白光照明譜域光學(xué)相干層析成像研究

陳玉平

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程學(xué)院，西安710089）

白光照明譜域光學(xué)相干層析成像研究

陳玉平

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程學(xué)院，西安710089）

為了降低成本，同時(shí)改善光學(xué)相干層析成像技術(shù)的圖像獲取率和軸向分辨率，采用白光源照明的譜域光學(xué)相干層析成像的方法，進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)薄膜等樣品的測(cè)量，取得了一些基本的數(shù)據(jù)和圖像。結(jié)果表明，樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像清晰可見(jiàn)，該系統(tǒng)切實(shí)可行，并能夠?qū)崿F(xiàn)工程和生物材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)3維圖像重構(gòu)。

測(cè)量與計(jì)量；白光；光學(xué)相干層析成像；光譜干涉法

引 言

光學(xué)相干層析成像技術(shù)（optical coherence tomography，OCT）是一種非接觸性和非破壞性的高靈敏度、高分辨率的檢測(cè)技術(shù)，已在許多無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，特別是生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)方面［1-3］。當(dāng)前主流的OCT技術(shù)是所謂的時(shí)域光學(xué)相干層析成像技術(shù)（time-domain optical coherence tomography，TDOCT）系統(tǒng)，它是通過(guò)參考臂進(jìn)行來(lái)回的機(jī)械掃描逐點(diǎn)采集樣品臂中與參考臂等光程的樣品干涉信號(hào)來(lái)獲得軸向深度信息的，由于有嚴(yán)重的散粒噪音等問(wèn)題，它在圖像獲取速度等方面有明顯不足。

譜域光學(xué)相干層析成像技術(shù)（spectral-domain optical coherence tomography，SD-OCT）是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，它不需要深度掃描而同步獲得深度結(jié)構(gòu)并改善了信噪比，其主要優(yōu)勢(shì)是快的圖像獲取速度［4］。在國(guó)內(nèi)譜域光學(xué)相干層析成像也得到了廣泛的研究，例如WANG等人研究了譜域OCT中基于解卷積方法的像質(zhì)優(yōu)化［5］，ZHANG等人研究了它的量化技術(shù)并應(yīng)用于生物組織的定量分析中［6］。

OCT的光源一般是部分相干寬帶光源，如超輻射發(fā)光二極管（super luminescent diode，SLD）和飛秒激光器，它們具有低的時(shí)間相干性和高的空間相干性，通常條件，SLD可獲得的系統(tǒng)軸向分辨率是15μm～20μm。為了在低成本和結(jié)構(gòu)緊湊的條件下提高OCT系統(tǒng)分辨率，一些研究者嘗試在TD-OCT中使用白光光源，例如FERCHER等人用鎢鹵燈和氙狐燈等在TD-OCT系統(tǒng)中使用白光作為系統(tǒng)照明光源［7］，而OHMI等人則在一個(gè)光纖TD-OCT中應(yīng)用白光技術(shù)是的達(dá)到了1μm的分辨率［8］。

為了同時(shí)提高圖像獲取率和系統(tǒng)軸向分辨率并降低成本，作者設(shè)計(jì)和搭建了一套基于白光（鎢鹵燈）的SD-OCT系統(tǒng)，并進(jìn)行了相應(yīng)的原理性實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性。

1 白光譜域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

最早進(jìn)行SD-OCT研究的是FERCHER等人，他根據(jù)波恩光學(xué)中的散射光場(chǎng)理論推導(dǎo)出一個(gè)結(jié)論，即樣品散射勢(shì)函數(shù)的傅里葉變換等于后向散射光的復(fù)振幅［9］，其等式為：

式中，E（P，k）是被測(cè)點(diǎn)散射光復(fù)振幅；k是波數(shù)；P是探測(cè)點(diǎn)；exp（－i kz）在此處表示光的相位；C是比例常數(shù)；T是取值范圍（一般為無(wú)窮大）；z是被測(cè)樣品到探測(cè)點(diǎn)的距離即軸向深度；n（z）則是樣品的折射率函數(shù)；F（z）就是反映樣品結(jié)構(gòu)的散射勢(shì)函數(shù)。

從FERCHER等人開始，人們?cè)O(shè)計(jì)了很多種SD-OCT系統(tǒng)。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室條件等，作者選擇了光譜干涉形態(tài)的SD-OCT系統(tǒng)。它一般由寬帶部分相干光源、光纖邁克爾遜干涉儀、光譜儀、參考鏡和橫向掃描裝置等構(gòu)成［10-11］。

為降低成本及提高軸向分辨率，并考慮白光的性能和光路的靈活性，作者嘗試用白光（鎢鹵燈）代替部分相干光源來(lái)設(shè)計(jì)和搭建一套光纖型的譜域光學(xué)相干層析成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。

