基于刀口掃描法的光學(xué)醫(yī)療器械光斑直徑自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣 碩，陳一依，丁錫燕，馮樂(lè)菲，范書(shū)健，王春雨，張 克

（山東省醫(yī)療器械和藥品包裝檢驗(yàn)研究院醫(yī)用電器室，濟(jì)南250101）

0 引言

隨著光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和醫(yī)學(xué)水平的日益進(jìn)步，光學(xué)醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)在我國(guó)得到了快速發(fā)展，越來(lái)越多的光學(xué)醫(yī)療器械涌入市場(chǎng)，加強(qiáng)其質(zhì)量控制成為了行業(yè)發(fā)展的重要前提。光學(xué)醫(yī)療器械在擁有其獨(dú)特的治療功能的同時(shí)也有其特殊的危害——視網(wǎng)膜傷害和熱灼傷[1]，尤其是激光產(chǎn)品。人們?cè)絹?lái)越重視光輻射的危害[2]，因此從生產(chǎn)階段到監(jiān)管環(huán)節(jié)相關(guān)光學(xué)參數(shù)的測(cè)量十分重要。目前可供臨床選擇的光源種類越來(lái)越多[3-4]，光學(xué)參數(shù)存在很大差異，測(cè)試難度也越來(lái)越大。光斑直徑是光學(xué)醫(yī)療器械的主要性能指標(biāo)之一，主要反映光在作用面的有效尺寸，其有效評(píng)價(jià)對(duì)于評(píng)估光學(xué)醫(yī)療器械的安全性和有效性有著重要意義[5]。但是光學(xué)醫(yī)療器械種類繁多，各類激光治療設(shè)備、光譜治療設(shè)備、輔助診斷與治療的光學(xué)醫(yī)療器械等的波長(zhǎng)、模式、調(diào)制方式、功率或能量各不相同[6]，出光面尺寸更是能從毫米量級(jí)到分米量級(jí)不等，在實(shí)際的光斑直徑測(cè)試中常常因?yàn)閰?shù)的變化導(dǎo)致測(cè)試?yán)щy。因此，研究不同尺寸、波段、模式、輸出功率/能量、調(diào)制方式下的光斑直徑的測(cè)試、評(píng)價(jià)方法具有很大的必要性。

最常用的光斑直徑測(cè)試方法為CCD（chargecoupled device）法和刀口法。CCD 法是利用線陣CCD作為光電探測(cè)器采集光束信息，CCD 輸出的光經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)化后通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理得到光束的能量分布，再根據(jù)需要計(jì)算符合相應(yīng)取值方式的光斑直徑值[7]。CCD 法測(cè)試中，直接用CCD 陣列采集光束圖像測(cè)量光斑直徑兼具效率和準(zhǔn)確性，但是因CCD損傷閾值過(guò)低、適用波段窄、感光尺寸較小，許多光源須使用衰減器、縮束器后再入射到CCD 相機(jī)，不可避免地造成光斑畸變，大大降低了測(cè)試準(zhǔn)確性。刀口法則是利用移動(dòng)的刀片從最初光束未被刀片遮擋，再隨著固定刀片的位移臺(tái)逐漸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致光束被刀片遮擋越來(lái)越多，光功率計(jì)上的功率值越來(lái)越小，從而分析光斑截面功率分布，計(jì)算出光斑直徑的一種方法。傳統(tǒng)的刀口法需要實(shí)驗(yàn)人員手動(dòng)測(cè)量刀片移動(dòng)距離或是人工讀取螺旋測(cè)微器的示值，容易引入人為誤差，測(cè)試精度、效率都比較低。為了更好地滿足測(cè)試需求，本文設(shè)計(jì)基于刀口掃描法的光學(xué)醫(yī)療器械光斑直徑自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)光截面上相互正交的2 個(gè)方向的光強(qiáng)度自動(dòng)掃描，并加以數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)高適應(yīng)性的光斑直徑測(cè)試方法，將有效彌補(bǔ)CCD 法波長(zhǎng)適用范圍窄的問(wèn)題，也將解決傳統(tǒng)刀口法測(cè)試效率低、系統(tǒng)和人為誤差大的弊端。

