CN107505704B - 一种光纤螺旋扫描器的驱动调节方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤螺旋扫描器的驱动调节方法及装置，包括：向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第一套组合恒压驱动信号，使得光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈第一单根直线型；向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第二套组合恒压驱动信号，使得光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈第二单根直线型；向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第一套组合恒压驱动信号和第二套组合恒压驱动信号，使得光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈正圆形；对上述恒压驱动信号进行线性幅值调制，分析线性幅值调制后的光纤扫描轨迹的迟滞现象；通过经优化的调制波包络调制驱动信号，以缓解光纤扫描轨迹的中心区域过采样现象。本发明可以获取正圆形扫描轨迹，且克服中心位置过采样的问题。

Description

一种光纤螺旋扫描器的驱动调节方法及装置

技术领域

本发明属于光学扫描技术领域，更具体地，涉及一种光纤螺旋扫描器的驱动调节方法及装置。

背景技术

光学扫描器件在工程勘探、位置传感、医疗影像等技术领域和其他相关科学研究中具有重要应用前景。常见的光学扫描器件包括检流计式光学扫描振镜、多面转动式棱镜、声光偏转器件、微光机电一体化***等。检流计式光学扫描振镜、多面转动式棱镜和声光偏转器件等传统扫描装置体积较大，难以内置在远端微型探头中；而微光机电一体化***设计制造工艺复杂，成本高昂。

基于单根扫描光纤的微型光学扫描期间结构简单、体积小、灵活性好，且具有扫描范围可调性高、成像结果无蜂窝网格干扰等优势，因而逐渐获得广泛的认可。通常该种光纤扫描器主要采用带四分电极的压电管或者四片式压电方管结构作为主体。

螺旋扫描是上述光纤扫描器最为常见、通用的扫描方式。扫描器的四分电极可分为相互正交的两组方向，对该两对电极分别施加经斜坡信号幅值调制的相位差为90度的正弦载波信号进行驱动。其中，正弦载波频率与该单根扫描光纤共振频率一致，以获取共振放大扫描范围。

然而，现有螺旋光纤扫描器通常存在结构非对称性和压电材料反映迟滞等两个问题。结构非对称性是由扫描光纤本身以及扫描器手工制作过程引入的，会导致扫描光纤在单轴驱动时呈现非直线型扫描，且两轴的扫描轨迹不再正交。即无法通过典型的相差90度的正弦波驱动信号获取正圆形扫描范围。压电材料迟滞则是在启动扫描的初始阶段时，压电材料的响应速度跟不上驱动信号的变化速度，会呈现一定程度的滞后。因而导致在传统斜坡信号调制的驱动下，在中心位置附近滞留较长时间，进一步造成中心位置过采样的问题。

综上，现有螺旋光纤扫描器无法通过典型的相差90度的正弦波驱动信号获取正圆形扫描范围，且存在中心位置过采样的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤螺旋扫描器的驱动调节方法及装置，旨在解决现有螺旋光纤扫描器无法通过典型的相差90度的正弦波驱动信号获取正圆形扫描范围，且存在中心位置过采样的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种光纤螺旋扫描器的驱动调节方法，包括：

向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第一套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈第一单根直线型；向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第二套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈第二单根直线型，所述第一单根直线型轨迹和所述第二单根直线型轨迹的幅值范围一致且方向正交；向光纤螺旋扫描器的两轴电极同时施加第一套组合恒压驱动信号和第二套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈正圆形；对所述光纤扫描轨迹的驱动信号进行线性幅值调制，得到两套组合驱动信号，分析线性幅值调制得到的两套组合驱动信号驱动下光纤扫描轨迹的迟滞现象，所述光纤扫描轨迹在中心区域过采样；根据优化的调制波包络调制所述驱动信号，以缓解所述光纤扫描轨迹的中心区域过采样现象。

可选地，第一套组合驱动信号V_vx(t)为：

V_vx(t)＝sin(ωt)[sinθ₁x+cosθ₁y]

其中，ω表示驱动频率，θ₁代表光纤第一本征方向与扫描器电极方向间的夹角，sinθ₁和cosθ₁表示一组数值组合，用于补偿扫描器个体差异，以获得直线型扫描轨迹，x和y分别代表光纤螺旋扫描器的两轴电极，sinθ₁x表示第一套组合恒压驱动信号中施加在x电极的驱动信号，cosθ₁y表示第一套组合恒压驱动信号中施加在y电极的驱动信号。

