基于單片機(jī)的激光共聚焦掃描系統(tǒng)的研究

摘要：作為一種具有較高橫向分辨率和縱向分辨率的顯微儀器，激光共聚焦掃描顯微鏡在各個(gè)領(lǐng)域有較大發(fā)展 文中介紹了激光共聚焦光學(xué)掃描的非線性問(wèn)題，通過(guò)選取合適的振鏡以及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)消除非線性，最后完成掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；共聚焦；掃描振鏡

    通過(guò)光學(xué)特性在生物組織病變前后所體現(xiàn)出的特征變化米檢測(cè)并判斷生物組織發(fā)生病變種類以及病變程度是醫(yī)學(xué)界一個(gè)研究熱點(diǎn)。激光共聚焦掃描顯微鏡不僅具有較高的平面分辨率，而且具有較高的深度分辨率，使其能夠?qū)ρ鹌愤M(jìn)行光學(xué)斷層掃捕成像。

1 共聚焦掃描顯微鏡原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    激光共焦掃描顯微成像技術(shù)是采用共軛焦點(diǎn)技術(shù)，如圖1所示。其工作原理為激光光源發(fā)出的激光通過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)入射到兩向色鏡上，經(jīng)過(guò)掃描系統(tǒng)入射到掃捕透鏡和透鏡組上，進(jìn)入光纖束聚焦于被測(cè)樣品。樣品反射和后向散射的光經(jīng)過(guò)光纖進(jìn)入到光電探測(cè)器。光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換光信號(hào)后經(jīng)過(guò)信號(hào)處理部分進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、成像，在整個(gè)成像過(guò)程中，只有來(lái)自樣品焦平面上的光線能在探測(cè)器的光纖連接處正確聚焦，被探測(cè)器接收。而其他處于樣品焦平面之外的光則不能進(jìn)入探測(cè)器。

2 掃描系統(tǒng)
    激光共聚焦掃描一個(gè)很重要的部分便是掃描控制技術(shù)，本系統(tǒng)采用的是光學(xué)掃描成像技術(shù)。
    本激光高速掃描系統(tǒng)中采用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制的核心，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描系統(tǒng)的控制。通過(guò)單片機(jī)控制振鏡的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)光學(xué)掃描，因此只有實(shí)現(xiàn)振鏡良好控制才能實(shí)現(xiàn)激光高速掃描。
2．1 單片機(jī)控制系統(tǒng)
    該激光掃描控制系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89S51處理器為核心，如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)包括快速振鏡驅(qū)動(dòng)及時(shí)鐘部分、慢速振鏡部分、電平轉(zhuǎn)換部分、D／A轉(zhuǎn)換、信號(hào)探測(cè)及處理部分、數(shù)據(jù)采集部分。