1 刀口法測(cè)試光斑直徑原理

采用刀口法測(cè)試光斑直徑的原理是：在被測(cè)光源截面上，利用沿光斑直徑方向移動(dòng)的刀口，記錄透過(guò)功率為光源總輸出功率的84%時(shí)的位置X1和透過(guò)功率為總輸出功率的16%時(shí)的位置X2，從而計(jì)算出光斑直徑為d=2|X1-X2|。需要指出的是，84%和16%的比例選取是一種通用的取值方式，對(duì)應(yīng)不同的標(biāo)準(zhǔn)和不同的需求，這個(gè)值是可以變化的，光斑直徑的計(jì)算公式也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化[8-10]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光斑直徑自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的工作原理圖如圖1 所示。待測(cè)光源出射的光經(jīng)過(guò)刀口入射到光功率計(jì)上，電動(dòng)位移臺(tái)通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制位移，從而使位移臺(tái)上的刀口緩慢移動(dòng)，測(cè)試軟件將同步記錄刀片位置和各位置的光功率/能量，經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算或者擬合后，將光斑直徑測(cè)試結(jié)果顯示在裝有光斑測(cè)試軟件的計(jì)算機(jī)上。

圖1 光斑直徑自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)工作原理圖

本測(cè)試系統(tǒng)主要由光斑直徑測(cè)試軟件、電動(dòng)機(jī)控制器、刀口移動(dòng)裝置、高靈敏度功率計(jì)、光源固定裝置和調(diào)節(jié)架、光闌等組成，實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 光斑直徑測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

其中，高靈敏度功率計(jì)采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的以色列OPHIR 公司生產(chǎn)的NOVAⅡ型激光功率/能量測(cè)試儀。該測(cè)試儀由表頭和探頭組成，表頭和探頭之間通過(guò)串口連接。一個(gè)表頭可與多種探頭兼容適配，并具有自動(dòng)識(shí)別探頭型號(hào)的功能，即只需要更換探頭就可實(shí)現(xiàn)不同功率/能量的測(cè)試，無(wú)需另外增加光衰減器。電動(dòng)機(jī)控制器和刀口移動(dòng)裝置采用北京賽凡光電儀器有限公司生產(chǎn)的7SC303 型三軸運(yùn)動(dòng)控制器和7STA1030 型電動(dòng)平移臺(tái)，二者聯(lián)合實(shí)現(xiàn)刀口的自動(dòng)、精準(zhǔn)移動(dòng)。調(diào)節(jié)架采用北京卓立漢光儀器有限公司生產(chǎn)的TSMW-XYZT-1 型五維調(diào)節(jié)架。光源固定裝置固定在調(diào)節(jié)架上方，為自制光源夾持器，可根據(jù)光源實(shí)際尺寸調(diào)節(jié)上面的壓片位置，再擰緊2 個(gè)緊固螺釘，從而實(shí)現(xiàn)光源的良好固定。光闌采用北京卓立漢光儀器有限公司生產(chǎn)的APID22-1 型可調(diào)光闌，孔徑調(diào)節(jié)范圍為1.5～22 mm，可滿足調(diào)光需求。

光斑直徑測(cè)試軟件主要是基于LabVIEW 開(kāi)發(fā)，采用C++語(yǔ)言編程。光斑直徑測(cè)試軟件流程圖如圖3 所示。軟件初始化后根據(jù)光源尺寸大小設(shè)置測(cè)試距離，即刀口將移動(dòng)的總距離；再根據(jù)測(cè)試需要設(shè)置分辨力及刀口每一次的步進(jìn)距離，軟件將控制電動(dòng)機(jī)按此設(shè)置逐漸移動(dòng)，每移動(dòng)一次，記錄一次位置值和高靈敏度功率計(jì)測(cè)試的功率值，直至完成所設(shè)定測(cè)試距離的位置的測(cè)試。

圖3 光斑直徑測(cè)試軟件流程圖

3 系統(tǒng)功能

光斑直徑自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)是在傳統(tǒng)刀口法的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)刀口移動(dòng)裝置的控制，可自動(dòng)、精準(zhǔn)調(diào)控刀口的移動(dòng)速度和移動(dòng)距離，并同步采集光功率計(jì)測(cè)量的激光強(qiáng)度信號(hào)，具備以下功能優(yōu)勢(shì)：

