（光学工程专业论文）快速扫描延迟线系统设计与实验研究.pdf

硕上论文 快速扣描延迟线系统设计与实验研究 摘要 光学相干层析术( 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 ) 利用宽带光源的低相干性 来实现高分辨率、非侵入的光学层析成像。在o c t 系统中最具挑战性的技术难题之一是 如何在参考臂中实现快速扫描以实现实时成像。本文从理论和实验两个方面对光学延迟 线系统进行了研究。首先论述了各种光学延迟线扫描方法的基本原理，并对其性能参数 及优缺点进行了比较；其次深入研究了基于衍射光栅和透镜的傅立叶变换性质快速扫描 延迟线的原理、系统结构，以及各系统参数和重要组件：分析了扫描振镜的作用及所需 的控制信号和输出信号，并给出了控制信号的提供方法和输出信号的连接方法。在此基 础上，计算了实验系统的参数，搭建了一套快速扫描延迟线实验平台，并详细介绍了实 验步骤，分析实验中的不足之处，讨论系统验证方法，为以后加入o c t 系统中进行稳定、 准确的快速扫描提供保证。 关键词：快速扫描光学延迟线闪耀光栅扫描振镜群延迟 a b s t r a c t 硕上论文 a b s 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 e wb i o l o g i c a li m a g i n gt e c h n i q u ew h i c hi s b a s e do nt h ee x p l o r a t i o no ft h es h o r tc o h e r e n c el e n g t ho fb r o a d b a n dl i g h ts o u r c e st o n o n i n v a s i v e l yg e n e r a t et h eh i g hr e s o l u t i o no p t i c a ls e c t i o n i n gi m a g e s t h em o s tc h a l l e n g i n g t e c h n i c a lp r o b l e mi no c t s y s t e mi sh o wt oa c h i e v er a p i ds c a n n i n gi nr e f e r e n c e a r l t lt or e a l i z e t h er e a lt i m ei m a g i n g i nt h i st h e s i st h er a p i ds c a n i n gd e l a yl i n ew e r ei n v e s t i g a t e db o t h t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y f i r s to fa l l ，v a r i o u sr a p i ds c a n n i n gt e c h n i q u e sw e r e s u m m a r i z e da n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sw e r ec o m p a r e d t h ep r i n c i p l e s ，s y s t e m a r r a n g e m e n ta n dp a r a m e t e r so fr a p i ds c a n n i n gd e l a yl i n ew e r et h e n d i s c u s s e di nd e t a i l t h i r d l y , c o n t r o ls i g n a la n do u t p u ts i g n a lo fs c a n n i n gg a l v a n o m e t e ra sw e l la st h es u p p l yo f c o n t r o ls i g n a l sa n dt h ec o n n e c t i o nm e t h o do fo u t p u ts i g n a l sw e r ed i s c u s s e d f i n a l l y p a r a m e t e r so ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mw e r ec a l c u l a t e d t h es y s t e mf o rt h er a p i ds c a n n i n g d e l a yl i n ew a st h e ns e tu p ，t h ee x p e r i m e n t a ls t e p sw e r eg i v e ni nd e t a i l s ，a n dm e t h o d sf o r e v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c e so ft h es y s t e mw e r ed e s c r i b e d t h i sw o r ki sa ni m p o r t a n tp a r to f t h eo c t s y s t e md e s i g n e di no u rl a b k e y w o r d s ：r a p i ds c a n n i n gd e l a yl i n e b l a z e dg r a t i n g s c a n n i n gg a l v a n o m e t e r g r o u pd e l a y i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月 日 硕士论文快速扣描延迟线系统设计与实验研究 1 绪论 光学相干层析术【l l ( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，简称o c t ) 是一种将超灵敏探测技 术和光学技术结合起来，并加上现代计算机图像处理方法的近年来迅速发展的新兴层析 成像诊断技术。 1 1 光学相干层析术的起源和发展 1 1 1 0 c t 技术的起源 光学相干层析术o c t 是基于维光学相干域反射测量技术，也称为光学低相干反 射测量技术1 2 1 ( o l c r ，o p t i c a ll o w c o h e r e n c er e f l e c t o m e t r y ) 。o l c r 最早形成于七十 年代，它利用低相干光的干涉原理来测量反射光幅度及其相对相位，从而获取传输介质 的内部信息。o l c r 的核心是迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉仪或马赫一泽德( m a c h z e h n d e r ) 干涉仪，光学扫描延迟线在参考臂，而被测样品则放在干涉仪的样品臂。该技术原本主 要用于检测集成光纤器件的特征或瑕疵，后来人们发现它在生物组织的研究上同样能发 挥显著作用。 19 9 1 年，美国的麻省理工学院的j gf u j i m o t o 的研究小组成功地开发一种光成像 技术一光学相干层析成像，该技术【3 】结合了低相干光的外差探测技术和共焦显微技术。 光学相干层析成像的核心是一个采用低相干宽带光源的迈克尔逊干涉仪。首先通过调整 参考光的光程，可以实现参考臂的纵向扫描，获取样品的深度层析图像：再进行横向扫 描，其由一系列相邻的纵向深度扫描构成；最终横向扫描与轴向扫描相结合就可以得到 组织样品的断层图像。 1 1 2 0 c t 技术的研究现状 时间域光学相干层析成像【4 j ( t d o c t ) 是传统的光学相干层析技术，它是基于宽 带光源的低相干性来实现物体深度方向的断层成像，其中参考臂中的纵向扫描一般是机 械扫描。发展至今时域光学相干层析成像的纵向分辨率一般可以达到几十到十几微米的 水平，但是在现在的时间域光学相干层析成像系统中对于o c t 成像非常重要的纵向扫 描速率却基本都在1 0 k h z 以下，因此只能通过设计更加精密的机械扫描装置来提高时 域o c t 的扫描速率，可这个方法的实现是非常困难的。由此可以看出，扫描速度成为 了时间域o c t 发展的瓶颈。 而与时间域o c t 相比，频率域o c t 5 , 6 】( f r e q u c n e yd o m a i no p t i c a lc o h e r e n c e t o m o g r a p h y ， f d o c t ) 最大的优点就在于它只需要进行横向扫描，而无需纵向扫描， 因为深度方向的全部信息可以通过对参考臂和样品臂的干涉图上相干光谱作傅立叶变 l 绪论硕士论文 换1 7 - 8 得到，这就从根本上提高了采集速度。 目前许多课题组都由于频域o c t 能够同时提高信噪比和采集速度的特点，把研究 的重点放在频域o c t 上，对频率域o c t 技术的研究成为了光学相干层析成像技术研究 领域的一个热点。 国际上o c t 成像研究小组【7 】相当多，例如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、美国杜克大学的i z a t t 小组、美国 伊利诺斯大学的b o p p a r t 小组、维也纳大学的l e i g t g e b 小组、西澳大利亚大学的s a m p s o n 小组等等；在国内，实验研究起步较早的在理论技术和应用方面也做了相当多的工作， 几乎与国际同步，包括清华大学、上海光机所、天津大学、华中科技大学等等，其中清 华大学还将其在眼科领域的研究成果转化为产品，但成像速度、成像分辨率等有关成像 性能的几个关键参数与国际存在较大差距。 1 1 3 0 c t 技术的应用 o c t 最主要的应用是对人体大范围组织的非侵入性医学研究。目前o c t 最成功的 临床应用是视网膜成像【8 】，o c t 能够准确地诊断和监视后室的病理学变化，尤其是视网 膜病变。o c t 可对眼前房结构实时观测，对青光眼做出评估并监测白内障，也可以实 时监测角膜屈光度校正术，它还可以容易地区分视网膜分离和视网膜分裂，而以往只有 在离体组织活检中才能观察到这些结构【9 】。另外，o c t 对于糖尿病患者来说也是一个福 音，它可以定量测量视网膜肿胀，为糖尿病的病情诊断提供有用信息。o c t 还用于角 膜、虹膜的状态研究，及角膜病变、血管发炎等的诊蝌引。 o c t 还可应用于皮肤病学，诊断皮肤癌【i o 】就是一个成功的实际应用。o c t 技术的分 辨率高，可用于探测软组织的早期癌变，但通常局限于组织的表层及浅表层，一般用于 检测上皮组织癌。目前，国外已有大量利) 羽o c t 成像技术研究皮肤病的报道l l 卜”j 。光纤 o c t 技术和内窥镜的结合使用在一定程度上解决了o c t 探测深度的问趔1 4 以7 。 o c t 也适用于可弯曲支气管镜检查【l 引，它在肺部病变诊断上具有重要的作用和潜 力。o c t 具有的空间分辨率再现了支气管的剖面、外形，能获得高分辨率、横断面组织 学的缩微图像，可以认为其光学活组织检查能够取代常规的切除活组织检查。它是一种 高度可行的光学工具，实时检测并获得接近组织学成像的支气管内的病理学，在肺部疾 病的监测、诊断和治疗上是很有潜力的。 除此之外，o c t 在大脑研究、口腔科、内腔活检、皮肤烧伤的检查及发育生物学等 医学领域的多个方面都有应用。o c t 还可在制药、工业测量等领域中得到应用。 2 硕士论文快速扫描延迟线系统设计与实验研究 1 2 光学相干层析术的系统结构及其应用 1 2 1 0 c t 的系统结构 如图1 1 所示，典型时域o c t 系统的结构图。整个系统是由宽带光源、光纤耦合器、 外差平衡光电探测器、带通滤波器、解调器、横向扫描装置、a d 和电脑处理系统组成。 图1 1 时域o c t 系统 从低相干宽带光源( s l d ) 发出的低相干光，经过光纤耦合器后分成了两束光，一 束光是是作为参考的光，它经过透镜聚焦后入射到反射镜上，再经反射镜反射后经透镜 和耦合器进入探测器；另一束光用于探测信号的光，它经过透镜聚焦后照射到样品内部， 经样品反射后得到很弱的后向散射光，再经透镜和耦合器进入探测器。在探测器上参考 光和信号光叠加得到干涉信号【l9 1 。在参考臂中参考光程随着参考镜位置的改变而改变， 而在样品臂中来自样品不同深度的后向散射信号具有不同的光程，同时又因为只有在光 程差不大于光源的相干长度的位置时两束光叠加才能得到干涉信号1 2 0 , 2 1j ，而o c t 系统 所采用的s l d 光源的相干长度很短，所以只有来自样品某一特定深度的后向散射信号 才能与参考光相干，并且在等光程点上的相干信号达到最大值，而当光程差时增加时相 干信号将会迅速锐减，因此o c t 系统具有高分辨率。而在参考臂中通过高精度、高速 步进电删2 2 】驱动参考镜做匀速直线运动改变光程，进行纵向扫描，能够获得样品深度方 向的信息。每一次纵向扫描完毕，再通过另一个高精度步进电机驱动样品臂沿光轴垂直 的方向移动，从而实现对待测生物体的横向扫描。纵向扫描与横向扫描相结合，就可以 得到样品组织的断层二维图像乃至三维图像l z 3 。 1 2 2 0 c t 的技术难题及各种解决方法 目前国内外对o c t 系统的研究主要集中在系统所用光源、参考信号扫描机构以及信 号处理和图像处理【2 4 】。其中系统所用光源的相干长度决定了系统的纵向分辨率；参考信 号扫描机构的扫描速率是关系n o c t 图像获取速率的重要参量；信号处理和图像处理方 法的选择则对最终得到图像质量有影响。 o c t 系统中最具挑战性的技术难题之一就是如何实现实时成像，也就是如何实现参 考臂中光学延迟线的快速准确扫描1 25 。在o c t 技术中，光学延迟线( s c a n n i n go p t i c a l 3 1 绪论硕：卜论文 d e l a yl i n e ，s o d l ) 是参考臂的主要组成部分。当在干涉仪样品臂中的光程与在参考臂 中的光程匹配时，就会获得干涉信号。 用于评价s o d l 的主要参数包括扫描范围，线性度，占空比和重复率。在许多应用 中都希望可以同时得到高重复率、大扫描振幅和高占空比，来提高信号的信噪比( s n r ) 【2 6 1 。在设计参考臂延迟线时，还必须考虑的参数包括由最大群延迟决定的扫描深度，群 延迟的线性度( 线性度越好图像的失真就越小) ，元件的成本和供应量，以及与现有的 数据采集卡兼容的调制器【2 7 。 下面重点介绍4 种较新的s o d l ： 1 、多通腔镜高速路径扫描延迟线【2 引，是基于逆向反射元件的线性转换的s o d l ； 入射 光角镜 1i l i l _ 1 翟 i lj 4 硕士论文快速扣描延迟线系统设计与实验研究 光纤 镜子 侧视图 正视图 ab 图1 3 ( a ) 线性阵列镜光延迟线的局部图， ( b ) 由线性阵列镜演变来的旋转阵列镜图 如图1 3 所示，该光学延迟线装置的器件包括一个直流调节器、一个平面镜阵列和 一个凸透镜。如图( a ) 所示，是平面镜阵列的一部分，许多小平面镜均匀地排列在基 盘上，且平面镜的反射面均与基盘成q 角，而为了保证反射的光束按相同路径回到参考 臂的光纤中，参考臂的光束则是垂直入射到小平面镜的反射面上；如图( b ) 所示，是 旋转阵列镜图。 当反射镜阵列以恒速v 旋转时，参考臂中的光程则呈周期性变化，并且在每个周期 内光程的变化都是时间的线性函数p 。扫描范围址和扫描速度v 。可由下式给出： a l d s i n t z , v 1 = v s i n o t d 是反射镜在运动方向上的投影。 3 、多角反射棱镜高速扫描延迟线【3 l 】，是基于利用傅里叶域光脉冲整形技术产生群 延迟的s o d l ； 图1 4 多边形反射镜光学延迟线 多角反射棱镜高速扫描延迟线的基本设计如图1 4 所示。尺是多边形反射镜的内 半径，e 是扫描角，厂是消色差透镜的焦距，是多边形反射镜的中心点到光轴的偏移 量。从光纤干涉仪出射的光线经准直后射向光栅，尽量使经光栅散射后出射的光线是垂 l 绪论硕l 论文 直出射，这样产生的群速度色散最小。光栅的散射光经过一个消色差透镜以一定角度入 射到多边形反射镜的表面，由扫描镜反射回的光线回到系统中，再经由双通反射镜原路 返回到光纤中。 双通设计的优点：一是群延迟增为两倍；二是与扫描角有关的横向位移可以相互抵 消。 4 、频域快速扫描延迟线【3 2 】，是基于利用傅里叶域光脉冲整形技术产生群延迟的 s o d l ： 这种延迟线是由闪耀光栅、傅里叶透镜、振镜和反射镜组成。利用振镜振动可以同 时实现对物体不同深度的扫描，同时还可以通过调整光栅与透镜之间的距离对参考臂和 样品臂的两支光路的群速度色散进行匹配，从而提高信号的信噪比和系统的实际分辨率 【3 2 】。在第二章中将做具体介绍。 下面根据国外各实验小组对光学延迟线的研究，对各种方法所达到的扫描频率、范 围、信号载频等评价参数进行了总结，并对各种扫描方式的主要优缺点进行了简要的评 述。 表1 1 几种光学延迟线的比较 注：表中“一”表示该项的参考值在相关文献中未给出，括号内的值为根据相关参数计算所得。 1 3 本文的研究重点及研究意义 本文论述了o c t 系统中最具挑战性的技术难题之一就是如何实现实时成像，也就 是如何实现参考臂中光学延迟线的快速准确扫描。介绍了各种光学延迟线，具体分析了 实验中使用的快速扫描延迟线的原理、系统结构；对系统所需的硬件辅助信号进行了设 6 硕上论文 快速手 描延迟线系统设计与实验研究 计连接；搭建整个r s o d 系统，进行调试。 第一章是绪论，简单介绍了o c t 系统的起源、发展以及技术应用，并对其技术难 题的解决方法光学延迟线进行了介绍和分析； 第二章介绍了实验中采用的快速扫描延迟线，包括原理、系统构造，还有其各参数 以及要满足o c t 的成像深度、实时成像对其参数的要求；最后分析了r s o d 系统结构 中两个重要的组件闪耀光栅和扫描振镜。 第三章介绍了快速扫描延迟线中直接决定系统纵向扫描速度的器件振镜的控 制信号提供方法，以及由振镜输出信号提供的信号采集所用信号； 第四章介绍了r s o d 实验系统所用器件，并在搭建前对各参数进行计算，详细描 述了实验搭建的步骤、出现的问题，最后研究验证整个系统是否满足要求的方法。 7 2 快速扫描延迟线( r s o d )硕士论文 2 快速扫描延迟线( r s o d ) 2 1 快速扫描延迟线的原理 快速扫描延迟线是由衍射光栅、傅立叶透镜、扫描振镜和双通反射镜组成的。反射 镜充当空间相位滤波器，在频谱中强加了一个线性相位倾斜。当反射镜开始快速扫描时， 与时间相关的群延迟就产生了。 该延迟线是基于傅里叶变换的原理，在频率域的一个相位倾斜导致了时间域的一个 时间延迟，即频域的相移正比于时域的时移1 3 3 】。 x ( t - t o ) 兮x ( ( o ) 眦 要求反射镜在整个扫描过程中都是处于倾斜状态的，反射镜所处的每一个位置都对 应于不同的相位倾斜，即对应于时域的不同的延迟。而基于倾斜反射镜的傅里叶域光学 延迟线可以进行快速扫描，则是因为它的群延迟由光束的扫描角度决定，而不是由机械 地线性移动提供。 2 1 1 快速扫描延迟线的系统结构 如图2 1 所示，快速扫描延迟线口4 1 的系统结构。一个衍射光栅、一个傅里叶透镜和一 个扫描振镜。三者的相对位置是：衍射光栅和傅里叶透镜共光轴；衍射光栅在傅里叶透 镜的前焦平面处；扫描振镜在傅罩叶透镜的后焦平面处；扫描振镜的旋转轴处于距离光 轴x 位置处。 光 傅立叶透镜 阿隧一 ，卜_振 、 - - - 一一= ：；吐r 二矽 土 屯 1 l 如 白 | 吨 i l i f v 图2 1 快速扫描延迟线的系统结构 宽带光源经过准直后入射到衍射光栅，并被光栅衍射后入射到傅里叶透镜上，透镜 将分散的频谱准直聚焦到扫描镜成一条直线状。扫描镜有一定的倾斜角丫，用以产生频 谱中的线性相位倾斜并将光束反射回透镜上。