全场相干层析系统参考光相位调制方法的研究-张爽.docx

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1、硕士学位论文全场相干层析系统参考光相位调制方法的研究姓名：张爽申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：钟毓宁;许忠保20100501摘 要光学相干层析技术(OCT)是上世纪90年代提出的一种新型诊断成像技术，能 非侵入性地对活体内部机构及其生理功能进行可视化观察，在生物医学领域具有 很高的应用价值。OCT技术使用宽带光源，利用光外差探测技术提取信号，其关键 部分是如何从大量背景噪声中提取微弱的层析信号。参考光相位调制技术则关系 到层析信号的有效探测。本文提出了一种基于压电陶瓷控制参考镜的正弦相位调 制方法来提高扫描速度，便于层析信号的提取及分析处理。本文选取全场相干层析成像技术（F

2、F-OCT)作为研宄对象，在阐述OCT基本 原理及其关键技术的基础上，分析了 FF-OCT的成像特点和背景噪声，并由此确定 出参考光相位调制方法的基本思路：采用50Hz理想正弦波经数字移相电路后驱动 压电陶瓷带动反射镜振动，利用频率-同步探测技术、积分方法，以最大限度剔除 各种背景和散射噪声为目标，通过控制正弦波的相位和振幅来保证参考光获得最 佳调制信号。其中，数字移相电路通过单片机延时计数脉冲实现移相，采用锁相 技术使移相信号与参考信号的频率完全相同，且精度很高。同时，考虑到压电陶 瓷驱动器本身固有缺陷，本文提出采用模糊自整定PID控制器控制、校正压电陶 瓷。最终，实现了参考臂的扫描控制，为

3、层析信号的有效探测提供了根本保证。在文章结尾部分的实验结果证明了该参考光相位调制方法加入FF-OCT系统中 的可行性和有效性，为进一步研宄OCT技术奠定了基础。关键词：光学相干层析，全场相干层析，参考光相位调制，压电陶瓷，模糊自整 定 PIDAbstractOptical coherence tomography (OCT) is a new diagnostic imaging technology, which was proposed in the early 1990s, it allows for noninvasive visualizing of internal tissue

4、structure and physiology, and reveals great application value in biomedicine. OCT can obtain a small coherence signal with broadband sources and optical heterodyne detection, and the key part of OCT is how to extract of the weak coherence signal from the background noise. On the other hand, the phas

5、e modulation of reference light has a close bearing on the detection of coherence signal. In this paper, a method of sinusoidal phase modulation based on PZT controlling reference mirror is presented, which can increase the scan rate, and help extracting and processing the signal.In the paper, full-

6、field optical coherence tomography (FF-OCT) was selected as the research object. On the basis of introducing the basic principle and the key technology of OCT, analyzed the imaging features and the background noise of FF-OCT, and determined the basic thinking way for the modulation of reference ligh

7、t, that was in order to obtain the optimum modulation of reference light, an ideal discrete digital sine function at 50Hz with adjustable amplitude was used to adjust the vibrating of PZT, and frequency synchronism detection technology and integral method were also used to maximally reduce all kinds

8、 of background and scattered noise. Where, a digital phase shift techniques was used to adjust vibrating phase of PZT, which designed by a single chip computer delaying pulse, which has the same frequency and high accuracy with the phase lock technique. Considering the effect of PZT self defect, we

9、designed a self-adaptive fuzzy PID controller using in controlling and adjusting PZT. At last, this method achieved the scan control of reference arm, made sure of the reliable detection of the coherence signal.The results of experiments at the end of the paper demonstrated the feasibility of the ph

10、ase modulation technology of reference light in the FF-OCT system, and may be helpful for further research.Keywords: OCT, FF-OCT, the modulation of reference light, PZT, self-adaptive fuzzy PID满 炎 je蚩 大 赛学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研宄工作所取 得的研宄成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经

11、 发表或撰写过的研宄成果。对本文的研宄做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文作者签名：日 期 ： 年 月 日指导教师签名：日 期 ： 年 月 日第 一 章 绪 论光学相干层析成像技术是近十年迅速发展起来的、可对生物

12、组织进行非侵入 检测的新型光学诊断成像技术，在生物医学、材料分析、半导体器件质量检测等 许多不同领域具有重要的应用价值和广泛的发展前景。1.1光学相干层析成像技术及其发展概况光学相干层析成像技术的理论基础是早期的白光干涉测量法，也就是最初用 于测定微型光学元件内部缺陷、损伤等的光学相干域反射测量技术（Optical Coherence-Domain Refletometry，OCDR) 1。 OCDR利用宽带光源的低相干特性，通过测量探测光在组织内时间延迟和散射（或反射)强度，可对样品的内部微观结 构进行微米量级的高分辨率层析成像。不久，人们就认识到它还具有探测眼睛和 其它生物组织的能力。随着

