共焦显微镜振镜扫描数据采集专用板卡研制

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光学共焦显微镜以其特有的噪声抑制特性和高轴向分辨力而广泛应用于微结构表面形貌测量及生物样品观察,是最具影响力的测量仪器之一。光路结构和电路结构是组成共焦系统的核心部分,光路结构经过多年的科技发展和科学家们的不断探索已经趋于成熟,但是电路结构方面,扫描振镜的控制板、高性能数据采集卡目前国内主要使用国外进口板卡,而其价格昂贵、功能冗余、使用麻烦。因此本文对共焦系统中扫描振镜的控制和PMT光电信息的同步采集两方面进行研究,成功研制出一款使用方便的共焦系统专用板卡。同时对传统光栅式扫描策略中控制信号对振镜冲击强、可靠性差、图像边缘出现畸变的问题提出新型扫描策略,以解决上述问题。本文主要完成的内容如下:(1)建立了动磁式振镜电机的扭矩与输入控制信号之间的数学模型,通过该数学模型得出扫描振镜电机的扭矩和通过定子线圈的电流成正比,通过仿真验证了该模型的正确性。将扫描振镜电机等效为一个电阻和电感,对数学模型化简,依据化简后的模型对Thorlabs公司GVS002型号的扫描振镜进行仿真,根据振镜控制系统的伯德图得出扫描振镜控制系统具有低通特性的结论。根据推导出的传递函数设计振镜控制板的原理图,包含电源模块、输入信号调节电路、功率放大电路、位置传感器检测电路、PID伺服控制电路、功率补偿电路六个部分。对设计的扫描振镜控制板进行实验,对关键性指标如重复定位精度、线性度等进行测量。(2)根据共焦系统性能指标要求:可产生光栅式、圆周式扫描策略所需控制波形、同步采集速度100Ksps,设计数据采集卡的各模块原理图及PCB。同时编写软件程序以实现对扫描振镜的控制、PMT光电信号的采集、振镜控制与PMT采集的同步、被测样品图像的生成。通过实验,成功验证板卡性能达到设计指标要求并能够应用在共焦系统中对微小电路板成像。(3)分析现存扫描振镜的光栅式扫描策略扫描效率低、可靠性差、对振镜机械结构冲击大的原因、不同控制波形对扫描实际效果的影响,并在已有扫描方法的基础上进行优化并提出用正弦波代替锯齿波控制信号尖端脉冲部分的新型扫描策略以解决传统扫描策略的缺点,从而提高扫描效率、数据有效利用率和可靠性。
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