然后光束射向光栅以相反的方式衍射并入 射到双通反射镜上，此时光束与准直的系统入射光束共线并且是会聚的，最后经反射镜 8 硕十论文 快速扫描延迟线系统设计与实验研究 反射使得光束按原路径返回。该光学延迟线是双通的，可以使有效的延迟增加一倍，同 时返回光束耦合进入光纤中没有任何与延迟相关的损失【3 3 】。 选择合适的光线入射角度以满足被光栅衍射后的宽带光源中心波长k 的衍射光束 是垂直于光栅正出射的，并保证整个光栅都位于傅里叶透镜的前焦平面上，即光栅垂直 于系统的光轴放置。而透镜放置时则要保证与光栅平行，这样做是为了避免产生群速度 色散( g v d ) ，在整个扫描的过程中g v d 都是变化的。只要当光栅与透镜之间的距离 不是透镜的一个焦距的长度，就会产生群速度色散。因此，如果光栅不是垂直于透镜的 光轴，而偏离一定角度时，经扫描镜反射的光束在光栅上就有一定的横向偏移，同样在 透镜的焦平面上也会产生一定的偏移量，从而导致g v d 的产生【3 5 1 。 2 1 2 相延迟和群延迟 2 1 2 1 相延迟 当一个正弦信号通过一个滤波器时，输出的信号也必定是一个正弦信号。输入和输 出信号之间发生了改变的仅仅是振幅和相位。通过比较输入信号的零相交和输出信号的 零相交计算出所谓的相位延迟。用数量来表示，则定义一个输入信号s i n l o t 和一个输出 信号s i n ( f 一巾) ，通过计算得到相延迟【3 6 1 ： s i n ( 。f 一巾) = s i n 卜。t 一) ( 2 1 ) o f 一巾- - - - - f d o ( t 一0 ) ( 2 2 ) 乙：必 ( 2 3 ) ( 1 ) 0 2 1 2 2 群延迟 当相延迟独立于频率时，群延迟仅仅就是相延迟【3 7 1 。但是，当相延迟与频率相关时， 一个完全新的速度群速度就产生。但是，群速度并不是一个时间段内相速度的平均 值。 对群速度做最简单的分析，首先定义一个滤波器的输入为两个频率项之和： t = c o s 0 ) l t + c o s t 0 2 f ( 2 4 ) 利用三角公式的定义可得： 一 地。s ( 学，) c o s ( 半， 汜5 ， 由上面的两个式子可以看出两个余弦之和就像是平均频率的余弦与差频的一半的 余弦的乘积。其中包含差频的那一项称为拍频。 两个频率项在通过滤波器时都会产生一个延迟，并且不同频率的延迟是不相同的， 9 2 快速手1 描延迟线( r s o d ) 硕上论文 所以过滤器的输出信号表示成： 以= c o s ( ( 0 l f 一电) + c o s ( 2 t - 巾2 ) ( 2 6 ) 这是假定在整个过程中所有频率项都没有衰减的前提下。同样利用三角公式的定义 可得： m 妇。s ( 半卜学) c o s ( 半卜学) 7 ， 重写拍频项，就可以得到一个时间延迟： c o s0 1 - - ( 0 2 卜学 = c o s 半( ，一t g ) 汜8 ， ( q 一：) 名= 电一屯 ( 2 9 ) 名= 甚= 芸 眩1 0 ) 对于一个连续的频率，群延迟【3 8 1 为： 名：要l( 2 名。盖j 铺 ( 2 j 1 ) 也就是通过装置或传输介质时，与角频率相关的总相移的变化率。当相位是线性的， 则对应的群延迟是固定的常数。 这意味着，如果一个系统的传递函数在通带内具有线性的相位，则对应于通带内的 所有谐波将提交相同的时间延迟，它们加起来将保持相同的相位关系，就像未经过滤器 的原始信号，即不存在“相位失真”。 2 1 2 3 快速扫描延迟线的群延迟和载频 快速扫描延迟线只要通过将平面镜倾斜一个小角度就可以获取期望的快速扫描相 位倾斜和脉冲整形。倾斜的反射镜提供了一个连续的相位倾斜，并保持尽可能高的分辨 率 3 9 1 。 时间延迟仅仅是与扫描振镜的倾角成正比关系，所以扫描的时间延迟随着反射镜倾 角的周期性变化而变化。 预期的时间延迟作为傅立叶域光学延迟线几何结构的函数，可以通过外加相位是否 对频率有依赖性来计算得出。光栅将光谱成分q = 一衍射成一个角【3 9 】： 。= 瓦a 面x ( 2 1 2 ) d c o s o 。 其中d 是衍射光栅的光栅常数，0 - - 0 0 0 是频率分量和的衍射角之差。 1 0 硕士论文快速扫描延迟线系统设计与实验研究 光谱分量有一个横向位移【3 9 】： k x = 厂t g ( a o ) ( 2 1 3 ) 其中f 是傅立叶透镜的焦距，假定o 很小，贝, , j t g ( a o ) = a 0 。因此，缸可以表示成： a x = 厂( a o ) ( 2 1 4 ) 有一定倾斜角度的扫描振镜造成了光束的光谱分量中有相位倾斜： 缈= 喀“) k x ( 2 1 5 ) 对于较小的倾角( t g ( v ) 丫) ，缈线性正比于丫和缸。 。 y = 1 ，缸( 2 1 6 ) 假设一个波长的光程差的改变量意味着2 7 c 的相移的改变量，则对于血的光程的相 移为： 巾( 九) = 札( 九) 一芈 ( 2 1 7 ) 4 ) ( 九) ：竿一坐牢竺 ( 2 1 8 ) 以上两个式子的第一项是由于移动扫描镜而致使反射镜的旋转轴相对于中心波长 的入射点有一个任意距离x 的偏移量得到的。 