CN106770287A - 一种单相机平衡型光学相干层析扫描装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单相机平衡型光学相干层析扫描装置及方法，装置包括有光源模块、准直调节模块、干涉光学模块、光路模块、分光聚焦模块以及采集记录模块。本发明结合几何光学和频域光学相干层析技术的基础上，通过采集干涉光谱并经过傅里叶变换后可以获得被测材料的深度结构信息，能有效提升频域光学相干层析技术测量结果的信噪比。具有非接触、无辐射、高分辨率、高灵敏度测量等优点。

Description

一种单相机平衡型光学相干层析扫描装置及方法

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像的技术领域，尤其涉及到一种单相机平衡型光学相干层析扫描装置及方法。

背景技术

光学相干层析成像技术Optical Coherence Tomography，OCT是一种20世纪90年代逐步发展的新型光学断层成像技术。OCT基于低相干光干涉原理，通过扫描对材料的内部进行层析测量。OCT主要由低相干光源、迈克尔逊干涉仪以及光电探测器组成，具有非接触，高分辨，无辐射，高灵敏度的特点，在临床检查，工业测量有着广泛的应用。然而，OCT扫描方式在使两种移动同步方面存在困难，获取图像所用的时间长，易受到由对象运动引起的噪音的影响并且具有较低的信噪比。

近几年获得迅猛发展的频域光学相干层析技术，通过采集干涉光谱并经过傅里叶变换后可以获得被测材料的深度结构信息。频域OCT技术不仅具有传统OCT技术的特点外，还具有成像速度高的特点。但是频域OCT也有着自相干信号和直流信号等干扰信号与干涉光谱的信号并存的特点，导致信噪比随着深度增加而降低，影响其更广泛的应用。

在结合几何光学和频域光学相干层析的基础上，本发明公开一种单相机平衡型光学相干层析扫描装置与方法，其测量结果相比于传统的光学相干层析技术不仅能有效提升信噪比，而且能对被测材料的一个截面同时进行测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种单相机平衡型光学相干层析扫描装置，该装置在结合几何光学和频域光学相干层析技术的基础上，通过采集干涉光谱并经过傅里叶变换后可以获得被测材料的深度结构信息，能有效地提升信噪比。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：它包括有：

光源模块，发射低相干宽带光；

准直调节模块，把光源模块发射出来的低相干宽带光准直并调节光的形状和尺寸；

干涉光学模块，将准直调节模块发射过来的光分成照射被测样件的照射光和照射光楔的照射光，并使得来自被测样件的反射光和光楔的反射光互相干涉，产生两束干涉光；

光路模块，使干涉光学模块产生的两束干涉光在空间上分离后照射至分光聚焦模块；

分光聚焦模块，使两束在空间上分离的反射光分光并聚焦成像；

采集记录模块，采集记录经过分光聚焦后的两束干涉光光谱。

进一步地，所述准直调节模块包括有准直透镜、柱面镜以及位于两者之间的光阑，其中，准直透镜把光源模块发射过来的光准直，光再穿过光阑调整宽度，最后通过柱面镜调节形状。

进一步地，所述干涉光学模块由第一分光棱镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及光楔组成，其中，被测样件和光楔分别位于第一分光棱镜垂直的两个方向上，准直调节模块发射过来的光经过第一分光棱镜分成两束照射光，一束经过位于第一分光棱镜和被测样件之间的第一聚焦透镜直达被测样件，另外一束经过位于第一分光棱镜和照射光楔之间的第二聚焦透镜直达光楔，该两束照射光分别在被测样件和光楔上产生反射，形成两束反射回第一分光棱镜的反射光；所述两束反射光在第一分光棱镜上产生干涉作用，形成两束干涉光。

进一步地，所述光路模块包括第四分光棱镜以及位于第四分光棱镜垂直方向上的第二分光棱镜和第三分光棱镜；其中，干涉光学模块、第二分光棱镜以及第四分光棱镜组成第一光路，干涉光学模块、第三分光棱镜以及第四分光棱镜组成第二光路；在干涉光学模块形成的两束干涉光分别经过第一光路和第二光路，并在第四分光棱镜上使两束干涉光在空间上分离。

