專利名稱：并行復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及頻域光學(xué)相干層析成像(Fourier-Domain Optical CoherenceTomography，簡(jiǎn)稱 FD-OCT)，尤其涉及一種基于空間載波(spatial carrier)的 并行復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像方法與系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography，簡(jiǎn)稱OCT)是近年來(lái)發(fā)展起 來(lái)的一種光學(xué)層析成像技術(shù)，它能夠?qū)Ω呱⑸浣橘|(zhì)如生物組織內(nèi)部幾個(gè)毫米深度范圍內(nèi)的 微小結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率非侵入成像，在生物組織活體成像和醫(yī)療成像診斷等領(lǐng)域具有廣泛 的應(yīng)用前景。
頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)(FD-OCT)是一種新型OCT系統(tǒng)，它通過(guò)探測(cè)干涉 譜并對(duì)其作逆傅里葉變換得到物體的層析圖，相對(duì)于早先的時(shí)域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng) (Time-Domain Optical Coherence Tomography,簡(jiǎn)稱 TD—0CT)具有無(wú)需深度方向掃描、成 像速度快和探測(cè)靈敏度高的優(yōu)勢(shì)，能更好地滿足生物組織活體成像以及醫(yī)療成像診斷的實(shí) 時(shí)性要求。頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)主要由低相干光源(寬光譜光源)、邁克爾遜干涉儀 和光譜儀(核心元件為分光光柵、聚焦透鏡和CCD探測(cè)器)三部分組成，通過(guò)將低相干光源 發(fā)出的寬光譜光經(jīng)邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生的干涉信號(hào)送入光譜儀，獲取干涉信號(hào)隨波長(zhǎng)(入) 變化的強(qiáng)度分布(干涉譜)，然后對(duì)其做倒數(shù)變換后得到干涉信號(hào)在頻域(ν域，ν=1/ λ )的強(qiáng)度分布，即頻域干涉條紋?；诖郎y(cè)物體內(nèi)各層光反射或背向散射界面的深度對(duì)應(yīng) 頻域干涉條紋的不同頻率的原理，F(xiàn)D-OCT對(duì)頻域干涉條紋作逆傅里葉變換得到待測(cè)物體沿 照明光光軸方向的深度分辨的光反射率或背向散射率分布，即層析圖。但是，F(xiàn)D-OCT獲得 的層析圖中包含著若干寄生像，限制了 FD-OCT的應(yīng)用。這些寄生像分別是直流背景，自相 干噪聲和復(fù)共軛鏡像。其中，直流背景和自相干噪聲的存在降低了 FD-OCT的信噪比，影響 了成像質(zhì)量；而復(fù)共軛鏡像的存在，使FD-OCT無(wú)法區(qū)分正負(fù)光程差(探測(cè)光路相對(duì)參考光 路的光程差)，測(cè)量時(shí)待測(cè)物體只能置于零光程差位置的一側(cè)，導(dǎo)致有效探測(cè)深度范圍減少 一半。復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像通過(guò)重建頻域干涉條紋的復(fù)解析信號(hào)，對(duì)該復(fù)解析頻域 干涉條紋信號(hào)作逆傅里葉變換得到物體的層析圖，可以消除傳統(tǒng)FD-OCT重建的層析圖中 存在的寄生像，特別是復(fù)共軛鏡像，從而使FD-OCT可以區(qū)分正負(fù)光程差，探測(cè)深度范圍擴(kuò) 大為原來(lái)的2倍，實(shí)現(xiàn)全深度探測(cè)。目前，已提出的復(fù)頻域OCT方法主要包括基于移相干涉 術(shù)和基于外差干涉術(shù)的復(fù)頻域OCT?；谝葡喔缮嫘g(shù)(phase-shiftinginterferometry)的復(fù)頻域 OCT2002年，A. F. Fercher等人最早基于移相干涉術(shù)重建復(fù)頻域干涉條紋，實(shí)現(xiàn)了復(fù) 頻域 OCT (參見(jiàn)在先技術(shù)[1]，M. ffojtkowski, A. Kowalczyk, R. Leitgeb andA. F. Fercher, "Full range complex spectral optical coherence tomographytechnique in eyeimaging”，Optics Letters, Vol. 27，No. 16，1415-1417，2002)。然而，由于該方法需要連 續(xù)或步進(jìn)采集至少3幅相互之間具有固定相移量的移相干涉圖，降低了頻域OCT的成像 速度，并對(duì)干涉儀和樣品的穩(wěn)定性提出了嚴(yán)格的要求，因此該方法不適用于生物組織的 活體成像。