（测试计量技术及仪器专业论文）快速oct集成控制系统设计与开发.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 光学相干层析成像( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，0 c ，i ) 作为一种全新 的光学断层成像技术，以其无辐射、非侵入、高分辨率及高探测灵敏度等特点， 在医学和生物学领域具有巨大的发展潜力。传统时域点扫描o c t 必须通过逐点 采集干涉信号来获得层析图像，非常耗时，是制约成像速度的主要因素之一。采 用频域技术的o c t 系统，深度扫描信息由背向散射频域的傅立叶反变换获得， 简化了轴向扫描过程，从而使快速o c t 成像成为可能。同时，复谱频域o c t 技 术可以有效地克服复杂的多层测试样品图像重建过程中出现的混叠、不清晰现 象，更是将频域o c t 推向了一个新的发展阶段。 本文在分析o c t 系统原理和工作过程的基础上，提出了将扫描控制信号、振 镜驱动信号、同步控制信号等，统一于以c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为核心的快速o c t 集 成控制系统的嵌入式设计思想。在该设计思想的指导下，进行了系统的软硬件设 计，构建了一个具体的快速o c t 集成控制系统。该系统既可用于时域o c t 的控制， 也可用于频域o c t 的控制。实验结果表明，该快速o c t 集成控制系统在扫描速度、 扫描范围和扫描分辨率等方面均能达到设计要求。 本文正文部分共分为五章。第一章简要的介绍了o c t 技术的发展进程，分析 了时域o c t 技术和频域o c t 技术的性能和特点，同时也介绍了嵌入式微控制器及 嵌入式应用以及本课题研究内容和研究目标；第二章介绍了频域o c t 的基本原 理，详细分析了实验室搭建的频域o c t 系统，分析了时域和频域o c t 系统的信号 和控制逻辑，讨论了嵌入式设计所要完成的工作；第三章介绍了快速o c t 集成控 制系统硬件部分的设计，详细分析了各个硬件模块的电路设计原理，同时介绍了 整个电路的p c b 设计；第四章介绍了快速0 c t 集成控制系统软件部分的设计，详 细讨论了各个软件模块的设计流程并列举了部分软件程序；第五章对本课题所完 成的设计系统进行了测试和实验，给出了一些实验结果，并总结了存在的问题和 今后需要努力的方向。 关键词：时域o c t ，频域o c t ，c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，o c t 集成控制系统，步进电机控制 浙江大学硕士学位论文 a bs t r a c t o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ( o c t ) i san o v e lo p t i ct o m o g r a p h yt e c h n i q u e w h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sn o n c o n t a c ta n dn o n - i n v a s i o nd e t e c t i o n , h i g h r e s o l u t i o n , h i g hs e n s i t i v i t yf o rt h ei m a g i n go fl i v i n gb i o l o g i c a lt i s s u e i th a sb e e n p o s s e s s e do fg r e a td e v e l o p m e n tp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nm e d i c i n ea n db i o l o g y c o n v e n t i o n a lt i m e - d o m a i no c t 谢t 1 1s i n g l e - p o i n td e t e c t i o nt e c h n i q u ea c q u i r e st h e i n t e r f e r e n c es i g n a lp o 缸a n dp o i n t ri sat i m e - c o n s u m i n gp r o c e s st o c r e a t ea c t o s s s e c t i o n a li m a g e ，8 0t h i sk i n do fs c a n n i n gm o d em a yb eo n eo ft h em a i n c o n s t r a i n tf a c t o r sf o rh i g h - s p e e di m a g i n g w h e nf o u r i e r - d o m a i nt e c h n i q u ei s p e r f o r m e di no c ts y s t e m ，d e p t h s c a ni n f o r m a t i o ni sp r o v i d e db ya ni n v e r s i o nf o u r i e r t r a n s f o r m a t i o no ft h es p e c t r m no ft h eb a c ks c a t t