TWI639809B - 干涉儀及其成像方法 - Google Patents

Abstract

具解調功能的干涉儀，適於檢測一待測樣品。該干涉儀包括：一光源，提供一光束；一分光元件，接收光源所發出的光束，並將光束分成一第一入射光及一第二入射光，其中第一入射光入射至待測樣品並反射成一第一反射光；一反射元件，接收第二入射光並反射成一第二反射光；一光偵測元件，接收第一反射光與第二反射光，以產生一干涉信號；一信號處理模組，耦接至光偵測元件，信號處理模組接收干涉信號並對干涉信號進行空間微分處理，以得到待測樣品之一解調影像。

Description

干涉儀及其成像方法

本發明是有關於一種干涉儀及其成像方法。

光學同調斷層掃描術(Optical coherence tomography；OCT)的主要工作原理利用麥克森干涉儀(Michelson Interferometer)結合低同調光源(Low coherence light source)。理想單頻光經過分光鏡(Beam Splitter；BS)後分為兩路徑，參考端(Reference arm)路徑與樣品端(Sample arm)路徑。參考端路徑上的光經平面鏡反射後回傳，部分光穿透分光鏡至光偵測器(Photodetector；PD)。樣品端路徑上的光經待測物反射後回傳，部分光經分光鏡反射至光偵測器。如果參考端路徑上的光與樣品端路徑上的光在同調長度(Coherence length)有重疊的話，則兩者發生干涉。該干涉信號可由光偵測器所量測。藉由前後移動平面鏡來改變參考端路徑與樣品端路徑的光程差(Optical Path Difference；OPD)，以得到待測物的不同軸向深度的干涉資訊，進一步分析可得到待測物資訊。

全域式光學同調斷層掃描術(Full-field optical coherence tomography；FFOCT)是一種由時域(Time-domain)OCT所發展的架構，改良傳統的時域OCT之掃描技術與擷取影像，使掃描速度大幅提升。

由於全域式光學同調斷層掃描術擷取干涉條紋影像來重建影像，所以干涉演算法在FFOCT中非常重要，愈複雜的演算法越能解調出較好影像，但花費時間較久，且需相位精準位置才能重建好的影像品質。

故而，本案提出一種具解調功能的干涉儀與其成像方法。

本案一例提出一種具解調功能的干涉儀，適於檢測一待測樣品。干涉儀包括：一光源，提供一光束；一分光元件，接收光源所發出的光束，並將光束分成一第一入射光及一第二入射光，其中第一入射光入射至待測樣品並反射成一第一反射光；一反射元件，接收第二入射光並反射成一第二反射光；一光偵測元件，接收第一反射光與第二反射光，以產生一干涉信號；一信號處理模組，耦接至光偵測元件，信號處理模組接收干涉信號並對干涉信號進行空間微分處理，以得到待測樣品之一解調影像。

本案另一例提出一種干涉儀成像方法，適於檢測一待測樣品。成像方法包括：提供一光束；將光束分成一第一入射光及一第二入射光；將第一入射光入射至待測樣品並反射成一第一反射光；接收第二入射光並反射成一第二反射光；接收第一反射光與第二反射光，以產生一干涉信號；以及接收干涉信號並對干涉信號進行空間微分處理，以得到待測樣品之一解調影像。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

100‧‧‧干涉儀

110‧‧‧光源

115‧‧‧準直透鏡

120‧‧‧分光元件

125‧‧‧待測物鏡

130‧‧‧參考物鏡

135‧‧‧步進平移台

140‧‧‧反射元件

145‧‧‧成像透鏡

150‧‧‧光偵測元件

155‧‧‧信號處理模組

200‧‧‧待測樣品

210-250、310-360‧‧‧步驟

第1圖顯示根據本案一實施例之干涉儀的架構示意圖。

第2圖顯示根據本案一實施例的解調方法流程圖。

第3圖顯示根據本案一實施例的干涉儀的成像方法。

本說明書的技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。本揭露之各個實施例分別具有一或多個技術特徵。在可能實施的前提下，本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施任一實施例中部分或全部的技術特徵，或者選擇性地將這些實施例中部分或全部的技術特徵加以組合。

第1圖顯示根據本案一實施例之干涉儀的架構示意圖。如第1圖所示，干涉儀100包括：光源110、準直透鏡115、分光元件(如分光鏡)120、待測物鏡125、參考物鏡130、步進平移台135、反射元件(如參考鏡)140、成像透鏡145、光偵測元件150與信號處理模組155。干涉儀100具有解調功能，適於檢測一待測樣品200。

光源110用以提供光束，光束例如為同調光。光源110的光束照射在準直透鏡115後，形成準直平行光。

準直平行光照射到分光元件(如分光鏡)120，由分光元件120分成兩路徑：待測端路徑與參考端路徑。亦即，分光元件120接收準直平行光，並將準直平行光分成第一入射光及第二入射光。第一入射光沿著待測端路徑前進，而第二入射光則沿著參考端路徑前進。