可选地，第二套组合恒压驱动信号V_vy(t)为：

V_vy(t)＝cos(ωt)[cosθ₂x+sinθ₂y]

其中，θ₂代表光纤第二本征方向与扫描器电极方向间的夹角，sinθ₂和cosθ₂表示一组数值组合，用于补偿扫描器个体差异，以获得直线型扫描轨迹，cosθ₂x表示第二套组合恒压驱动信号中施加在x电极的驱动信号，sinθ₂y表示第二套组合恒压驱动信号中施加在y电极的驱动信号。

需要说明的是，光纤第一本征方向定义作施加第一套组合驱动信号时，光纤直线型扫描轨迹划出的方向，光纤第二本征方向定义作施加第二套组合驱动信号时，光纤直线型扫描轨迹划出的方向。

可选地，向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加所述第一套组合恒压驱动信号和所述第二套组合恒压驱动信号的叠加信号，以使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈正圆形。

可选地，根据优化的调制波包络调制所述驱动信号，经优化的调制波包络调制后的最终驱动信号具体如下：

V_x(t)＝f(t)sin(ωt)[sinθ₁x+cosθ₁y]

V_y(t)＝f(t)cos(ωt)[cosθ₂x+sinθ₂y]

其中，V_x(t)表示优化的调制波包络调制后的第一套组合驱动信号，V_y(t)表示优化的调制波包络调制后的第二套组合驱动信号，f(t)表示振幅调制函数，且满足在初始阶段的斜率高于最后阶段的斜率，用于克服所述迟滞效应，缓解所述光纤扫描轨迹的中心区域过采样现象，所述初始阶段的斜率至所述最后阶段的斜率的变化规律为：从初始阶段至最后阶段斜率逐渐降低，以确保所述光纤扫描轨迹的***区域的采样密度满足需求且均匀。

第二方面，本发明提供一种光纤螺旋扫描器的驱动调节装置，包括：

驱动信号生产单元，用于向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第一套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈第一单根直线型；

驱动信号生产单元，用于向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第二套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈第二单根直线型，所述第一单根直线型轨迹和所述第二单根直线型轨迹的幅值范围一致且方向正交；

驱动信号生产单元，用于向光纤螺旋扫描器的两轴电极同时施加第一套组合恒压驱动信号和第二套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈正圆形；

幅值调制单元，用于对所述两套组合恒压驱动信号进行线性幅值调制，得到两套组合驱动信号，分析线性幅值调制得到的两套组合驱动信号驱动下光纤扫描轨迹的迟滞现象，所述光纤扫描轨迹在中心区域过采样；

包络调制单元，用于根据优化的调制波包络调制两套组合驱动信号，以缓解所述光纤扫描轨迹的中心区域过采样现象。

可选地，第一套组合恒压驱动信号V_vx(t)为：

V_vx(t)＝sin(ωt)[sinθ₁x+cosθ₁y]

其中，ω表示驱动频率，θ₁代表光纤第一本征方向与扫描器电极方向间的夹角，sinθ₁和cosθ₁表示一组数值组合，用于补偿扫描器个体差异，以获得直线型扫描轨迹，x和y分别代表光纤螺旋扫描器的两轴电极，sinθ₁x表示第一套组合恒压驱动信号中施加在x电极的驱动信号，cosθ₁y表示第一套组合恒压驱动信号中施加在y电极的驱动信号。

可选地，第二套组合恒压驱动信号V_vy(t)为：

V_vy(t)＝cos(ωt)[cosθ₂x+sinθ₂y]

其中，θ₂代表光纤第二本征方向与扫描器电极方向间的夹角，sinθ₂和cosθ₂表示一组数值组合，用于补偿扫描器个体差异，以获得直线型扫描轨迹，cosθ₂x表示第二套组合恒压驱动信号中施加在x电极的驱动信号，sinθ₂y表示第二套组合恒压驱动信号中施加在y电极的驱动信号。

可选地，驱动信号生产单元，用于向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加所述第一套组合恒压驱动信号和所述第二套组合恒压驱动信号的叠加信号，以使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈正圆形。

可选地，包络调制单元，用于生成经优化的调制波包络调制后的两套组合驱动信号：

V_x(t)＝f(t)sin(ωt)[sinθ₁x+cosθ₁y]

V_y(t)＝f(t)cos(ωt)[cosθ₂x+sinθ₂y]

