（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、測量時間短的特點，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 等在測量眼軸時均具有良好的重復(fù)性和再現(xiàn)性，測量精度可達到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度只有入射光的10?3～10?4[5]，遠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，微弱光信號的提取主要通過光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為較好處理的電信號再進行分析。根據(jù)不同的需求，微弱信號探測可以選擇不同的方式，常見微弱信號的檢測手段主要有：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探測。

為解決傳統(tǒng)方法存在的局限性，本文設(shè)計了一種用于眼軸長度測量的微弱信號檢測系統(tǒng)，對反射的光干涉信號進行檢測。該系統(tǒng)通過自動增益控制電路對信號進行放大，對角膜反射信號和視網(wǎng)膜反射信號放大不同倍數(shù)，防止角膜反射信號過大導(dǎo)致滿偏，采用多次濾波的方式去除信號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的極大值，能夠快速提取出信號中所需的信息。通過對標準模擬眼進行眼軸長度測量，驗證了該弱信號探測系統(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)，當測量光和參考光的光程差在相干長度以內(nèi)會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，而2束光波的光程相等時會產(chǎn)生干涉極大值信號，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，使測量鏡勻速運動。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，進入待測樣品；另一路作為參考光路，進入?yún)⒖肩R。當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，會產(chǎn)生外差干涉信號，使用光電探測電路捕捉干涉信號結(jié)合測量光路移動的距離就可以標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算出實際的眼軸長度。

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

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

微弱信號探測系統(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轉(zhuǎn)換成與之成比例的微弱電流信號，再通過I-V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號。同時采用了自動增益控制電路對反射的信號進行放大。系統(tǒng)中測量鏡移動速度根據(jù)精度為5 μm的位移傳感器反饋值進行控制。因此，信號的特征頻率會有一定的波動。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的包絡(luò)，并采用 低通濾波電路濾除信號包絡(luò)上的毛刺以減少誤判。

圖2 微弱信號探測原理框圖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，用于微弱光信號探測的器件需要達到噪聲低、響應(yīng)速度快、信號轉(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波長的微弱光信號檢測。所設(shè)計的I-V轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。其中補償電容C2與R2并聯(lián)用于濾除信號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)可以實現(xiàn)更大的跨阻增益，同時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的同時也會將自身的直流偏置放大，因此可以取R2遠 遠大于R4，得到電路總體偏置電壓為

式中：IB?表示運放輸入電流；IB+表示運放同相輸入端電流；IL表示二極管漏電流；Vos表示運放輸入偏置電壓?？梢钥闯?，當R1和R2相等時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，用于前置放大的運放一般要求輸入偏置電流比輸入信號小1～2個數(shù)量級[15]，有較高的輸入電阻，同時還需兼顧失調(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算放大器AD8065 實現(xiàn)信號的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放供電引腳與地之間，穩(wěn)定運放的電源端電壓，濾除高頻噪聲。

3 自動增益放大電路

由于眼軸前后表面反射信號幅值相差較大，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)計了一種能夠進行自動增益控制的非線性放大電路。當接收前表面反射的信號時，對應(yīng)的放大倍數(shù)較小，當接收眼底反射的微弱信號時，電路切換為高增益。

本文選擇運放AD603 用于自動增益控制電路，其構(gòu)成的自動增益控制電路如圖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的電壓大小進行改變。

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

4 后級處理電路

為了從背景噪聲中得到所需信號，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。最終，采用濾波器設(shè)計軟件設(shè)計中心頻率為115 kHz、通帶為20 kHz的帶通濾波器提升信號質(zhì)量。

后續(xù)對信號的處理只需要取得干涉信號峰值的相關(guān)信息，因此采用峰值檢波電路獲取干涉信號的包絡(luò)線，可以降低輸入單片機信號的頻率并保證所需信息不會丟失，更準確地檢測出信號的峰值。峰值檢波電路設(shè)計如圖5所示，當輸入信號的電壓增加時，D2由于運放U1A輸出的正向電壓導(dǎo)通對C6進行充電，D1反向偏置，輸出信號幅值會比輸入低約0.3 V。當輸入信號電壓下降時，運放U1A輸出電壓下降，C6兩端電壓高于運放輸出電壓，D2反向偏置，D1導(dǎo)通，為U1 提供一個局部反饋，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中進行處理，即可獲得眼軸長度信息。

5 實驗結(jié)果與分析

實驗中使用眼軸長度為20.80 mm的ZIESS 標準模擬眼為對象進行測量，對微弱信號探測電路的有效性進行驗證。為保證測量過程的安全性，需遵循國家標準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入模擬眼的功率大小進行調(diào)整，使用光功率計可以測得最終進入PIN光電二極管的光干涉信號功率強度。為減少信號受到外界環(huán)境噪聲的影響，將電路封裝在金屬盒內(nèi)，輸出信號線采用較短的屏蔽線。通過本檢測電路，可以得到標準模擬眼的前表面和后表面的干涉信號及其包絡(luò)形狀。信號在通過帶通濾波電路和峰值檢測電路時輸出的信號在示波器中如圖6所示。

所設(shè)計的電路可以將微弱信號基本無失真地放大且信號峰值處信噪比達到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，為防止信號飽和無法觀察其特征，實驗中通過調(diào)節(jié)運放AD603 引腳的電壓改變自動增益控制電路增益，最后測得的輸入光功率與輸出信號的幅度關(guān)系如圖7所示。

圖6 電路輸出信號Fig.6 Circuit output signal

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

電路最小能探測到的信號大約在0.77 nW，最大光電轉(zhuǎn)換能力可達4.5×108V/W，如果信號再小會導(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。將電路輸出的信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后配合峰值位置信息即可計算出模擬眼眼軸長度，進行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，總體標準差為0.005 8，與標準模擬眼的實際長度相比最大存在0.05%的相對誤差。

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一種用于眼軸長度測量的微弱光信號檢測系統(tǒng)，針對微弱信號檢測時易受噪聲干擾的問題，在電路設(shè)計中采用靈敏度高、噪聲小PIN光電二極管作為光電傳感器，通過選取低噪聲、低偏置電流的運放，盡量減少元器件本身對信號的影響，同時對器件進行合理布局進行解決。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以將低至nW量級的微弱光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后放大為數(shù)百mV量級的電信號，成功地將模擬眼眼底反射的信號放大至可觀察狀態(tài)，為后級的AD轉(zhuǎn)換提供了可靠的信號。實驗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探測方法。