2005年，Jowph A. Izatt等人提出基于同步移相干涉術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)頻域OCT(參 見(jiàn)在先技術(shù)[2], Μ. V. Sarunic, M. A. Choma, C. Yang and J. A. Izatt, “ Instantaneous complex conjugate resolved spectraldomain and swept—source OCT using 3X3 fiber couplers”，OpticsExpress, Vol. 13，No. 3，957-967，2005)。該方法雖然可以實(shí)現(xiàn)多幅移相 干涉條紋的同時(shí)獲取，但需要使用NXN(N>3)光纖耦合器作為同步移相裝置，增加了系統(tǒng) 的復(fù)雜性和成本，且移相精度容易受到環(huán)境溫度變化的影響，從而影響復(fù)共軛鏡像的消除 效果?；谕獠罡缮嫘g(shù)(heterodyne interferometry)的復(fù)頻域 OCT基于外差干涉術(shù)的復(fù)頻域OCT通過(guò)在頻域干涉信號(hào)中引入時(shí)間或空間載波實(shí)現(xiàn) 復(fù)頻域干涉條紋的探測(cè)，與基于移相干涉術(shù)的復(fù)頻域OCT相比，具有不受移相精度限制的 優(yōu)點(diǎn)。2006年，Bachmarm等人采用兩個(gè)聲光晶體在干涉儀的參考光和探測(cè)光中引入光頻 差，產(chǎn)生一個(gè)含有時(shí)間載波的頻域干涉條紋，然后通過(guò)鎖相探測(cè)頻域干涉條紋的正交分量 重建復(fù)頻域干涉條紋(參見(jiàn)在先技 術(shù)[3]，A. H. Bachmann, R. A. Leitgeb and Τ. Lasser, "Heterodyne Fourier domainoptical coherence tomography for full range p robing with high axialresolution，” Optics Express，Vol. 14，No. 4，1487-1496，2006)。該方 法通過(guò)時(shí)間相位調(diào)制在對(duì)應(yīng)待測(cè)物體同一橫向位置的頻域干涉條紋中引入時(shí)間載波，雖然 避免了移相誤差的影響，但每個(gè)時(shí)間相位調(diào)制周期內(nèi)只能得到一個(gè)橫向位置的全深度層析 圖像(full range A-line)，降低了頻域OCT的成像速度。2007年，Wang等人在對(duì)待測(cè)物 體的橫向掃描過(guò)程中，通過(guò)同步掃描參考鏡的光程在對(duì)應(yīng)待測(cè)物體不同橫向位置的頻域干 涉條紋中引入空間載波，實(shí)現(xiàn)了橫向掃描方向上對(duì)應(yīng)連續(xù)橫向位置的全深度層析圖像的實(shí) 時(shí)狽Ij量。(參見(jiàn)在先技術(shù)[4]，R. K. Wang，“In vivo full rangecomplex Fourier domain optical coherence tomography”，Applied PhysicsLetters，Vol. 90，No. 054103，2007)。該 方法基于一種空間載波外差干涉術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)頻域0CT，具有不降低頻域OCT成像速度的優(yōu)點(diǎn)， 但是，它需要橫向機(jī)械掃描，對(duì)數(shù)據(jù)采集和掃描位置控制的同步要求比較高；而且在探測(cè)動(dòng) 態(tài)物體時(shí)，橫向機(jī)械掃描速率必須大于待測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速率，否則圖像會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模糊，即 系統(tǒng)存在一個(gè)允許的物體最大速率，這限制了該方法的應(yīng)用范圍。由以上分析，目前復(fù)頻域OCT存在成像速度慢、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要復(fù)雜的同 步掃描控制等問(wèn)題，這些問(wèn)題可以通過(guò)采用并行頻域光學(xué)相干層析成像技術(shù)(parallel FD-0CT)解決。并行頻域OCT與傳統(tǒng)基于單點(diǎn)照明的頻域OCT的主要區(qū)別在于，它通過(guò) 采用線狀光照明樣品實(shí)現(xiàn)頻域OCT 二維層析圖(B-scan)的并行探測(cè)。(參見(jiàn)在先技術(shù) [5], Branislav Grajciar, Michael Pircher, Adolf F. Fercherand Rainer A. Leitgeb, "Parallel Fourier domain optical coherence tomographyfor in vivo measurement of the human eye”，Optics Express, Vol. 13，No. 4，2005)。該方法一般通過(guò)在光路中添 加柱面鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物體的線狀光照明，并利用二維光電探測(cè)陣列并行記錄對(duì)應(yīng)線照明光 長(zhǎng)度方向上待測(cè)物體多個(gè)橫向位置的頻域干涉條紋，重建得到一幅待測(cè)物體的二維層析圖 (B-scan)。并行頻域OCT由于避免了對(duì)待測(cè)物體的橫向機(jī)械式掃描，成像速度快，對(duì)運(yùn)動(dòng)模糊不敏感。但是，并行頻域OCT仍然存在復(fù)共軛鏡像等寄生像問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述在先技術(shù)的不足，通過(guò)空間載波外差干涉術(shù)與并行 頻域光學(xué)相干層析成像結(jié)合，提供一種并行復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像的方法與系統(tǒng)。本發(fā) 明只需一次曝光即可實(shí)現(xiàn)全深度的復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成像速度快、 對(duì)運(yùn)動(dòng)模糊不敏感的特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種并行復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像的方法，該方法是在并行頻域光學(xué)相干層析成 像方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)用傾斜的平面反射式衍射光柵代替干涉參考臂的參考平面反射鏡， 并使入射參考光的一級(jí)衍射光沿原入射光路逆向返回，從而在二維光電探測(cè)器陣列獲得的 二維頻域干涉條紋沿并行探測(cè)方向上引入線性空間相位調(diào)制，即在二維頻域干涉條紋中引 入空間載波；然后對(duì)含有空間載波的二維頻域干涉條紋沿并行探測(cè)方向作傅里葉變換，接 著依次通過(guò)頻域?yàn)V波、坐標(biāo)平移和頻域的逆傅里葉變換的過(guò)程，得到二維復(fù)頻域干涉條紋， 最后再通過(guò)以波數(shù)為變量的逆傅里葉變換獲得待測(cè)物體層析圖。本發(fā)明并行復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像的方法的具體步驟如下
①在并行頻域光學(xué)相干層析成像方法的基礎(chǔ)上，在干涉參考臂的參考平面反射鏡 改為傾斜放置的平面反射式衍射光柵，使得入射參考光的一級(jí)衍射光沿著原光路逆向返 回，參考光入射到平面反射式衍射光柵上的入射角θ應(yīng)該滿足關(guān)系式(1)sin^ = ^2-,(1)
2d其中λ ^是低相干光源的中心波長(zhǎng)，d是平面反射式衍射光柵的周期常數(shù)。光譜儀并行記錄對(duì)應(yīng)待測(cè)樣品上線狀光照明區(qū)域內(nèi)每一點(diǎn)的頻域干涉條紋，即 一幅二維頻域干涉條紋。參考光以入射角θ入射到平面反射式衍射光柵上，其一級(jí)衍射 光沿原光路逆向返回，在二維頻域干涉條紋中沿X軸方向引入線性空間相位調(diào)制ψ(χ)=
f fItgQ
2kx · tg θ / σ，即在二維頻域干涉條紋中引入空間載波Λο =H °其中λ代表波長(zhǎng)，k = 2 π / λ代表波數(shù)；二維頻域干涉條紋的兩個(gè)維度分別對(duì) 應(yīng)著待測(cè)樣品上沿線狀照明光長(zhǎng)度方向的橫向點(diǎn)經(jīng)一維成像系統(tǒng)成像在光譜儀中二維光 電探測(cè)器陣列上的橫向位置(X軸)和光源波長(zhǎng)(y軸)；一維成像系統(tǒng)分別由邁克爾遜干涉 儀中平面反射式衍射光柵前第一聚焦透鏡和待測(cè)樣品前第二聚焦透鏡與光譜儀中二維光 電探測(cè)器陣列前第三透鏡組成，σ =F2ZiF1代表一維成像系統(tǒng)的橫向放大率，F(xiàn)1代表邁克爾 遜干涉儀中在平面反射式衍射光柵和待測(cè)樣品前第一、二聚焦透鏡的焦距，F(xiàn)2代表光譜儀 中第三聚焦透鏡的焦距；X'代表待測(cè)樣品沿線照明光長(zhǎng)度方向的橫向位置，χ' =χ/σ ；②系統(tǒng)工作后，所述的二維光電探測(cè)器陣列記錄的含有空間載波的二維頻域干涉 條紋信號(hào)如式(2)所示 gik, X) = S_Q + 2 s{k)an (χ)
η
<formula>formula see original document page 7</formula>
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中S(k)代表低相干光源的功率譜密度，β 0代表平面反射式衍射光柵一級(jí)衍 射的等效反射率，α n(x)、Qm(X)代表二維光電探測(cè)器陣列上橫向位置X對(duì)應(yīng)的待測(cè)樣品上 橫向位置χ'處第n、m層反射或散射界面的反射率或背向散射率，zn(X)、zm(X)代表二維光 電探測(cè)器陣列上橫向位置χ對(duì)應(yīng)的待測(cè)樣品上橫向位置X'處第n、m層反射或散射界面的 縱向深度。式(2)中前兩項(xiàng)分別是平面反射式衍射光柵的反射光的自譜密度函數(shù)和待測(cè)樣 品內(nèi)各層深度處反射或背向散射光的自譜密度函數(shù)疊加項(xiàng)，第三項(xiàng)為待測(cè)樣品內(nèi)不同深度 處反射或背向散射光的互譜密度函數(shù)疊加項(xiàng)，第四項(xiàng)為平面反射式衍射光柵反射光和待測(cè) 樣品內(nèi)各層深度處反射或背向散射光的互譜密度函數(shù)疊加項(xiàng)。式(2)可以簡(jiǎn)化為式(3)<formula>formula see original document page 7</formula>
其中<formula>formula see original document page 7</formula>流分量和自相干噪聲，它不受平面反射式衍射光柵引入的空間載波的調(diào)制。式⑶可以用式(4)表示<formula>formula see original document page 7</formula>
其中b (k,χ)= S<Jc\Jcc (χ)β0 exp[說(shuō)(k,χ)]，Φη(1 ，χ) = 2kzn(x)，* 表示復(fù)共軛運(yùn) 算；③對(duì)二維頻域干涉信號(hào)式(4)作以χ為變量的傅里葉變換得到式(5)<formula>formula see original document page 7</formula>
其中G和B分別對(duì)應(yīng)g和b的傅里葉頻譜，fx代表對(duì)應(yīng)χ軸的空間頻譜，fx0代表 平面反射式衍射光柵引入的空間載波頻率；并且其中《8和(^分別對(duì)應(yīng)Gtl
和Σ5 的頻譜帶寬；
η④對(duì)步驟③所得的式(5)信號(hào)先乘上一個(gè)以fx(l為中心，2 (Ob為區(qū)間長(zhǎng)度的矩形窗
函數(shù)爐(人)=化:It=^j==進(jìn)行頻域?yàn)V波，得到f5 0，y;-y;。)；⑤將Σ代伏，/c -Λ。)在頻域坐標(biāo)fx軸上左移fx(l，使其處于頻域坐標(biāo)軸原點(diǎn)上，得
η
到Σβ α，Λ);再將它作以fx為變量的逆傅里葉變換，即得到一個(gè)二維復(fù)頻域干涉條紋，如
η
式(6)所示<formula>formula see original document page 8</formula>⑥對(duì)步驟⑤所得的二維復(fù)頻域干涉條紋信號(hào)(6)作以k為變量的逆傅里葉變換得 到式(7)
<formula>formula see original document page 8</formula>其中符號(hào)表示以k為變量的逆傅里葉變換；Γ代表低相干光源功率譜的逆傅 里葉變換，即低相干光源的自相關(guān)函數(shù)。將關(guān)系式χ' = χ/σ代入式(7)得到式(8)<formula>formula see original document page 8</formula>⑦取/(Χ’,ζ)的幅度信息得到待測(cè)樣品的二維層析圖。⑧通過(guò)精密平移臺(tái)對(duì)待測(cè)樣品沿與線狀照明光長(zhǎng)度方向和該線狀照明光的光軸 構(gòu)成的平面垂直的水平方向作一維掃描，重復(fù)以上步驟② ⑦得到待測(cè)樣品的三維層析 圖。本發(fā)明方法得到的層析圖與沒(méi)有引入空間相位調(diào)制的并行頻域OCT層析圖式(9) 相比，消除了復(fù)共軛鏡像(12)、直流背景(Itl)和自相干噪聲(I1)三種寄生像，提高了信噪 比，實(shí)現(xiàn)了全深度探測(cè)的并行復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像。
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中1。=㈡Γ(ζ)代表直流背景分量，
<formula>formula see original document page 8</formula>
代表自相干噪聲分量，L=ZVqU力+ 代表復(fù)共軛鏡像分量。
η實(shí)施上述方法的并行復(fù)頻域光學(xué)層析成像系統(tǒng)包括低相干光源，在該低相干光源 的照明方向上順序放置準(zhǔn)直擴(kuò)束器、柱面鏡、邁克爾遜干涉儀，該邁克爾遜干涉儀的分光器 將入射光分為探測(cè)臂光路和參考臂光路，參考臂光路的末端為一個(gè)聚焦透鏡和傾斜擺放的 平面反射式衍射光柵，探測(cè)臂光路的末端為一個(gè)聚焦透鏡和待測(cè)樣品，待測(cè)樣品放置在一個(gè)精密移動(dòng)平臺(tái)上；邁克爾遜干涉儀輸出端連接一光譜儀，該光譜儀由分光光柵，聚焦透鏡 和二維光電探測(cè)器陣列組成；二維光電探測(cè)器陣列通過(guò)圖像數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)連接。該 系統(tǒng)的特點(diǎn)是所述的平面反射式衍射光柵傾斜擺放，使得參考光入射到平面反射式衍射光
柵的入射角為e =，從而使得入射光的一級(jí)衍射光正好沿原入射光路逆向返回。
2d所述的柱面鏡將一束入射平行光會(huì)聚為一個(gè)線狀聚焦光；所述的邁克爾遜干涉儀 中在平面反射式衍射光柵和待測(cè)樣品前的聚焦透鏡的焦距相同；所述的柱面鏡與邁克爾遜 干涉儀中在平面反射式衍射光柵和待測(cè)樣品前的聚焦透鏡是共焦關(guān)系；所述的邁克爾遜干 涉儀中在平面反射式衍射光柵和待測(cè)樣品前的聚焦透鏡分別與光譜儀中的聚焦透鏡是共 焦關(guān)系；所述的待測(cè)樣品和平面反射式衍射光柵分別與二維光電探測(cè)器陣列在系統(tǒng)光路上 是物像共軛關(guān)系。所述的低相干光源為寬帶光源，其光譜典型半高全寬為幾十納米到幾百納米，如 發(fā)光二極管(LED)或超輻射發(fā)光二極管(SLD)或飛秒激光器或超連續(xù)譜光源等。所述的準(zhǔn)直擴(kuò)束器由物鏡和若干透鏡組成。所述的邁克爾遜干涉儀，其特征在于具有兩個(gè)接近等光程的干涉光路，一路為參 考臂光路，另一路為探測(cè)臂光路。