e r i n gl i g h t t h et i m e - c o n s u m i n g m e c h a n i c a lo c td e p t h - s c a nc a r lb ep u ta s i d ea n dt h ev i d e or a t ei m a g i n gc o u l db e p o s s i b l e b e s i d e s ，c o m p l e xs p e c t r a lf o u r i e r - d o m a i no c tt e c h n o l o g yc a ns u p p r e s st h e a l i a sp h e n o m e n ae f f e c t i v e l yw h e nw er e b u i l dt h ei m a g eo fc o m p l e xt o m o g r a p h i c s t r u c t u r eo fs p e c i m e n t h e r e f o r e ，c o m p l e xs p e c t r a lf o u r i e r - d o m a i no c t t e c h n o l o g y p u t sf o u r i e r - d o m a i nt e c h n i q u ei n t oan o wd e v e l o p m e n ts t a g e t h i st h e s i sa n a l y s e st h eo c t s y s t e mp r i n c i p l ea n d i t sw o r k i n gp r o c e s s t h e ni t p u t sf o r w a r dad e s i g nt h o u g h t t h ed e s i g nt h o u g h ti st ou n i f yv a r i o u sm o d u l e st ot h e r a p i do c ti n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e m t h e s em o d u l e si n c l u d es c a n n i n gc o n t r o ls i g n a l ， g a l v a n o m e t e rd r i v i n gs i g n a la n ds y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls i g n a l t h es y s t e mr e g a r d s c 8 0 51f 0 2 0m c u 弱t h ec o r e a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nt h o u g h t ，w ed e s i g nar a p i d o c ti n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mi n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dc o n s t r u c ta s p e c i f i cr a p i do c ti n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mc a nb eu s e di nt i m ed o m a i n o c ts y s t e ma sw e l la si nf r e q u e n c yd o m a i no c ts y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h er a p i do c t i n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mc a nm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n ti nt h e s c a n n i n gs p e e d , s c a n n i n gr a n g ea n ds c a n n i n gr e s o l u t i o n t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r so ft h et e x t c h a p t e r1i n t r o d u c e s u 浙江大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n tp r o c e s so fo c tt e c h n o l o g yb r i e f l y , a n a l y s e sc h a r a c t e r i s t i c s a n d p e r f o r m a n c e o ft i m ed o m a i no c tt e c h n o l o g ya n d f r e q u e n c y d o m a i no c t t e c h n o l o g h y i ta l s oi n t r o d u c e se