光纤共焦扫描显微镜图像采集系统方案设计

　　光纤共焦扫描显微镜(FOCSM)作为现代光、机、电、算等技术结合的高科技产品,具有出众的横向和轴向分辨能力,能够在焦面上获得很薄的高分辨率光学断层图像,配合计算机图像处理技术的使用,即可实现细微结构的三维成像,是研究生物科学等细微结构的有效技术手段,近年来得到长足的发展,广泛应用在材料、生物医学等领域[1]。本系统的特点之一是,利用一个通用三目显微镜作为FOCSM光学系统的基本组成部分,将由转轴正交放置的2个检流计振镜组成一个扫描头安装在三目显微镜的第三目上,并以普通显微目镜代替f-θ透镜作为扫描透镜。这种扫描头结构简单,而且具有较好的可移植性;但在扫描过程中会产生非线性扫描畸变,因此,在电子控制系统的设计中需解决此问题。

　　1　FOCSM的基本原理

　　FOCSM的光学系统原理如图1所示[2]。它的基本工作机制是:激光器发出的激光束经耦合透镜L1耦合至分光比为1∶1的光纤耦合器的光纤1的入射端头,经光纤耦合器从光纤3端头出射,由准直透镜L2准直为平行光束,经由两转轴正交的双扫描振镜反射后,通过光学显微镜聚焦于被采样的物点;采样物点反射回来的光按原光路经光纤3与光纤2将反射光汇聚至光电倍增管(PMT)上。PMT接收从光纤2端头输出的采样点反射光;光纤3的端面同时起着满足共焦条件所需的点光源与点探测器的功能。平行光路中的两路振镜为高精度的检流计扫描振镜,振镜作高速往复旋转使光点在采样平面上快速扫描移动,从而实现系统的二维单面扫描;高精度的步进电机,驱动载物台沿轴向微小移动,实现系统的轴向扫描,从而获得被观察物体不同高度的一系列平面图像;利用数字图像处理软件即可重构出物体的三维结构[3],通过增强型并行接口(EPP)将采集到的图像传送到PC机[4]。

　　整个FOCSM由光学、电子控制及软件等3个子系统构成。其中,电子控制系统由主机、二维扫描与轴向扫描控制单元及数据采集处理单元组成,它对整个系统快速获得高质量的图像至关重要。

　　2　平面扫描图像采集系统畸变校正分析与实现方案设计

　　2.1　平面扫描畸变校正理论分析

　　电子控制系统中平面扫描图像采集模块作为FOCSM的核心部件之一,要求速度快、无扫描畸变。双振镜扫描的光学扫描方式速度快,但由于正切误差引起的非线性扫描畸变问题,需要通过电子控制系统消除此畸变。

　　在图2中,θx表示沿X方向扫描光束的转过角度,X0表示当扫描光线转动θx时沿X方向的偏移量。若以f-θ作为扫描透镜,位移量xfθ=fθx;本方案中采用普通显微目镜作为扫描透镜,位移量x目=f目tanθx,所以引入非线性误差Δx: