄片，材质为铝合金或黄铜，中心开有用于电动机转子的定位孔，定位孔周围沿圆心旋转对称开有通孔，通孔的宽度，形状和数量取决于光学扫描显微镜中共振扫描的速度，行数和扫描模式，在下文中详述。
本实用新型的工作原理是这样的：在使用时，外部同步信号接口1的输出端与锁相电路2的输入端连接，锁相电路2的输出端与电动机伺服电路3的输出端连接，电动机伺服电路3的输出端与电动机4的输入端连接，电动机4的输出端与斩光片5的输入端连接，外部同步信号接口1接收光学扫描显微镜中Y轴检流计扫描器的锯齿波场驱动信号，通过锁相电路2转换成与光学扫描显微镜中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，再通过电动机伺服电路3实现电动机4的旋转运动，从而带动斩光片5转动实现行/场快速消隐。下面以某品牌光学扫描显微镜为例，具体说明工作原理。通常光学扫描显微镜中广泛采用的共振扫描器为美国CTI公司的产品，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。
实施实例之一：每片斩光片5的直径为100mm，片上包含实现一帧扫描的完整消隐结构。因此电动机的转速为1800rpm，相当于30fps。斩光片5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诗时，先经过6%的激光消隐区，对应斩光片5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5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5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5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5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5为例，斩光片5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，孔的位置要尽量靠近斩光片5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。
实施实例之二：电动机转速提高N倍，则每片斩波片包含的扫描行数降低N倍，通过斩光片的激光光束直径增大N倍，这样可以降低斩波片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。对于我们的设计，可以将电动机转速设定为9000rpm，提高了5倍。则每片斩波片包含的扫描行数降低5倍，为104行，通过斩光片的激光光束直径增大5倍，为4.75um。在此基础上，如果斩波片换用轻质金属材料，如铝等，保持斩波片重量变化不大的前提下，斩波片直径增大M倍（M小于等于3），设计不变，通过斩光片的激光光束直径增大M倍，为14.25um。进一步降低了斩波片的加工难度和聚焦光路的实现难度。
本实用新型所述的锁相电路2为基于商用锁相环芯片的信号处理电路，已属于现有技术，故本实用新型在此不再累述。
本实用新型所述的电动机伺服电路3为基于商用数字电动机驱动芯片的伺服电路，已属于现有技术，故本实用新型在此不再累述。
本实用新型所述的电动机4为商用伺服电动机，已属于现有技术，故本实用新型在此不再累述。
本实用新型所述的电动机4的转速为100rpm至100000rpm。
本实用新型所述的斩光片5的材料为铜、铜合金、铝或铝合金。
本实用新型所述的斩光片5的形状为旋转对称形状。
本实用新型所述的斩光片5的开孔采用掩模-化学蚀刻工艺加工。
本实用新型所述的电动机4与斩光片5之间采用金属夹具固定。