[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于掃描振鏡的光學(xué)層析成像系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711153991.7
• 申請(qǐng)日: 2017-11-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107796333B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐立軍;曹章;湯曉陽(yáng);高欣;解恒
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01B11/24
• 分類(lèi)號(hào): G01B11/24
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于掃描振鏡的光學(xué)層析成像系統(tǒng)，所用元件包括：可見(jiàn)光激光源、MEMS二維掃描振鏡、漫反射曲面、擴(kuò)散膜和線陣CCD相機(jī)。通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)不透光物體形狀的重建：通過(guò)編程調(diào)整MEMS二維掃描振鏡的振動(dòng)參數(shù)，使得掃描振鏡的反射光線在漫反射曲面上形成180度連續(xù)掃描軌跡；在物體后方放置透光擴(kuò)散膜，由于物體不透光，在擴(kuò)散膜上存在一塊被遮擋的陰影區(qū)域，采用線陣CCD相機(jī)對(duì)擴(kuò)散膜高速拍攝，獲得原始光強(qiáng)數(shù)據(jù)；對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出陰影區(qū)域的實(shí)際空間位置，得到物體的兩條邊界線，通過(guò)180度掃描得到多條物體的邊界線，從而完成對(duì)不透光物體形狀的重建。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了光源對(duì)物體的180度連續(xù)掃描，提高了掃描速度，增加了原始數(shù)據(jù)的獲取量，具有廣闊的應(yīng)用前景。

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)層析成像技術(shù)領(lǐng)域，通過(guò)將掃描振鏡應(yīng)用到層析成像中，實(shí)現(xiàn)了光源對(duì)物體180度的連續(xù)掃描，提高了光源空間分辨率和掃描速度，大大增加了原始數(shù)據(jù)的獲取量。

(二)背景技術(shù)

光學(xué)層析成像技術(shù)是一種應(yīng)用光學(xué)方法檢測(cè)流場(chǎng)情況的手段，可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和大氣污染檢測(cè)，同時(shí)在生物醫(yī)學(xué)上體現(xiàn)出很高的價(jià)值，如人體組織成像等等，具有非接觸、非侵入、成像速度快、探測(cè)靈敏度高等優(yōu)勢(shì)。光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)待測(cè)物體被探測(cè)器陣列接收，經(jīng)過(guò)前期模塊處理轉(zhuǎn)化為重建算法可應(yīng)用的原始數(shù)據(jù)。由于單一方向的物體信息不足以實(shí)現(xiàn)精確重建，因此需要從多個(gè)方向照射待測(cè)物體以得到物體在不同方向的投影信息，在理論上需要對(duì)物體實(shí)現(xiàn)大于180度的掃描。

為實(shí)現(xiàn)多角度投影，研究人員提出了很多方法，其中一種是在待測(cè)物體周?chē)O(shè)置多組投影系統(tǒng)和相應(yīng)的探測(cè)系統(tǒng)。如論文“Mariusz R.Selection of OpticalTomography Parameters for Gas Bubble Shape Analysis[J].Chemical and ProcessEngineering,2014,35(1):19-33.”提出一種光學(xué)層析成像方法，重建出二相流場(chǎng)中移動(dòng)的氣泡形狀并計(jì)算出氣泡的主要參數(shù)，該系統(tǒng)在管道周?chē)鶆蚍植嘉鍌€(gè)投影系統(tǒng)，激光器設(shè)置在正五邊形的五個(gè)頂點(diǎn)，每個(gè)激光器所對(duì)的邊上分別設(shè)置64個(gè)探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)五個(gè)角度的投影測(cè)量。又如專(zhuān)利“環(huán)形扇束光學(xué)層析成像激光空間陣列傳感器”(CN02227757.9)中，在測(cè)量管段同一截面的管壁上交錯(cuò)布置15個(gè)發(fā)射器和15個(gè)接收器，每個(gè)發(fā)射器發(fā)出的扇形束由其對(duì)面的5個(gè)探測(cè)器接收，從而實(shí)現(xiàn)了二相流體在15個(gè)角度下的投影。在這種測(cè)量方式中，光源數(shù)目是有限的，光源點(diǎn)在空間中呈離散分布，因而只能獲得某些角度下的投影數(shù)據(jù)，中間角度的數(shù)據(jù)存在大量缺失，對(duì)流場(chǎng)的精確重建有一定影響。實(shí)現(xiàn)多角度投影的另一種方式是采用機(jī)械結(jié)構(gòu)配合高精度驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)一維或二維方向的掃描，這種掃描方式中，激光器和探測(cè)器保持相對(duì)靜止，待測(cè)物體通過(guò)旋轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體大于180度的掃描，從而獲得較多角度下的投影數(shù)據(jù)。專(zhuān)利“擴(kuò)散光學(xué)層析和光聲層析聯(lián)合測(cè)量系統(tǒng)及方法”(CN201510346284.4)中，作者采用升降臺(tái)和旋轉(zhuǎn)臺(tái)控制組成掃描系統(tǒng)調(diào)控物體，獲得任意成像面的各個(gè)投影角度的信息，將所有像面信息組合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)物體的三維測(cè)量。這種方式只需要一個(gè)光源和探測(cè)器系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但是同樣也存在一些問(wèn)題。由于投影角度的變化是通過(guò)伺服電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，因此角度變化仍是非連續(xù)的，獲得的仍是多個(gè)離散角度下的測(cè)量數(shù)據(jù)，并未真正實(shí)現(xiàn)180度連續(xù)測(cè)量；同時(shí)，機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)所需時(shí)間較長(zhǎng)，掃描速度較慢，不適用于快速變化的流場(chǎng)，并且旋轉(zhuǎn)臺(tái)的不穩(wěn)定振動(dòng)也給系統(tǒng)引入一定的噪聲。

為解決上述問(wèn)題，在光學(xué)層析成像技術(shù)中引入掃描振鏡，它是一種優(yōu)良的掃描器件，具有高速度、高精度、高動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的機(jī)械掃描振鏡依靠固定在X、Y兩軸上的振鏡電機(jī)彼此協(xié)調(diào)帶動(dòng)鏡片轉(zhuǎn)動(dòng)，但是這種方式存在明顯的缺陷，體積大、成本高，速度較低，且多為散裝，大大限制了其應(yīng)用。近些年發(fā)展起來(lái)的MEMS二維掃描振鏡克服了以上缺陷，該類(lèi)器件完全由單晶硅制成，反射鏡面光學(xué)平坦且光滑，可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)掃描，掃描速度高達(dá)kHz級(jí)別，且成本較低，具有出色的重復(fù)性和可靠性。