用于眼軸長度測量的弱光信號(hào)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與視光學(xué)研究所，上海 200093）

引言

眼軸長度的測量對于臨床上屈光不正檢測、人工晶體度數(shù)計(jì)算、白內(nèi)障患者術(shù)后情況監(jiān)測具有重要的意義。常用的眼軸測量方式主要有超聲生物測量及非接觸光學(xué)生物測量[1]，采用光學(xué)生物測量眼軸長度具有無接觸、精度高、測量時(shí)間短的特點(diǎn)，因而更有優(yōu)勢[2-3]。目前，臨床上使用較多的設(shè)備如IOL-Master、Lenstar LS900、OA1000 等在測量眼軸時(shí)均具有良好的重復(fù)性和再現(xiàn)性，測量精度可達(dá)到0.01 mm[4]。由于人眼視網(wǎng)膜反射率很低，從人眼眼底反射出來的光強(qiáng)度只有入射光的10?3～10?4[5]，遠(yuǎn)小于人眼角膜前表面的反射率（約為0.02）[6]。因此，這種干涉信號(hào)十分微弱，往往只有nW量級，需要放大后才能獲得有用信息。

目前，微弱光信號(hào)的提取主要通過光電探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為較好處理的電信號(hào)再進(jìn)行分析。根據(jù)不同的需求，微弱信號(hào)探測可以選擇不同的方式，常見微弱信號(hào)的檢測手段主要有：低噪聲放大器、鎖相放大器、取樣積分器、光子計(jì)數(shù)器等[7-9]。但上述方法存在放大倍數(shù)固定與可接受信號(hào)頻帶窄等問題，并不完全適用于眼軸長度測量中的微弱光信號(hào)探測。

為解決傳統(tǒng)方法存在的局限性，本文設(shè)計(jì)了一種用于眼軸長度測量的微弱信號(hào)檢測系統(tǒng)，對反射的光干涉信號(hào)進(jìn)行檢測。該系統(tǒng)通過自動(dòng)增益控制電路對信號(hào)進(jìn)行放大，對角膜反射信號(hào)和視網(wǎng)膜反射信號(hào)放大不同倍數(shù)，防止角膜反射信號(hào)過大導(dǎo)致滿偏，采用多次濾波的方式去除信號(hào)的直流分量并能夠較好地抑制背景噪聲，借助峰值檢波電路取得干涉信號(hào)的極大值，能夠快速提取出信號(hào)中所需的信息。通過對標(biāo)準(zhǔn)模擬眼進(jìn)行眼軸長度測量，驗(yàn)證了該弱信號(hào)探測系統(tǒng)的有效性。

1 眼軸長度測量方式

本文中眼軸長度的測量是基于雙光路外差干涉的原理搭建系統(tǒng)，當(dāng)測量光和參考光的光程差在相干長度以內(nèi)會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，而2束光波的光程相等時(shí)會(huì)產(chǎn)生干涉極大值信號(hào)，因此具有很好的空間定位特性[10]。在此相干長度的區(qū)間內(nèi)干涉條紋具有一個(gè)高斯形狀的干涉包絡(luò)，采用此包絡(luò)的峰值位置作為參考可以實(shí)現(xiàn)物理量的絕對測量[11]。采用的干涉測量系統(tǒng)如圖1所示，將參考鏡固定，使測量鏡勻速運(yùn)動(dòng)。光線通過光纖耦合器將入射光線分為2束，一路作為測試光路，進(jìn)入待測樣品；另一路作為參考光路，進(jìn)入?yún)⒖肩R。當(dāng)樣品表面反射回來的測試光和參考鏡反射回來的參考光光程小于相干長度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生外差干涉信號(hào)，使用光電探測電路捕捉干涉信號(hào)結(jié)合測量光路移動(dòng)的距離就可以標(biāo)記眼球前后表面的光學(xué)距離，再根據(jù)眼球的折射率即可計(jì)算出實(shí)際的眼軸長度。