m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r , c m b e d d e da p p l i c a t i o na n d r e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s e a r c ht a i g e t so ft h i st h e s i s ；c h a p t e r2i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e o ff r e q u e n c yd o m a i no c t ， a n a l y z e sf r e q u e n c yd o m a i no c ts y s t e mc o n s t r u c t e db y o u rl a b o r a t o r yi nd e t a i l ，a n a l y z e ss i g n a l sa n dc o n t r o ll o g i co ft i m ed o m a i na n d f r e q u e n c yd o m a i no c ts y s t e ma n dd i s c u s s e st h ew o r kt ob ea c c o m p l i s h e di nt h e e m b e d d e dd e s i g n ；c h a p t e r3i n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h er a p i do c t i n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e ma n da n a l y s e sc i r c u i td e s i g np r i n c i p l eo fe a c hh a r d w a r e m o d u l ei nd e t a i l b e s i d e s ，t h ec h a p t e ra l s oi n t r o d u c e st h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r dd e s i g n o ft h ew h o l eh a r d w a r ec i r c u i t ；c h a p t e r4i n t r o d u c e st h es o t 壬w a r ed e s i g no ft h er a p i d o c ti n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e m ，d i s c u s s e sf l o w c h a r to fs o f t w a r em o d u l ei nd e t a i la n d l i s t ss o m es o f t w a r ep r o g r a m s ；c h a p t e r5t e s t st h ew h o l es y s t e md e s i g n e db ym y l a b o r a t o r y , d i s p l a y ss o m ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，p u tf o r w a r dt h ee x i s t i n gp r o b l e r n sa n d p o i n t so u tf u r t h e ri m p r o v e m e n tt h a tc a nb em a d e k e y w o r d s ：t i m ed o m a i no c t , f r e q u e n c yd o m a i no c t , c 8 0 51 f 0 2 0 ，o c ti n t e g r a t e d c o n t r o ls y s t e m ，s t e p - m o t o rc o n t r o l l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1o c t 技术的发展和应用 光学相干层析成像( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，o c t ) 是一种高分辨 率、非接触、非侵入的层析成像方法。 光学相干层析成像是建立在低相干干涉和白光干涉的基础上。最早源于白光 干涉测量法一光学相干反射测量技术( o p t i c a lc o h e r e n c ed o m a i n r e f l e c t o m e t r y ，o c d r ) n 1 。o c d r 是一种一维光学检测技术，原来主要用来检测 光缆的瑕疵，后来人们认识到它具有探测眼睛和其他生物组织的能力。低相干干 涉在生物医学上的首次应用是f e r c h e r 等人用部分相干光波低相干干涉法测量 了眼球的长度乜1 ，并得到眼部的f a b r y - p e r o t 干涉条纹。 1 9 9 1 年d h u a n g 等研究人员第一次提出o c t 技术，并成功演示了人类视网 膜和动脉粥样硬化噬菌斑的活体成像嘲。在此后十年多时间里，光学领域的科研 人员广泛开展o c t 系统研制与应用的研究，在各方面都获得了巨大进展。美国麻 省理工大学的f u j i m o t o 小组、美国加州大学欧文分校b e c k m a n 实验室的c h e n 小组、美国伊利诺斯大学的b o p p a r t 小组、西澳大利亚大学的s a m p s o n 小组和 维也纳大学的l e i g tg e i b 小组等科研机构在这方面做了相当多的工作，并朝着 功能化和信息特异性方向发展，各种功能o c t 相继诞生。 光学相干层析成像技术最初的应用就是对人眼的探测，至今在眼科学的临床 诊断中起着重要作用。随着o c t 技术的发展，它的应用范围也进一步扩大， f u j i m o t o 小组在对生物活体的组织成像的基础上开展了对聚合物等材料的微结 构的探测研究h 1 ，将o c t 的应用范围由生物组织的探测发展到对非生物材料的检 测。目前，主要集中在以下几个方面应用的研究。 ( 1 ) 眼科疾病( 如青光眼、糖尿病水肿等) 的临床成像诊断： ( 2 ) 受伤皮肤的损伤程度的成像检测； ( 3 ) 口腔和牙齿组织的成像诊断； ( 4 ) 根据病变组织与正常组织的光学特性的差异，对癌症等疾病进行早期 诊断： ( 5 ) 结合内窥镜技术观测人体内部器官，如肠、胃等的病变。 浙江大学硕士学位论文 1 。2 时域o c t 技术与频域o c t 技术 随着o c t 技术的不断发展，各种具有特殊针对性的专用o c t 系统均已研制出来， 如偏振敏感o c t ，多普勒o c t ，插分吸收o c t ，傅里叶域o c t 等。所有这些o c t 系 统都可归为两大类：即时域o c t 和频域o c t 。 时域o c t 系统一般是将探测到的干涉信号进行模数转换，经滤波后提取包络， 以便于后期的计算机处理和灰度成像输出。最终得到的图像仅反映了样品反向散 射引起的光强差异，而忽略了光源带宽上携带的频域信息。例如，对于反射总量 相同而各波段反射性质不一的样品介质，时域o c t 并不能很好的反映出介质的差 异。另外，对于时域o c t ，只有当样品臂和参考臂的光程差在纵向的相干长度范 围内时才能发生予涉，散射中心的深度位置是从参考臂上相应的光学延时线长度 宣接获取的，时域o c t 通过光学延迟线的快速变化来实现纵向深度扫描。点扫描 时域o c t 是最典型的o c t 系统，对于各种不同的应用具有很强的适应性。但是 它存在两个不足之处，首先它必须实现深度扫描，其次深度扫描必须以逐点的方 式进行。为了缛到一个轴向的深度匿像，参考臂要进行来回的机械扫描，这就大 大限制了它的扫描速度。点扫描时域o c t 具有很高的分辨率，但较慢的数据采 集速度限制了其的发展应用。同时，时域o c t 的信噪毙与光源带宽和纵向扫描深 度相关。因此，提高o c t 系统的成像速率和灵敏度成为需要解决的问题。 采用频域技术的o c t 系统仅需要执行横向扫描，从样品臂返回酶样燕光可以 看成是多个单色光波的叠加，在与满足相干条件的参考光干涉后，就可以得到干 涉光谱，干涉条纹的频率编码中含有样品的德置信息，深度扫撬信息由背向散射 光谱的傅立叶反变换获得。频域o c t 系统中，沿着光程方向的散射中心分配的位 置信息是逶过对层析干涉谱昀傅立时变换得到的。在一个缀短的采集时闻内，攘 除整个测量法中的机械移动部分，直接获取到了谱信息，从而成像速度高，这就 是频域0 阱技术相对于时域o c t 的优势。这种频域o 殴技术的主要缺点有2 个： 有寄生项，它来自物体内不同点散射光波之间的自相关和在参考臂光学元件表 面的自相关；实现强度数据的傅立叶交换后，样品的重建图像中包含实际图像 和它的镜像图像，这个对称的层析图导致图像的不同部分出现了叠加。解决这个 闯题有3 种比较有效的方法：相移谱频域o c t 、相移差分谱频域o c t 和复谱频域 o c t 。研究表明：相移谱频域o c t 和相移差分谱频域o c t 虽然可提高图像的分辨 浙江大学硕士学位论文 率，但他们的有效探测深度要小于全量程的一半。复谱频域o c t 不但可以提高图 像的分辨率，而且可以实现有效探测深度为全量程探测，为复杂生物组织的深度 清晰成像提供了一种有效方法，即利用复谱频域o c t 可以有效的克服图像混叠问 题。另外，频域o c t 系统的信噪比与光源带宽和纵向扫描深度无关。因此，频域 o c t 系统可以在高速率图像采集的情况下仍然保持探测系统的大动态范围1 。 1 3 频域o c t 技术的发展现状 2 0 0 0 年1 月，c a m b r i d g e 大学的u m o r g n e r 等人首次报到了将o c t 信号通过 时一频变换完成频域o c t 测定有色玻璃楔频域透过率( 图卜1 ) 和非洲蛙蝌蚪成 像( 图i - 2 ) 的工作1 。同阶段，国外另外若干科研小组也在竭力进行频域o c t 的研究。v i e n n a 大学的r l e it g e b 利用频域o c t 测定红外滤波玻璃片的频域口1 ， a m s t e r d a m 大学的d i r kj f a b e r 利用频域o c t 测得了含氧血色素的光吸收参数馆1 ， b e c k m a n 研究所的c h e n y a n gx u 利用频域o c t 并添加染料很好的得到了芹菜茎脉 管的图像1 ( 图i - 3 ) 。o p t i c a ll e t t e r 相继报导了以上小组的频域o c t 工作成 果。 谢。刚铀摹毒 期i r r o r 辍蠢戮蓑纛 瓣瓣 _ 爨氛。秽；彩绺蕺 k 。藏夏= = = = 麓獭糊k 图1 - 2 非洲蛙蝌蚪的频域o c t 图像 ，。 。7 。 8 ，7 ，。+ * r 黪o 。z + * 1 x 、j 。彰is p ，“一撼杉i 肇 ! 。，一：囊雾一7 誊黪，_ 鬻， “，+ 、一嘻。批，；出 ，磊。树。 图1 - 3 芹菜茎的染料频域o c t 图像 浙江大学硕士学位论文 频域o c t 将o c t 的功能从时域的单一成像拓展到频域域信息的提取和分析， 应用领域也大为扩展。频域o c t 在测定样品吸收，分离样品吸收和散射方面的工 作已经较为成熟。通过添加适当的染料，频域o c t 可以清晰的显示出普通o c t 无 法显示的样品细节。 2 0 0 3 年以后，频域o c t 的研究又有新的发展。t r u d es t o r e n 选用合适胶体 作样品，利用频域o c t 测定胶体微粒的扩散情况n 叫。a r n er o y s e t 将偏振o c t 和 频域o c t 结合，进行偏振频域o c t ( p o l a r i s a t i o ns p e c t r o s c o p i co p t i c a l c o h e r e n c et o m o g r a p h y ) 的研究n 1 1 。针对之前单独测定样品散射的空白，b e c k m a n 研究所的c h e n y a n gx u 所在小组将散射频域( l i g h ts c a t t e r i n gs p e c t r o s c o p y ) 和频域o c t 相结合，开始从事散射模式频域o c t ( s c a t t e r i n g - m o d es p e c t r o s c o p i c o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ) 的研列嘲。在增强对比度的比较试剂方面，h u c a n g 等人刚报导了利用金纳米笼状颗粒( g o l dn a n o c a g e ) 做对比度增强剂的新 探索n 引。 总之，频域o c t 现在总的发展方向是完善已经具备的应用功能，并且完成和 其他相关学科的融合，力求拓展到更广阔的应用领域。 1 4 嵌入式微处理器和嵌入式应用 所谓嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) ，实际上是“嵌入式计算机系统”的 简称，它是相对于通用计算机系统而言的。根据电气工程师协会( i e e ) 的定义， 嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等的大规模系统的设备。国内一 般定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，从而能够适应 实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的 应用程序4 个部分构成。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器一般具备以下一些 个特点：对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应 时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减小到最低限度；具有功能很 强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在 软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有 利于软件诊断；可扩展的处理器结构，能最迅速地开展出满足最高性能的嵌入式 浙江大学硕士学位论文 微处理器：嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计 算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只m w 甚至u w 级。 常见的嵌入式芯片可以分成下面几类： ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m p u ) ：嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。 在应用中，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积 和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等 方面一般都做了各种增强。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( e m c u ) ：嵌入式微控制器又称单片机。嵌入式微控制器 以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m 、r a m ，总线及总线逻辑、定 时计数器、w a t c h d o g 、i 0 口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 等各 种功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大 大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器：d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使 其适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度快。