其中，V_x(t)表示优化的调制波包络调制后的第一套组合驱动信号，V_y(t)表示优化的调制波包络调制后的第二套组合驱动信号，f(t)表示振幅调制函数，且f(t)满足在初始阶段的斜率高于最后阶段的斜率，用于克服所述迟滞效应，缓解所述光纤扫描轨迹的中心区域过采样现象，所述初始阶段的斜率至所述最后阶段的斜率的变化规律为：从初始阶段至最后阶段斜率逐渐降低，以确保所述光纤扫描轨迹的***区域的采样密度满足需求且均匀。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明提出了一对组合驱动信号，实现在一组正交方向上分别独立地驱动扫描光纤，在光纤悬臂的本征方向上x、y两电极的作用叠加形成一维震动扫描，而在其本征方向的正交方向两电极的作用相互抵消，就可以在光纤的本征方向上获得无串扰的稳定一维线扫描轨迹，进而可以通过两组数值组合的形式，对任意存在非对称性问题的扫描器实现螺旋扫描，无耦合串扰现象。

2、本发明针对存在结构非对称性问题的光纤扫描器，提出了具有泛用性的驱动调节方法，通过两套以获得正圆形扫描范围。

3、本发明提出通过改变调制波包络，通过控制幅值调制的斜率改善因压电材料反应迟滞所带来的中央区域严重过采样且扫描轨迹径向不均匀等问题。

4、本发明仅需通过数次反馈调节，适当改变驱动信号形式特征，即可实现具有泛用性的驱动调节功能。

附图说明

图1为本发明提供的光纤扫描器结构示意图；

图2为本发明提供的光纤螺旋扫描器的驱动调节方法流程示意图；

图3为本发明提供的非对称性结构的光纤扫描器扫描轨迹示意图，图3(a)为仅由轴一电极驱动下的扫描轨迹，图3(b)为仅由轴二电极驱动下的扫描轨迹，图3(c)为图3(a)、(b)中两个单轴驱动信号共同作用下的扫描轨迹；

图4为本发明提供的组合信号下正交无串扰的扫描轨迹图，图4(a)为第一套组合恒压驱动信号作用下的扫描轨迹，图4(b)为第二套组合恒压驱动信号作用下的扫描轨迹，图4(c)为图4(a)、(b)中两套组合恒压驱动信号共同作用下的扫描轨迹；

图5为本发明提供的压电迟滞效应下扫描轨迹结果示意图；

图6为本发明提供的改变调制波包络后的扫描轨迹对比图，图6(a)为线性调制下扫描轨迹时序图，图6(b)为经优化调制波调制下的扫描轨迹时序图，图6(c)为线性调制下二维扫描图样，图6(d)为经优化调制波调制下二维扫描图样；

图7为本发明提供的荧光成像***示意图；

图8为本发明提供的荧光小球成像结果与现有荧光小球成像结果对比示意图，图8(a)为未使用本调节方法时获得的成像结果图，图8(b)为使用本调节方法后获得的成像结果图；

图9为本发明提供的光纤螺旋扫描器的驱动调节装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种针对光纤螺旋扫描器的驱动调节方法及装置，包括单根扫描光纤、光纤扫描器和驱动调节方法。如图1所示，为本发明提供的光纤扫描器结构示意图，包括两对极性朝向一致的压电晶片和位于其中心位置的扫描光纤，四片压电片均带有微型电极，用于施加所需的恒压驱动信号或经调制的驱动信号。

光纤扫描器是能够接收驱动信号并驱动该单根扫描光纤在其共振频率附近进行二维振动的扫描器件，构成二维振动的两个互相垂直的方向上的振动互相独立。该方法能够实现对任一光纤螺旋扫描器，无论其存在的结构非对称性差异或者其压电材料反应迟滞程度，均可通过调节得到正圆形扫描范围且扫描轨迹径向分布均匀。

图2为本发明提供的光纤螺旋扫描器的驱动调节方法流程示意图，如图1所示，包括步骤S101至步骤S105。

S101，向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第一套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈第一单根直线型。

S102，向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第二套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈第二单根直线型，所述第一单根直线型轨迹和所述第二单根直线型轨迹的幅值范围一致且方向正交。

S103，向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第一套组合恒压驱动信号和第二套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈正圆形。

S104，对所述两套组合恒压驱动信号进行线性幅值调制，得到两套组合驱动信号，分析线性幅值调制得到的两套组合驱动信号驱动下光纤扫描轨迹的迟滞现象，所述光纤扫描轨迹在中心区域过采样。