所述的二維光電探測(cè)器陣列是面陣CXD或面陣CMOS或面陣InGaAs或其它具有光 電信號(hào)轉(zhuǎn)換功能的二維探測(cè)器陣列。所述的精密移動(dòng)平臺(tái)可以沿三個(gè)互相垂直方向做微米級(jí)精度的平移。該系統(tǒng)的工作情況如下低相干光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直器擴(kuò)束后，又經(jīng)柱面鏡在其會(huì)聚作用平面內(nèi)聚焦，產(chǎn) 生一個(gè)線狀聚焦光，然后在邁克爾遜干涉儀中待分成兩束，一束光經(jīng)過(guò)參考臂入射到平面 反射式衍射光柵上，其一級(jí)衍射光沿原入射光路逆向返回，另一束光經(jīng)探測(cè)臂入射到待測(cè) 樣品內(nèi)，從平面反射式衍射光柵回來(lái)的衍射光和從待測(cè)樣品內(nèi)不同深度處反射或背向散射 回來(lái)的光波待收集并沿參考臂和探測(cè)臂返回，在邁克爾遜干涉儀中會(huì)合發(fā)生干涉，再送入 光譜儀分光并記錄，經(jīng)圖像數(shù)據(jù)采集卡數(shù)模轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到待測(cè)樣 品沿線狀照明光長(zhǎng)度方向和照明光光軸方向的一個(gè)二維層析圖。通過(guò)精密平移臺(tái)對(duì)待測(cè)樣 品沿與線狀照明光長(zhǎng)度方向和照明光光軸垂直的方向作一維橫向掃描，得到待測(cè)樣品的三 維層析圖。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是本發(fā)明并行復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像的方法的特點(diǎn)是將空間載波外差干涉術(shù)用 于并行頻域光學(xué)相干層析成像，通過(guò)傾斜的平面反射式衍射光柵在并行探測(cè)方向上引入空 間載波，利用空間傅里葉變換分析方法重建低相干光頻域干涉復(fù)振幅信號(hào)，消除了 FD-OCT 成像中存在的復(fù)共軛鏡像、直流背景和自相干噪聲三種寄生像，實(shí)現(xiàn)全深度探測(cè)的并行復(fù) 頻域光學(xué)相干層析成像。與在先技術(shù)1相比，本發(fā)明只需通過(guò)一次曝光即可獲得一幅復(fù)頻域干涉條紋，對(duì)干涉儀和樣品的穩(wěn)定性要求不高。與在先技術(shù)2相比，本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)。與在先技術(shù)3和4相比，本發(fā)明無(wú)需深度方向和橫向的機(jī)械掃描，通過(guò)一次曝光即可獲得一幅全深度的二維層析圖，成像速度快；本發(fā)明不需要復(fù)雜的同步掃描控制，系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，而且具有對(duì)運(yùn)動(dòng)模糊不敏感的優(yōu)點(diǎn)。與在先技術(shù)5相比，本發(fā)明結(jié)合空間載波外差干涉術(shù)與并行頻域OCT，解決了復(fù)共 軛鏡像等寄生像問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了全深度的并行復(fù)頻域OCT測(cè)量。


圖1為本發(fā)明并行復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的側(cè)視光路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明并行復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的俯視光路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本 發(fā)明的保護(hù)范圍。請(qǐng)參閱圖1和2。圖1為本發(fā)明并行復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的側(cè)視光路和 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明并行復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的俯視光路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 示意圖。由圖1和2可見(jiàn)，本發(fā)明并行復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)包括低相干光源1，在 該低相干光源1的照明方向上順序放置準(zhǔn)直擴(kuò)束器2、柱面鏡3、邁克爾遜干涉儀4，該邁克 爾遜干涉儀4的分光器41將入射光分為探測(cè)臂光路44和參考臂光路42，參考臂光路42的 末端為第一聚焦透鏡46和傾斜擺放的平面反射式衍射光柵43，探測(cè)臂光路的末端為第二 聚焦透鏡47和待測(cè)樣品45，待測(cè)樣品放置在一個(gè)精密移動(dòng)平臺(tái)(圖中未示)上；邁克爾遜 干涉儀4的輸出端連接一光譜儀5，該光譜儀5由分光光柵51，第三聚焦透鏡52和面陣CXD 探測(cè)器53組成；面陣CXD探測(cè)器53通過(guò)圖像數(shù)據(jù)采集卡6和計(jì)算機(jī)7連接。