[發明專利]正弦相位調制的并行復頻域光學相干層析成像系統和方法

有效

• 申請號: 201210295824.7
• 申請日: 2012-08-17
• 公開（公告）號: CN102818786A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 黃炳杰;王向朝;李中梁;南楠;郭昕;陳艷
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

1.一種正弦相位調制的并行復頻域光學相干層析成像系統，包括低相干光源（1），在低相干光源（1）的光束前進方向上順序放置準直擴束器（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）和反射式空間正弦相位調制器件（43），探測臂光路（44）的末端為第二聚焦透鏡（47）和待測樣品（45），待測樣品（45）放置在一個精密移動平臺上；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）和二維光電探測器陣列（53）組成；二維光電探測器陣列（53）通過圖像數據采集卡（6）和計算機（7）連接；其特征在于：所述的反射式空間正弦相位調制器件（43）與入射光束垂直擺放，使反射光沿原入射光路逆向返回，并在反射光波前上引入空間正弦相位調制，所述的柱面鏡（3）將一束入射平行光會聚為一個線狀照明光；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）是共焦關系；所述的待測樣品（45）和反射式空間正弦相位調制器件（43）分別與二維光電探測器陣列（53）在系統光路上呈物像共軛關系。

2.根據權利要求1所述的正弦相位調制的并行復頻域光學相干層析成像系統，其特征在于所述的低相干光源（1）為寬帶光源，為發光二極管、超輻射發光二極管、飛秒激光器或超連續譜光源。

3.根據權利要求1所述的正弦相位調制的并行復頻域光學相干層析成像系統，其特征在于所述的二維光電探測器陣列（53）是面陣CCD、面陣CMOS、面陣InGaAs或其它具有光電信號轉換功能的二維探測器陣列。

4.根據權利要求1所述的正弦相位調制的并行復頻域光學相干層析成像系統，其特征在于所述的精密移動平臺是具有沿三個互相垂直方向精密平移的平臺。

5.利用權利要求1所述的正弦相位調制的并行復頻域光學相干層析成像系統進行并行復頻域光學相干層析成像的方法，其特征在于該方法的具體步驟如下：

①利用干涉參考臂的反射式空間正弦相位調制器件（43）在二維光電探測器陣列（53）獲得的二維頻域干涉條紋上沿并行探測方向引入空間正弦相位調制ψ(x)=2k·acos(2πf_cx/σ+θ)，即在二維頻域干涉條紋中引入空間載波；

其中：a為空間正弦相位調制振幅，θ為空間正弦相位調制初始相位，f_c是空間正弦相位調制頻率；λ代表波長，k=2π/λ代表波數；x代表待測樣品（45）和干涉參考臂反射式空間正弦相位調制器件（43）沿線狀照明光長度方向的橫向位置經一維成像系統成像在光譜儀（5）中二維光電探測器陣列（53）上的橫向位置；所述的一維成像系統分別由邁克爾遜干涉儀（4）中反射式空間正弦相位調制器件（43）前的第一聚焦透鏡（46）和待測樣品（45）前的第二聚焦透鏡（47）與光譜儀（5）中二維光電探測器陣列（53）前第三聚焦透鏡（52）組成，σ=F₂/F₁代表一維成像系統的橫向放大率，F₁代表邁克爾遜干涉儀（4）中在反射式空間正弦相位調制器件（43）前第一聚焦透鏡（46）和待測樣品（45）前第二聚焦透鏡（47）的焦距，F₂代表光譜儀中二維光電探測器陣列（53）前第三聚焦透鏡（52）的焦距；x′代表待測樣品（46）沿線狀照明光長度方向的橫向位置，x′=x/σ；

②系統工作后，所述的二維光電探測器陣列（53）記錄了含有空間載波的二維頻域干涉信號：

g(k,x)=g0(k,x)+2ΣnS(k)αn(x)β0cos[2k(zn(x)+ψ(x)/2k)],]]>

其中：g0(k,x)=S(k)β0+ΣnS(k)αn(x)+2Σn≠mS(k)αn(x)αm(x)cos[2k(zn(x)-zm(x))],]]>

S(k)代表低相干光源（1）的功率譜密度,β₀代表反射式空間正弦相位調制器件（43）的等效反射率，α_n(x)、α_m(x)代表二維光電探測器陣列（53）上橫向位置x對應的待測樣品（45）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，z_n(x)、z_m(x)代表二維光電探測器陣列（53）上橫向位置x對應的待測樣品（45）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又可以表示為：

g(k,x)=g0(k,x)+2Σnbn(k,x)cos[2k(zn(x)+ψ(x)/2k)],]]>

其中：bn(k,x)=S(k)αn(x)β0;]]>

③對二維頻域干涉信號g(k，x)作以x為變量的傅里葉變換，得到：

其中：G表示g的傅里葉頻譜，f_x代表對應x軸的空間頻譜；A_m=J_m(d)exp(imθ),J_m是m階貝塞爾函數，d=4πa/λ，δ是狄拉克函數，符號表示卷積運算，符號表示以x為變量的傅里葉變換；

④從空間頻譜信號G(k，f_x)中取出一倍頻F(f_c/σ)頻譜和二倍頻F(2f_c/σ)頻譜，通過下式計算得到二維復頻域干涉條紋信號實部和虛部的傅里葉變換信號；

其中：對應二維復頻域干涉條紋信號的實部，項對應二維復頻域干涉條紋信號的虛部，Re表示取實部運算；

⑤將二維復頻域干涉條紋信號實部和虛部的傅里葉變換信號和分別以f_x為變量做逆傅里葉變換，并將得到的二維復頻域干涉條紋信號的實部和虛部組合得到二維復頻域干涉條紋信號g_comp(k，x)：

gcomp(k,x)=Σnbn(k,fx)exp[i2kzn(x)]=ΣnS(k)αn(x)β0exp[i2kzn(x)];]]>

⑥將二維復頻域干涉信號g_comp(k，x)以k為變量作逆傅里葉變換，并代入關系式x′=x/σ，得到：

I~(x′,z)=Σnαn(x′)β0Γ(z-2zn(x′)),,]]>

其中：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）的自相關函數；

⑦取的幅度信息得到待測樣品（45）的二維層析圖；

⑧通過精密平移臺對待測樣品（45）沿與所述的線狀照明光長度方向和該線狀照明光的光軸構成的平面垂直的水平方向作一維掃描，重復以上步驟②～⑦得到待測樣品（45）的三維層析圖。