在数字滤波、f f t 、 谱分析等方面，d s p 算法大量进入嵌入式领域。 ( 4 ) 现场可编程外围芯片( p s d ) ：它是一种特别适用于单片机系统的器件。 芯片中集成了e p r o m 、s r a m 及通用i o 口和多种可编程逻辑器件( 如译码p l d 、 通用p l d 、外设p l d ) ，还集成了电源管理、中断控制、定时器等功能部件，它能 与当今流行的8 位和1 6 位单片机总线直接接口，可支持众多系列的微控制器。 p s d 被广泛地应用于各种便携式工业测量仪器、数据记录仪以及其它i t 产品中 【1 5 】 o 嵌入式微控制器的应用，关键是嵌入式软件的应用，对嵌入式软件和通用 应用软件的要求也和通用计算机有所不同，主要有以下几点： ( 1 ) 软件要求固态化存储 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储 器芯片或嵌入式微控制器中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 2 ) 软件代码要求高质量、高可靠性 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高，片上存储器容量不断增 浙江大学硕士学位论文 加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要 求程序编写和编译工具的质量要高，以减小程序二进制代码长度、提高执行速度。 ( 3 ) 在嵌入式系统的软件开发过程中，采用c 语言将是最佳和最终的选择 由于汇编语言是一种非结构化的语言，对于大型的结构化程序设计已经不 能完全胜任了，这就要求我们采用更高级的c 语言去完成这一作。 1 5 本课题研究目标和内容 在了解国内外时域o c t 技术和频域o c t 技术的发展现状，以及理解o c t 成像系 统的工作原理、工作过程和信号控制逻辑的基础上，设计了一套快速o c t 集成控 制系统。该控制系统能够产生时域o c t 系统所需要的振镜驱动信号、同步方波信 号、位相调制器驱动信号；能够产生频域o c t 系统所需要的振镜驱动信号、图像 采集触发信号；也能够产生o c t 系统需要的步进电机控制逻辑。 主要内容包括： ( 1 ) 时域o c t 成像系统和频域o c t 成像系统的信号分析和控制逻辑。理解o c t 成像系统的工作原理。以频域o c t 成像系统为例，说明系统的设计思想和组成结 构，在这个基础上，着重分析时域和频域o c t 系统的工作过程、所需要的信号和 控制逻辑以及各路信号的时序关系和具体控制要求。介绍了实验室搭建的实验用 的频域o c t 系统，根据优化设计的目的，引入嵌入式解决方案，即快速o c t 集成控 制系统，选定嵌入式微控制器和开发环境平台。 ( 2 ) 快速o c t 集成控制系统的硬件设计。根据时域和频域o c t 成像系统的信 号分析和控制逻辑，设计嵌入式解决方案的硬件电路，包括c 8 0 5 1 f 0 2 0 核心电路 设计、信号发生电路设计、步进电机驱动电路设计、通讯电路及接口电路设计、 中断信号电路设计等。叙述各部分电路的设计思想、器件选型和完成形式。 ( 3 ) 快速o c t 集成控制系统的软件设计。在c 8 0 5 1 f 0 2 0 一s i l i c o n l a b o r a t o r i e si d e 嵌入式开发环境下，完成快速o c t 集成控制系统软件与调试， 实现系统的实时成像。着重分析控制信号产生和中断控制的软件设计思想。 浙江大学硕士学位论文 第二章o c t 系统及其信号控制逻辑分析 2 1o c t ( 光学相干层析成像) 的基本原理 1 、时域o c t 系统基本原理 o c t 是利用低相干光的干涉原理是通过样品和参考臂的光干涉，干涉光信号 采集后经过放大、滤波，通过计算机处理来恢复样品图像，反映样品特征的。典 型的时域o c t 如图2 1 所示，宽带光源出来的低相干光入射到2 2 宽带光纤耦 合器，经分光后分别进入参考臂和样品臂。进入参考臂的光先通过位相调制器， 然后进入由准直镜、衍射光栅、傅里叶变换透镜和振镜组成的快速扫描光学延迟 线。入射到样品臂上的光经偏振控制器后，通过准直镜和物镜投射于待测样品。 从参考臂和样品臂返回的光，如果所经历的光程差在光源的相干长度以内，则在 光纤耦合器处汇合时发生干涉。产生的干涉信号经过探测器和前置放大器后输到 数据采集卡，并由计算机进行后续处理和图像重建。 图2 1 时域o c t 系统的典型原理框图 由于采用干涉工作方式和低相干光源，o c t 系统具有极强的层析性能。只有 在参考镜共轭面上的样品反射( 后向散射) 的光才能与参考光形成有效干涉信号， 共轭面以外的反射光或者后向散射光以模糊分布成为图像不希望有的背景。o c t 的这种共焦结构起到了一种空间选通门的作用，使其对非共轭点的背景能量有一 定的滤除作用，能够有效排除离焦散射光的影响，保证o c t 的光学层析能力。此 外，由于光源的低相干性，随着光程差的增大，干涉信号强度急剧下降，因此只 有在o c t 相干门范围之内的光才能参与干涉成像。 浙江大学硕士学位论文 2 、频域o c t 基本原理 与时域o c t 系统相比，频域技术的o c t 系统仅需要执行横向扫描，从样品 臂返回的样品光可以看成是多个单色光波的叠加，在与满足相干条件的参考光干 涉后，就可以得到干涉频谱，干涉条纹的频率编码中含有样品的位置信息，深度 扫描信息由背向散射频谱的傅立叶反变换获得。 