圖1 雙光路干涉測量系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of double-optical path interferometry system

系統(tǒng)中通過移動(dòng)測量鏡，當(dāng)測量光與參考光光程差為零時(shí)，產(chǎn)生干涉的極大值，干涉信號(hào)特征頻率根據(jù)多普勒頻移公式為[12]

式中：v是測量鏡的移動(dòng)速度為45 mm/s；λ是光源的中心波長為790 nm。根據(jù)計(jì)算測量光與參考光發(fā)生干涉后的信號(hào)特征頻率是115 kHz。

微弱信號(hào)探測系統(tǒng)整體內(nèi)容如圖2所示，首先通過PIN光電探測器將微弱光干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成比例的微弱電流信號(hào)，再通過I-V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。同時(shí)采用了自動(dòng)增益控制電路對反射的信號(hào)進(jìn)行放大。系統(tǒng)中測量鏡移動(dòng)速度根據(jù)精度為5 μm的位移傳感器反饋值進(jìn)行控制。因此，信號(hào)的特征頻率會(huì)有一定的波動(dòng)。采用帶通濾波器可以濾除所需頻率范圍之外的干擾，提高信噪比。最后通過峰值檢波電路獲得信號(hào)的包絡(luò)，并采用 低通濾波電路濾除信號(hào)包絡(luò)上的毛刺以減少誤判。

圖2 微弱信號(hào)探測原理框圖Fig.2 Schematic block diagram of weak signal detection

2 I-V轉(zhuǎn)換電路

光電探測器種類繁多，用于微弱光信號(hào)探測的器件需要達(dá)到噪聲低、響應(yīng)速度快、信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中不失真、工作狀態(tài)穩(wěn)定的要求[13]。因此，本文選取北京敏光公司生產(chǎn)的LSSPD-0.5型號(hào)的PIN光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件，該光電二極管響應(yīng)率為0.45 mA/mW0.45，可用于400 nm～1 100 nm波長的微弱光信號(hào)檢測。所設(shè)計(jì)的I-V轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。其中補(bǔ)償電容C2與R2并聯(lián)用于濾除信號(hào)中的高頻噪聲以及防止電路自激振蕩。反饋電阻采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)更大的跨阻增益，同時(shí)還可提高電阻匹配程度，減少二極管漏電流對電路的影響[14]。對于由R2、R4、R5所構(gòu)成T型網(wǎng)絡(luò)來說，其等效電阻Req為

圖3 I-V轉(zhuǎn)換電路Fig.3 I-V conversion circuit

但這種電路在放大信號(hào)的同時(shí)也會(huì)將自身的直流偏置放大，因此可以取R2遠(yuǎn) 遠(yuǎn)大于R4，得到電路總體偏置電壓為

式中：IB?表示運(yùn)放輸入電流；IB+表示運(yùn)放同相輸入端電流；IL表示二極管漏電流；Vos表示運(yùn)放輸入偏置電壓。可以看出，當(dāng)R1和R2相等時(shí)可以減小輸入電流引起的偏置，R4和R5取值相差不能過大，保證運(yùn)放輸入偏置電壓和二極管漏電流產(chǎn)生的電壓在一定范圍內(nèi)。

元器件的選擇對于電路整體性能也有著較大的影響，用于前置放大的運(yùn)放一般要求輸入偏置電流比輸入信號(hào)小1～2個(gè)數(shù)量級[15]，有較高的輸入電阻，同時(shí)還需兼顧失調(diào)電壓，輸入噪聲密度等因素。因此，本文選用具有低噪聲、低偏置電流和高速特性的運(yùn)算放大器AD8065 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的I-V轉(zhuǎn)換。

