费学灿;刘国忠;冯静
【摘 要】光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography ，OCT ）是一种非侵入、非接触的新型光学成像技术，利用生物组织的后向散射光与参考光之间的弱相干实现结构成像，具有高灵敏度、高分辨率、成像速度快等特点。本文设计了一套基于 LabVIEW 软件平台下的谱域 OCT 成像系统，并对系统进行了测试与实验研究，验证了系统的可靠性与准确性。%Optical coherence tomography is a new type of non-contact and non-intrusive optical imaging technology .It makes use of the coherent structure imaging between the biological tissue backscatter light and reference light ,and has the characteristics of high sensitivity ,high resolution ,fast imaging ,etc .This paper designed a set of spectral domain OCT imaging based on LabVIEW software platform system .And the system was tested .The result showed that the system was reliable and acurete . 【期刊名称】《分析仪器》
【年(卷),期】中国人民政治协商会议章程2014(000)005
【总页数】9页(P20-28)
【关键词】光学相干层析成像;谱域OCT;LabVIEW;图像重建 【作 者】费学灿;刘国忠;冯静
【作者单位】北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100192;北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100192;北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100192
【正文语种】中 文
事件监控OCT系统的核心部件是光纤迈克尔逊干涉仪[1]，光从宽带光源发出后，经过2×2的光纤耦合器后，分成两路光，分别导入到样品臂与参考臂，然后分别经过透镜进行准直。参考臂上的光入射到参考镜上后沿原路返回，样品臂上的光需要先经过振镜，然后通过透镜聚焦到被测样品表面，通过控制振镜振幅，实现对样品X-Y面的扫描。从样品臂上反射回来的后向散射光在光纤耦合器中与参考臂反射回来的光进行干涉，并由分光光谱仪接收干涉光谱。分光光谱仪是由透镜、光栅、线阵CMOS相机组成[2]。系统原理框图如图1.1所示，实
物图如图1.2所示。
1.1 宽带光源
光源的选择主要考虑其功率、波长以及带宽等参数。对于OCT系统，主要考虑光源的带宽、中心波长关系到系统的分辨率。选择合适的光源非常重要，理论与实践都证明了光源对系统成像带来的影响，影响因素一般为光源功率、光谱特性、波长范围[3]。在本文采用的光源是超亮发光二极管，该光源具有激光二极管高亮度、高功率和传统发光二极管低相干的特点。光源中心波长是850nm，输出功率4.4mW，带宽为40nm，输出光谱为高斯型。 1.2 分光光谱仪
在谱域OCT系统中，分光光谱仪的核心是由CMOS探测器与衍射光栅组成的[4]，其基本原理见图1.3，实物如图1.4所示。
干涉光导出后，通过透镜进行准直扩束，射向光栅进行分光，光栅将干涉光中各波长的光分开，错开一定的距离，分开的光仍然是平行光，然后通过透镜聚焦，经过聚焦后的各波
长光束被线阵CCD捕获。光栅的分光过程基于夫琅禾费多缝衍射效应。各个波长的光与衍射角之间满足式(1)[5]：
式中，d为光栅间距常数，φ是入射角，即是光栅平面法线与入射光线之间的夹角，光栅平面法线与第m级衍射光之间的夹角是衍射角θ。
当衍射光与入射光在光栅法线同侧的时候，m取正值，不同侧时，将取负值，依据光栅的分光原理，除了零衍射光外，波长不同的光经过光栅后，衍射角将不相同，衍射级数越大，波长光谱线的分开程度也会越大[5]。而对于同一衍射衍射角则随着波长的增加而增加。系统中采用的光栅有效孔径为90%，尺寸大小为25×25mm，设计波长为800nm。
线阵CMOS作为系统的光电探测器，对谱域OCT的实现非常关键，CMOS相机阵列的积分时间与扫描速度关系到系统的图像采集速度，CMOS的像素点个数对系统的纵向成像范围也会造成影响，像素点尺寸的大小影响光谱线分辨率，系统的动态范围和信噪比由景深和动态范围决定[6]。本系统采用的是线阵CMOS相机，系统中采用的是Basler公司的spl2048-140km 相机， 相机主要参数为：探测尺寸为两线，每线2048个像素，像素点大小10×10um，速度140kHz。 1.3 样品臂与参考臂的设计
样品臂是由样品台、光束聚焦透镜以及横向扫描机构组成，其主要作用是将探测光束照射到样品上，并且接收从样品返回的信号光，因而需要选择相应的器件来实现一定的扫描速度、横向分辨率和扫描范围[7]。在谱域OCT系统中，参考臂的作用主要是用于提供参考光信号，要求参考臂能够方便地调节光程。样品臂的原理设计如图1.5所示，参考臂的原理设计如图1.6所示。
在谱域OCT系统中，需要使用扫描镜实现X-Y方向扫描，以实现二维和三维测量。需要扫描镜有很好的线性度与很小的漂移率，还需要有比较短的响应时间[8]。系统中采用的扫描振镜是GVSM002，该扫描镜是一个二维扫描镜，能够轻松地完成X-Y轴上的扫描。振镜的偏移大小受两路模拟电压的控制，偏移的角度与模拟电压呈线性关系。