S105，根据光纤扫描轨迹的迟滞现象确定优化的调制波包络，并利用所述调制波包络调制两套组合驱动信号，以缓解所述光纤扫描轨迹的中心区域过采样现象。

需要说明的是，理想模型中的压电共振光纤扫描器是严格中心对称的，扫描光纤位于由四片压电晶片组成的类似方管式结构的正中，相邻的两片压电晶片方向正交。通过向两组对应的电极分别施加驱动信号，扫描光纤能够在两个相互正交的方向上产生无串扰的一维线扫描；进一步向两组电极施加频率相同、90度相位差的正弦信号时，扫描光纤在两组压电晶片的共同作用下实现圆形扫描轨迹；再通过引入振幅调制，可获得扩张的螺旋扫描模式。

然而在实际情况中，扫描器并不能保证严格的中心对称性。一方面，在微型压电共振光纤扫描器的手工制作过程中，会引入一定程度的非对称性，主要包括PZT晶片尺寸存在微小差异、四片式方管结构并非严格中心对称、起粘接作用的环氧树脂胶用量存在轻微差别等等。将来通过引入定制化的机器加工，可以实现精确化、标准化地生产制作扫描器，进而有效控制个体间差异，减少这类非对称性。另一方面，有研究指出商业光纤自身也存在一定的非对称性，这种由光纤自身引入的非对称性是无法避免的，将会导致扫描器无法沿预期的理论扫描轨迹进行扫描。

以上一系列原因导致了并非所有制成的扫描器均能呈现与理论预期几乎没有差别的扫描轨迹。简单地讲，就是若以预设的两个相位相差90°的经幅值调制的正弦波信号分别对扫描器两个方向进行驱动的话，很可能无法获得理论预期的形如一个正圆的螺旋扫描轨迹。

理想情况下，通过两对电极将输入的驱动信号转化为压电片的应力形变，进而引起扫描光纤产生位移。通常地，施加在两对电极上的驱动信号应该是以下形式：

V_x(t)＝f(t)sin(ωt)

V_y(t)＝f(t)cos(ωt)

其中，f(t)表示振幅调制函数，即用作实现螺旋扩张，通常为斜坡信号；ω表示驱动频率。在不考虑非对称性干扰时，在上述驱动信号的作用下，扫描光纤悬臂的运动轨迹应分别是在正交方向上的两条直线。然而，大多数情况下，受制于严重的非对称性时，当其中一路驱动信号单独作用时，会产生交叉耦合响应，得到如图3所示的扫描轨迹。即在单轴驱动下，并非产生理论的直线型扫描轨迹，而是呈椭圆形轨迹。

这说明扫描器单个通道的驱动被分解为沿该椭圆形扫描轨迹的长轴、短轴的两个分量。同样地，另一路驱动信号单独作用时，其驱动效果也会被分解成两个分量。交叉耦合响应引起了相互串扰。

进而，本发明为了精确控制扫描器实现高质量的二维扫描，必须消除上述交叉耦合响应现象，重新实现在光纤的两个本征方向上进行驱动。值得注意，可以通过对施加在两对电极上的驱动信号进行特定的组合，形成了一组新的组合驱动信号：

V_vx(t)＝sin(ωt)[sinθ₁x+cosθ₁y]

V_vy(t)＝cos(ωt)[cosθ₂x+sinθ₂y]

其中，θ₁代表光纤第一本征方向与扫描器电极方向的夹角，θ₂代表光纤第二本征方向与扫描器电极方向的夹角，sinθ₁和cosθ₁表示一组数值组合，sinθ₂和cosθ₂表示另一组数值组合，均用于补偿扫描器个体差异，以获得直线型扫描轨迹，x和y代表实际的驱动电极，即光纤螺旋扫描器的两轴电极，设V_vx(t)为第一套组合恒压驱动信号，设V_vy(t)为第二套组合恒压驱动信号，sinθ₁x表示第一套组合恒压驱动信号中施加在x电极的驱动信号，cosθ₁y表示第一套组合恒压驱动信号中施加在y电极的驱动信号。cosθ₂x表示第二套组合恒压驱动信号中施加在x电极的驱动信号，sinθ₂y表示第二套组合恒压驱动信号中施加在y电极的驱动信号。本发明提供的组合恒压驱动信号本质上是由特定数值比例关系的一组施加在实际电极上的信号组成。

可选地，向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加所述第一套组合恒压驱动信号和所述第二套组合恒压驱动信号的叠加信号，以使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈正圆形。