待測物鏡125位於待測端路徑上。待測物鏡125將第一入射光聚焦至待測樣品200。由待測物鏡125所聚焦的第一入射光入射至待測樣品200，並反射成第一反射光。

參考物鏡130位於參考端路徑上。參考物鏡130將第二入射光聚焦至反射元件140。由參考物鏡130所聚焦的第二入射光入射至反射元件140。反射元件(如參考鏡)140將第二入射光反射成第二反射光。

步進平移台135用以步階式移動反射元件140，以調整待測端路徑與參考端路徑之間的光程差。藉由步進平移台135的移動，可以解調出待測樣品200的表層影像或者是不同斷層的影像。因此，步進平移台135又可稱為深度掃描致動器。

由待測樣品200所反射的第一反射光，以及由反射元件140所反射的第二反射光，經過分光元件120，而由成像透鏡145所聚焦。經成像透過145所聚焦的第一與第二反射光入射至光偵測元件150。

光偵測元件150接收第一反射光與第二反射光，以產生干涉信號(具有干涉條紋影像)。由光偵測元件150所產生的干涉信號送至信號處理模組155。光偵測元件150例如是但不受限於影像感測器，或感光耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)或互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)影像感測器(image sensor)。當然，本案並不受限於此。

信號處理模組155耦接至光偵測元件150，信號處理模組155接收干涉信號並對干涉信號進行空間微分運算，以得到待測樣品200之一解調影像。

詳細地說，信號處理模組155利用空間微分演算法來解調出待測樣品200的一深度之解調影像。藉由控制步進平移台135的移動，可調整反射元件140的位置，以改變待測端路徑與參考端路徑之間的光程差，可得到待測樣品200的不同深度之干涉條紋影像。在本案另一可能實施例中，干涉儀可不包含步進平移台135，干涉儀可解調出待測樣品200在一固定深度之解調影像。亦即，步進平移台135用以在進行不同深度量測時，調整待測端路徑與參考端路徑之間的光程差。如果是解調固定深度的解調影像的話，則干涉儀可不包含步進平移台，此亦在本案精神範圍內。

現請參考第2圖，其顯示根據本案一實施例的解調方法流程圖。詳細來說，第2圖為信號處理模組155接收干涉信號並進行空間微分運算，以得到待測樣品200之解調影像的步驟。在步驟210中，信號處理模組155接收光偵測元件150所擷取的干涉信號。在步驟220中，信號處理模組155對干涉信號進行一階空間微分。在步驟230中，信號處理模組155對干涉信號進行二階空間微分。在步驟240中，信號處理模組155對干涉信號進行三階空間微分。在步驟250中，信號處理模組155對步驟220-240所得到的一階至三階空間微分結果進行運算，以得到待測樣品200的解調影像。步驟220-250的細節將於底下說明之。

本案實施例所用的空間微分演算法，由干涉原理可知，由光偵測元件150所擷取的干涉信號I(x,y)可由以下(1)式表示：I(x,y)=I_DC(x,y)+A_i(x,y)cos[Φ(x,y)+kx] (1)

在公式(1)中，I_DC(x,y)為直流項背景值(其代表背景光)，A_i(x,y)cos[Φ(x,y)+kx]為干涉項(其代表干涉光信號)，A_i(x,y)為第i層(i為正整數)掃描影像之振幅，Φ(x,y)為干涉條紋之相位，k為光之波數。

對干涉信號I(x,y)對x座標位置微分可表示如下式(2)：

假設背景光(亦即由分光元件120所入射的第一入射光)均勻且穩定的照在待測樣品200上，則上式(2)中，， ，。

在步驟220中，信號處理模組155對干涉信號進行一階空間微分所得到的結果可表示如下式(3)：I'(x,y)=-kA_i(x,y)sin[Φ(x,y)+kx] (3)

在步驟230中，信號處理模組155對干涉信號進行二階空間微分所得到的結果可表示如下式(4)：I"(x,y)=-k²A_i(x,y)cos[Φ(x,y)+kx] (4)

在步驟240中，信號處理模組155對干涉信號進行三階空間微分所得到的結果可表示如下式(5)：I'''(x,y)=k³A_i(x,y)sin[Φ(x,y)+kx] (5)

利用三角恆等式：sin² θ+cos² θ=1，來去除上式(3)-(5)中干涉項之相位，可得到下式(6)：

在上式(6)中，C為常數。

上述為對x座標位置做微分，對y座標位置微分亦為同理。在本案實施例中，如果干涉影像具有x方向變化，則對干涉影像做x微分；如果干涉影像具有y方向變化，則對干涉影像對做y微分；以及，如果干涉影像具有x方向變化與y方向變化，則對干涉影像對做x微分與y微分。也就是說，空間微分有關於干涉影像的方向性。此外，公式(1)-(6)當中的i值表示不同深度的掃描影像，可透過調整步進平移台135來達成i值的改變。

