高速振镜扫描控制系统的研制

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1、单位代码10006学号101010451分类号TN953毕业设计(论文)高速振镜扫描控制系统的研制学院名称生物与医学工程学院专业名称生物医学工程学生姓名曹桂明指导教师李昂2014年5月高速振镜扫描控制系统的研制曹桂明北京航空航天大学北京航空航天大学毕业设计(论文)第I页本人声明我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。作者：曹桂明签字：时间：2014年5月北京航空航天大学毕业设计(论文)第II页高速振镜扫描控制系统的研制学生：曹桂明指导教师：李昂摘要光学相干层析成像是一种新型的生物医学光学成像技术，它可以对生物组织进

2、行非侵入式，或微侵入式层析成像，成像的空间分辨率可以达到10um之内，成像深度可以达到2-3mm。这种技术以能够提供浅层软组织的微观形态图像而著称，在眼科、心血管科、肠胃科等领域都已经获得了广泛的临床应用。在实验室现有条件的基础之上，我们进行了有关光学相干层析成像系统的扫描控制系统的研制。在硬件方面，我们通过设计控制板卡，将各个控制部分集成化。首先，我们设计了四轴步进电机控制板卡，可以程控、也可手动控制高精度二维载物平台的X，Y平面移动、Z轴焦距调整以及扫描镜头旋转角度θ的调整；另一方面，我们设计了扫描振镜和线阵相机的控制板卡，这是整个控制系统的核心。上位机指令通过DA转换并放大，

3、转换为模拟电压信号，从而控制振镜的偏转；然后，通过AD转换将振镜的位置反馈给上位机，在合适的采样时机触发线阵相机曝光。在软件方面，一方面是对于步进电机输入方式的鉴定，包括方向/脉冲和CW/CCW两种输入方式。通过拨码开关选择相应的控制方式，输出相应的控制信号。另一方面是基于FPGA进行的扫描振镜的偏转和线阵相机的触发控制。整个FPGA控制程序包括串口通信模块、DA转换模块和AD转换模块，采用VerilogHDL编程语言，进行模块化设计。通过FPGA全并行控制系统中各个模块，大大提高了系统的运行速度和精度。通过实验证明，本课题的控制系统能够实现三角波扫描频率达到170Hz。配合线阵相

4、机，在每秒钟能够生成340像素*340像素*512像素的三维图像。相比于实验室中现有的OCT系统，三维成像速度可以提高超过300倍。关键词：光学相干层析成像、三维成像、扫描振镜、步进电机北京航空航天大学毕业设计(论文)第III页Thedevelopmentofhigh-speedgalvanometerscanningcontrolsystemAuthor:CaoGuimingTutor:LiAngAbstractOpticalcoherencetomography(OCT)isanoveltechniquethatenablesnoninvasiveorminimallyinva

5、sive,cross-sectionalimagingofbiologicaltissueatsub-10µmspatialresolutionandupto2-3mmimagingdepth.Thistechnologyisknownfortheshallowimagesofsofttissuemorphology.Ithasgainedwideclinicalapplicationinthefieldofophthalmology,cardiology,gastroenterology,etc.Onthebasisoftheexistingconditionsinourlabo

6、ratory,wedevelopathree-dimensionalOCTimagingcontrolsystem.Onthehardwareside,wedesignthecontrolboardthroughtheintegrationofvariouscontrolsections.First,wedesignedafour-axissteppermotorcontrolboardsothatthesteppermotorscanbeeitherprogrammedormanuallycontrolled,thecontrolboardcancontrolthemovemen

7、tofplatformX,Yaxis,Z-axisscanninglensfocallengthadjustmentandtheangleθofrotationadjustment;Ontheotherhand,wedesignedthecontrolboardofgalvanometerscanningandlineararraycamera,whichisthecoreofthewholecontrolsystem.Throughdigital-to-analog