图4展示了本发明提供的组合信号下正交无串扰的扫描轨迹图，其中，图4(a)即为由第一套组合恒压驱动信号得到的第一单根直线型扫描轨迹，图4(b)即为由第二套组合恒压驱动信号得到的第二单根直线型扫描轨迹，图4(c)即为由两套组合恒压驱动信号得到的正圆形扫描轨迹。

两个组合信号分别单独作用时获得的扫描轨迹。以其中一个组合信号V_vx为例，通过向实际的电极x和电极y施加一定数值组合的驱动信号，在二者的共同作用下，在光纤悬臂的本征方向上x、y两电极的作用叠加形成一维震动扫描，而在其本征方向的正交方向两电极的作用相互抵消。因此可以看出，交叉耦合响应现象已基本被消除了，扫描器能够在光纤的本征方向上实现一维线状的扫描。图4展示了当两个组合信号共同作用时，所得到的接近圆形扫描轨迹。

所述的光纤扫描器，可以是任何能够驱动单根扫描光纤进行二维振动，并且两个互相垂直的方向上的振动互相独立的扫描器件。光纤扫描器利用单根扫描光纤的共振效应实现扫描功能，当光纤在两个方向上同时振动时，即实现二维扫描。螺旋扫描的向外扩张阶段是通过在两个正交方向上施加经幅值调制的相位差90度的正弦波驱动信号而实现的；然而，现有螺旋光纤扫描器通常存在结构非对称性和压电材料反映迟滞等两个问题，导致无法通过典型的相差90度的正弦波驱动信号获取正圆形扫描范围，在传统斜坡信号调制的驱动下，在中心位置附近滞留较长时间，进一步造成中心位置过采样的问题。

我们通过基于逆压电效应及耦合场理论研究，提出了一种驱动调节方法，对任一存在结构非对称性差异或者压电材料反应迟滞现象的光纤螺旋扫描器，均可通过两组特定的经自定义调制波调制的由两通道共同作用的驱动信号驱动，获取正圆形扫描范围且扫描轨迹径向分布均匀。

首先，根据扫描光纤结构材料参数，预估其共振频率；然后实验测试，进一步在其理论值附近范围测定实际值，并尝试传统的单通道驱动并记录；根据记录所得结果分析计算，用一组特定的双通道信号共同作用，以获取直线型的扫描轨迹；用另一组特定的双通道信号，实现与上述结果正交的直线型扫描；尝试加入传统斜坡调制并记录，根据记录结果反馈调节，用自定义的调制波包络对正弦驱动信号进行调制，以获得径向分布均匀的扫描轨迹。

其具体实施过程如下：

以四片式结构的二维压电光纤悬臂共振型扫描器作为实现螺旋式扫描驱动调节的器件。实施例中采用的二维压电光纤悬臂共振型扫描器如图1所示，包括一段光纤和四片压电陶瓷，四片压电陶瓷包裹一段光纤，将四片压电陶瓷块的两头粘在光纤周围并露出一段光纤悬臂。

光纤悬臂一端固定在扫描器上由驱动结构(本实施例中为压电片)激发振动，悬臂另一端为自由端，自由端由于振动产生扫描。可以通过以下步骤实现驱动调节：

该驱动调节方法按如下步骤进行：1、根据扫描光纤特征参数，预估其共振频率。先对扫描器两轴分别施加该频率的恒定正弦信号并记录扫描轨迹，再对两轴同时施加驱动并记录轨迹。2、根据1中结果进行分析计算，向轴一、轴二施加一套组合驱动信号(记作组合信号一)，令扫描轨迹呈单根直线型。3、向轴一、轴二施加另一套组合驱动信号(记作组合信号二)，令扫描轨迹亦呈单根直线型，且与2中扫描轨迹范围接近、方向正交。4、同时施加组合信号一、组合信号二，令扫描轨迹为正圆形。5、加入线性幅值调制，并记录其螺旋扫描轨迹，分析该扫描器迟滞现象的严重程度。6、根据对5中记录结果的分析，提出经优化的调制波包络，采用该调制波调制的组合信号驱动，缓解中心区域严重过采样问题。

实施例1：针对结构非对称问题

根据扫描光纤的材料和结构参数，可以用悬臂梁模型预估其共振频率，并在该预估值附近扫频测定实际值。尝试分别单独通过通道一和通道二施加与上述实测共振频率一致的正弦波驱动信号，并记录扫描光纤的扫描轨迹如图3所示。可见，在非对称性结构的影响下，单独通过通道一或通道二施加驱动时，所得的扫描轨迹不再呈现直线型，而是呈现近似椭圆状，且通道一、二共同作用时，所得为形态不确定的椭圆形扫描轨迹。说明扫描器存在的结构非对称性导致了当传统单轴时，会引入耦合串扰，无法获得单方向的扫描。

