CN104483291A - 一种快速光学相干层析成像技术的全场检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速光学相干层析成像技术的全场检测方法，该实验装置由扫频光源、准直镜、分束镜、偏振分束镜、参考镜、样品、面阵CCD、FPGA控制器和计算机构成，所述FPGA控制器、扫频光源和面阵CCD均与计算机相连，所述FPGA控制器由计算机软件控制，为扫频光源和面阵CCD提供外部电压同步信号，实现精确同步；使光源的扫描频率与图像采集的帧速率匹配，实现高精度测量。本发明消除了背景噪声、直流噪声和自相关噪声，能极大的提高检测速度，增强图像的信噪比和系统稳定性，实现对物体的高精度快速检测。

Description

一种快速光学相干层析成像技术的全场检测方法

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像技术的快速检测方法，具体涉及一种快速光学相干层析成像技术的全场检测方法。

背景技术

光学相干层析成像技术(Optical coherence tomography，OCT)是一种非侵入、非接触的高分辨率光学成像技术，该技术利用光学低相干干涉原理，通过检测物体内部不同深度的背向散射光信号获得散射介质内部的微观结构横断面层析图像。OCT可以分为时域OCT和频域OCT，时域OCT需要使用机械扫描装置对样品光和参考光进行光程匹配，以获取样品轴向的微观结构信息，因此限制了检测灵敏度和成像速度。频域OCT通过对干涉光谱的傅里叶逆变换获取样品轴向的微观结构信息，但要获得物体二维层析图像和三维表面形貌图像，仍然需要对物体进行横向的机械扫描，因而成像速度、检测精度和系统稳定性受到一定的限制。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种快速光学相干层析成像技术的全场检测方法，实现对样品的高精度快速检测。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种快速光学相干层析成像技术的全场检测方法，包括如下步骤：

S1、组装实验装置，所述实验装置由扫频光源、准直镜、分束镜、偏振分束镜、参考镜、样品、面阵CCD、FPGA控制器和计算机构成，所述FPGA控制器、扫频光源和面阵CCD均与计算机相连，所述FPGA控制器由计算机软件控制，为扫频光源和面阵CCD提供外部电压同步信号，实现三者的精确同步；使光源的扫描频率与图像采集的帧速率匹配，实现高精度测量。

S2、打开扫频激光器，发出的光经过准直镜准直后，经分束镜分成两部分，一部分通过聚焦透镜后照射在样品上发生散射并沿原路返回到分束镜；另一部分经偏振分束镜分成振动方向垂直的两束线偏振光；

S3、一束线偏振光经参考镜反射后沿原光路返回到分束镜与样品光发生干涉，另一束线偏振光经参考镜反射后沿原光路返回到分束镜与样品光发生干涉；

S4、调整光路使两束线偏振光的光程差为λ/2，产生相位差为π的两束干涉信号，这两束干涉信号经分束镜和偏振分束镜后分成两束，一束通过聚焦透镜后由面阵CCD采集，另一束干涉信号通过聚焦透镜后由面阵CCD采集；

S5、面阵CCD将采集的干涉信号送入计算机，经软件进行差分处理后，实现干涉光谱信号的平衡探测，能够消除系统的背景噪声和直流噪声；

S6、采用光开关技术，对参考光束和样品光束进行实时独立控制，分别获取干涉光谱、样品光信号和参考光信号；；

S7、对面阵CCD采集到的所有干涉光谱进行解耦处理，消除自相关噪声后，进行傅里叶逆变换，得到含物体深度信息的散射势，并将散射势强度赋灰度值，进行图像重构，获取物体的一维深度、二维层析和三维表面形貌图像。

本发明具有以下有益效果：

消除了背景噪声、直流噪声和自相关噪声，能极大的提高检测速度，增强图像的信噪比和系统稳定性，实现对物体的高精度快速检测。

附图说明

图1为本发明实施例中实验装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中信号处理流程图

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明了，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本具体实施的理论基础是A.F.Fercher等人于1995年提出的散射势理论：物体内部的散射势P_S(z)含深度方向的结构信息，且散射势P_S(z)与散射光场强度E_S(k)的傅里叶逆变换成正比。根据维纳-辛钦定理，功率谱密度为信号自相关函数的傅里叶变换，因而可以通过对干涉频谱进行傅里叶逆变化获取物体的深度信息。

如图1所示，以下实施例所用的装置由扫频光源1、准直镜2、4、10、12、分束镜3、偏振分束镜6、9、参考镜7、8、样品5、面阵CCD11、13、FPGA控制器14和计算机15构成，所述FPGA控制器14、扫频光源1和面阵CCD11、13均与计算机15相连。

实施例

扫频激光器1发出的光经过准直镜2准直后，经分束镜3分成两部分，一部分通过聚焦透镜4后照射在样品5上发生散射并沿原路返回到分束镜3。另一部分经偏振分束镜6分成振动方向垂直的两束线偏振光。一束线偏振光经参考镜7反射后沿原光路返回到分束镜3与样品光发生干涉。另一束线偏振光经参考镜8反射后沿原光路返回到分束镜3与样品光发生干涉。调整光路使两束线偏振光的光程差为λ/2，产生相位差为π的两束干涉信号。这两束干涉信号经分束镜3和偏振分束镜9后分成两束，一束通过聚焦透镜10后由面阵CCD 11接受。面阵CCD11将采集的干涉信号送入计算机15。另一束干涉信号通过聚焦透镜12后由面阵CCD13采集。面阵CCD13将采集的干涉信号送入计算机15。计算机15连接FPGA控制器14，FPGA控制器14由计算机软件控制，为扫频光源1和2个面阵CCD11、13提供外部电压同步信号，实现三者的精确同步，实现光源扫描频率与图像采集的帧速率匹配。送入计算机的干涉信号经软件进行差分处理后，实现干涉光谱信号的平衡探测，能够消除系统的背景噪声和直流噪声。消除系统背景噪声和直流噪声后，干涉光谱信号为：