进一步地，所述分光聚焦模块由衍射光栅和第三聚焦透镜组成，衍射光栅对光路模块形成的两束在空间上分离的干涉光分光，分光后的两束干涉光穿过第三聚焦透镜聚焦成像。

进一步地，所述采集记录模块为CCD相机。

所述沿第一光路的干涉光相位与沿第二光路的干涉光相位相差一个π。

本发明的目的在于克服现有技术的不足，还提供一种用于单相机平衡型光学相干层析扫描装置的方法，包括以下步骤：

(1)光源模块发射低相干宽带光；

(2)准直调节模块把光源模块发射出来的低相干宽带光准直并调节光的形状和尺寸；

(3)干涉光学模块将准直调节模块发射过来的光分成照射被测样件的照射光和照射光楔的照射光，并使得来自被测样件的反射光和光楔的反射光互相干涉，产生两束干涉光；

(4)光路模块将干涉光学模块产生的两束干涉光在空间上分离，并把这两束干涉光照射至分光聚焦模块；

(5)分光聚焦模块把光路模块照射过来的两束在空间上分离的反射光分光并聚焦成像；

(6)采集记录模块采集记录经过分光聚焦后的两束干涉光光谱；

(7)将两个干涉光光谱相减，得到新的干涉光光谱；

(8)新的干涉光光谱沿波数方向进行傅里叶变换，即可调解出被测样件的内部结构。

进一步地，沿第一光路的干涉光光谱强度I₁(k)为：

其中k为波数，DC为直流项，AC为自相干项，a(z)为被测样件各深度的散射光强度，z为深度，n为被测样件的折射率；

两个干涉光相位相差一个π，沿第二光路的干涉光光谱强度I₂(k)为：

将两个干涉光光谱相减，可以得到：

其中I(k)是两束干涉光光谱相减后光谱强度。

与现有技术相比，本方案结合几何光学和频域光学相干层析技术的基础上，通过采集干涉光谱并经过傅里叶变换后可以获得被测材料的深度结构信息，能有效提升频域光学相干层析技术测量结果的信噪比。具有非接触、无辐射、高分辨率、高灵敏度测量等优点。

附图说明

图1为本发明一种单相机平衡型光学相干层析扫描装置结构示意图；

图2为本发明实施例中CCD相机拍摄到的干涉图像；

图3为本发明实施例中测到的测量结果。

图中标记：1—光源模块，2—准直调节模块，2-1—准直透镜，2-2—光阑，2-3—柱面镜，3—干涉光学模块，3-1—第一分光棱镜，3-2—第一聚焦透镜，3-3—第二聚焦透镜，3-4—光楔，4—光路模块，4-1—第二分光棱镜，4-2—第三分光棱镜，4-3—第四分光棱镜，5—分光聚焦模块，5-1—衍射光栅，5-2—第三聚焦透镜，6—采集记录模块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

参见附图1所示，本实施例所述的一种单相机平衡型光学相干层析扫描装置，它包括有光源模块1、准直调节模块2、干涉光学模块3、光路模块4、分光聚焦模块5以及采集记录模块6，采集记录模块6采用CCD相机，被测样件为载玻片。

准直调节模块2包括有准直透镜2-1、柱面镜2-3以及位于两者之间的光阑2-2。

干涉光学模块3由第一分光棱镜3-1、第一聚焦透镜3-2、第二聚焦透镜3-3以及光楔3-4组成，载玻片和光楔3-4分别位于第一分光棱镜3-1垂直的两个方向上，第一聚焦透镜3-2位于第一分光棱镜3-1和载玻片之间，而第二聚焦透镜3-3位于第一分光棱镜3-1和光楔3-4之间。

光路模块4包括第四分光棱镜4-3以及位于第四分光棱镜4-3垂直方向上的第二分光棱镜4-1和第三分光棱镜4-2，干涉光学模块3、第二分光棱镜4-1以及第四分光棱镜4-3组成第一光路，干涉光学模块3、第三分光棱镜4-2以及第四分光棱镜4-3组成第二光路。