13、激光技术的不断发展，尤其是超快激光技术的发展， 光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography ，OCT )应运而生。它集成了半导体、超快激光、光纤、光外差测量、共焦显微术、精密自动控制、计算机图 像处理等多项技术，实现了对高散射性不透明生物组织的非侵入、无辐射、高分 辨率、高灵敏度的实时成像测量，是继X射线计算机层析成像（XCT)、核磁共振 成像（MRI)、超声成像等医学成像技术之后的又一重要技术突破 5。OCT技术可对材料和生物系统内部微观结构进行微米级的横断面层析成像 5。 一般来自生物样品深层的反射或散射信号只有入射光强的10 -110-13,探测到从样 品

14、返回的背向散射光十分微弱。对大动态范围微弱信号的提取是OCT技术的关键 部分，而这个信号极易受到各种噪声及散斑的干扰，噪声的存在会导致信号产生 虚假、扭曲及变形，给层状结构的提取带来困难，假如使用直接探测的方法，得 到的信号信噪比会非常低。为了能对如此微弱的信号进行有效探测并获得较高的 信噪比，在OCT 系统中一般都采用光外差探测技术对获得的微弱信号进行探测。光外差探测又称相干检测。如何在OCT系统中获得参考臂与样品臂相等的光 程，从而对干涉做出贡献，如何在强的非相干背景散射噪声中，提取微弱的干涉 信号，一直是OCT 技术研宄的重点之一，这就更突出了参考光相位调制技术，也 就是参考臂上光学延迟

15、线的设计的重要性。在OCT技术的发展过程中，出现了许多光学延迟线的设计，如线性平移参考 镜扫描，其扫描重复率由所选范围和平移速度决定，但不足之处是由于步进电机的工作特性，参考镜在平移过程中会出现不同程度的非线性，使参考光束与物面 光束产生偏差或抖动；采用旋转方法进行延迟扫描，可快速旋转产生延迟扫描得 到很高的扫描重复率，但范围由给定的棱镜大小决定，不可调，最大的缺点是扫 描过程中速度会发生变化使扫描变得非线性，从而引起干涉图的中心频率和带宽 的变化；光纤拉伸法延迟扫描，通过光纤相位调制器来实现光束的相位调制，具 有精度高、易控制等特点，但受到偏振效应的影响，带宽受到限制；基于群延迟 控制技术的

16、快速延迟扫描，扫描速度快，能调节色散，其缺点在于光栅的出射光 并不能全部按原入射光路返回，并存在一定噪声。目前，大多数OCT系统采用机械方式实现参考臂光学延迟线上的扫描。最简 单的方法就是线性平移参考镜：参考臂上的反射镜以恒定的速度沿着主光轴方向 做平移运动时，发生多普勒频移，只要速度够快，产生的多普勒频移也会比较高， 对干涉信号解调时，有助于消除其直流分量和低频噪声，这就是所谓的“载频”。 其中，通过电控位移台，可获得的最大扫描速度为40mm/s，频率为30Hz 6；而通 过压电陶瓷代替步进电机驱动，可以获得更高的扫描速度，载频也更高。但是， 由于压电陶瓷本身所固有的迟滞、蠕变、非线性等缺陷

17、，必须对其进行校正后才 能达到更好的效果。本文即使用压电陶瓷控制平行参考镜完成对参考光的调制。此外，调制信号的波形对相干信号的影响也较大。调制波形可有多种选择， 由于使用方波信号调制不能产生干涉信号，因此较常用的是正弦波信号和三角波 信号。采用正弦波信号调制时，干涉信号可展开成贝塞尔函数的无穷级数，更有 利于信号的解调 5。1.2课题来源及研究意义1.2.1课 题 来 源本课题来源于：1) 国家自然科学基金项目（60677620) “微分干涉相干层析显微术的关键技 术研宄”2) 湖北省教育厅重点研宄项目（D200614006) “微分干涉相干层析显微镜研 宄”。1.2.2研 究 意 义科学发展

18、日新月异，OCT技术也得到了突飞猛进的发展，不论是在分辨率还是 在性能上都有了很大的提高，为医学和工业发展做出了极大贡献。然而，OCT系统由于受到电子技术和结构的限制，无法兼顾扫描速度和成像质量，影响到OCT成 像的快速实时性，难以在活体上成像。因此，高速OCT技术已成为一个重要的研 宄方向。目前，国内外对OCT技术的研宄主要集中在系统所用光源，参考信号扫 描机构，以及信号和图像处理上。参考信号扫描机构的扫描速率是关系到OCT快速成像的重要因素。目前已有 的扫描方法虽然可以提高扫描速度，但同时会带来非线性、有色散等问题。本文 采用压电陶瓷控制平行参考镜扫描的方式提高扫描速度，同时提出使用PID

19、控制 器来调整压电陶瓷驱动器的自身缺陷，以解决非线性等因素带来的图像质量问题， 从而改善和优化OCT系统的性能。1.3本课题所做的主用工作及论文内容安排本文以微分干涉相衬显微镜为主体，引入OCT技术，开展了全场相干层析成 像技术的研宄，主要完成了以下工作：(1) 完成了成像算法和最佳调制参数设计。(2) 按照最佳参考光调制参数设计完成移相电路。(3) 选定压电陶瓷作为移相装置，并采用模糊自整定PID控制方法弥补压电 陶瓷在精密定位控制中存在迟滞、蠕变和位移非线性等不足。(4) 搭建了 FF-OCT实验平台，对实验样机进行调试，完成对样品的图像提取 及处理。本文的总体结构安排如下：第1章：绪论介

