基于刀口掃描法的光學醫療器械光斑直徑自動測試系統設計

蔣 碩，陳一依，丁錫燕，馮樂菲，范書健，王春雨，張 克

（山東省醫療器械和藥品包裝檢驗研究院醫用電器室，濟南250101）

0 引言

隨著光學技術的不斷發展和醫學水平的日益進步，光學醫療器械產業在我國得到了快速發展，越來越多的光學醫療器械涌入市場，加強其質量控制成為了行業發展的重要前提。光學醫療器械在擁有其獨特的治療功能的同時也有其特殊的危害——視網膜傷害和熱灼傷[1]，尤其是激光產品。人們越來越重視光輻射的危害[2]，因此從生產階段到監管環節相關光學參數的測量十分重要。目前可供臨床選擇的光源種類越來越多[3-4]，光學參數存在很大差異，測試難度也越來越大。光斑直徑是光學醫療器械的主要性能指標之一，主要反映光在作用面的有效尺寸，其有效評價對于評估光學醫療器械的安全性和有效性有著重要意義[5]。但是光學醫療器械種類繁多，各類激光治療設備、光譜治療設備、輔助診斷與治療的光學醫療器械等的波長、模式、調制方式、功率或能量各不相同[6]，出光面尺寸更是能從毫米量級到分米量級不等，在實際的光斑直徑測試中常常因為參數的變化導致測試困難。因此，研究不同尺寸、波段、模式、輸出功率/能量、調制方式下的光斑直徑的測試、評價方法具有很大的必要性。

最常用的光斑直徑測試方法為CCD（chargecoupled device）法和刀口法。CCD 法是利用線陣CCD作為光電探測器采集光束信息，CCD 輸出的光經放大和模數轉化后通過計算機軟件處理得到光束的能量分布，再根據需要計算符合相應取值方式的光斑直徑值[7]。CCD 法測試中，直接用CCD 陣列采集光束圖像測量光斑直徑兼具效率和準確性，但是因CCD損傷閾值過低、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，不可避免地造成光斑畸變，大大降低了測試準確性。刀口法則是利用移動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逐漸運動導致光束被刀片遮擋越來越多，光功率計上的功率值越來越小，從而分析光斑截面功率分布，計算出光斑直徑的一種方法。傳統的刀口法需要實驗人員手動測量刀片移動距離或是人工讀取螺旋測微器的示值，容易引入人為誤差，測試精度、效率都比較低。為了更好地滿足測試需求，本文設計基于刀口掃描法的光學醫療器械光斑直徑自動測試系統，通過光截面上相互正交的2 個方向的光強度自動掃描，并加以數據分析、優化，從而實現高適應性的光斑直徑測試方法，將有效彌補CCD 法波長適用范圍窄的問題，也將解決傳統刀口法測試效率低、系統和人為誤差大的弊端。

1 刀口法測試光斑直徑原理

采用刀口法測試光斑直徑的原理是：在被測光源截面上，利用沿光斑直徑方向移動的刀口，記錄透過功率為光源總輸出功率的84%時的位置X1和透過功率為總輸出功率的16%時的位置X2，從而計算出光斑直徑為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，對應不同的標準和不同的需求，這個值是可以變化的，光斑直徑的計算公式也會產生相應的變化[8-10]。

2 系統設計

光斑直徑自動測試系統的工作原理圖如圖1 所示。待測光源出射的光經過刀口入射到光功率計上，電動位移臺通過電動機驅動控制位移，從而使位移臺上的刀口緩慢移動，測試軟件將同步記錄刀片位置和各位置的光功率/能量，經過軟件計算或者擬合后，將光斑直徑測試結果顯示在裝有光斑測試軟件的計算機上。

圖1 光斑直徑自動測試系統工作原理圖

本測試系統主要由光斑直徑測試軟件、電動機控制器、刀口移動裝置、高靈敏度功率計、光源固定裝置和調節架、光闌等組成，實物圖如圖2 所示。

圖2 光斑直徑測試系統實物圖

其中，高靈敏度功率計采用實驗室現有的以色列OPHIR 公司生產的NOVAⅡ型激光功率/能量測試儀。該測試儀由表頭和探頭組成，表頭和探頭之間通過串口連接。一個表頭可與多種探頭兼容適配，并具有自動識別探頭型號的功能，即只需要更換探頭就可實現不同功率/能量的測試，無需另外增加光衰減器。電動機控制器和刀口移動裝置采用北京賽凡光電儀器有限公司生產的7SC303 型三軸運動控制器和7STA1030 型電動平移臺，二者聯合實現刀口的自動、精準移動。調節架采用北京卓立漢光儀器有限公司生產的TSMW-XYZT-1 型五維調節架。光源固定裝置固定在調節架上方，為自制光源夾持器，可根據光源實際尺寸調節上面的壓片位置，再擰緊2 個緊固螺釘，從而實現光源的良好固定。光闌采用北京卓立漢光儀器有限公司生產的APID22-1 型可調光闌，孔徑調節范圍為1.5～22 mm，可滿足調光需求。

光斑直徑測試軟件主要是基于LabVIEW 開發，采用C++語言編程。光斑直徑測試軟件流程圖如圖3 所示。軟件初始化后根據光源尺寸大小設置測試距離，即刀口將移動的總距離；再根據測試需要設置分辨力及刀口每一次的步進距離，軟件將控制電動機按此設置逐漸移動，每移動一次，記錄一次位置值和高靈敏度功率計測試的功率值，直至完成所設定測試距離的位置的測試。