第3圖顯示根據本案一實施例的干涉儀的成像方法。在步驟310中，光源110可提供一光束。在步驟320中，分光元件120接收光源110所發出的光束，並將光束分成一第一入射光及一第二入射光。在步驟330中，待測物鏡125將第一入射光入射至待測樣品200並反射成一第一反射光。在步驟340中，反射元件140接收第二入射光並反射成一第二反射光。在步驟350中，偵測元件150接收第一反射光與第二反射光，以產生一干涉信號。在步驟360中，信號處理模組155接收干涉信號並對干涉信號進行空間微分處理，以得到待測樣品之一解調影像。

在本案實施例中，係進行空間微分處理，因此可利用單張干涉影像即可以得到待測樣品的解調影像。因此，本案實施例幾乎可以即時顯示待測樣品的解調影像，故而本案實施例的解調速度快。

此外，在本案實施例中，由於不需要精密且昂貴的元件(例如壓電陶瓷感測器(PZT，Piezoelectric Transducer)，故而，本案實施例的干涉儀的成本較為低廉。

此外，本案實施例的干涉儀所使用的元件較具有抗振性，例如，傳統使用時間微分方式進行解調，對應在不同相位拍攝需使用PZT來調整位置，由於PZT的抗振性較差，多張影像的解調容易受到振動的干擾，但本案實施例使用空間微分的方式進行解調，最低僅需一張影像即可進行運算，無須採用PZT，也不會被振動所干擾，所以，本案實施例具有較佳的抗振性。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (8)

1. 一種具解調功能的干涉儀，適於檢測一待測樣品，該干涉儀包括：一光源，提供一光束；一分光元件，接收該光源所發出的光束，並將該光束分成一第一入射光及一第二入射光，其中該第一入射光入射至該待測樣品並反射成一第一反射光；一反射元件，接收該第二入射光並反射成一第二反射光；一光偵測元件，接收該第一反射光與該第二反射光，以產生一干涉信號；以及一信號處理模組，耦接至該光偵測元件，該信號處理模組接收該干涉信號並對該干涉信號進行空間微分處理，以得到該待測樣品之一解調影像，其中該信號處理模組計算而得該解調影像，I為該干涉信號，I'為對該干涉信號進行一階空間微分而得，I"對該干涉信號進行二階空間微分而得，I'''為對該干涉信號進行三階空間微分而得，C為常數。
2. 如申請專利範圍第1項所述之干涉儀，其中，如果該干涉信號包括x方向變化，則該信號處理模組對該干涉信號進行x微分；如果該干涉信號包括y方向變化，則該信號處理模組對該干涉信號進行y微分；或者 如果該干涉信號包括x方向變化與y方向變化，則該信號處理模組對該干涉信號進行x微分與y微分。
3. 如申請專利範圍第1項所述之干涉儀，其中該光偵測元件係為一影像感測器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之干涉儀，其中該光偵測元件為感光耦合元件或互補式金屬氧化物半導體影像感測器。
5. 如申請專利範圍第1項所述之干涉儀，更包括：一步進平移台，用以步階式移動該反射元件，以調整一待測端路徑與一參考端路徑之間的一光程差，而得到該待測樣品在不同深度的不同解調影像，其中，該待測樣品位於該待測端路徑上，而該反射元件位於該參考端路徑上。
6. 一種干涉儀成像方法，適於檢測一待測樣品，該成像方法包括：提供一光束；將該光束分成一第一入射光及一第二入射光；將該第一入射光入射至該待測樣品並反射成一第一反射光；接收該第二入射光並反射成一第二反射光；接收該第一反射光與該第二反射光，以產生一干涉信號；以及接收該干涉信號並對該干涉信號進行空間微分處理，以得到該待測樣品之一解調影像，其中對該干涉信號進行空間微分處理，以得到該待測樣品之該解調影像之該步驟包括： 計算而得該解調影像，I為該干涉信號，I'為對該干涉信號進行一階空間微分而得，I"對該干涉信號進行二階空間微分而得，I'''為對該干涉信號進行三階空間微分而得，C為常數。
7. 如申請專利範圍第6項所述之干涉儀成像方法，其中，如果該干涉信號包括x方向變化，則對該干涉信號進行x微分；如果該干涉信號包括y方向變化，則對該干涉信號進行y微分；或者如果該干涉信號包括x方向變化與y方向變化，則對該干涉信號進行x微分與y微分。
8. 如申請專利範圍第6項所述之干涉儀成像方法，更包括：利用一步進平移台以調整一待測端路徑與一參考端路徑之間的一光程差，而得到該待測樣品在不同深度的不同解調影像。