（1）刀口位置自動(dòng)控制：本測(cè)試系統(tǒng)可以通過(guò)高精度的電動(dòng)平移臺(tái)精準(zhǔn)控制刀口位置，并根據(jù)實(shí)際需要預(yù)置各個(gè)方向的分辨力、測(cè)試距離、位移速度，且可實(shí)現(xiàn)2 個(gè)相互正交的方向的刀口位置的數(shù)字化、自動(dòng)化測(cè)試。

（2）光源準(zhǔn)直：本測(cè)試系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)節(jié)光闌的孔徑大小實(shí)現(xiàn)光源的準(zhǔn)直，具體調(diào)節(jié)方法為將光源固定在調(diào)節(jié)架上方的光源固定裝置上，縮小光闌的孔徑，調(diào)節(jié)各方向位置，直至穿過(guò)小孔的光功率最大后再將光闌打開(kāi)，即完成光路準(zhǔn)直。

（3）顯示功能：在完成一個(gè)方向的光功率掃描之后，軟件界面上可以顯示總功率-位置變化曲線圖和光斑截面功率-位置變化曲線圖。測(cè)試完成后的軟件界面如圖4 所示，結(jié)果欄會(huì)顯示半高全寬和光斑直徑測(cè)試結(jié)果。

圖4 光斑直徑測(cè)試結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 儀器配置

選擇中心波長(zhǎng)為650 nm 左右的半導(dǎo)體激光器作為待測(cè)光源，該激光器的輸出功率約為5.0 mW。激光功率/能量測(cè)試儀由表頭和探頭2 個(gè)部分組成。其中表頭選用以色列OPHIR 公司生產(chǎn)的NOVA Ⅱ型的表頭，可以通過(guò)搭配不同的探頭，設(shè)置待測(cè)光源的波長(zhǎng)范圍以及根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置待測(cè)光源的功率或能量范圍，從而準(zhǔn)確顯示測(cè)得的功率或能量。探頭選用以色列OPHIR 公司生產(chǎn)的PD300-1W ROHS型號(hào)的激光功率探頭，此探頭通常用于測(cè)試較小的光功率，分為有濾光片和無(wú)濾光片2 種模式。無(wú)濾光片的功率測(cè)量范圍是5 nW～30 mW，而加上濾光片則可以增加到200 μW～300 mW。由于待測(cè)光源輸出功率在5 nW～30 mW 量程范圍內(nèi)，所以選擇無(wú)濾光片的模式。

4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

首先，調(diào)節(jié)光路，將待測(cè)光源的激光發(fā)射面固定在距離刀口10 cm 的位置，同時(shí)控制激光功率/能量測(cè)試儀探頭距離刀口也是10 cm，并使激光光斑可以完整地投射到激光功率/能量測(cè)試儀的光敏傳感器上，保證激光光斑不會(huì)由于溢出探測(cè)器的邊界導(dǎo)致激光功率/能量測(cè)試儀探測(cè)到的激光強(qiáng)度測(cè)量值不準(zhǔn)確。隨后，將光源打開(kāi)，為了確認(rèn)激光光斑的形貌，采用CCD 相機(jī)對(duì)光斑進(jìn)行測(cè)試。CCD 相機(jī)是以色列OPHIR 公司生產(chǎn)的型號(hào)為SP620U 的CCD 相機(jī)，搭配設(shè)備配套的Beamgage 軟件，可根據(jù)光強(qiáng)直接顯示出光斑直徑，如圖5 所示。左側(cè)的“D4σY”即為CCD相機(jī)用內(nèi)部自帶的4σ 算法自動(dòng)測(cè)出的光斑的短軸長(zhǎng)度，為0.924 9 mm。接下來(lái)，利用光斑直徑自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量該光斑的短軸長(zhǎng)度。在利用CCD 相機(jī)調(diào)整好光斑的角度后，打開(kāi)系統(tǒng)電源和光斑直徑測(cè)試軟件，進(jìn)入光斑直徑測(cè)試軟件界面，如圖6 所示。通過(guò)“自由增加”或“自由減少”按鈕，大致確定光斑位置，使刀口盡量靠近光斑，但不對(duì)光斑產(chǎn)生遮擋。然后，設(shè)置步進(jìn)值，計(jì)算機(jī)將按此步進(jìn)值自動(dòng)讀取刀口每次移動(dòng)后激光功率/能量測(cè)試儀所測(cè)出來(lái)的數(shù)值并記錄。設(shè)置完步進(jìn)值后需要設(shè)置測(cè)試距離，即整個(gè)采集過(guò)程中刀片將要移動(dòng)的總位移。最后，設(shè)置好保存路徑，點(diǎn)擊圖6 左側(cè)的“啟動(dòng)”按鈕，刀片便開(kāi)始以設(shè)置的步進(jìn)值進(jìn)行移動(dòng)，并在完成設(shè)置的測(cè)試距離的移動(dòng)后自動(dòng)停止運(yùn)行。