分光聚焦模块5由衍射光栅5-1和第三聚焦透镜5-2组成。

工作原理如下：

光源模块1发射的低相干宽带光依次经过准直透镜2、光阑3、柱面镜4，准直透镜2-1把光源模块1发射过来的光准直，光再穿过光阑2-2形成长方形状，通过柱面镜2-3调节大小后穿过第二分光棱镜4-1达到第一分光棱镜3-1，光达到第一分光棱镜3-1后分成两束,分别经过第一聚焦透镜3-2将载玻片的一个截面照亮，另一束经过第二聚焦透镜3-3和光楔3-4后反射回到第一分光棱镜3-1和载玻片的反射光发生干涉,干涉光在第一分光棱镜3-1分成两束，两束干涉光分别沿第二分光棱镜4-1和第四分光棱镜4-3所组成的第一光路以及第三分光棱镜4-2、第四分光棱镜4-3所组成的第二光路到达衍射光栅5-1进行分光。经过分光后的两束干涉光经过第三聚焦透镜5-2后，由CCD相机同时记录两束干涉光光谱。由于第一分光棱镜3-1的透射作用，沿第一光路的干涉光光谱强度I₁(k)为：

其中k为波数，DC为直流项，AC为自相干项，a(z)为载玻片各深度的散射光强度，z为深度，n为载玻片的折射率。

另一束干涉光由于经过第一分光棱镜3-1反射作用进入到了第二光路，因此这束干涉光相位与沿第一光通道的干涉光相差一个π，沿第二光通道的干涉光光谱强度I₂(k)为：

将两个干涉光光谱相减，可以得到：

其中I(k)是两束干涉光光谱相减后新的干涉光光谱强度。由上式可以看出，干涉信号的幅值增强了一倍，而直流干扰信号和自相干干扰信号得到了有效减弱。

最后，新的干涉光光谱沿波数方向进行傅里叶变换，即可调解出载玻片的内部结构。

本实施例结合几何光学和频域光学相干层析技术的基础上，通过采集干涉光谱并经过傅里叶变换后可以获得被测材料的深度结构信息，能有效提升频域光学相干层析技术测量结果的信噪比。具有非接触、无辐射、高分辨率、高灵敏度测量等优点。

图2所示为被测样件为载玻片时，CCD相机15拍摄到的干涉图像，其中上层的干涉光谱是沿第一光路的干涉光光谱，下层的干涉光谱是沿第二光路的干涉光谱。

图3所示为载波片的测量结果，从上往下第一个图为两束干涉光谱相减过后沿波数方向进行傅里叶变换得到的玻璃片结构图，第二个和第三个图分别是沿第一光路和第二光路的干涉光光谱沿波数方向进行傅里叶变换得到的玻璃片结构图，其中深度为0.6mm位置和2.1mm位置的亮线分别为载玻片的前后表面所在处，深度为1.5mm位置的亮线是载玻片前后表面自干涉信号所在处。可以看出，两路相减的干涉信号与任意一路的干涉光信号相比，幅值明显增强，而直流干扰信号和自相干干扰信号的幅值减少。通过实验的验证，该发明一种单相机平衡型光学相干层析扫描装置与方法能有效地提升信噪比。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种单相机平衡型光学相干层析扫描装置，其特征在于：包括有

光源模块(1)，发射低相干宽带光；

准直调节模块(2)，把光源模块(1)发射出来的低相干宽带光准直并调节光的形状和尺寸；

干涉光学模块(3)，将准直调节模块(2)发射过来的光分成照射被测样件的照射光和照射光楔的照射光，并使得来自被测样件的反射光和光楔的反射光互相干涉，产生两束干涉光；

光路模块(4)，使干涉光学模块(3)产生的两束干涉光在空间上分离后照射至分光聚焦模块；

分光聚焦模块(5)，使两束在空间上分离的反射光分光并聚焦成像；

采集记录模块(6)，采集记录经过分光聚焦后的两束干涉光光谱。

2.根据权利要求1所述的一种单相机平衡型光学相干层析扫描装置，其特征在于：所述准直调节模块(2)包括有准直透镜(2-1)、柱面镜(2-3)以及位于两者之间的光阑(2-2)，其中，准直透镜(2-1)把光源模块(1)发射过来的光准直，光再穿过光阑(2-2)调整形状，最后通过柱面镜(2-3)调节形状。