1.4 PC机端硬件接口的设计
系统中使用了两块采集卡，分别为图像采集卡与数据采集卡，其中图像采集卡用于采集分光光谱仪中的干涉图谱[9]。数据采集卡输出两路模拟电压信号，用于控制光学扫描振镜的
偏移[10,11]。图像采集卡采用NI的PCIe1433，数据采集卡是NI的PCI-6221，两块数据卡与PC机之间的连接关系如图1.7所示。
系统软件设计是在LabVIEW平台上进行开发的，主要分为干涉图像采集，图像采集与扫描振镜同步控制，图像存储与滤波处理，图像插值与傅里叶逆变换。程序的整体设计框图如图2.1所示,软件的前面板设计如图2.2所示。
2.1 干涉图像采集
线阵CMOS相机将采集到的干涉图像通过Camera Link接口传送给数据采集卡，PC机读取采集卡端数据。采集卡配备有NI-IMAQ图像采集驱动程序[12]。NI-IMAQ中包含有关于数据采集卡配置和控制的相关函数子VI，也是NI数据采集卡的程序库。其提供的函数使用方式容易便捷，提供了最大限度的柔性和可操作性。此外NI-IMAQ还提供了一些常用的图像采集方法，提供了从简单的设备初始化到高级的高速图像采集等多种方法，为开发者设计先进的图像采集程序提供了有力的保证[13]。图2.3为系统的图像采集程序模块。
2.2 图像采集与扫描振镜同步控制
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《产业结构调整指导目录(2011年本)》在谱域OCT系统中，为了实现被测样品断层的二维成像，需要使用光学扫描振镜沿着X轴方向扫描，即可形成二维断层切面图像。通过对Y轴的扫描，可以实现对被测样品的三维立体成像。图像采集与振镜之间的同步控制对整个系统的扫描速度、成像效果都会带来影响。系统中采用数据采集卡产生TTL脉冲触发信号，当图像采集卡接收到脉冲的上升沿时，开始驱动CMOS相机，完成对干涉图像的采集，图像采集卡在采集过程中的同步输出信号为高电平，当采集完成后，信号变成低电平，这个下降沿作为扫描振镜的触发信号，通过这个响应信号，驱动数据采集卡，完成对扫描振镜的移动，循环执行这个操作[14]。图2.4为控制时序图，图2.5为该部分的程序设计。
2.3 图像存储与滤波处理
系统中对于采集到的数据需要实时进行存储，系统中将采集的数据以图片的形式进行存储，具体的图片格式可以通过参数进行设置。对于自动存储的图片，需要用户事先制定文件的保存路径及文件名，对于每次X轴上采集的数据，其保存的文件名是在用户命名的文件名后递增的数字量，这个数字量按照一定的规则进行编排，方便用户对这些图像进行后期处理时，能够区分出各个文件所对应的样品采样点。数字量的前三位数表示该文件的y轴
坐标，后三位表示属于X轴上的坐标。如用户命名为test则在这次X轴扫描中为test000000，test000001……test000999;下一个Y轴采集的图像保存文件名为test001000，test001001……test001999，图像存储的程序设计如图2.6所示。
系统采集的原始光谱，除了包含有样品的散射信息外，还包含有其他额外信息，图像的滤波处理主要是提取样品的散射信息，消除其他信息的干扰。对每个Y轴中的X轴信号进行平均，平均值即为该X轴中的直流光谱项，然后用X轴中的信号减去这个直流项，即可得到干涉信息，以此达到滤波的作用。这种叠加平均法是一种简单且行之有效的方法，还在一定程度上消除了系统固有的随机噪声，提高了OCT图像的信噪比[15]。图像滤波处理的程序设计如图2.7所示。
2.4 图像插值和傅里叶逆变换
在谱域OCT中，CMOS探测到的光信号强度是关于波长的函数。滤波后的光谱信息需要根据光谱仪中线阵CMOS的波长分布，从波长空间映射到波束空间，然后在波束空间中对数据进行插值。需要进行插值的原因在于，后续进行傅里叶逆变换时，前提条件是要求波束空间数据是等间距的，否则会影响重构的精度和准确度。插值的实现程序如图2.8所示。程
序中根据光源的波长分布，完成波长空间到波束空间之间的转换，然后使用一维插值算法，完成对波束空间的插值操作[16]。
波束空间的插值完成后，对波束空间的数据进行傅里叶逆变换，LabVIEW视觉开发模块提供了图像傅里叶变换以及逆变换的子VI，使得对图像傅里叶变换的操作方便快捷，程序设计如图2.9所示。IMAQ FFT对图像进行傅里叶逆变换，IMAQ ComplexImageToArray用于将变换后的图像转换成数组形式。
3.1 平面镜成像
使用平面镜作为被测对象进行原理实验，可以验证系统的光路搭建是否正确。移动参考臂，干涉图谱稀疏，继续移动会逐渐变密。每次处于零光程差的位置时，干涉图谱只出现一个波峰，如图3.1所示。光程差为100μm、200μm、300μm时的干涉图像，分别如图3.2、3.3、3.4所示。
刘莎莎全套对采集的具有光程差的数据进行滤波处理，进行傅里叶逆变换，变换的结果分别如图3.5、3.6、3.7所示。
出变换后图像中的波峰位置所对应的像素点位置n分别为43、87、131；系统的最大探测深度为2.26mm，CMOS探测的干涉光谱为点数为2048，经过傅里叶逆变换后，结果是对称的，每一侧具有1024个光谱点数，即为1024个像素对应的成像深度2.26mm，可以初步估算像素的分辨率为2.26mm/1024 = 2.2μm，即每个像素点所探测的深度为2.207μm。根据变换后图像波峰的位置信息，可以计算出光程差分别为94.9μm、192.0μm、289.1μm；与实际测得的光程差值之间的关系如表1所示。
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