二維頻域光學相干層析系統研究

游騰飛，鐘舜聰，2*，鐘劍鋒，張秋坤，羅曼婷

(1.福州大學機械工程及自動化學院，福建福州350108;2.福建省醫療器械和生物技術重點實驗室，福建福州350000)

0 引言

自1991年David Huang 等人［1］提出光學相干層析技術(optical coherence tomography，OCT)以來，該技術就得到了迅速的發展。OCT 技術朝著更高分辨率、實時性、功能化和信息特異化方向發展，同時，OCT 系統朝著小型化方向發展，更好地滿足使用需求［2］。因為頻域OCT 系統不需要參考臂進行深度方向的掃描，相比時域OCT 系統大大縮短了成像時間，使得OCT系統實時成像成為可能［3-5］。為了再提高成像速度，頻域OCT 系統從一維頻域OCT 系統發展到二維的頻域OCT 系統［6-7］。因為二維系統一次采集成像便可產生二維的樣品信息圖像，相比一維OCT 系統需要進行多次采集來構成相同的二維的樣品圖像而言，二維OCT系統在成像速度上大為提高，提高了OCT 系統成像的實時性。

頻域OCT 系統中包含CCD 相機、PZT 移相器、線性電動移動平臺等，為此，研究者需要開發出能夠協調驅動這些硬件的控制軟件，使得所搭建的OCT 系統形成有機整體，并對數據進行處理和圖像重構等工作。

VC++編程能力和代碼的執行效率高，對硬件的控制能力強。但是在圖形處理和數據分析運算等方面代碼復雜、編程難度大，不利于需要圖形處理和數據分析運算的軟件的開發和維護。Matlab 具有強大的數據處理分析能力和繪圖能力，使得其在算法研究等科學領域中廣泛運用［8-12］。但是Matlab 代碼不能離開其運行環境而獨立運行，并對底層的硬件控制能力和效率都不如VC++高。為此，在軟件開發過程中，要是能結合VC++和Matlab 各自的優點［13］，就可以降低軟件開發難道，提高軟件的開發效率。

本研究采用VC++與Matlab 混合編程技術開發二維頻域光學相干層析成像系統。

1 光學系統的搭建

二維相干層析系統示意圖如圖1所示。由圖1 可見，和一維頻域光學相干層析系統的組成相類似，二維相干層析系統可以分為:光源、樣品臂、參考臂、信號探測端等部分。不同之處在于平行光入射到分光鏡之前，會先經過柱透鏡。經過柱透鏡后，平行光會被匯聚成一條線。利用這條匯聚的光線照射到待測樣品表面，那么一次采集便能生成這條光線上待測樣品的結構信息。相比一維的單點成像需要多次采集而拼構成一條二維的待測樣品的結構信息而言，二維的系統大大提高了成像速度。

圖1 二維相干層析系統示意圖

由圖1 可見，光源發出的寬帶弱相干光被透鏡聚焦后進去光纖傳輸，而后從光纖輸出的光通過透鏡后準直成一束平行光。該束平行光通過柱透鏡后聚焦成一條線，透過分光鏡后，被分成兩束。其中一束入射到PZT 參考鏡中并被參考鏡發射回來形成參考光;另一束入射到待測樣品并被待測樣品后向散射或者反射回來，形成樣品光。參考光和樣品光返回分光鏡后相遇，倘若參考臂和樣品臂光程在一個相干長度范圍內，那么兩束光將發生干涉，形成干涉光。該干涉光在被CCD 相機采集之前，還需要使用光柵將該干涉光按波長分開，最后被CCD 相機采集并上傳到電腦中進行數據處理分析和圖像重構。

系統中柱透鏡使用型號為THORLABS 公司的LJ1821L1-B，焦距f=50 mm。線性移動平臺使用THORLABS 公司型號為MTS50/M-Z8 的電動平臺。該電動平臺行程為50 mm，分辨率為29 nm。CCD 相機使用深圳迪美捷公司型號為DC140M 相機，該相機有效像素為1 360×1 024，在該分辨率下幀率為7.5 fps，像元尺寸為4.65 μm×4.65 μm。驅動PZT 移相器的NI 卡采用NI 公司型號為NI USB-6009 的NI 卡。該NI 卡具有12 位數字I/O 輸出端，輸出電壓范圍為0～5 V。

2 系統控制軟件的開發

在硬件系統搭建完畢后，還需要開發出相應的控制軟件系統，才能使整套系統正常工作，為后續對光學相干層析的研究提供便利。為獲得高效的代碼執行效率、硬件控制能力，以及數據分析和圖像處理能力，本研究利用VC ++和Matlab 混合編程技術，充分利用軟件各自的優點，開發高效的控制軟件。

在VC++中調用Matlab 進行混合編程比較常用的方法有:①利用Matlab 引擎;②利用Matlab 自帶的MCC 編譯器;③利用MATCOM 編譯器;④利用Matlab的COM Build 工具等方法。以上方法各具優點和不足，根據實際需要，選擇合適的方法，才能取得事半功倍的效果。二維光學相干層析技術需要進行二維甚至三維的顯示以及比較復雜的圖像處理，如果能夠充分利用Matlab 提供的圖像工具箱和圖像函數，那么對軟件的開發將大大減小難度，代碼直觀，利于升級和維護。為此，選擇在VC ++中調用Matlab 引擎的方法相比其他方法具有明顯的優勢。

基于VC ++和Matlab 開發的軟件，所需驅動的硬件設備包括:①NI 卡，用于控制PZT 移相器產生移相;②線性電動移動平臺，用于帶動待測樣品進行橫向掃描;③面陣CCD 相機，用于對干涉光進行采集。這些設備產商都有提供SDK 工具包，便于根據需要進行二次開發。程序界面如圖2所示。