    系統(tǒng)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換模塊將快速振鏡掃描時(shí)鐘板輸出的像素使能信號(hào)(RS232電平)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能接收的TTL電平接入單片機(jī)的外部中斷和外部計(jì)數(shù)端口，單片機(jī)對(duì)像素使能信號(hào)加以計(jì)數(shù)，通過(guò)外部中斷服務(wù)程序?qū)⑾袼厥鼓苄盘?hào)的計(jì)數(shù)值讀出，并通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換部分將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)慢速振鏡的偏轉(zhuǎn)。同時(shí)，電平轉(zhuǎn)換模塊將快速振鏡掃描時(shí)鐘板輸出的像素時(shí)鐘信號(hào)(RS422電平)也轉(zhuǎn)換成TTL電平接入A／D數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)端，觸發(fā)采集卡進(jìn)行信號(hào)的采集。PC機(jī)則通過(guò)串口控制單片機(jī)對(duì)掃描分辨率和幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2．2 快速振鏡模塊
    激光共聚焦掃描顯微鏡的光學(xué)掃描方式存在非線性畸變，當(dāng)振鏡作等角掃描時(shí)，其像素點(diǎn)的間距存在差異，為了消除非線性畸變，可選用CRS系列振鏡。CRS系列掃描振鏡帶有像素同步脈沖，其作用是線性化整個(gè)掃描區(qū)域的采樣點(diǎn)位移，因此能夠很好的解決掃描區(qū)域的非線性問(wèn)題。
    (1) CRS振鏡
    本系統(tǒng)Y方向振鏡選擇CRS 8k振鏡。CRS 8k振鏡是一種高頻共振掃描器件，其共振額定頻率是7910Hz，最大掃描角度26°。
    (2)振鏡驅(qū)動(dòng)板電路
    CRS驅(qū)動(dòng)板的設(shè)計(jì)特別考慮了掃描系統(tǒng)工作時(shí)相位特性和品質(zhì)岡素Q存在的微小變化，驅(qū)動(dòng)板包含了一個(gè)自身振蕩回路，用以保持掃描系統(tǒng)存工作中可以達(dá)到機(jī)械共振。
    (3)像素時(shí)鐘板
    像素時(shí)鐘是用來(lái)線性化整個(gè)掃描場(chǎng)。CRS振鏡存在一個(gè)正弦角位移，頻率等于該掃描振鏡工作時(shí)的共振頻率，這個(gè)正弦角位移就相當(dāng)于振鏡工作時(shí)的一個(gè)噪聲，必須加以去除。使用恒速像素，邊沿象素就會(huì)擴(kuò)散，中部會(huì)壓縮。而像素時(shí)鐘提供了速度更正，像素時(shí)鐘以不斷變化的速度，配合掃描儀的角速度變化來(lái)達(dá)到共振頻率。最小掃描失真的實(shí)現(xiàn)與線性化像素時(shí)鐘可以實(shí)現(xiàn)位像素等距掃捕場(chǎng)。而此時(shí)像素時(shí)鐘，便用來(lái)糾正小型掃描共振頻率變異和扭曲。
2．3 電平轉(zhuǎn)換
    在進(jìn)行串行通信時(shí)，要求通信雙方具有標(biāo)準(zhǔn)且統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能方便的使不同的設(shè)備進(jìn)行通訊。在本系統(tǒng)中，快速振鏡驅(qū)動(dòng)板輸出的像素使能信號(hào)為RS232電平信號(hào)，而像素時(shí)鐘信號(hào)則是RS422電平，這兩種電平信號(hào)均需送入單片機(jī)中，而單片機(jī)卻只能接收TTL電平信號(hào)，為了能實(shí)現(xiàn)通信，所以必需通過(guò)電平轉(zhuǎn)換模塊來(lái)使信號(hào)匹配。本系統(tǒng)中用OP37芯片進(jìn)行像素使能信號(hào)RS232電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換，使用專用芯片SN75175進(jìn)行像素時(shí)鐘信號(hào)RS422到TTL電平的轉(zhuǎn)換。
2．4 D／A轉(zhuǎn)換部分
    根據(jù)掃捕系統(tǒng)對(duì)D／A轉(zhuǎn)換速度、精度、分辨率等指標(biāo)的要求，本系統(tǒng)選用12位的D／A轉(zhuǎn)換芯片AD7541。AD7541是一款兼容TTL／CMOS電平的D／A轉(zhuǎn)換芯片，且功率小、噪音小、轉(zhuǎn)換精度高，內(nèi)部采用梯形電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 建立時(shí)間小于1us。考慮到需用電壓控制慢速振鏡的電機(jī)，則必須將AD7541輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，且要求電壓信號(hào)為正值，本系統(tǒng)采用單極性電壓輸出方式、D／A轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

2．5 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件利用Keil C51平臺(tái)進(jìn)行掃描控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)。首先，設(shè)置單片機(jī)的計(jì)數(shù)／定時(shí)器和中斷的控制寄存器的各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)置完成后，依次打開(kāi)中斷和電平控制端，等待中斷。等待外部中斷0，每來(lái)一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器T0加1，然后判斷計(jì)數(shù)器T0是否溢出，若未溢出，將計(jì)數(shù)器T0的當(dāng)前值送至輸出端口，進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，控制行掃描。如果溢出，則計(jì)數(shù)器T0清零，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，即進(jìn)行重新掃描。軟件流程圖如圖4所示。

2．6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    通過(guò)本設(shè)計(jì)的激光共聚焦掃描系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)4K／S的掃描速度，得到的慢速振鏡的控制波形如圖5所示。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)激光共聚焦顯微鏡的掃描控制，采用單片機(jī)AT89C51作為控制系統(tǒng)，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換用快速振鏡的時(shí)鐘使能信號(hào)控制慢速振鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，用快速振鏡的時(shí)鐘像素信號(hào)控制數(shù)據(jù)采集卡的采集、實(shí)驗(yàn)表明本系統(tǒng)運(yùn)行良好。