3.根据权利要求1所述的一种单相机平衡型光学相干层析扫描装置，其特征在于：所述干涉光学模块(3)由第一分光棱镜(3-1)、第一聚焦透镜(3-2)、第二聚焦透镜(3-3)以及光楔(3-4)组成，其中，被测样件和光楔(3-4)分别位于第一分光棱镜(3-1)垂直的两个方向上，准直调节模块(2)发射过来的光经过第一分光棱镜(3-1)分成两束照射光，一束经过位于第一分光棱镜(3-1)和被测样件之间的第一聚焦透镜(3-2)直达被测样件，另外一束经过位于第一分光棱镜(3-1)和照射光楔(3-4)之间的第二聚焦透镜(3-3)直达光楔(3-4)，该两束照射光分别在被测样件和光楔(3-4)上产生反射，形成两束反射回第一分光棱镜(3-1)的反射光；所述两束反射光在第一分光棱镜(3-1)上产生干涉作用，形成两束干涉光。

4.根据权利要求1所述的一种单相机平衡型光学相干层析扫描装置，其特征在于：所述光路模块(4)包括第四分光棱镜(4-3)以及位于第四分光棱镜(4-3)垂直方向上的第二分光棱镜(4-1)和第三分光棱镜(4-2)；其中，干涉光学模块(3)、第二分光棱镜(4-1)以及第四分光棱镜(4-3)组成第一光路，干涉光学模块(3)、第三分光棱镜(4-2)以及第四分光棱镜(4-3)组成第二光路；在干涉光学模块(3)形成的两束干涉光分别经过第一光路和第二光路，并在第四分光棱镜(4-3)上使两束干涉光在空间上分离。

5.根据权利要求1所述的一种单相机平衡型光学相干层析扫描装置，其特征在于：所涉分光聚焦模块(5)由衍射光栅(5-1)和第三聚焦透镜(5-2)组成，衍射光栅(5-1)对光路模块(4)形成的两束在空间上分离的干涉光进行分光，分光后的两束干涉光穿过第三聚焦透镜(5-2)聚焦成像。

6.根据权利要求1所述的一种单相机平衡型光学相干层析扫描装置，其特征在于：所述采集记录模块(6)为CCD相机。

7.根据权利要求4所述的一种单相机平衡型光学相干层析扫描装置，其特征在于：所述沿第一光路的干涉光相位与沿第二光路的干涉光相位相差一个π。

8.一种用于权利要求1所述单相机平衡型光学相干层析扫描装置的方法,其特征在于：包括以下步骤：

(1)光源模块发射低相干宽带光；

(2)准直调节模块把光源模块发射出来的低相干宽带光准直并调节光的形状和尺寸；

(3)干涉光学模块将准直调节模块发射过来的光分成照射被测样件的照射光和照射光楔的照射光，并使得来自被测样件的反射光和光楔的反射光互相干涉，产生两束干涉光；

(4)光路模块将干涉光学模块产生的两束干涉光在空间上分离，并把这两束干涉光照射至分光聚焦模块；

(5)分光聚焦模块把光路模块照射过来的两束在空间上分离的反射光分光并聚焦成像；

(6)采集记录模块采集记录经过分光聚焦后的两束干涉光光谱；

(7)将两个干涉光光谱相减，得到新的干涉光光谱；

(8)新的干涉光光谱沿波数方向进行傅里叶变换，即可调解出被测样件的内部结构。

9.根据权利要求8所述一种用于单相机平衡型光学相干层析扫描装置的方法，其特征在于：所述步骤(6)中

沿第一光路的干涉光光谱强度I₁(k)为：

$I_1\left(k\right)=DC+AC+2\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}a\left(z\right)cos\left(2knz\right)dz$

其中，k为波数，DC为直流项，AC为自相干项，a(z)为被测样件各深度的散射光强度，z为深度，n为被测样件的折射率；

两个干涉光相位相差一个π，沿第二光路的干涉光光谱强度I₂(k)为：

$I_2\left(k\right)=DC+AC+2\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}a\left(z\right)cos(2knz+\mathrm{\π})dz$

所述步骤(7)中，将两个干涉光光谱相减，得到：

$I\left(k\right)=I_1\left(k\right)-I_2\left(k\right)=4\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}a\left(z\right)cos\left(2knz\right)dz$

其中，I(k)是两束干涉光光谱相减后光谱强度。