20、绍了 OCT技术在生物医学上的广阔应用前景，及其参考臂上 光学延迟线的设计研宄现状，同时，对本课题的来源、研宄意义及本文内容安排 做了简要介绍。第2章：FF-OCT成像基本理论在系统阐述了 OCT成像原理的基础上，对其关 键技术低相干干涉和光外差探测做了简要介绍，接着提出FF-OCT成像特点并对实 验系统的总体结构做出详细描述。第3章：参考光相位调制列出参考光相位调制的具体方案，按照最佳参考光 调制参数设计完成移相电路，选定压电陶瓷作为驱动器，采用模糊自整定PID控 制方法校正压电陶瓷在精密定位控制中存在迟滞、蠕变和位移非线性等不足。完 成系统整合，实现了最佳参考光调制。第4章：实验结果在上述

21、工作基础上，搭建了光学系统实验平台，对样品进 行成像实验。第5章：总结与展望总结回顾本文完成情况，展望OCT发展方向及有待进一 步解决的问题。1.4本章小结OCT技术在医学成像领域与传统成像技术相比有明显优势，在生物医学领域具 有重要应用价值和良好的发展前景。本章首先介绍了 OCT技术及其发展概况，写 明了课题来源和研宄意义，最后简要介绍了本文各章节的内容安排。第二章FF-OCT成像基本原理FF-OCT技术以OCT成像原理为基础，结合显微成像、计算机图像处理等技术， 采用面探测获取被检测生物组织的内部微结构信息，具有分辨率高、对生物组织 非侵入、探测灵敏度高、快速成像等优点，在生物医学领域具有

22、很高的研宄价值。 本章主要介绍其成像基本原理及系统构成。2.1 OCT成像原理图2.1是一个典型OCT系统的原理图。其中光纤耦合器是系统核心，相当于 一个干涉仪，系统的光源是宽带光源。从光源发出的低相干光首先经过光纤耦合 器，进行分束。出来的光一路经透镜扩束后，照射在移动的全反射镜上发生反射， 作为参考光。该反射镜可以运动的方式产生频移，便于信号的处理。另一路由透 镜系统聚焦在样品的某一层面上，样品层的移动（Z方向）由工作台驱动、控制， 形成扫描信号光。参考光与被测样品反射回的信号光再经光纤耦合器后被探测器 探测，同时在探测器上混频。被探测器探测到的是参考光和信号光的干涉信号， 只有与信号光振

23、动方向相同，时间延迟相等且光程匹配的参考光才能对干涉产生 贡献。在探测器上经过混频后的信号，经过滤波器、解调器、AD转换器处理后， 最终经由计算机作图像处理，在显示器上得到被测样品内部结构的散射振幅分布， 即层析图像。参考臂图2.1典型OCT系统通过改变参考臂的光程，即让参考镜作纵向直线匀速扫描，改变参考光与从 样品不同深处返回的背向散射光的光程差，并使用光外差探测技术，可得到样品 纵向的一维测量数据。再对样品臂的扫描进行控制，改变其光斑位置，就可以获 得样品的横向测量数据。将上述两种信号经计算机做图像处理，便可得到样品的 二维层析图像。根据信号的强弱，再赋予相应的灰度，可得样品的灰度图像，或

24、 者赋予相应的色彩，可得样品的伪彩色图像 8。这样，就获得了样品的OCT图像。由于使用具有很短相干长度的宽带光源，参考光只有与信号光光程相等，或 位于选取光源的相干长度之内，这样重新汇合的两束光才能产生干涉信号。而不 在相干长度之内、光程不等的信号会很快衰减，因此，系统成像具有很高的分辨 率。2.1.1低 相 干 干 涉低相干干涉早期用于工业测量，目前，大多OCT都使用低相干干涉来获取生 物组织的深度信息。生物组织的高散射性，使光波在其内部传输过程中被吸收或发生散射，出射 光波的特性随之发生变化，而这些变化恰恰形成了组织的结构图像信息。OCT成像 中，探测器只提取生物组织的单次散射光子，而利用

25、相干效应滤除了其它形式的 散射光子。OCT 系统的本质是低相干干涉仪，是一种通过低相干干涉来获得样品深 度信息的成像技术 17。根据波动学原理，光波的干涉现象是光的波动性的具体表现。然而，在光 波传播的过程中，不是所有光波之间的叠加都能产生干涉现象，能够发生干涉的 光波必须满足一定的必要条件。下面，以两列单色平面波为例来说明干涉现象的 形成所需要的条件：设两列单色平面光波为Ei = E01 costtOit - k r - q 1) (2.1)E: = E0： cos(tri2f- k； r-tp02) (2.2)根据叠加原理，两列光波在空间O点相遇(如图2.2)， 则O点的光波为E = E - E2 (2.3)