[发明专利]一种基于扫描振镜的光学层析成像系统

说明书

本发明设计了一种基于扫描振镜的光学层析成像系统，所用元件包括：可见光激光源、MEMS二维扫描振镜、漫反射曲面、扩散膜和线阵CCD相机。通过以下步骤实现对不透光物体形状的重建：通过编程调整MEMS二维扫描振镜的振动参数，使得扫描振镜的反射光线在漫反射曲面上形成180度连续扫描轨迹；在物体后方放置透光扩散膜，由于物体不透光，在扩散膜上存在一块被遮挡的阴影区域，采用线阵CCD相机对扩散膜高速拍摄，获得原始光强数据；对原始数据进行处理，计算出阴影区域的实际空间位置，得到物体的两条边界线，通过180度扫描得到多条物体的边界线，从而完成对不透光物体形状的重建。本发明实现了光源对物体的180度连续扫描，提高了扫描速度，增加了原始数据的获取量，具有广阔的应用前景。

(一)技术领域

本发明属于光学层析成像技术领域，通过将扫描振镜应用到层析成像中，实现了光源对物体180度的连续扫描，提高了光源空间分辨率和扫描速度，大大增加了原始数据的获取量。

(二)背景技术

光学层析成像技术是一种应用光学方法检测流场情况的手段，可用于工业现场和大气污染检测，同时在生物医学上体现出很高的价值，如人体组织成像等等，具有非接触、非侵入、成像速度快、探测灵敏度高等优势。光源发出的光经过待测物体被探测器阵列接收，经过前期模块处理转化为重建算法可应用的原始数据。由于单一方向的物体信息不足以实现精确重建，因此需要从多个方向照射待测物体以得到物体在不同方向的投影信息，在理论上需要对物体实现大于180度的扫描。

为实现多角度投影，研究人员提出了很多方法，其中一种是在待测物体周围设置多组投影系统和相应的探测系统。如论文“Mariusz R.Selection of OpticalTomography Parameters for Gas Bubble Shape Analysis[J].Chemical and ProcessEngineering,2014,35(1):19-33.”提出一种光学层析成像方法，重建出二相流场中移动的气泡形状并计算出气泡的主要参数，该系统在管道周围均匀分布五个投影系统，激光器设置在正五边形的五个顶点，每个激光器所对的边上分别设置64个探测器，实现对流场五个角度的投影测量。又如专利“环形扇束光学层析成像激光空间阵列传感器”(CN02227757.9)中，在测量管段同一截面的管壁上交错布置15个发射器和15个接收器，每个发射器发出的扇形束由其对面的5个探测器接收，从而实现了二相流体在15个角度下的投影。在这种测量方式中，光源数目是有限的，光源点在空间中呈离散分布，因而只能获得某些角度下的投影数据，中间角度的数据存在大量缺失，对流场的精确重建有一定影响。实现多角度投影的另一种方式是采用机械结构配合高精度驱动电机实现一维或二维方向的扫描，这种扫描方式中，激光器和探测器保持相对静止，待测物体通过旋转台进行旋转，实现对物体大于180度的扫描，从而获得较多角度下的投影数据。专利“扩散光学层析和光声层析联合测量系统及方法”(CN201510346284.4)中，作者采用升降台和旋转台控制组成扫描系统调控物体，获得任意成像面的各个投影角度的信息，将所有像面信息组合，实现了整个物体的三维测量。这种方式只需要一个光源和探测器系统，操作简单，容易实现，但是同样也存在一些问题。由于投影角度的变化是通过伺服电机控制实现，因此角度变化仍是非连续的，获得的仍是多个离散角度下的测量数据，并未真正实现180度连续测量；同时，机械转动所需时间较长，扫描速度较慢，不适用于快速变化的流场，并且旋转台的不稳定振动也给系统引入一定的噪声。

为解决上述问题，在光学层析成像技术中引入扫描振镜，它是一种优良的扫描器件，具有高速度、高精度、高动态特性的优势。传统的机械扫描振镜依靠固定在X、Y两轴上的振镜电机彼此协调带动镜片转动，但是这种方式存在明显的缺陷，体积大、成本高，速度较低，且多为散装，大大限制了其应用。近些年发展起来的MEMS二维扫描振镜克服了以上缺陷，该类器件完全由单晶硅制成，反射镜面光学平坦且光滑，可以进行点对点扫描，扫描速度高达kHz级别，且成本较低，具有出色的重复性和可靠性。