圖2 控制軟件運行界面

如圖2所示，軟件主要包括干涉圖像顯示區、線性電動移動平臺控制界面以及一些輸入框和控制按鈕。干涉圖像顯示區主要是用于顯示CCD 相機采集到的干涉信號(如圖2 中左半部分黑白相間的干涉條文)。CCD 相機自身可以根據光強條件自動調節曝光時間等參數，也可以根據需要人工對包括曝光時間、對比度等參數進行設定。

電動平臺控制界面用于對線性電動移動平臺的控制，達到對樣品進行掃描的目的。可以根據需要設定電動平臺的加速度、最大速度以及步進距離等運動參數。

當需要對待測樣品進行實時成像的時候，本研究調節好光路，選擇成像所需的方法，單機“監測數據”按鈕，程序便開始驅動CCD 相機進行干涉信號的采集，驅動PZT 移相器移相以及調用Matlab 引擎進行數據處理分析和圖像顯示。

程序流程圖如圖3所示。

圖3(a)為一次實時成像的流程圖，在關閉實時成像之前，程序一直按照該流程進行重復的圖像顯示。各硬件初始化完成后，單擊“監測數據”按鈕，程序控制NI 卡輸出預設定的電壓(電壓程序預設定好，也可根據需要在界面輸入而修改默認設定)，移相器接受電壓而伸長(移相)，而后驅動CCD 采集在該相位的干涉圖，并傳輸并存儲到計算機內存中，完成一副干涉圖的采集。如果還需另一個相位的圖像，則NI 卡重新輸出另一電壓值，驅動PZT 移相器產生另一伸長量，CCD 相機再進行一次數據采集，并存儲到計算機內存中。如果不需其他相位的干涉圖，則程序調用Matlab引擎，對剛保存在計算機內存的數據進行處理分析，并完成繪圖進行顯示。至此便完成一次實時成像。

圖3 控制流程圖

如果需要對圖像的數據進行保存，方便日后使用和分析處理，也可以單擊“采集數據”按鈕進行數據采集。控制流程圖如圖3所示。采集數據之前，先設定好數據所保存的位置，電動移動平臺的步距以及所需采集的次數等。在完成各硬件初始化后，NI 卡輸出電壓，驅動PZT 移相器產生移相，接著CCD 相機采集待測樣品某個位置在該相位下的干涉數據，保存到剛才設定的位置。如果還需其他相位的數據采集，則NI 卡再次輸出電壓，PZT 發生移相器發生相移，然后CCD 再次采集數據并保存數據。如果待測樣品該位置數據采集結束，則驅動電動移動平臺運動一個步距的距離，重新按照上述再次進行另外一個位置的數據的采集。

3 實驗及結果分析

筆者在完成二維頻域光學相干層析系統的硬件搭建和軟件開發調試后，進行對樣品進行成像，測試系統的可行性。所使用待測樣品為透明膠帶。該種透明膠帶由塑料薄膜層和膠水層組成。塑料薄膜層、膠水層以及空氣這三者之間它們的折射率都不相同，因此在光通過他們的分界面時，由于折射率的變化，光會產生反射現象，那么對該透明膠帶進行成像，會分出兩層三個界面。

CCD 相機獲取的干涉信號除了攜帶樣品結構信息的干涉條文，還包含很強的直流噪聲，以及自相干噪聲等。為了防止直流噪聲以及自相干噪聲等對最后的結果產生影響，筆者在對干涉信號進行傅里葉變換前，需要先去除直流噪聲。

經過對CCD 采集的干涉信號去除直流分量后，筆者對信號做傅里葉變換，最終便可以形成待測樣品的結構信息。透明膠帶結構信息圖如圖4所示。

圖4(a)左半部分(或右半部分)可以看出具有3條亮線，其中一條比較明亮，另外兩條比較弱。其中比較亮的一條為透明膠帶不黏的那一面的表面，中間那條表示的透明膠帶的塑料薄膜和膠水薄膜的分層界面，最左邊的一條為膠水和基體的分界面面。圖4(b)左半部分(或右半部分)也可以清晰地看出曲線具有3個峰，相應地對應不同的分層界面。可以看出該結果也是符合透明膠帶的實際情況的。

圖4 透明膠帶結構信息圖

然而，如果僅僅去除直流分量后做傅里葉變換，傅里葉變換后將會產生共軛鏡像，如圖4所示，在圖像的左右各有一個以光程差為零的點為對稱軸相對稱的圖像。假如零光程差的位置在樣品內部，則勢必造成樣品的結構信息圖像與其共軛鏡像相重疊，無法分辨樣品結構信息的問題。

為解決該問題方法有:①將零光程差的位置調節到樣品外部，這樣就不會造成混疊;②去除共軛鏡像。

本研究采用第二種方法，采用五步移相法，重新構造復數函數［14］，再進行傅里葉變換，從而去除共軛鏡像，去除共軛鏡像后透明膠帶結構信息如圖5所示。圖5 中(a)圖和(b)圖中均只有圖4 中對應的(a)圖和(b)圖的左半部分的樣品結構信息了。

對比圖4 和圖5 可知，五步移相法不僅把共軛鏡像去除，而且還增強了圖像的信噪比。

4 結束語

基于VC++和Matlab 的二維頻域光學相干層析成像系統具有易于操作，便于維護和升級的特點。在系統測試過程中，筆者對一層透明膠帶進行了成像，成像結果符合實際，證明了系統是可行的。

圖5 去除共軛鏡像后透明膠帶結構信息

由于一次成像便能產生二維的樣品結構信息，相比一維頻域光學相干層析成像系統，二維頻域光學相干層析具有快速成像的優點，并且軟件集成度高，功能全面，界面友好，對光學相干層析系統的開發具有促進作用。

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