本文選取的PIN光電二極管將光電傳感器部分完全封裝在圓柱屏蔽外殼內(nèi)并將殼體接地，可以在一定程度上減少外部干擾，抑制散粒噪聲。將去耦電容和高頻旁路電容連接在運(yùn)放供電引腳與地之間，穩(wěn)定運(yùn)放的電源端電壓，濾除高頻噪聲。

3 自動(dòng)增益放大電路

由于眼軸前后表面反射信號(hào)幅值相差較大，采用傳統(tǒng)的線性放大電路容易將角膜返回的信號(hào)放大至飽和，影響最終的測量精度。針對這一現(xiàn)象，后續(xù)電路設(shè)計(jì)了一種能夠進(jìn)行自動(dòng)增益控制的非線性放大電路。當(dāng)接收前表面反射的信號(hào)時(shí)，對應(yīng)的放大倍數(shù)較小，當(dāng)接收眼底反射的微弱信號(hào)時(shí)，電路切換為高增益。

本文選擇運(yùn)放AD603 用于自動(dòng)增益控制電路，其構(gòu)成的自動(dòng)增益控制電路如圖4所示。根據(jù)AD603的原理，其增益GdB與控制電壓VG呈線性關(guān)系為

圖4 自動(dòng)增益控制電路Fig.4 Automatic gain control circuit

式中：Gn的大小是通過VOUT和FDBK 引腳間的外接電阻所決定的；VG可以通過改變輸入VGPOS與VGENG的電壓大小進(jìn)行改變。

由于AD603的輸入阻抗較小，通過在其信號(hào)輸入引腳前添加一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成同相比例放大電路，既使AD603 獲得足夠的驅(qū)動(dòng)，也能為信號(hào)提供一定的放大倍數(shù)。VGPOS大小可以通過調(diào)整電位器進(jìn)行改變。由于反射的干涉信號(hào)是交流信號(hào)，所以對AD603的輸出信號(hào)進(jìn)行峰值檢波，將整個(gè)干涉信號(hào)的包絡(luò)提取出來，接著設(shè)置低通濾波電路濾除信號(hào)包絡(luò)上的毛刺后輸入GENG 引腳作為控制電壓，根據(jù)（4）式即可計(jì)算出信號(hào)增益大小。

4 后級處理電路

為了從背景噪聲中得到所需信號(hào)，采用四階模擬帶通濾波電路濾除通頻帶以外的干擾，便于后續(xù)處理。濾波電路采用多重反饋型帶通濾波器構(gòu)成，具有使用網(wǎng)絡(luò)元件較少、特性穩(wěn)定、輸出阻抗低的特點(diǎn)。最終，采用濾波器設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)中心頻率為115 kHz、通帶為20 kHz的帶通濾波器提升信號(hào)質(zhì)量。

后續(xù)對信號(hào)的處理只需要取得干涉信號(hào)峰值的相關(guān)信息，因此采用峰值檢波電路獲取干涉信號(hào)的包絡(luò)線，可以降低輸入單片機(jī)信號(hào)的頻率并保證所需信息不會(huì)丟失，更準(zhǔn)確地檢測出信號(hào)的峰值。峰值檢波電路設(shè)計(jì)如圖5所示，當(dāng)輸入信號(hào)的電壓增加時(shí)，D2由于運(yùn)放U1A輸出的正向電壓導(dǎo)通對C6進(jìn)行充電，D1反向偏置，輸出信號(hào)幅值會(huì)比輸入低約0.3 V。當(dāng)輸入信號(hào)電壓下降時(shí)，運(yùn)放U1A輸出電壓下降，C6兩端電壓高于運(yùn)放輸出電壓，D2反向偏置，D1導(dǎo)通，為U1 提供一個(gè)局部反饋，輸出電壓跟蹤電容C6上的電壓。為了保證峰值檢波器的性能，C6可選用470pF的小電容，R1取100 kΩ，檢波二極管選取具有導(dǎo)通速度快，頻率特性好的肖基特二極管1N5819。運(yùn)放則選用低偏置、低噪聲的OPA2356。