該系統(tǒng)的特 點(diǎn)是所述的平面反射式衍射光柵43傾斜擺放，使得入射光的一級(jí)衍射光正好沿原入射光 路逆向返回。所述的柱面鏡3，它將一束入射平行光會(huì)聚為一條線狀聚焦光；所述的第一聚焦 透鏡46、第二聚焦透鏡47的焦距相同；所述的柱面鏡3與邁克爾遜干涉儀4中的第一聚焦 透鏡46、第二聚焦透鏡47是共焦關(guān)系；所述的邁克爾遜干涉儀4中的第一聚焦透鏡46、第 二聚焦透鏡47分別與光譜儀5中的第三聚焦透鏡52是共焦關(guān)系；所述的待測(cè)樣品45和平 面反射式衍射光柵43分別與面陣CCD探測(cè)器53在系統(tǒng)光路上是物像共軛關(guān)系。低相干光源1發(fā)出的寬光譜光經(jīng)準(zhǔn)直器2擴(kuò)束后，又經(jīng)柱面鏡3在側(cè)視光路平面 內(nèi)會(huì)聚(見(jiàn)圖1)，在俯視光路平面內(nèi)平行透射(見(jiàn)圖2)，產(chǎn)生一個(gè)線狀聚焦光，然后在邁克 爾遜干涉儀4中待分光棱鏡41分成兩束，一束透射光經(jīng)過(guò)參考臂光路42入射到平面反射 式衍射光柵43上，其一級(jí)衍射光沿原入射光路逆向返回，另一束反射光經(jīng)探測(cè)臂光路44入 射到放置在精密平移臺(tái)(圖中未示)上的待測(cè)樣品45內(nèi)，從平面反射式衍射光柵43衍射 回來(lái)的一級(jí)衍射光和從待測(cè)樣品45內(nèi)不同深度處反射或背向散射回來(lái)的光波待收集并分 別沿參考臂光路42和探測(cè)臂光路44返回，在邁克爾遜干涉儀4中匯合發(fā)生干涉，再送入光 譜儀5待分光光柵51分光，經(jīng)第三聚焦透鏡52，成像在面陣CCD探測(cè)器53，轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 后，經(jīng)圖像數(shù)據(jù)采集卡6數(shù)模轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)7進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到待測(cè)樣品45沿線狀 照明光長(zhǎng)度方向和照明光光軸方向的一個(gè)二維層析圖。所述的平面反射式衍射光柵43傾斜放置，使參考光入射到所述的平面反射式衍射光柵43上的入射角θ滿足sin^ = ^.,(10)
Id其中λ ^是低相干光源1的中心波長(zhǎng)，d是平面反射式衍射光柵43的光柵周期常
數(shù)。所述的光譜儀5并行記錄了對(duì)應(yīng)待測(cè)樣品45上線狀光照明區(qū)域內(nèi)每一點(diǎn)的頻域 干涉條紋，即一幅二維頻域干涉條紋。參考光以入射角θ入射到平面反射式衍射光柵43 上，其一級(jí)衍射光沿原光路逆向返回，在二維頻域干涉條紋中沿χ軸方向引入線性空間相
位調(diào)制Ψ(χ) =2kx*tg0/o，即在二維頻域干涉條紋中引入空間載波/』=，。其中λ
σλ
代表波長(zhǎng)，k = 2 π / λ代表波數(shù)；二維頻域干涉條紋的兩個(gè)維度分別對(duì)應(yīng)著待測(cè)樣品45上 沿線照明光長(zhǎng)度方向的橫向點(diǎn)經(jīng)一維成像系統(tǒng)成像在光譜儀5中面陣CCD探測(cè)器53上的 橫向位置(χ軸)和光源波長(zhǎng)方向(y軸)；一維成像系統(tǒng)分別由邁克爾遜干涉儀4中第一 聚焦透鏡46和第二聚焦透鏡47與光譜儀5中第三聚焦透鏡52組成，σ = F2ZF1代表一維 成像系統(tǒng)的橫向放大率，F(xiàn)1代表聚焦透鏡46、47的焦距，F(xiàn)2代表第三聚焦透鏡52的焦距； x'代表待測(cè)樣品45沿線照明光長(zhǎng)度方向的橫向位置，χ' = χ/ο。所述的CXD探測(cè)器53記錄的二維頻域干涉條紋信號(hào)為S(k,x) = g0(k,x) + 2ΣS叫α (χ)β0 cos[2k(zn(χ) + χ·tg9/σ)]，(11)
η其中S(k)代表低相干光源1的功率譜密度，β ^為平面反射式衍射光柵43 —級(jí) 衍射的等效反射率，α η(χ)、α m(x)代表CXD探測(cè)器53上橫向位置χ對(duì)應(yīng)的待測(cè)樣品45上 橫向位置χ'處第n、m層反射或散射界面的反射率或背向散射率，Zn(X)、zm(x)代表C⑶探 測(cè)器53上橫向位置χ對(duì)應(yīng)的待測(cè)樣品45上橫向位置χ'處第n、m層反射或散射界面的縱 向深度。其中g(shù)0 (k, χ) = + Σ S(k)a (χ) + S叫cc (x)am (χ) cos [2k(z (χ) - zm (χ))]為直
ηn*m
流分量和自相干噪聲，它不受平面反射式衍射光柵引入的空間載波的調(diào)制。式(11)可以用式(12)表示S(k, x) = g0 (k, + (k, χ) exp [ 2π/χ0χ] + ^ b: (k, χ) exp [~ 2π/χ0χ], (12)
ηη其中& (Α:，χ)= Sik^an(X)β0 exp[從(Α:，χ)], Φη(1 ，χ) = 2kzn(x)，* 表示復(fù)共軛運(yùn)
笪弁。然后對(duì)式(12)作以χ為變量的傅里葉變換得到式(13)G(k,fx) = G0(k,fx) + ^B (k,fx-fx0) + YB;(k,fx+fx0),(13)
ηη其中G和B分別對(duì)應(yīng)g和b的傅里葉頻譜，fx代表對(duì)應(yīng)χ軸的空間頻譜，fx0代表 平面反射式衍射光柵43引入的空間載波頻率；并且厶>·^^，其中《8和(^分別對(duì)應(yīng)
