[發(fā)明專利]一種用于光聲掃描的電熱式微鏡的步進掃描控制裝置及控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710004401.8
• 申請日: 2017-01-04
• 公開（公告）號: CN106597660B
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊思華;李林鋼;熊科迪;邢達
• 申請（專利權(quán)）人: 華南師范大學
• 主分類號: G02B26/10
• 分類號: G02B26/10
• 代理公司: 廣州市華學知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 李斌

1.一種用于光聲掃描的電熱式微鏡的步進掃描控制裝置，其特征在于，包括接收外部時鐘信號和運算輸出二進制電壓值的FPGA核心運算單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、放大電路、以及過壓保護與濾波模塊；所述FPGA核心運算單元在接收到外部時鐘信號后，在時鐘前沿觸發(fā)，輸出經(jīng)過特定算法運算得出的二進制電壓值，該二進制電壓值經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，用放大電路放大的模擬電壓信號通過過壓保護與濾波模塊后，供應(yīng)給電熱式微鏡的執(zhí)行器，繼而驅(qū)動微鏡做出相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)動作；

所述的FPGA核心運算單元根據(jù)儲存其內(nèi)的處理運算算法，輸出每次外部時鐘到來后的微鏡下一步偏轉(zhuǎn)角對應(yīng)驅(qū)動臂所需電壓；

所述的特定算法是儲存于FPGA核心運算單元中的微鏡控制電壓計算算法，該特定算法通過對外部時鐘沿計數(shù)，結(jié)合所控制微鏡的電壓-機械偏轉(zhuǎn)角關(guān)系函數(shù)，得出驅(qū)動臂電壓值的十進制數(shù)值；繼而將該十進制數(shù)值轉(zhuǎn)換成符合數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的編碼需求的二進制序列；

所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊同時將FPGA核心運算單元的輸出數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號；

所述的放大電路利用運算放大器將電壓放大至微鏡需要的電壓；

所述的過壓保護與濾波模塊是對欲施加給微鏡執(zhí)行器的模擬電壓信號進行電壓幅值的限制，以及對控制信號濾波除噪、并進行電流的放大。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光聲掃描的電熱式微鏡的步進掃描控制裝置，其特征在于，所述FPGA核心運算單元是采用Cyclone4EP4CE6E22C8N芯片的、具有50MHz晶振的FPGA核心板；該FPGA核心板內(nèi)含邏輯單元、寄存器、乘法器資源。

3.一種用于光聲掃描的電熱式微鏡的步進掃描控制方法，其特征在于，包括下述步驟：

S1、約定電熱式微鏡的兩組驅(qū)動臂為x和y，x組包括x+驅(qū)動臂和x-驅(qū)動臂，y組包括y+驅(qū)動臂和y-驅(qū)動臂；

S2、根據(jù)欲控制微鏡的標定數(shù)據(jù)，擬合出需要施加給執(zhí)行器的電壓與微鏡機械偏轉(zhuǎn)角度的函數(shù)關(guān)系：V＝g(D)，其中V是需要施加給電熱式微鏡某一個驅(qū)動臂的電壓值，D指的是：在四個驅(qū)動臂中僅該驅(qū)動臂受電壓后，微鏡偏轉(zhuǎn)的角度；

S3、檢測到開始信號后，且在沒有重置信號到來的情況下，F(xiàn)PGA核心運算單元對接收到的外部時鐘前沿計數(shù)；

S4、外部時鐘前沿計數(shù)值除以欲掃描點陣的列數(shù)值，結(jié)果的余數(shù)作為下一步要掃描的檢查點所在的列坐標，其中，掃描起始列坐標為零；

S5、外部時鐘前沿計數(shù)值除以欲掃描點陣的列數(shù)值，結(jié)果的模作為下一步要掃描的檢查點所在的行坐標，其中，掃描起始行坐標為零；

S6、判斷行坐標的奇偶性，如果行坐標是偶數(shù)，那么用欲轉(zhuǎn)動光學角度范圍的半程減去轉(zhuǎn)動光學角度分辨力與列坐標的乘積，差值除以2，其結(jié)果作為x+驅(qū)動臂側(cè)電致微鏡偏轉(zhuǎn)角度與x-驅(qū)動臂側(cè)電致微鏡偏轉(zhuǎn)角度的差值，設(shè)為ΔDx；如果行坐標是奇數(shù)，則ΔDx與行坐標為偶數(shù)的情況的相應(yīng)值符號相反；

S7、判斷ΔDx的符號，如果其符號為正，則定義x+驅(qū)動臂側(cè)的電致微鏡偏轉(zhuǎn)角度為ΔDx的值，而x-驅(qū)動臂側(cè)的電致微鏡偏轉(zhuǎn)角度為0；如果ΔDx的符號為負，則定義x+驅(qū)動臂側(cè)的電致微鏡偏轉(zhuǎn)角度為0，而x-驅(qū)動臂側(cè)的電致微鏡偏轉(zhuǎn)角度為ΔDx的絕對值；

S8、同時計算y+驅(qū)動臂側(cè)電致微鏡偏轉(zhuǎn)角度與y-驅(qū)動臂側(cè)電致微鏡偏轉(zhuǎn)角度的差值，設(shè)為ΔDy，它是俯仰光學角度分辨力與行坐標的乘積減去欲俯仰光學角度范圍的半程所得的差值除以2的結(jié)果；

S9、判斷ΔDy的符號，如果其符號為正，則定義y+驅(qū)動臂側(cè)的電致微鏡偏轉(zhuǎn)角度為ΔDy的值，而y-驅(qū)動臂側(cè)的電致微鏡偏轉(zhuǎn)角度為0；如果ΔDy的符號為負，則定義y+驅(qū)動臂側(cè)的電致微鏡偏轉(zhuǎn)角度為0，而y-驅(qū)動臂側(cè)的電致微鏡偏轉(zhuǎn)角度為ΔDx的絕對值；

S10、對每一步得到的四個驅(qū)動臂的電致微鏡偏轉(zhuǎn)角度代入步驟S2中獲取的函數(shù)關(guān)系式：V＝g(D)，從而得到應(yīng)當施加給四個驅(qū)動臂的電壓值；

S11、FPGA核心運算單元對欲輸出的四個電壓值進行后續(xù)DAC模塊適用的二進制編碼后，輸出給后繼DAC電路模塊、放大電路和過壓保護及濾波模塊，最終的控制器輸出分別對應(yīng)接電熱式微鏡的四個驅(qū)動臂引腳和公共地。