二维机械光扫描器的制作方法

本实用新型涉及一种二维机械光扫描器，特别是一种基于旋转多面镜反射原理通过一个旋转多面镜扫描器实现二维扫描功能的机械光扫描器。

背景技术：

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），对显微镜的扫描速度要求越来越快。目前商用显微镜普遍采用的谐振频率为7.8KHz的共振扫描器（Resonant Scanner）用于X轴扫描，可以提供512x512@30fps的成像，并且通过压缩每帧行数可以实现512x32@400+fps，在此情况下成像范围已经被压缩成狭长一条，严重影响实验。共振扫描器因其镜片惯性和工作原理的原因很难大幅度提高扫描速度。

旋转多面镜扫描器（Polygonal Scanner）利用旋转反射原理通过在多面体上设置很多镜片可以实现比共振扫描器高2个数量级的扫描速度。此外，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。而旋转多面镜扫描器为匀速扫描，虽然也有占空比的问题，但不存在共振扫描器在每一行的两端的消隐问题。当旋转多面镜扫描器用于二维扫描时，仍然需要与检流计扫描器相配合组成扫描头。旋转多面镜扫描器用于X轴，检流计扫描器用于Y轴。成本较高，结构复杂。

因此本实用新型提出了一种二维机械光扫描器，特别是一种基于旋转多面镜反射原理通过一个旋转多面镜扫描器实现二维扫描功能的机械光扫描器。成本较低，结构简单，适用于需要二维高速扫描的应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的是实现一种二维机械光扫描器，特别是一种基于旋多面镜反射原理通过一个旋转多面镜扫描器实现二维扫描功能的机械光扫描器。成本较低，结构简单，适用于需要二维高速扫描的应用。

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，多面镜，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，电动机的输出端与多面镜的输入端连接，外部同步信号接口接收光学扫描显微镜中X轴的行驱动信号，通过锁相电路转换成与光学扫描显微镜中X轴的行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，从而带动多面镜转动实现二维高速扫描。

所述的外部同步信号接口用于将光学扫描显微镜中X轴的行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X轴的行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；

所述的多面镜为轴对称多面体，中心开有用于电动机转子的定位孔，多面镜周边安装有多片反射镜，反射镜的尺寸，数量，以及相邻反射镜之间的夹角取决于光学扫描显微镜中扫描的速度和行数，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，电动机的输出端与多面镜的输入端连接，外部同步信号接口接收光学扫描显微镜中X轴的行驱动信号，通过锁相电路转换成与光学扫描显微镜中X轴的行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，从而带动多面镜转动。传统的旋转多面镜扫描器周边的多片反射镜均平行于旋转轴，反射光线均处于同一直线上，因此只能实现一维扫描。而本实用新型的多面镜周边安装有多片反射镜，相邻反射镜之间有夹角，使经过每一片反射镜的反射光线均处于不同直线上，因此可以实现二维扫描。此外，本实用新型无场扫描的回程消隐时间，因此无需配备昂贵的声光/电光光调制器用于激光消隐。

本实用新型由于采用了上述技术方案，具有如下优点：

1、相对于共振扫描器，实现2个数量级的扫描速度提升；

2、无需用于Y轴扫描的检流计扫描器，结构简单，成本低；

3、无场扫描的回程消隐时间，因此无需配备昂贵的声光/电光光调制器用于激光消隐。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型中多面镜的示意图。

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1-2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，多面镜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的输出端与多面镜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X轴的行驱动信号，通过锁相电路2转换成与光学扫描显微镜中X轴的行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，从而带动多面镜5转动二维高速扫描。

所述的外部同步信号接口1用于将光学扫描显微镜中X轴的行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X轴的行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；

所述的多面镜5为轴对称多面体，中心开有用于电动机转子的定位孔，多面镜周边安装有多片反射镜，反射镜的尺寸，数量，以及相邻反射镜之间的夹角取决于光学扫描显微镜中扫描的速度和行数，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的输出端与多面镜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X轴的行驱动信号，通过锁相电路2转换成与光学扫描显微镜中X轴的行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，从而带动多面镜5转动。传统的旋转多面镜扫描器周边的多片反射镜均平行于旋转轴，反射光线均处于同一直线上，因此只能实现一维扫描。而本实用新型的多面镜5周边安装有多片反射镜，相邻反射镜之间有夹角，使经过每一片反射镜的反射光线均处于不同直线上，因此可以实现二维扫描。此外，本实用新型无场扫描的回程消隐时间，因此无需配备昂贵的声光/电光光调制器用于激光消隐。

实施实例：为了实现512x512@1000fps，电动机4的旋转速度目前最大60000rpm，等于1000Hz，即1000fps。本实用新型旋转一周即可实现一帧的扫描。一帧包含512行，因此需要在多面镜5 的周边安装512片反射镜。每片反射镜的光学扫描角度为720/512=1.4度。通过与广角镜头配合将X轴扫描角度扩大至15度，则Y轴扫描角度相应为15度。则每片反射镜之间的夹角为7.5/512=0.015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。

本实用新型所述的多面镜5的形状为旋转对称形状。

本实用新型所述的电动机4与多面镜5之间采用金属夹具固定。