在式子的两项中都包含一个四倍的因子，是因为系统使用的是双通装置，考虑到光 束在反射的过程中经过了4 倍的这项距离。 将式( 2 1 2 ) 、( 2 1 4 ) 和( 2 1 8 ) 综合可以得出【删： m ) = 半一华丽a l - f ( 2 1 9 ) 在如图2 1 所示的特定系统结构中，对应于频率分量。的衍射角是0 。，即对应于中 心波长k 的衍射角是0 。= 0 ，因为是中心波长是垂直于光栅出射的，因此式( 2 1 9 ) 变 为： m ) = 竿一半半等 汜2 。， 再根据从、f l = a c 芸i 筹l = l _ i c 吉i = l _ 言i - 舍，和= 。+ q ，可以得孙 们) = 半一孚罢 汜2 ， 2 快速扣描延迟线( r s o d )硕士论文 咖f ) ：坐一兰虹0 - - 0 0 ( 2 2 2 ) 。、 c dc o 这就是由于扫描振镜的倾斜而在输入频谱中引入的理想线性相位滤波器。通常对输 入脉冲谱和式( 2 2 1 ) 进行逆傅里叶变换，以此来确定输出脉冲形状。但是对于线性倾 斜这种简单的情况就没有必要了。而这个特别的相位滤波器对输入脉冲的影响只要考虑 群时间延迟就可以很容易理解了。群时间延迟的定义【4 0 j 如下： ：业一塑生_ 1 ( 2 2 3 )= 一一 ，7 ，l c d c o s o o 一一 刊o o ”。 因此群光程差可以根据下面式子来定义： 皱c 嘶x 一器去 亿2 4 ， 再考虑到以下的关系： k = 三 v 0 = 2 兀v o k ：堕 0 其中v 。和k 分别是宽带光源的中心频率和中心波长。由此可得出群光程差： 乞= 钾x 一乏 乏三鲁 c 2 2 5 ， 式( 2 2 5 ) 是快速扫描延迟线设计的基础。注意到时间延迟独立于q ，这意味着所有频 率分量的延迟量都是相等的。该延迟只是线性的正比于反射镜倾斜角1 ，当反射镜被机 械驱动时，有效的扫描时间延迟就产生了。 根据式( 2 2 2 ) 和相延迟的定义= 等罢立，可得快速扫描延迟线的相延迟为： = 等 ( 2 2 6 ) 相对应的自由空间中相位光程差乙： 厶= 4 丫x ( 2 2 7 ) 由上述分析可以看出，群光程差等于相位光程差加上一个额外项，这个额外项是傅 里叶透镜、光栅和光源的各参数的函数。 硕士论文快速扫描延迟线系统设计与实验研究 群光程差和相位光程差都正比于扫描镜的倾角，因此一次扫描镜的角度扫描就可以 同时提供一次群光程差和相位光程差的扫描。而在群光程差公式中的第二项是在这个系 统中占主导地位的，因此对于一个给定的倾角，群光程差要远远大于相位光程差。此功 能是该延迟线最重要的优点，只要扫描镜移动一个非常小的角度就能产生一个很大的群 光程差扫描。 2 1 3 干涉图载频和频宽 在使用快速扫描延迟线的o c t ，获取的干涉图的中心频率为： 五= 警- v o 等= 等 汜2 8 ， 其中是相延迟的扫描速度，定义为相延迟对时间求导= d a l , ( t ) d f 。由式( 2 2 8 ) 可以得出： f o = 等掣a l ( 2 2 9 )= 子鼍半( 2 2 9 ) k 其中堕旦是扫描镜的扫描频率。 从式( 2 2 9 ) 可以看出，如果光谱的中心波长入射到扫描镜的旋转轴上( x = 0 ) ， 则即使有线性的扫描群延迟产生，也根本没有调制频率。因此，干涉信号仅仅包括没有 任何调制的自相关函数的包络。 移动扫描镜，使扫描镜的旋转轴相对于光轴有一定的偏移量，这样中心波长在扫描 镜上的入射点也相对于旋转轴有了一定的偏移量( x 0 ) ，可以适用于任意中心频率， 并且不影响群光程差的扫描距离。 对应于有一定波长带宽的光源，也就是有一定频率带宽的光源，探测器响应信号的 带宽【删为： 缈：譬圪：竺 ( 2 3 0 ) c 。 k 一 。 其中k 是群延迟扫描速度，定义为群延迟对时间求导= d a l g ( f ) 西，根据式( 2 2 5 ) 得出群延迟扫描速度： _ x 掣一蚣d 业d t = 型a c t 卜丛d ( 2 3 ) 8 功 il 。 将式( 2 3 1 ) 代入式( 2 3 0 ) ，可得探测器响应信号的带宽为： 矽= 耕x 一竽 掣 汜3 2 ， 2 快速扫描延迟线( r s o d )硕士论文 要特别注意的是，r s o d 作为位相调制器时必须要满足一个条件：一个相干长度内 的干涉条纹数要大y - 2 ，这样在频谱中才不至于发生混叠的现象4 1 1 ，才可以正确地解调 出干涉包络信号。表达式如下： f o a f = x d f a 九3 ( 2 3 3 ) 由式( 2 3 3 ) 可知，载频与扫描频率堕旦和振镜旋转轴相对于光轴的偏移量x 成 正比，所以为了提高载频，则需要增加x 的值，但是振镜的尺寸是有限的，x 和振镜的 尺寸之间必须满足： z + ft a n o 。 0 的称为正级光谱，m 0 的称为负级光谱。 对于给定的光栅，可观察到得最高光谱级次是受条件 1 6 硕士论文快速扫描延迟线系统设计与实验研究 l s i n i + s i n o l 2 所限制的，即是 孚 ( 2 4 0 ) 这是为获得某一波长的m 级光谱而选用光栅时必须遵守的【4 3 1 。 