频域o c t 与传统o c t 系统相同，其核心是一个以宽带光源照明的m i c h e l s o n 干涉仪，这里我们设光源的功率谱分布为s ( d ，参考臂的光照射到深度为历的 平面镜后全部沿原路返回，并认为样品存在刀层不同深度的反射信号( 对于实际 的散射介质即为胪的情形) ，每一层的反射系数为尼，则从样品臂和参考臂 两路返回的光电场强度应分别为： m e ( 七) = is ( k ) c o s ( z k z ，一o x ) a k ( 2 一1 ) e ( 七) = e s ( 七) 万c 。s ( 2 k z 。一研) 出 所以干涉后的信号强度为： ( 2 - 2 ) ，( 七) = i e ( 七) + t ( 七) 1 2 ：s ( 七) ( 1 + r 。r mc a d s 2 七( z _ 一乙) 】+ r 。c o s 【2 七( z ，一乙) 】) ( 2 - 3 ) ( 2 - 3 ) 式即为由光谱仪接收到的光谱表示，括号内的第一为直流项，表示 的是从参考臂反射回的光的直流信号强度。第二项叫做自相关项n 盯，是从样品不 同层面反射回来的光相互干涉所形成的，最后一项就是频域o c t 需要的干涉项， 它是由样品不同层面反射回来的光与参考镜反射回的光干涉后形成的信号，携带 了样品的深度信息。可见对于频域o c t 来讲，前两项是我们不希望得到的噪声， 它们会对生成的图像产生不好的影响。样品的深度信息可以通过直接对( 2 3 式 进行逆傅立叶变换而获得。即得到下面的式子： r、 地) = i 刀_ 1 m ) 1 2 = r 2 ( z ) o 万( o ) + o r 2 】+ b 研z ( 刁一乙) 】 ( 2 - 4 ) l j 其中r ( 力表示光波谱的自相关函数，当光源的频谱成高斯分布，中心波长 为入。，半高全宽( f w h m ) 入时，r ( z ) 的半高全宽为! 鱼三遮，这也就是o c t 系 浙江大学硕士学位论文 统的纵向分辨率。括号内的第一项为参考臂反射回的光经傅立叶变换而来，它表 现为在z = o 附近很大的噪声，它的强度通常会比信号强度还要大两到三个数量 级，因此在实际处理时我们要采用一定方法将频谱的直流信息减去以消除这一项 噪声。括号内第二项描述的是样品内部各层之间互相干涉形成的自相关噪声，它 的强度与样品反射系数月的平方成正比，在通常情况下，从样品散射回来的光强 要远小于从参考臂反射回的光强，即席非常小，所以这一项可以作为一个二阶小 量忽略不计。最后一项即为干涉信号，信号所在的位置为两臂的光程差z r z n ， 强度为样品的反射系数尼，因此它表征了反射光强随样品深度变化的信息，也就 是样品的结构信息。可见，在频域o c t 系统中，对样品纵向深度的扫描是通过对 干涉信号频谱的采集来实现的，这与在时域o c t 中改变参考避光程的扫描方式有 着明显不同。 典型的频域o c t 如图2 - 2 所示，系统由一个基于光纤的m ic h e l s o n 干涉仪构 成，光线经过耦合器后被平均分配到样品臂和参考臂，其中参考臂的光线直接入 射到一个平面镜后沿原路返回，样品臂的光经由扫描振镜反射后通过物镜汇聚到 样品上，通过驱动扫描振镜可对样品进行横向扫描。样品臂与参考臂反射回来的 光在耦合器中发生干涉后被传输到接收端，使用一个闪耀光栅使其发生色散，再 用透镜聚焦到一个线阵c c d 上便可以得到干涉光的频谱分布信息。 图2 - 2 频域o c t 装置简图 2 2 频域o c t 系统总体介绍 组建o c t 系统可有多种具体的结构实现方案。任何方案的选择以及评价测量 方法必须综合考虑各种因素，如成像速度、系统分辨率、成本、方案的复杂性等， 不能一概而论。如何选取合适的光源，如何选取适当的干涉仪形式，采用哪种形 式的参考臂，以及采用什么样的探测器等都是我们需要考虑的问题。 基于频域技术的o c t 成像系统( 下文简称“频域o c t 系统”) ，是本课题设计 浙江大学硕上学位论文 开发的原型系统，如图2 3 所示。这个系统具有以下的特点和优势：轴向的深度 信息被同时采集，成像速度快；系统的信噪比与光源带宽和纵向扫描深度无关， 系统可以在高速率图像采集的情况下仍然保持探测系统的大动态范围；对系统的 控制比时域o c t 系统的控制更加简单。 宽频光源选用一个超发光二极管( s l d ，3 7 0 一h p ) ，s l d 电流控制器和温度控 制器为p i l o t 一4 ，典型的输出功率为l o m w ，光源中心波长是8 3 0 n m ，光源的带 宽是4 5 n m ；入射光通过分光器被分为一个参考光和一个信号光线，分束棱镜的 分束比是5 0 ：5 0 ； 在参考臂中，组成部分为准直透镜、反射镜、振镜，实现系统的纵向扫描。 反射镜可实现参考光的原路返回；o c t 系统采集的是参考臂和样品臂返回光产生 的干涉信号，参考臂上返回光只作为参考光，通过在参考臂上添加扫描振镜，使 参考镜产生不同的相移，可以得到多幅相移图，然后采用相位提取算法，获得幅 度和相位，重构复函数。对复函数作傅里叶逆变换，就可以得到物体的真实重构。 样品臂上提供的信号光包含了样品中的各种信息，系统采用了最方便的基于 扫描平台的x y 扫描方式，即采用电控微位移平台和光纤物镜的组合。微位移平 台移动方向的扫描范围为3 0 m m 。 