G0和Σ5 的頻譜帶寬。
η對(duì)式(13)先乘上一個(gè)以fx(1為中心，2cob為區(qū)間長(zhǎng)度的矩形窗函數(shù)<formula>formula see original document page 12</formula>進(jìn)行頻域?yàn)V波，得到;-/^0);接著將它在頻域坐標(biāo)fx軸
上左移fx(1，使其處于頻域坐標(biāo)軸原點(diǎn)上，得到Σ5 @，λ);最后將它作以fx為變量的逆傅里
<formula>formula see original document page 12</formula>
葉變換，得到一個(gè)二維復(fù)頻域干涉條紋，如式(14)所示<formula>formula see original document page 12</formula>對(duì)式(14)作以k為變量的逆傅里葉變換得到式(15)
<formula>formula see original document page 12</formula>其中符號(hào)表示以k為變量的逆傅里葉變換；Γ代表低相干光源1功率譜的逆 傅里葉變換，即低相干光源1的自相關(guān)函數(shù)。將關(guān)系式χ' = χ/σ代入式(15)得到式(16)<formula>formula see original document page 12</formula>取/(χ’，ζ)的幅度信息得到待測(cè)樣品45的一個(gè)二維層析圖。通過(guò)精密平移臺(tái)(圖中未示)對(duì)待測(cè)樣品45沿與線狀照明光長(zhǎng)度方向和該線狀 照明光的光軸構(gòu)成的平面垂直的水平方向作一維掃描，重復(fù)以上過(guò)程得到待測(cè)樣品45的 三維層析圖。
權(quán)利要求
一種并行復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像的方法，特征在于該方法是在并行頻域光學(xué)相干層析成像方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)用傾斜的平面反射式衍射光柵代替干涉參考臂的參考平面反射鏡，并使入射參考光的一級(jí)衍射光沿原入射光路逆向返回，從而在二維光電探測(cè)器陣列獲得的二維頻域干涉條紋沿并行探測(cè)方向上引入線性空間相位調(diào)制，即在二維頻域干涉條紋中引入空間載波；然后對(duì)含有空間載波的二維頻域干涉條紋沿并行探測(cè)方向作傅里葉變換，接著依次通過(guò)頻域?yàn)V波、坐標(biāo)平移和頻域的逆傅里葉變換的過(guò)程，得到二維復(fù)頻域干涉條紋，最后再通過(guò)以波數(shù)為變量的逆傅里葉變換獲得待測(cè)物體層析圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并行復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像方法，其特征在于該方法的具 體步驟如下①在并行頻域光學(xué)相干層析成像方法的基礎(chǔ)上，在干涉參考臂的參考平面反射鏡改為 傾斜放置的平面反射式衍射光柵，其傾斜角，即參考光入射到平面反射式衍射光柵的入射角<formula>formula see original document page 2</formula>X ^代表低相干光源的中心波長(zhǎng)，d代表平面反射式衍射光柵的光柵周期 2d常數(shù)，則入射參考光的一級(jí)衍射光沿原入射光路逆向返回，從而在二維光電探測(cè)器陣列獲 得的二維頻域干涉條紋沿并行探測(cè)方向上引入線性空間相位調(diào)制V (X) = 2kx tg e / o，即在二維頻域干涉條紋中引入空間載波<formula>formula see original document page 2</formula>其中代表波長(zhǎng)，<formula>formula see original document page 2</formula>代表波 數(shù)，X代表待測(cè)樣品和干涉參考臂平面反射式衍射光柵沿線照明光長(zhǎng)度方向的橫向位置經(jīng) 一維成像系統(tǒng)成像在光譜儀中二維光電探測(cè)器陣列上的橫向位置；所述的一維成像系統(tǒng)分 別由邁克爾遜干涉儀中平面反射式衍射光柵前的第一聚焦透鏡和待測(cè)樣品前的第二聚焦 透鏡與光譜儀中二維光電探測(cè)器陣列前第三聚焦透鏡組成，o = F2/Fi代表一維成像系統(tǒng) 的橫向放大率，代表邁克爾遜干涉儀中在平面反射式衍射光柵前第一聚焦透鏡和待測(cè)樣 品前第二聚焦透鏡的焦距，&代表光譜儀中二維光電探測(cè)器陣列前第三聚焦透鏡的焦距； x'代表待測(cè)樣品沿線照明光長(zhǎng)度方向的橫向位置，=x/o ；②系統(tǒng)工作后，所述的二維光電探測(cè)器陣列記錄了含有空間載波的二維頻域干涉信號(hào)<formula>formula see original document page 2</formula>其中<formula>formula see original document page 2</formula>表低相干光源的功率譜密度，3 o代表平面反射式衍射光柵一級(jí)衍射的等效反射率，a n(x)、 affl(x)代表二維光電探測(cè)器陣列上橫向位置x對(duì)應(yīng)的待測(cè)樣品上橫向位置x'處第n、m層 