从工程光学中已知在光谱面上任一点的光谱强度为 h ( 半) 2s i n n v ) 2 ( 2 4 1 ) 式中，c 是比例常数；a 是光栅单个刻槽的宽度；“是在正入射情况下，单个刻槽两边 缘上二条衍射光线的位相差之半，“= 7 c 口s i n o a , ；v 是在正入射情况下，相差一个刻槽 间隔的二条衍射光线的位相差之半，= r c d s i n o k 。 从式( 2 3 9 ) 中可以看出，当甜= 1 ，= 0 ，也就是衍射角与入射角均等于零时，光强 度，最大。这也就是说零级主极大的光强最大。然而零级光谱是无色散的，是无用的。 反射式闪耀光栅的刻槽断面呈锯齿形，每个刻槽的断面都相当于一个小反射镜，使要求 集中能量的衍射方向和断面的反射光方向重合，这样就能把光能量投射到预定的光谱级 次的波段上，并大大降低零级主极大的光强度，甚至使之降低为零【4 3 】。 2 3 1 2 反射式闪耀光栅 光栅的色分辨本领为： a ：土：m n( 2 4 2 ) 九 光栅的角色散和线色散分别为： 盟：竺( 2 4 3 ) d 九d c o s o 旦：，r 盟：，竺 ( 2 4 4 ) 一= ，一= ，一 二| 叶 d 九。d 九。d c o s o 由式( 2 4 0 ) 、( 2 4 1 ) 和( 2 4 2 ) 可以看出，光栅的分辨本领和色散都正比于光谱 级次。但是，对于一般光栅由式( 2 3 9 ) 可知，绝大部分( 8 0 以上) 的光能量几种在 没有色散作用的零级光谱中，而光谱分析中使用的较高级次的光谱却只占很少一部分能 量，因此衍射效率( 衍射光能量与入射光能量之比) 很低。其原因在于单缝衍射的中央 极大与缝间干涉的零级主极大重合。接下来介绍的闪耀光栅则能使光能量几乎全部几种 到所需要的光谱级次上1 3 6 。 闪耀光栅也称为定向光栅，如图2 3 所示，它的每个刻槽面与光栅平面成一定的角 度丫。每个刻槽面都相当于一个小反射镜，把光线反射到预定的方向上，就能使衍射的 大部分光能量集中在所需要的某一光谱级次的波段范围内。用物理光学来解释就是由于 刻槽面与光栅面之间的夹角，使单个刻槽面( 相当于单缝) 衍射的中央极大和诸槽面间 1 7 2 快速扣描延迟线( r s o d ) 硕十论文 ( 缝间) 干涉零级主极大分开，将光能量从干涉零级主极大，即零级光谱，转移并集中 到某一级光谱上去，实现该级光谱的闪耀【3 6 1 。 m = 4 a 图2 3 闪耀光栅 当入射光垂直与光栅刻槽面时，单个刻槽面衍射的中央极大的方向对应于入射光反 方向，即刻槽面的几何光学的反射方向，而对于光栅平面来说，入射光以角度卢丫入 射，刻槽面间干涉各级主极大由光栅方程确定，即： a = d ( s i n i + s i n o ) = m l 2 d s i n l , = 聊九 ( 2 4 5 ) 因为所观察的衍射光的方向与入射光在光栅面法线的同侧，所以上面的光栅方程取 “+ 号。式( 2 4 3 ) 表示单个刻槽面衍射的中央极大与诸刻槽面间干涉的m 级主极大， 即m 级光谱重合的条件。当m = 1 ，入射波长为k ： 2 d s i n l = k ( 2 4 6 ) 则波长为k 的1 级光谱获得i 人j 耀，并获得最大光强度。波长k 称为l 级闪耀波长。又 因为闪耀光栅的槽面宽度a d ( a 为光栅上不透光处的距离) ，所以波长k 的其他级次 的光谱都几乎和单个刻槽面衍射的极小位置重合，致使这些级次的光谱强度很小，就是 说，在总能量中占的比例很少，而大部分能量( 8 0 以上) 都转移并集中到l 级光谱上 f 3 6 】 0 由式( 2 4 4 ) 可以看出，对波长k 的1 级光谱闪耀的光栅，也对k 2 、k 3 的2 级、3 级光谱闪耀。不过，通常所称其光栅的闪耀波长是指在上述照明条件下的1 级闪 耀波长k 。显然，闪耀光栅在同一级光谱中只对闪耀波长产生极大光强度，但由于刻 槽面衍射的中央极大到极小有一定的宽度，所以，闪耀波长附近一定的波长范围内的谱 线也有相当大的光强，因而闪耀光栅可用于一定的波长范剧3 6 】。 效率是衍射光栅的最重要特性之一。在给定的光谱级次中，衍射光通量对入射的单 色光通量之比称为绝对效率。光栅的效率在给定的光谱范围内决定于刻槽的轮廓和刻痕 密度，并且随波长而变。效率随波长而变的情况还和光束的入射角及偏振状态相关。好 1 8 硕士论文快速扫描延迟线系统设计与实验研究 的光栅，在第一级闪耀时期绝对效率的峰值，对经典刻划光栅一般在8 0 以上【4 3 1 。 在闪耀波长处，谱线强度最高，在闪耀波长的两侧效率下降，而且随干涉级次增加， 下降速度大大加快。相对效率大于0 4 的波长范围一般认为是有用的工作区域。这个有 用波长范围可由下面的经验公式计算： ( 嘉) k 泳( 芴2 一，) 。 眨4 7 ， 式中，k 是第一级的闪耀波长；聊是所用的光谱级次。 2 3 2 扫描振镜 振镜是一种高精度、高重复性的光学扫描器，扫描振镜由于是单面的，绕反射面的 中心轴摆动，有较高的扫描精度，且电路控制部分也比较简单。