根据图3中结果，经分析计算，可提出两组组合信号。组合信号的实质是经通道一和通道二共同输出的驱动信号，其载波频率与扫描光纤共振频率一致，通道一通道二各自所占权重比则根据图3中结果反馈调节计算得。图4展示了在不同的两组组合信号作用下，所得到的呈现直线型的、相互正交的扫描轨迹，两组组合信号共同作用下则获得接近正圆形的扫描轨迹。这说明，对于任一存在非对称结构的扫描器，皆可通过组合信号的方法，实现在一组正交方向上无耦合串扰地驱动扫描光纤，即满足了螺旋扫描的前提要求。

本发明通过引入组合信号的思想，有效地解决了因扫描器结构非对称性引起的扫描轨迹与预期出现偏差的问题。在实际的扫描器调试阶段，通过估测和调试，找到合适的一组数值组合，在光纤悬臂的本征方向上x、y两电极的作用叠加形成一维震动扫描，而在其本征方向的正交方向两电极的作用相互抵消，就可以在光纤的本征方向上获得无串扰的稳定一维线扫描轨迹，进而可以通过两组数值组合的形式，对任意存在非对称性问题的扫描器实现螺旋扫描。

可选地，根据优化的调制波包络调制所述驱动信号，具体为：

经优化的调制波包络调制后的两套组合驱动信号为：

V_x(t)＝f(t)sin(ωt)[sinθ₁x+cosθ₁y]

V_y(t)＝f(t)cos(ωt)[cosθ₂x+sinθ₂y]

其中，V_x(t)表示优化的调制波包络调制后的第一套组合驱动信号，V_y(t)表示优化的调制波包络调制后的第二套组合驱动信号，f(t)表示振幅调制函数，且f(t)满足在初始阶段的斜率高于最后阶段的斜率，用于克服所述迟滞效应，缓解所述光纤扫描轨迹的中心区域过采样现象，所述初始阶段的斜率至所述最后阶段的斜率的变化规律为：从初始阶段至最后阶段斜率逐渐降低，以保障所述光纤扫描轨迹的***区域的采样密度。

实施例2；针对压电材料响应迟滞问题

图5通过扫描轨迹范围时序图展示了在扫描启动初始阶段0毫秒-150毫秒范围内的实测扫描轨迹与理论预计值的偏离情况。可以看出，由于存在压电材料响应迟滞的影响，在启动驱动的初始阶段，扫描轨迹幅值范围小于其理论预计值，且有一定程度的相位延迟由于压电材料的迟滞特性，压电材料的幅值响应跟不上信号的幅值增速，会有相当长一段时间停留在较小振幅(即对应图像中心区域)，从而使得螺旋扫描中心过采样的问题更加严重。压电晶片的迟滞效应轻则恶化中心过采样问题，重则直接导致整体视场范围过小，影响成像观察。

针对这一问题，我们采用自定义的调制波包络对载波进行调制，其目的是缓解压电迟滞效应，令扫描器加速度过中心区域。图6展示的是经线性斜坡信号调制和经自定义包络调制的驱动信号所得的扫描轨迹时序对比图和二维扫描轨迹对比图。可见，在线性斜坡信号调制下，启动初期扫描幅值范围较小，其扫描范围随时间的变化率(时序图包络斜率)逐渐变陡增大，即会导致扫描轨迹分布呈现中心区域过于密集，如图6(c)所示，即加重了过采样问题。而经自定义包络调制时，该斜率基本呈现恒定趋势，而二维图中则可以看出中心区域扫描轨迹密度明显降低，如图6(d)所示，说明该方法有效缓解了因压电材料响应迟滞造成的中心区域过采样问题。

具体地，图6(a)是最常见的线性斜坡信号调制，然而，受制于迟滞效应，其位移量响应的包络线并非线性，初期振动幅值和变化率都较小，随后变化率逐渐增大。针对这一问题，在本发明提供的技术方案中，我们尝试通过采用非线性的调制波包络进行改善，其原理是通过自定义调制波包络，该包络特征在于初始阶段斜率较高，利于克服迟滞效应，而随后斜率逐渐降低，以保障***部分有足够的采样密度。图6(b)是采用幂函数形式的调制波包络的驱动信号的结果。从6(b)中可以看出，在一定程度上缓解了由迟滞效应带来的中心采样率问题，其得到的光纤位移量的包络已趋近于斜率恒定的直线。

