一种基于扫描振镜的光学层析成像系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

An optical tomography system based on scanning galvanometer

The invention designs an optical tomography system based on scanning galvanometer. The components used include: visible laser source, MEMS two-dimensional scanning mirror, diffuse reflection surface, diffusion film and linear CCD camera. The reconstruction of opaque object shape through the following steps: the vibration parameter adjustment of MEMS programming two-dimensional scanning galvanometer, the reflection light scanning mirror to form a continuous 180 degree scan trajectory in diffuse reflection surface; light diffusion film placed on the back of objects, because the body is not transparent, in a diffusion membrane shadow area, using linear array CCD camera to film diffusion speed shot, to obtain the original light intensity data; the raw data processing, calculate the actual position of the shadow area, two border line objects, through a 180 degree scan boundary lines of the object, thus completing the reconstruction of light the shape of the object. The invention realizes 180 degree continuous scanning of the object by the light source, improves the scanning speed, increases the acquisition amount of the original data, and has a broad application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种基于扫描振镜的光学层析成像系统(一)
本专利技术属于光学层析成像
，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)
技术介绍
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“MariuszR.SelectionofOpticalTomographyParametersforGasBubbleShapeAnalysis[J].ChemicalandProcessEngineering,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，激光源设置在正五边形的五个顶点，每个激光源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，激光源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。在专利“一种步进角度激光装置”(CN201610561212.6)中，虽然已经将二维扫描振镜和旋转台结合，实现了对生物小样本的层析成像，但是扫描振镜的作用只是通过快速扫描完成某个投影角度下生物样本各点的吸收强度测量，投影角度的变化依然靠旋转台实现，因此并未实现真正的180度零间隔扫描。而本专利技术利用MEMS二维扫描振镜，配合以其他的辅助设计搭建了一种新型光学层析成像系统。在该系统中，通过MEMS二维扫描振镜的振动，使得振镜反射的激光在漫反射曲面上形成连续分布的二次光源点，空间分辨率高，投影数量可观，相对于现有系统光源点离散的特征做出了一定的创新和改进。该方法扫描速度快，光源点空间分布连续，通过一次扫描可以获取较多角度的原始数据，有利于下一步对物体的重建。(三)
技术实现思路
本专利技术针对光学层析成像技术中现有测量方式光源点离散的缺陷，提出一种基于扫描振镜的光学层析成像方法。该专利技术在扫描阶段引入MEMS二维扫描振镜，通过振镜振动在漫反射材料上形成180度的扫描轨迹，通过一次扫描就可获得较多投影角度下的原始数据，增大了数据量的获取，完成对不透光凸物体形状的重建。所用元件包括：MEMS二维扫描振镜、可见光激光器、漫反射曲面、扩散膜和线阵CCD相机。本专利技术采用的技术方案是：可见光激光源发出的激光打到MEMS二维扫描振镜上，反射光线在漫反射曲面上形成二次光源点，通过振镜扫描，使得二次光源点在漫反射曲面上形成180度的连续扫描轨迹；采用透光扩散膜和线阵CCD相机组合的方法检测光强，由于物体不透光，在扩散膜上存在一块被物体遮挡的阴影区域，扩散膜后方光路上离散摆放4个线阵CCD相机，对扩散膜进行高速拍摄，从而获得放置物体时180度扫描下的原始光强数据，用同样的方式测量空场，获得空场的光强数据；采用反投影方式重建物体形状：对原始光强数据进行初步的平滑和阈值处理，进行放置物体光强与不放置物体光强的计算，不透光物体使得光强数据存在向下的凹陷区域，计算机处理得到凹陷区域的起始位置P1和终止位置P2，对应到实际空间位置后得到物体的两条边界线，通过180度的扫描得到物体的多条边界线，从而完成对不透光物体形状的重建。本专利技术的优点在于：利用MEMS二维扫描振镜实现了光源点在空间中180度的连续扫描轨迹，提高了扫描速度，大大增多了原始数据的获取量，相比于传统的CT成像，该成像方法具有非接触、零辐射的优点，相比于现有的光学层析成像系统，具有投影数量多、灵敏度高、扫描速度快的优势。(四)附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。图1是成像系统整体结构图，图中激光器(11)，MEMS二维扫描振镜(12)，漫反射曲面(13)，待测物体(14)，扩散膜(15)，线阵CCD相机(16)。图2是扫描角度为90度时放置物体的原始光强数据图。图3是扫描角度为90度时空场的原始光强数据图。图4是初步平滑和阈值处理的数据图。图5是物体重建效果图。(五)具体实施方式步骤一：按照图1搭建系统，首先控制扫描振镜静止，激光源发出的激光打到MEMS二维扫描振镜镜面上发生镜面反射，反射光线打到漫反射曲面上形成二次光源点；编程控制振镜振动，调整振镜振动参数，使得二次光源点在漫反射面上形成180度连续扫描轨迹。步骤二：在漫反射曲面圆心处放置一不透光物体，物体后放置围成180度圆弧的透光扩散膜，扩散膜后方光路上离散摆放四个线阵CCD相机，对透光扩散膜进行高速拍摄，获得放置物体时180度扫描的原始光强数据；不放置物体，用线阵CCD相机对透光扩散膜进行高速拍摄，获得不放置物体情况下180度扫描的原始光强数据。以90度的原始光强数据为例，横坐标是扩散膜的每一点相对于物体的角度，纵坐标是扩散膜的每一点的光强，可以看出由于物体对漫反射光的遮挡，图2相比于图3存在明显的凹陷区域。步骤三：将180度扫描本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于扫描振镜的光学层析成像系统，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，其特征在于：激光源发出的激光经过振镜镜面反射在漫反射曲面上形成二次光源，通过振镜在两个相互垂直方向的振动，实现二次光源对物体的180度扫描，采取透光扩散膜和线阵CCD相机组合的方式检测光强，对检测到的光强数据采用反投影的方式重建出物体分布，实现对物体的层析成像。

【技术特征摘要】
1.一种基于扫描振镜的光学层析成像系统，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，其特征在于：激光源发出的激光经过振镜镜面反射在漫反射曲面上形成二次光源，通过振镜在两个相互垂直方向的振动，实现二次光源对物体的180度扫描，采取透光扩散膜和线阵CCD相机组合的方式检测光强，对检测到的光强数据采用反投影的方式重建出物体分布，实现对物体的层析成像。2.根据权利要求1所述的一种基于扫描振镜的光学层析成像系统，其特征在于：可见光激光源发出的激光打到MEMS二维振镜镜面上发生镜面反射，反射光线在漫反...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐立军，曹章，汤晓阳，高欣，解恒，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11