干涉光通过一个光栅( 12 0 0 线毫米) ，在观察平面上形成一个频域傅立叶 平面，观察平面上放置了一个c c d 相机( 1 2 位、分辨率为2 0 4 8 像素，像素大 小1 4 u m 1 4 u m ；数据采样率高达6 0m p i x e l s s ) 。 参考臂 5 0 ：5 0 絮黜厂 ，具有与8 0 5 1 兼容的微控制器内核，与m c s - 5 1 指令集完全兼容。除具有标准8 0 5 1 的数字外设 部件外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及 功能部件。这些外设或功能部件包括：a d c 、可编程增益放大器、d a c 、电压比较 器、电压基准、温度传感器、s 岫u s 1 2 c 、u a r t 、s p i 、定时器、可编程计数器 定时器阵列( p c a ) 、内部振荡器、看门狗定时器及电源监视器等。这些外设部件 的高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了 方便，也可使系统的整体成本大大降低n 订。 c 8 0 5 1 f 系列单片机包括以下几类： c 8 0 5 1 f o o x ( 包括c 8 0 5 1 f 0 0 0 i 2 5 6 7 ) ； c s 0 5 1 f o i x ( 包括c 8 0 5 1 f 0 1 0 1 2 5 6 7 8 9 ) ： c 8 0 5 1 f 0 2 x ( 包括c 8 0 5 1 f 0 2 0 1 2 3 ) ： c 8 0 51f 2 x x ( 包括c 8 0 51f 2 0 6 2 2 0 2 21 2 2 6 2 3 0 2 3l 2 3 6 ) 。 c 8 0 5 1 f 系列器件使用c y g n a l 的专利c i p _ 5 1 微控制器内核。c i p - 5 1 与m c s 一5 1 指令集完全兼容，可以使用标准8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编器和编译器进行软件开发。 c i p - 5 1 采用流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比，指令执行速度有很大的提高。 7 0 指令的执行时间为1 个或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于 4 个系统时钟周期。c i p - 5 1 共有1 1 l 条指令，工作的最大系统时钟频率为2 5 姗z ， 峰值速度可达2 5 m i p s 啪删。 c 8 0 5 1 f 系列单片机提供2 2 个中断源，允许大量的模拟和数字外设中断微控 浙江大学硕士学位论文 制器。中断驱动的系统需要较少的m c u 干预，却有较高的执行效率。在设计多任 务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。 c 8 0 5 1 f 系列单片机可有多达7 个复位源：一个片内v d d 监视器、一个看门 狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器o 提供的电压检测器、一个软件 强制复位、c n v s t r 引脚及r s t 引脚。除了v d i ) 监视器和复位输入引脚以外，每 个复位源都可以由用户用软件禁止。 c 8 0 5 1 f 系列单片机内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复位后被默认 为系统时钟。如有需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器。这种时钟切换 功能在低功耗系统中是非常有用的，它允许m c u 从一个低频率( 节电) 外部晶振 源，当需要时再周期性地切换到高速的内部振荡器。 c i p - 5 1 有标准8 0 5 2 的程序和数据地址配置。它包括2 5 6 b 的数据r a m ，其中 高1 2 8 b 为两个地址空间。某些器件中还另有位于数据存储空间的i - 4 k b 的r a m 块。这个r a m 块可以在整个6 4 k b 外部数据存储器地址空间中被寻址。m c i j 的程 序存储器为8 - - 6 4 k b 的f l a s h ，该存储器以5 1 2 b 为一个扇区，可以在系统编程， 且无须再片外提供编程电压。 c 8 0 5 1 f 系列单片机具有片内j t a g 和调试电路，通过4 脚j t a g 接口并使用 安装在最终应用系统中的器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。在使用 j t a g 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。该j t a g 接口完全符合i e e e 1 1 4 9 1 标准，为生产和测试提供完全的边界扫描功能。该系统的调试功能比采 用标准m c u 仿真器要优越得多。 c 8 0 5 1 f 系列单片机具有标准8 0 5 1 兼容的i o 端口。每个端口i o 引脚都可 以被配置为推挽或漏极开路输出。引入数字交叉开关是其最突出的改进。这是一 个大的数字开关网络，允许将内部数字系统资源分配给端口i o 引脚。可通过设 置交叉开关控制寄存器，将片内的计数器定时器、串行总线、硬件中断、a d c 转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其他数字信号配置为出现在端口 i o 引脚。这就允许用户根据自己的特定应用选择通