实施例3：成像***

采用螺旋式扫描驱动调节方法的荧光成像***如图7所示：其中，压电光纤悬臂共振型扫描器和微型透镜封装组合套管中，共同构成成像***的微型前端。通过本发明的驱动调节方法，结合传统的二维螺旋扫描驱动，能够实现快速复位的二维螺旋式扫描。

***采用飞秒激光作为照明激发光源，通过一只10×、0.3NA的耦合物镜进入到特种光纤中传输。荧光信号经光纤回传，由二向色镜反射分离，经滤光片后最终通过光电倍增管收集探测。

图8展示了实施例3中使用了本发明驱动调节方法的荧光成像***对荧光小球标准样品的成像结果。与未经调节的结果(图8a)相比，经本方法调节后扫描视场范围呈现正圆形(图8b)，且得益于更加均匀的扫描轨迹分布，图像清晰无畸变，证明了本发明的驱动调节方法不会对扫描成像质量产生负面作用。

当该荧光成像***附加适用于小鼠的头戴式固定配件后，该探头可用于活体小鼠脑功能钙成像应用。

图9为本发明提供一种光纤螺旋扫描器的驱动调节装置结构示意图，如图9所示，包括：

驱动信号生产单元，用于向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第一套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈第一单根直线型。

驱动信号生产单元，用于向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第二套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈第二单根直线型，所述第一单根直线型轨迹和所述第二单根直线型轨迹的幅值范围一致且方向正交。

驱动信号生产单元，用于向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第一套组合恒压驱动信号和第二套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈正圆形。

幅值调制单元，用于对两套组合恒压驱动信号进行线性幅值调制，得到两套组合驱动信号，分析线性幅值调制得到的两套组合驱动信号驱动下光纤扫描轨迹的迟滞现象，所述光纤扫描轨迹在中心区域过采样。

包络调制单元，用于根据优化的调制波包络调制所述驱动信号，以缓解所述光纤扫描轨迹的中心区域过采样现象。

其中，图9还可包括更多或更少的部件，各部件的功能可参照上述方法实施例所述，在此不做赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤螺旋扫描器的驱动调节方法，其特征在于，包括：

向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第一套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈第一单根直线型；

向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第二套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈第二单根直线型，所述第一单根直线型轨迹和所述第二单根直线型轨迹的幅值范围一致且方向正交；

向光纤螺旋扫描器的两轴电极同时施加第一套组合恒压驱动信号和第二套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈正圆形；

对上述两套组合恒压驱动信号进行线性幅值调制，得到两套组合驱动信号，分析线性幅值调制得到的两套组合驱动信号驱动下光纤扫描轨迹的迟滞现象，所述光纤扫描轨迹在中心区域过采样；

根据光纤扫描轨迹的迟滞现象确定优化的调制波包络，并利用所述优化的调制波包络调制所述两套组合驱动信号，以缓解所述光纤扫描轨迹的中心区域过采样现象。

2.如权利要求1所述的光纤螺旋扫描器的驱动调节方法，其特征在于，第一套组合恒压驱动信号V_vx(t)为：

V_vx(t)＝sin(ωt)[sinθ₁x+cosθ₁y]

其中，t表示时间，ω表示驱动频率，θ₁代表光纤第一本征方向与扫描器电极方向间的夹角，sinθ₁和cosθ₁表示一组数值组合，用于补偿扫描器个体差异，以获得直线型扫描轨迹，x和y分别代表光纤螺旋扫描器的两轴电极，sinθ₁x表示第一套组合恒压驱动信号中施加在x电极的驱动信号，cosθ₁y表示第一套组合恒压驱动信号中施加在y电极的驱动信号。

3.如权利要求2所述的光纤螺旋扫描器的驱动调节方法，其特征在于，第二套组合恒压驱动信号V_vy(t)为：

V_vy(t)＝cos(ωt)[cosθ₂x+sinθ₂y]

其中，θ₂代表光纤第二本征方向与扫描器电极方向间的夹角，sinθ₂和cosθ₂表示一组数值组合，用于补偿扫描器个体差异，以获得直线型扫描轨迹，cosθ₂x表示第二套组合恒压驱动信号中施加在x电极的驱动信号，sinθ₂y表示第二套组合恒压驱动信号中施加在y电极的驱动信号。

4.如权利要求1所述的光纤螺旋扫描器的驱动调节方法，其特征在于，向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加所述第一套组合恒压驱动信号和所述第二套组合恒压驱动信号的叠加信号，以使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈正圆形。