Fig.1 Schematic of SD-OCT under white light illumination

在光纖邁克爾遜干涉儀（光纖耦合器）的輸入端耦合進(jìn)白光源（白光的波長(zhǎng)范圍是400nm～850nm，中心波長(zhǎng)是670nm），此時(shí)，光束在耦合器中被分成兩路，一路經(jīng)光纖準(zhǔn)直器（自聚焦透鏡）射向參考鏡，被反射后原路返回；另一路則指向被測(cè)樣品，從樣品反射或散射的光部分被耦合進(jìn)光纖輸出端并按原路返回。兩束光在耦合器重新會(huì)合后產(chǎn)生干涉，其中一部分干涉光射向與光譜儀耦合的光纖邁克爾遜干涉儀的輸出端；干涉信號(hào)輸入光譜儀后，由其內(nèi)部的衍射光柵展成光譜干涉信號(hào)并由電荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）采樣后輸出到計(jì)算機(jī)上。衍射光柵是由美國(guó)海洋公司提供的光譜儀內(nèi)置的反射式衍射光柵，由玻璃基底鍍金屬薄膜并刻劃而成，600line／mm，波長(zhǎng)范圍200nm～850nm。取得的數(shù)據(jù)需經(jīng)一系列的數(shù)據(jù)處理程序如三次樣條重采樣、傅里面葉逆變換、非高斯光源的修正、圖像優(yōu)化等，才能得到樣品的散射勢(shì)函數(shù)，從而獲得樣品的1維深度信息，再經(jīng)橫向掃描即可得到樣品的層析圖像。這是因?yàn)橐话阌糜贠CT的部分相干寬帶光源其光譜密度曲線都是近似理想的高斯曲線，而白光的光譜密度曲線卻不是理想的高斯曲線，因此測(cè)量的結(jié)果就會(huì)有誤差，這就需要修正補(bǔ)償。具體的方法是用最小二乘法擬合光源的光譜，再與理想的高斯光源的譜密度相比，獲得不同波長(zhǎng)的修正系數(shù)并保存。當(dāng)獲得實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)乘以該系數(shù)即可。另外由前述SD-OCT原理，重構(gòu)圖像需進(jìn)行傅里葉逆變換。它需以波數(shù)為自變量并等間隔分布，而光譜儀所獲的數(shù)據(jù)是以波長(zhǎng)為自變量的，它們是倒數(shù)的關(guān)系，這就需要進(jìn)行重采樣，本文中采用了三次樣條插值算法實(shí)現(xiàn)。此外由于色散、成像誤差等等，還需對(duì)重構(gòu)的圖像進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果就使得圖像比較清晰。

2 實(shí)驗(yàn)和討論

首先測(cè)量光源的功率譜密度（見(jiàn)圖2），然后根據(jù)Wienner-Khintchine定理，確定了光源的相干長(zhǎng)度，測(cè)量過(guò)程就是用一個(gè)高反射鏡取代樣品得到系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)即軸向分辨率，如圖3所示。

Fig.2 Spectrum-density diagram of the tungsten halogen lamp

隨后把1個(gè)鍍有薄膜的樣品固定在步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)平臺(tái)上，并使其與樣品臂對(duì)準(zhǔn)，在光路準(zhǔn)直后，即可由光譜儀采樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

Fig.3 Point spread function of the SD-OCT system

Fig.4 Chromatography grayscale of a coated reflector

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖可知，薄膜的形態(tài)清晰可見(jiàn)，從而在原理上基本驗(yàn)證了此方案的可行性，在后續(xù)的研究中還將進(jìn)一步得到驗(yàn)證［12］。用白光（鎢鹵燈）代替部分相干光作為照明光源，不僅降低了成本，還提高了系統(tǒng)軸向分辨率并使結(jié)構(gòu)緊湊。為使光路靈活、適用范圍更廣，作者采用了光纖邁克爾遜干涉儀作為主要干涉裝置。為此，設(shè)計(jì)和調(diào)整了整個(gè)光路系統(tǒng)以滿足白光源及光纖干涉儀。在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，采用了三次樣條的重采樣技術(shù)和非高斯光源的修正算法及改善色散等的圖像優(yōu)化技術(shù)，以提高重構(gòu)圖像的質(zhì)量。

3 結(jié) 論

為降低成本、提高系統(tǒng)軸向分辨率和圖像獲取率并使結(jié)構(gòu)緊湊，本文中設(shè)計(jì)和搭建了一套用白光照明的譜域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)是可行的，完全能勝任實(shí)時(shí)重構(gòu)圖像的測(cè)量任務(wù)。

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Research of spectral-domain optical coherence tomography under white light irradiation

CHEN Yuping
（Department of Aviation Manufacturing Engineering，Xi’an Aernonautical Polytechnic Institute，Xi’an 710089，China）

In order to improve image acquisition rate and axial resolution of optical coherence tomography at lower cost，spectral-domain optical coherence tomography（SD-OCT）was studied both theoretically and experimentally.Some basic data and imageswere obtained based on themeasurementof film workpieces.The results show that the images of their internal structure are visible clearly and SD-OCT under white light illumination is feasible and enables to realize the realtime 3-D imaging reconstructions of internal structure of engineering and biologicalmaterials.

measurement and metrology；white light；optical coherence tomography；spectral interferometry

TH744.3；O439

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.03.019

1001-3806（2014）03-0372-03

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目（12JK0672）

陳玉平（1962-），男，講師，博士，主要從事光電檢測(cè)方面的研究。

E-mail：ypc-0828＠163.com

2013-07-26；

2013-08-21