圖3 光斑直徑測試軟件流程圖

3 系統功能

光斑直徑自動測試系統的特點是在傳統刀口法的基礎上，通過計算機與電動機驅動控制器實現對刀口移動裝置的控制，可自動、精準調控刀口的移動速度和移動距離，并同步采集光功率計測量的激光強度信號，具備以下功能優勢：

（1）刀口位置自動控制：本測試系統可以通過高精度的電動平移臺精準控制刀口位置，并根據實際需要預置各個方向的分辨力、測試距離、位移速度，且可實現2 個相互正交的方向的刀口位置的數字化、自動化測試。

（2）光源準直：本測試系統可通過調節光闌的孔徑大小實現光源的準直，具體調節方法為將光源固定在調節架上方的光源固定裝置上，縮小光闌的孔徑，調節各方向位置，直至穿過小孔的光功率最大后再將光闌打開，即完成光路準直。

（3）顯示功能：在完成一個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。測試完成后的軟件界面如圖4 所示，結果欄會顯示半高全寬和光斑直徑測試結果。

圖4 光斑直徑測試結果

4 實驗驗證

4.1 儀器配置

選擇中心波長為650 nm 左右的半導體激光器作為待測光源，該激光器的輸出功率約為5.0 mW。激光功率/能量測試儀由表頭和探頭2 個部分組成。其中表頭選用以色列OPHIR 公司生產的NOVA Ⅱ型的表頭，可以通過搭配不同的探頭，設置待測光源的波長范圍以及根據實際情況設置待測光源的功率或能量范圍，從而準確顯示測得的功率或能量。探頭選用以色列OPHIR 公司生產的PD300-1W ROHS型號的激光功率探頭，此探頭通常用于測試較小的光功率，分為有濾光片和無濾光片2 種模式。無濾光片的功率測量范圍是5 nW～30 mW，而加上濾光片則可以增加到200 μW～300 mW。由于待測光源輸出功率在5 nW～30 mW 量程范圍內，所以選擇無濾光片的模式。

4.2 實驗過程

首先，調節光路，將待測光源的激光發射面固定在距離刀口10 cm 的位置，同時控制激光功率/能量測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/能量測試儀的光敏傳感器上，保證激光光斑不會由于溢出探測器的邊界導致激光功率/能量測試儀探測到的激光強度測量值不準確。隨后，將光源打開，為了確認激光光斑的形貌，采用CCD 相機對光斑進行測試。CCD 相機是以色列OPHIR 公司生產的型號為SP620U 的CCD 相機，搭配設備配套的Beamgage 軟件，可根據光強直接顯示出光斑直徑，如圖5 所示。左側的“D4σY”即為CCD相機用內部自帶的4σ 算法自動測出的光斑的短軸長度，為0.924 9 mm。接下來，利用光斑直徑自動測試系統測量該光斑的短軸長度。在利用CCD 相機調整好光斑的角度后，打開系統電源和光斑直徑測試軟件，進入光斑直徑測試軟件界面，如圖6 所示。通過“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，但不對光斑產生遮擋。然后，設置步進值，計算機將按此步進值自動讀取刀口每次移動后激光功率/能量測試儀所測出來的數值并記錄。設置完步進值后需要設置測試距離，即整個采集過程中刀片將要移動的總位移。最后，設置好保存路徑，點擊圖6 左側的“啟動”按鈕，刀片便開始以設置的步進值進行移動，并在完成設置的測試距離的移動后自動停止運行。

圖5 CCD 相機下的光斑

圖6 光斑直徑測試軟件界面

4.3 數據分析及結果

實時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的直線，這是因為刀片剛剛開始移動時，刀片距離光束仍有一段距離，因此在最初采集數據時，刀片并不會遮擋到光斑，所以激光功率/能量測試儀的讀數基本不會產生變化。隨后，當刀片的位置在30.80 mm 時功率會開始有一段非常短暫的緩慢下降過程，原因是刀片開始遮擋光束的外沿，而這些光束的外沿是由于光束的發散甚至衍射造成的，因此其強度較弱，被刀片遮擋時雖然會造成激光功率/能量測試儀讀數的下降，但是由于功率太低，所以功率值下降得比較緩慢。緊接著，當刀片的位置處于31.10 mm 時，曲線進入到了一段功率隨著刀片的位置的移動而急速下降的階段，這是由于刀片開始遮擋光斑中能量較大的部分，鑒于激光準直性好這一特點，光斑的功率迅速下降。直到刀片的位置到達31.60 mm 處時，刀片再次開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，當刀片位置到達31.90 mm 時刀片完全將光束遮擋，激光功率/能量測試儀的讀數變為0，并不再隨刀片的位置變化而變化。

將刀片移動的全過程中實時采集的激光總功率進行微分并進行歸一化后得到的激光光束在不同位置處的激光相對強度的變化曲線如圖8 所示。由圖8 還可看出激光光斑截面上激光強度的變化規律，并明顯地看出激光能量最強的中心點在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。結合圖7 可以計算出整個激光光束的光斑直徑為0.9 mm。此數值與CCD 法所測得的數值接近，進一步證明了本測試系統的準確性。

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 結語

本測試系統是基于刀口掃描法原理對光學醫療器械光斑直徑進行測量的實驗裝置，具有刀口法測量光斑直徑的傳統優勢，同時通過軟件的全自動控制，可以更精確地對刀片的移動距離進行把控。另外，本測試系統可測量功率與位移的關系，還可以直接讀出光斑中心與光斑直徑，有效解決了傳統光斑直徑測試方法存在的問題。

但是本測試系統仍存在一些不足：（1）待測光源形狀、尺寸多樣，樣品夾持部件的設計有待進一步完善；（2）測試光路僅能實現水平方向的測試，不能滿足須豎直方向測試的需求。下一步將針對以上問題進行優化，以滿足更廣泛的測試需求。