5.如权利要求3所述的光纤螺旋扫描器的驱动调节方法，其特征在于，通过优化的调制波包络调制所述两套组合驱动信号，具体为：

V_x(t)＝f(t)sin(ωt)[sinθ₁x+cosθ₁y]

V_y(t)＝f(t)cos(ωt)[cosθ₂x+sinθ₂y]

其中，V_x(t)表示优化的调制波包络调制后的第一套组合驱动信号，V_y(t)表示优化的调制波包络调制后的第二套组合驱动信号，f(t)表示振幅调制函数，且f(t)满足在初始阶段的斜率高于最后阶段的斜率，用于克服所述迟滞效应，缓解所述光纤扫描轨迹的中心区域过采样现象，所述初始阶段的斜率至所述最后阶段的斜率的变化规律为：从初始阶段至最后阶段斜率逐渐降低，以确保所述光纤扫描轨迹的***区域的采样密度满足需求且均匀。

6.一种光纤螺旋扫描器的驱动调节装置，其特征在于，包括：

驱动信号生产单元，用于向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第一套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈第一单根直线型；并用于向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加第二套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈第二单根直线型，所述第一单根直线型轨迹和所述第二单根直线型轨迹的幅值范围一致且方向正交；以及用于向光纤螺旋扫描器的两轴电极同时施加第一套组合恒压驱动信号和第二套组合恒压驱动信号，使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈正圆形；

幅值调制单元，用于对两套组合恒压驱动信号进行线性幅值调制，得到两套组合驱动信号，分析线性幅值调制得到的两套组合驱动信号驱动下光纤扫描轨迹的迟滞现象，所述光纤扫描轨迹在中心区域过采样；

包络调制单元，用于根据优化的调制波包络调制两套组合驱动信号，以缓解所述光纤扫描轨迹的中心区域过采样现象。

7.如权利要求6所述的光纤螺旋扫描器的驱动调节装置，其特征在于，第一套组合恒压驱动信号V_vx(t)为：

V_vx(t)＝sin(ωt)[sinθ₁x+cosθ₁y]

其中，t表示时间，ω表示驱动频率，θ₁代表光纤第一本征方向与扫描器电极方向间的夹角，sinθ₁和cosθ₁表示一组数值组合，用于补偿扫描器个体差异，以获得直线型扫描轨迹，x和y分别代表光纤螺旋扫描器的两轴电极，sinθ₁x表示第一套组合恒压驱动信号中施加在x电极的驱动信号，cosθ₁y表示第一套组合恒压驱动信号中施加在y电极的驱动信号。

8.如权利要求7所述的光纤螺旋扫描器的驱动调节装置，其特征在于，第二套组合恒压驱动信号V_vy(t)为：

V_vy(t)＝cos(ωt)[cosθ₂x+sinθ₂y]

其中，θ₂代表光纤第二本征方向与扫描器电极方向间的夹角，sinθ₂和cosθ₂表示一组数值组合，用于补偿扫描器个体差异，以获得直线型扫描轨迹，cosθ₂x表示第二套组合恒压驱动信号中施加在x电极的驱动信号，sinθ₂y表示第二套组合恒压驱动信号中施加在y电极的驱动信号。

9.如权利要求6所述的光纤螺旋扫描器的驱动调节装置，其特征在于，驱动信号生产单元，用于向光纤螺旋扫描器的两轴电极施加所述第一套组合恒压驱动信号和所述第二套组合恒压驱动信号的叠加信号，以使得所述光纤螺旋扫描器的光纤扫描轨迹呈正圆形。

10.如权利要求8所述的光纤螺旋扫描器的驱动调节装置，其特征在于，包络调制单元，用于生成经优化的调制波包络调制后的两套组合驱动信号：

V_x(t)＝f(t)sin(ωt)[sinθ₁x+cosθ₁y]

V_y(t)＝f(t)cos(ωt)[cosθ₂x+sinθ₂y]

其中，V_x(t)表示优化的调制波包络调制后的第一套组合驱动信号，V_y(t)表示优化的调制波包络调制后的第二套组合驱动信号，f(t)表示振幅调制函数，且f(t)满足在初始阶段的斜率高于最后阶段的斜率，用于克服所述迟滞效应，缓解所述光纤扫描轨迹的中心区域过采样现象，所述初始阶段的斜率至所述最后阶段的斜率的变化规律为：从初始阶段至最后阶段斜率逐渐降低，以确保所述光纤扫描轨迹的***区域的采样密度满足需求且均匀。