圖5 CCD 相機(jī)下的光斑

圖6 光斑直徑測(cè)試軟件界面

4.3 數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

實(shí)時(shí)采集到的總功率隨刀片位置的變化曲線如圖7 所示。圖7 的曲線特征非常明顯，刀片的起始位置是29.95 mm，首先是一段較為平穩(wěn)的直線，這是因?yàn)榈镀瑒倓傞_(kāi)始移動(dòng)時(shí)，刀片距離光束仍有一段距離，因此在最初采集數(shù)據(jù)時(shí)，刀片并不會(huì)遮擋到光斑，所以激光功率/能量測(cè)試儀的讀數(shù)基本不會(huì)產(chǎn)生變化。隨后，當(dāng)?shù)镀奈恢迷?0.80 mm 時(shí)功率會(huì)開(kāi)始有一段非常短暫的緩慢下降過(guò)程，原因是刀片開(kāi)始遮擋光束的外沿，而這些光束的外沿是由于光束的發(fā)散甚至衍射造成的，因此其強(qiáng)度較弱，被刀片遮擋時(shí)雖然會(huì)造成激光功率/能量測(cè)試儀讀數(shù)的下降，但是由于功率太低，所以功率值下降得比較緩慢。緊接著，當(dāng)?shù)镀奈恢锰幱?1.10 mm 時(shí)，曲線進(jìn)入到了一段功率隨著刀片的位置的移動(dòng)而急速下降的階段，這是由于刀片開(kāi)始遮擋光斑中能量較大的部分，鑒于激光準(zhǔn)直性好這一特點(diǎn)，光斑的功率迅速下降。直到刀片的位置到達(dá)31.60 mm 處時(shí)，刀片再次開(kāi)始遮擋功率較小的光束外沿部分，功率的下降再次減緩。最后，當(dāng)?shù)镀恢玫竭_(dá)31.90 mm 時(shí)刀片完全將光束遮擋，激光功率/能量測(cè)試儀的讀數(shù)變?yōu)?，并不再隨刀片的位置變化而變化。

將刀片移動(dòng)的全過(guò)程中實(shí)時(shí)采集的激光總功率進(jìn)行微分并進(jìn)行歸一化后得到的激光光束在不同位置處的激光相對(duì)強(qiáng)度的變化曲線如圖8 所示。由圖8 還可看出激光光斑截面上激光強(qiáng)度的變化規(guī)律，并明顯地看出激光能量最強(qiáng)的中心點(diǎn)在31.30 mm位置處，且激光的光斑邊緣的位置在30.80 mm 和31.90 mm 位置處。結(jié)合圖7 可以計(jì)算出整個(gè)激光光束的光斑直徑為0.9 mm。此數(shù)值與CCD 法所測(cè)得的數(shù)值接近，進(jìn)一步證明了本測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

圖7 總功率-位置變化曲線圖

圖8 光斑截面功率-位置變化曲線圖

5 結(jié)語(yǔ)

本測(cè)試系統(tǒng)是基于刀口掃描法原理對(duì)光學(xué)醫(yī)療器械光斑直徑進(jìn)行測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置，具有刀口法測(cè)量光斑直徑的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)通過(guò)軟件的全自動(dòng)控制，可以更精確地對(duì)刀片的移動(dòng)距離進(jìn)行把控。另外，本測(cè)試系統(tǒng)可測(cè)量功率與位移的關(guān)系，還可以直接讀出光斑中心與光斑直徑，有效解決了傳統(tǒng)光斑直徑測(cè)試方法存在的問(wèn)題。

但是本測(cè)試系統(tǒng)仍存在一些不足：（1）待測(cè)光源形狀、尺寸多樣，樣品夾持部件的設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步完善；（2）測(cè)試光路僅能實(shí)現(xiàn)水平方向的測(cè)試，不能滿足須豎直方向測(cè)試的需求。下一步將針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，以滿足更廣泛的測(cè)試需求。