$I_S\left(k\right)=2S\left(k\right)\{2{\∫}_0^{\∞}{P}_S\left(z\right)\cos \left(2k{n}_{0}z\right)\mathrm{dz}+{\∫}_0^{\∞}{\∫}_0^{\∞}{P}_S\left(z\right)P_S\left(z^{\′}\right)\exp [i2k{n}_0(z-z^{\′})\left]\mathrm{dzd}{z}^{\′}\right\}$

式中：P_s(z)为样品的散射势，反映样品轴向结构信息；z为轴向探测深度，k为波数；S(k)为光源的光谱；I_S(k)为干涉光谱信号；n₀为待测样品的平均折射率。上式中第一项为互相关项，含样品的深度信息；第二项为直流噪声；第三项为自相关项。

对干涉光谱信号进行傅里叶逆变换得：

${\mathrm{FT}}^{-1}\left\{I_S\left(k\right)\right\}\∝{\mathrm{FT}}^{-1}\left[S\left(k\right)\right]\⊗[P_S\left(z\right)+P_S^{*}(-z)+\mathrm{AC}\left(P_S\left(z\right)\right)]$

式中：P_S(z)为样品的散射势；为散射势的共轭项，与P_S(z)关于零光程差位置对称分布；AC(P_S(z))为自相关项；δ(z)为直流项。由上式可知，经过傅里叶逆变换后，除了得到含样品深度信息的散射势P_S(z)外，还同时生成了散射势的共轭项和自相关项等干扰。因此对干涉光谱进行解耦，以消除图像干扰，提高图像质量。设一个归一化函数：

R(k)＝[I_S(k)-I_D(k)]/[I_S(k)-I_D(k)]_max

式中：I_S(k)为干涉光谱信号，I_D(k)为样品臂单独返回的光谱信号，R(k)经过傅里叶逆变换后得：

${\mathrm{FT}}^{-1}\left[R\left(k\right)\right]\∝[P_S\left(z\right)+P_S^{*}(-z)]$

将参考镜的虚像位置位于样品外，将样品图像和其镜像在空间位置分开，消除共轭项得到P_S(z)。

如图2所示，由于深度方向的空间坐标z与波数k为傅里叶变换对，而光谱仪采集到的干涉光谱信号为波长的函数，因此傅里叶逆变换前，将干涉光谱信号由波长空间转化到线性分布的波数空间，再对干涉光谱进行解耦处理，然后进行傅里叶逆变换，得到含物体深度信息的散射势，并将散射势强度赋灰度值，进行图像重构，获取物体的一维深度、二维层析和三维表面形貌图像。

本具体实施消除了背景噪声、直流噪声和自相关噪声，能极大的提高检测速度，增强图像的信噪比和系统稳定性，实现对物体的高精度快速检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种快速光学相干层析成像技术的全场检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、组装实验装置，所述实验装置由扫频光源(1)、准直镜(2)、分束镜(3)、偏振分束镜(6、9)、参考镜(7、8)、样品(5)、聚焦透镜(4、10、12)、面阵CCD(11、13)、FPGA控制器(14)和计算机(15)构成，所述FPGA控制器(14)、扫频光源(1)和面阵CCD(11、13)均与计算机(15)相连，所述FPGA控制器(14)由计算机软件控制，为扫频光源(1)和面阵CCD(11、13)提供外部电压同步信号，实现三者的精确同步；

S2、打开扫频激光器(1)，发出的光经过准直镜(2)准直后，经分束镜(3)分成两部分，一部分通过聚焦透镜(4)后照射在样品(5)上发生散射并沿原路返回到分束镜(3)；另一部分经偏振分束镜(6)分成振动方向垂直的两束线偏振光；

S3、一束线偏振光经参考镜(7)反射后沿原光路返回，并经分束镜(3)与样品光发生干涉，另一束线偏振光经参考镜(8)反射后沿原光路返回到分束镜(3)与样品光发生干涉；

S4、调整光路使两束线偏振光的光程差为λ/2，产生相位差为π的两束干涉信号，这两束干涉信号经分束镜(3)和偏振分束镜(9)后分成两束，一束通过聚焦透镜(10)后由面阵CCD(11)采集，另一束干涉信号通过聚焦透镜(12)后由面阵CCD(13)采集；

S5、面阵CCD(11、13)将采集的干涉信号送入计算机(15)，经软件进行差分处理后，实现干涉光谱信号的平衡探测；

S6、采用光开关技术，对参考光束和样品光束进行实时独立控制，分别获取干涉光谱、样品光信号和参考光信号；；

S7、对面阵CCD采集到的所有干涉光谱进行解耦处理，消除自相关噪声后，进行傅里叶逆变换，得到含物体深度信息的散射势，并将散射势强度赋灰度值，进行图像重构，获取物体的一维深度、二维层析和三维表面形貌图像。