[發明專利]偏振復頻域光學相干層析成像方法和系統

有效

• 申請號: 201310250443.1
• 申請日: 2013-06-21
• 公開（公告）號: CN103344569A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 陳艷;王向朝;李中梁;南楠;郭昕;王瑄
• 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: G01N21/21
• 分類號: G01N21/21
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

1.一種偏振復頻域光學相干層析成像方法，其特征在于該方法是在偏振頻域光學相干層析成像的基礎上，在對樣品橫向掃描的同時引入正弦相位調制，對采集的水平偏振和垂直偏振兩通道的干涉信號作傅里葉變換，得到消除寄生像的水平偏振和垂直偏振兩通道的層析信號，求出兩通道層析信號的幅度和相位，經計算得到全深度范圍的具有雙折射性質樣品的強度圖像、快軸圖像及延遲圖像。

2.根據權利要求1所述的偏振復頻域光學相干層析成像方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

①在偏振頻域光學相干層析成像方法的基礎上，通過正弦相位調制裝置帶動參考臂的參考平面鏡做正弦振動，在對樣品沿探測光光軸垂直方向進行橫向掃描的同時引入正弦相位調制Ψ(t)＝Zcos(ω_ct+θ₀)；

其中，Z=2ka，為正弦相位調制深度；k＝2π/λ，代表波數，λ代表波長；a為參考平面鏡的振動幅度；t為時間變量；ω_c為正弦相位調制的角頻率；θ₀為正弦相位調制的初始相位；

②系統工作后，所述的探測器分別探測水平偏振和垂直偏振兩通道的含有正弦相位調制項的干涉信號：

IH(k,t)=IHR+IHS+Σn2S(k)RsnRrcos[2k(zr-z0-nH(z)z)+Zcos(ωct+θ0)]]]>

IV(k,t)=IVR+IVS+Σn2S(k)RsnRrcos[2k(zr-z0-nV(z)z)+Zcos(ωct+θ0)]]]>

其中，I_H(k,t)為水平偏振通道的干涉信號，I_V(k,t)是垂直偏振通道的干涉信號；I_HR和I_HS分別為水平通道中參考平面鏡的反射光強度和被測樣品內各層深度處反射或背向散射光的強度疊加，I_VR和I_VS分別為垂直通道中參考平面鏡的反射光強度和被測樣品內各層深度處反射或背向散射光的強度疊加；S(k)為低相干光源功率譜密度分布；R_sn與R_r分別為待測樣品第n層反射面的反射率與參考平面鏡的反射率；z_r是分束器到參考平面鏡的光程，z₀是分束器到樣品表面的光程，z是從樣品表面到樣品內部的光程；n_H(z)和n_V(z)分別是樣品中兩個正交方向的折射率，這里假設為常數；以下用的下標H和V分別表示水平偏振通道和垂直偏振通道的各個量；

I_H(k,t)和I_V(k,t)的表達式可以簡化為：

IH(k,t)=IH0+ΣnBncos[2kΔzHn+Zcos(ωct+θ0)]]]>

IV(k,t)=IV0+ΣnBncos[2kΔzVn+Zcos(ωct+θ0)]]]>

其中，IH0=IHR+IHS,IV0=IVR+IVS,]]>Bn=2S(k)RsnRr,ΔzHn=zr-z0-nH(z)z,]]>ΔzVn=zr-z0-nV(z)z;]]>

③將上述兩通道的干涉譜信號沿t軸作傅里葉變換得到：

其中，F表示I的傅里葉頻譜，ω表示對應t軸的空間頻譜，J_m表示m階貝塞爾函數，δ是狄拉克函數，符號表示以t為變量的傅里葉變換，表示卷積計算；

④從空間頻譜信號中取出基頻F(k,ω_c)頻譜和二倍頻F(k,2ω_c)頻譜，經計算得到下式，并對其分別進行逆傅里葉變換得到復頻域干涉條紋信號的實部和虛部，

水平偏振通道：

垂直偏振通道：

其中，和對應復頻域干涉信號的實部，和對應復頻域干涉信號的虛部，Re{}表示取復數的實部；Z和θ₀的值可以分別由的比值和F(k,ω_c)的幅角確定，其中||表示取復數的模，F(k,3ω_c)為三倍頻分量；

⑤將復頻域干涉信號的實部和虛部組合得到重建的復頻域干涉信號：

I~H(k)=ΣnBncos(2kΔzHn)-jΣnBnsin(2kΔzHn)=BH(k)exp(-jΦH(k))=ΣnBnexp(-j2kΔzHn)]]>

I~V(k)=ΣnBncos(2kΔzVn)-jΣnBnsin(2kΔzVn)=BV(k)exp(-jΦV(k))=ΣnBnexp(-j2kΔzVn)]]>

其中，BH,V(k)=[(ΣnBnsin(2kΔzHn,Vn))2+(ΣnBncos(2kΔzHn,Vn))2]1/2]]>

ΦH,V(k)=tan-1(ΣnBnsin(k2ΔzHn,Vn)ΣnBncos(k2ΔzHn,Vn))]]>

⑥對重建的復頻域信號沿k軸作逆傅里葉變換得到：

其中，表示沿k軸作逆傅里葉變換，Γ(z)為低相干光源的自相關函數；上述式子中水平偏振通道和垂直偏振通道的信號和已經消除寄生像，因此各自的正負光程差可以被區分，探測深度范圍擴大為原來的兩倍；

⑦提取水平和垂直偏振通道信號的幅值A_H,V(z)和相位Φ_H,V(z)，經過計算分別得到具有雙折射性質的樣品的消除鏡像的強度圖像R(z)、延遲圖像δ(z)和快軸圖像θ(z)：

R(z)=AH2(z)+AV2(z)]]>

δ(z)=arctan[AV(z)AH(z)]]]>

θ(z)=π-[ΦV(z)-ΦH(z)]2]]>

⑧將樣品每個橫向位置的二維數據按照上述步驟③～⑦處理后即可得到具有雙折射性質的樣品的全深度B-scan圖像及快軸和延遲圖像；

⑨通過精密移動平臺或者二維掃描振鏡沿二維方向掃描，按步驟③～⑧處理數據，得到樣品的三維全深度結構圖。

3.實現權利要求1所述的偏振復頻域光學相干層析成像方法的系統，包括低相干光源，在低相干光源的光束前進方向上順序放置準直擴束器、起偏器、邁克爾遜干涉儀；邁克爾遜干涉儀的分束器將光束分為參考臂光路和樣品臂光路；參考臂的光經過第一四分之一波片后照射在參考平面鏡上；樣品臂的光經過第二四分之一波片后經過二維振鏡被和聚焦鏡聚焦在待測樣品內，或者光經過第二四分之一波片、聚焦鏡聚焦在置于一個精密移動平臺的待測樣品上；該邁克爾遜干涉儀的輸出端連接偏振分束器；該偏振分束器把光束分為水平偏振通道和垂直偏振通道，水平偏振通道和垂直通道末端分別連接一光譜儀；兩光譜儀分別接收水平偏振和垂直偏振通道的信號經圖像采集卡送入計算機進行處理，其特點在于：

所述的精密移動平臺，可以沿三個互相垂直方向平移；

所述的參考平面鏡連接一正弦相位調制裝置；

所述的光譜儀包括分光光柵、聚焦透鏡和光電探測器陣列；

所述的光電探測器陣列是CCD或CMOS陣列或其他的具有光電信號轉換功能的探測器陣列。