伺服控制信号取自与振 镜连在一起的位置传感器m j 。振镜附有的位置传感器位于振镜内部，当转子的角度发生 变化时，位置传感器输出一个不平衡小电容，给出了转子和定子间相对角度变化的信息， 经滤波放大后，就获得了对应于偏角的精确电平，此电平即为振镜的位置信号。位置信 号在振镜系统里很重要，因为它一方面作为伺服控制的信号电压，另一方面它又直接反 映了振镜的偏转角度和扫描位置l 4 4 】。 分析不同扫描振镜的尺寸和扫描驱动方式对纵向成像范围和成像速度的影响。 表2 1 不同振镜尺寸和驱动方式组合的光学延迟线比较 由上表可以看出，采用大尺寸振镜线性驱动时，虽然振镜相对于光轴的偏移量增大 了，但是由于扫描频率的限制导致了成像速度低，使得在体实时成像时生物体内各项运 1 9 2 快遗扫描延迟线( r s o d ) 碗论文 动都对成像的质量产生了很大的影响嗍；采用小振镜线性驱动时，扫描频率得到了提高， 满足了实时成像速度的要求，但是相对光轴的偏移量有限，造成干涉图的载频过低，由 于快速扫描延迟线作为位相调制器时必须满足在一个相干长度内的干涉条纹数大于2 ， 才能保证频谱没有混叠的现象，所以获得的信号中频谱中有混叠的现象，不能完全正确 的解调出干涉包络信号嗍；采用大尺寸振镜高速正弦驱动时，扫描频率足够大1 4 7 1 ，相对 光轴的偏移量也足够大，可以实现高速的纵向扫描，也可以正确解调出干涉包络信号， 满足在体实时成像的要求，只是由于是正弦驱动导致成像时有一定量的非线性失真，必 须对图像进行校正，而载频、带宽随时间变化，引起了系统信噪比的下降。 下面给出浙江大学实验小组对振镜尺寸和驱动方式的不同组合进行实验，得出( a ) 调 制后的干涉信号以及解调信号和理论包络信号的比较。 删 k 8 ” 。广粤 0 ； f 1 d 击葛1 r j 一 图2 4 大尺寸撮镜线性驱动 ， ( b ) 图2 5 小振镜线性驱动 砸e 论文快速 】描延迟线系统设计与实验研究 一 i 趑 g o i ；f ：j o 一葛下一j f 一一 w ( a )( b ) 图2 6 大尺寸振镜高速正弦驱动 在快速扫描延迟线中群延迟的极值决定了系统纵向扫描范围，而振镜的速度则直接 决定了系统纵向扫描的速度，是满足实时成像的关键。由第一节中对光学延迟线中各特 征的分析可知，相延迟和群延迟都与振镜的倾斜角和相对光轴的偏移量相关，而干涉图 的载频和频宽也都与振镜扫描频率相关。 综合讨论分析，认为采用大尺寸振镜高速正弦驱动可以满足整个系统的要求，是一 种比较可行的方法。实验中选用的就是大尺寸振镜高速正弦驱动，只是对于大振镜的非 线性扫描造成的图像失真必须进行校正，使用扫描中有效的线性区域。 3 振镜控制及信号采集 硕士论文 3 振镜控制及信号采集 在快速扫描延迟线中振镜的扫描速度直接决定了系统纵向扫描的速度，是满足实时 成像的关键。因此首先简单介绍了p s o c ，分析了振镜的控制信号，并讨论了基于p s o c 输入信号的提供方法；接着分析了振镜输出信号，并对其如何连接输出用于信号采集进 行了分析。 3 1p s o c 简介和软件介绍 p s o c t 4 8 1 是美国赛普拉斯( c y p r e s s ) 半导体公司生产的包含有8 位微处理器核和数 字与模拟混合信号阵列、具有真正混合信号处理能力的可编程片上系统。片内集成了定 时器、p w m 、u a r t 、放大器、比较器、滤波器等可编程数字与模拟系统，可灵活配置 用户所需的各种功能模块，其应用领域与8 位的m c u 相同，但设计与实现比m c u 灵 活、方便，成为新一代微控制器的主流产品。p s o c 的集成开发环境p s o cd e s i g n e r 预 先为用户定义了近1 0 0 个常用的数字和模拟资源及a p i 函数供用户编程时调用，使片上 系统设计方便、快捷。 3 1 1 p s o c 的组成 赛普拉斯( c y p r e s s ) 半导体公司生产的创新型可编程片上系统( p s o c ) 混合信号 阵列是一款完整的系统级解决方案。该芯片包括可配置的数字和模拟外设、8 位微控制 器和3 种嵌入式存储器。p s o c 最大限度地将设计灵活性与易用性相结合，尽可能地减 少面向消费类、计算、通信、汽车、工业设备等各种市场的产品的设计时间、组件数、 板级空间及成本等。p s o c 微处理器在芯片内部具有一个高速内核、快速闪存和s r a m 数据内存，以及设计者可配置的模拟模块和数字模块。整个系统由4 部分组成：p s o c 内核( p s o cc o r e ) 、数字系统( d i g i t a ls y s t e m ) 、模拟系统( a n a l o gs y s t e m ) 、系统资源 ( s y s t e mr e s o u r c e s ) 。 下面的“核心功能列表形成了构筑p s o c 器件系列的基本平台： 一个8 位c p u 内核。 通用型数字用户模块。 具有通信能力的通用型数字用户模块。 连续时间模拟用户模块。 开关电容模拟用户模块。 确定各种信号输入和输出接口电路的能