共聚焦显微镜激光高速控制系统设计及实现

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1、共聚焦显微镜激光高速扫描控制系统设计及实现胡茂海，杨晓春（南京理工大学电光学院，江苏南京210094）摘要:在传统光学扫描方法基础上，有效地将检流式与共振式光学扫描振镜结合起来,提出一种速度可达4M/s采样率的高速激光扫描方法，并基于单片机系统设计搭建了系统控制硬件平台，编写了上位机端和下位机端应用软件。实验结果表明：该控制系统扫描速度快，性能稳定叵靠，能够应用于共聚焦显微镜，实现实时扫描成像。矣键词:激光扫描;共聚焦显微镜;单片机;控制系统中图分类号:TN202;TH742文献标志码:AHgh2speedlase

2、rscanningcontrolsystemforconfocalmicroscopyHUMao2hai,YANGXiao2chun(SchoolofElectronicEngineeringandOptoelectronicTechnique,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China)Abstract:Basedonthetraditionalopticalscanningandtheeffectivecombinationofahig

3、h2frezquencyresonantscannerandagalvanometerseanner、anovelhighspeedlaserscanningmethocwithsamplingrateof4M/swasproposed.Thehardwareplatformofcontrolsystemwasbuilt,thePC2clientandmicrocontrollersoftwareweredesigned.Theexperimentalresultsprovethatthecontrolsystem

4、israpidandstable,canrealizereal2timeconfocalscanningimaging・Keywords:1aserscanning;confocalmicroscopy;single2chipmicrocontroller;controlsystem引言激光共焦扫描显微镜具有高横向高纵向空间分辨率等显著特点21，其在半导体工业材料科学生物学和医学等研究领域中有着广泛的应用。激光扫描冋I是该系统的重要组成部分。目前，激光共焦扫描显微镜中常采用2个检流式扫描振镜，通过软件控制方法实现激

5、光XY平面扫描成像。该方法不需要额外硬件开支，具有原理简单价格便宜容易实现等优点,但扫描成像速度较慢。目前，国外多家公司生产的共聚焦显微镜扫描一幅512>612图像均需要约2s左右时间，这极大地限制了共焦扫描显微镜的应用。本文将检流式与共振式两种光学扫描振镜进行有机结合，提出了一种新颖的速度可达4M/s采样率的激光扫描控制方法，实验结果表明该方法是可行的。1扫描控制系统工作原理共聚焦激光扫描显微成像系统中常用的激光扫描方法有两种:光学扫描和物体扫描。所谓光学扫描是成像过程屮，光线扫描而被探测物体静止不动。相对于物

6、体扫描而言，光学扫描具有左描速度快精度高等优点，缺点是大视场角时会严生严重光学畸变。共聚焦显微镜扫描系统不同于共聚焦扫描仪等其他成像系统，其扫描视场范區小，故常采用光学扫描方式。而光学扫描器件种类较多，主要有谐振扫描器棱镜扫描器袴光偏转扫描器检流式光学扫描器等。收稿日期:2010211201;修回日期:2011203227作者简介:胡茂海（19672）,男，安徽人，副教授，博士，主要从事生物光子学及显微成像技术研究。t2mail:h-mhai@yahoo.com.cn由于检流式光学扫描振镜小角度响应时间约为几百微秒

7、，目前共聚焦显微镜中均利用2个振犢实现光朿二维平面飞点扫描，其扫描原理如图1所示。2个振镜转轴相互正交放置,类似于阴极射线管CRT技术，一个振镜实现快速行扫描，另一个振镜实现慢速帧扫描，其转动角度大小和频牟由控制器通过数模转换进行直接控制。图1激光XY平面扫描示意图Fig.1SchematicdiagramoflaserXYplanescanning探测器PC机慢速^描振镜柴动板

8、a/d采集R图2高速扫描控制系统原理图Fig.2SchematicdiagramofhigliZspeedscanningcontrol

9、system该激光扫描控制系统以单片机AT89S51为核心,包括快速振镜信号电平转换D/A转换慢速振镜探测器放大器'A/D采集串行口通信、PC机等模块。详细工作过程如下：单片机接到PC机通过串行□发送的扫描命令后，接通电源，D/A放大器快速扫描振镜柴动板本文设计的扫描控制系统将丫方向检流式扫描振镜更换成共振额定频率达4kHz扫描振镜。该扫描振镜的扫描角度范围