圖5 峰值檢波電路Fig.5 Peak value detection circuit

將檢波后的信號(hào)輸入截止頻率為5 kHz的低通濾波電路濾除包絡(luò)線上的毛刺噪聲，配合位移傳感器數(shù)據(jù)一同傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行處理，即可獲得眼軸長度信息。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中使用眼軸長度為20.80 mm的ZIESS 標(biāo)準(zhǔn)模擬眼為對象進(jìn)行測量，對微弱信號(hào)探測電路的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。為保證測量過程的安全性，需遵循國家標(biāo)準(zhǔn)YY0792.2-2010《眼內(nèi)照明器光輻射安全》要求使用的入射的激光功率必須小于1 mW。通過改變激光控制端口的電壓可以對進(jìn)入模擬眼的功率大小進(jìn)行調(diào)整，使用光功率計(jì)可以測得最終進(jìn)入PIN光電二極管的光干涉信號(hào)功率強(qiáng)度。為減少信號(hào)受到外界環(huán)境噪聲的影響，將電路封裝在金屬盒內(nèi)，輸出信號(hào)線采用較短的屏蔽線。通過本檢測電路，可以得到標(biāo)準(zhǔn)模擬眼的前表面和后表面的干涉信號(hào)及其包絡(luò)形狀。信號(hào)在通過帶通濾波電路和峰值檢測電路時(shí)輸出的信號(hào)在示波器中如圖6所示。

所設(shè)計(jì)的電路可以將微弱信號(hào)基本無失真地放大且信號(hào)峰值處信噪比達(dá)到9 dB 以上。通過改變激光器的控制電壓得到不同的入射光功率，為防止信號(hào)飽和無法觀察其特征，實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)運(yùn)放AD603 引腳的電壓改變自動(dòng)增益控制電路增益，最后測得的輸入光功率與輸出信號(hào)的幅度關(guān)系如圖7所示。

圖6 電路輸出信號(hào)Fig.6 Circuit output signal

圖7 輸入輸出信號(hào)對比Fig.7 Comparison of input and output signals

電路最小能探測到的信號(hào)大約在0.77 nW，最大光電轉(zhuǎn)換能力可達(dá)4.5×108V/W，如果信號(hào)再小會(huì)導(dǎo)致其被噪聲淹沒，無法辨別出來。對此，可以通過選擇性能更高的運(yùn)放和優(yōu)化電路布局等方式來減小噪聲，提高信噪比。將電路輸出的信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后配合峰值位置信息即可計(jì)算出模擬眼眼軸長度，進(jìn)行50次測量的結(jié)果如圖8所示。

圖8 眼軸長度測試結(jié)果Fig.8 Eye axis length test result

由圖8可知，50次測量結(jié)果的平均值為20.799 4 mm，總體標(biāo)準(zhǔn)差為0.005 8，與標(biāo)準(zhǔn)模擬眼的實(shí)際長度相比最大存在0.05%的相對誤差。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于眼軸長度測量的微弱光信號(hào)檢測系統(tǒng)，針對微弱信號(hào)檢測時(shí)易受噪聲干擾的問題，在電路設(shè)計(jì)中采用靈敏度高、噪聲小PIN光電二極管作為光電傳感器，通過選取低噪聲、低偏置電流的運(yùn)放，盡量減少元器件本身對信號(hào)的影響，同時(shí)對器件進(jìn)行合理布局進(jìn)行解決。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以將低至nW量級的微弱光信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后放大為數(shù)百mV量級的電信號(hào)，成功地將模擬眼眼底反射的信號(hào)放大至可觀察狀態(tài)，為后級的AD轉(zhuǎn)換提供了可靠的信號(hào)。實(shí)驗(yàn)最終測得眼軸長度結(jié)果較為穩(wěn)定，為眼軸長度的測量提供了一種快速易行的信號(hào)探測方法。