反射或散射界面的反射率或背向散射率，zn(x) >zffl(x)代表二維光電探測(cè)器陣列上橫向位置 x對(duì)應(yīng)的待測(cè)樣品上橫向位置x'處第n、m層反射或散射界面的縱向深度； 上式二維頻域干涉信號(hào)又可以表示為其中bn(k,x) = S(k)ylan(x)J30 exp[吆(k,x)],小n(k，x) = 2kzn(x)，* 表示復(fù)共軛運(yùn)算；③對(duì)二維頻域干涉信號(hào)g(k，x)作以x為變量的傅里葉變換，得到 <formula>formula see original document page 3</formula>其中G和B分別對(duì)應(yīng)g和b的傅里葉頻譜，fx代表對(duì)應(yīng)x軸的空間頻譜；④將G(k，fx)乘上一個(gè)矩形窗函數(shù)進(jìn)行頻域?yàn)V波，得到∑Bn(k,fx-fx0)其中矩形窗函數(shù)為<formula>formula see original document page 3</formula>；wb為∑Bn的頻譜帶寬；⑤將∑Bn(k,fx-fx0)在頻域坐標(biāo)fx軸上左移fx(l，得到再以fx為變量作逆傅里葉變換得到二維復(fù)頻域干涉信號(hào)gcomp(k，x)<formula>formula see original document page 3</formula>⑥將二維復(fù)頻域干涉信號(hào)g。。mp(k，X)以k為變量作逆傅里葉變換，并代入關(guān)系式X'= x/0，得到<formula>formula see original document page 3</formula>其中r代表低相干光源功率譜的逆傅里葉變換，即低相干光源的自相關(guān)函數(shù)；⑦取/0c’，Z)的幅度信息得到待測(cè)樣品的二維層析圖。⑧通過(guò)精密平移臺(tái)對(duì)待測(cè)樣品(45)沿與所述的線狀照明光長(zhǎng)度方向和該線狀照明光 的光軸構(gòu)成的平面垂直的水平方向作一維掃描，重復(fù)以上步驟② ⑦得到待測(cè)樣品(45) 的三維層析圖。
3. 一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1或2所述方法的并行復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，包括低相 干光源(1)，在低相干光源(1)的光束前進(jìn)方向上順序放置準(zhǔn)直擴(kuò)束器(2)、柱面鏡(3)、邁 克爾遜干涉儀(4)，該邁克爾遜干涉儀(4)的分光器(41)將入射光分為探測(cè)臂光路(44) 和參考臂光路(42)，參考臂光路(42)的末端為第一聚焦透鏡(46)和平面反射式衍射光 柵(43)，探測(cè)臂光路(44)的末端為第二聚焦透鏡(47)和待測(cè)樣品(45)，待測(cè)樣品(45) 放置在一個(gè)精密移動(dòng)平臺(tái)上；該邁克爾遜干涉儀(4)的輸出端連接一光譜儀(5)；該光譜 儀(5)由分光光柵(51)、第三聚焦透鏡(52)和二維光電探測(cè)器陣列(53)組成；二維光電 探測(cè)器陣列(53)通過(guò)圖像數(shù)據(jù)采集卡(6)和計(jì)算機(jī)(7)連接；其特征在于所述的平面反 射式衍射光柵(43)，傾斜擺放，使得參考光入射到所述的平面反射式衍射光柵的入射角為θ=arcsinλ0/2d所述的柱面鏡(3)將一束入射平行光會(huì)聚為一個(gè)線狀聚焦光；所述的第一聚焦透鏡 (46)、第二聚焦透鏡(47)的焦距相同；所述的柱面鏡(3)與邁克爾遜干涉儀(4)中的第一 聚焦透鏡(46)、第二聚焦透鏡(47)是共焦關(guān)系；所述的邁克爾遜干涉儀(4)中的第一聚焦 透鏡(46)、第二聚焦透鏡(47)分別與光譜儀(5)中的第三聚焦透鏡(52)是共焦關(guān)系；所 述的待測(cè)樣品(45)和平面反射式衍射光柵(43)分別與二維光電探測(cè)器陣列(53)在系統(tǒng) 光路上是物像共軛關(guān)系。全文摘要
一種并行復(fù)頻域光學(xué)相干層析成像方法與系統(tǒng)，該方法是在并行頻域光學(xué)相干層析成像方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)用傾斜的反射光柵代替干涉參考臂的參考平面反射鏡，并使入射參考光的一級(jí)衍射光沿原入射光路逆向返回，從而在二維光電探測(cè)器陣列獲得的二維頻域干涉條紋沿并行探測(cè)方向上引入線性空間相位調(diào)制，即在二維頻域干涉條紋中引入空間載波；然后對(duì)含有空間載波的二維頻域干涉條紋沿并行探測(cè)方向進(jìn)行傅里葉變換，接著依次通過(guò)頻域?yàn)V波窗濾波、坐標(biāo)平移和沿頻譜方向的逆傅里葉變換的過(guò)程，得到二維復(fù)頻域干涉條紋，最后再通過(guò)沿光頻方向的逆傅里葉變換獲得待測(cè)物體層析圖。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成像速度快，只需一次曝光即可獲得待測(cè)物體層析圖。
文檔編號(hào)G01J3/45GK101832817SQ20101011662
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月3日
發(fā)明者南楠, 步鵬, 王向朝, 黃炳杰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所