本發(fā)明涉及光學(xué)相干層析成像的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及到一種單相機(jī)平衡型光學(xué)相干層析掃描裝置及方法。

背景技術(shù)：

光學(xué)相干層析成像技術(shù)Optical Coherence Tomography，OCT是一種20世紀(jì)90年代逐步發(fā)展的新型光學(xué)斷層成像技術(shù)。OCT基于低相干光干涉原理，通過(guò)掃描對(duì)材料的內(nèi)部進(jìn)行層析測(cè)量。OCT主要由低相干光源、邁克爾遜干涉儀以及光電探測(cè)器組成，具有非接觸，高分辨，無(wú)輻射，高靈敏度的特點(diǎn)，在臨床檢查，工業(yè)測(cè)量有著廣泛的應(yīng)用。然而，OCT掃描方式在使兩種移動(dòng)同步方面存在困難，獲取圖像所用的時(shí)間長(zhǎng)，易受到由對(duì)象運(yùn)動(dòng)引起的噪音的影響并且具有較低的信噪比。

近幾年獲得迅猛發(fā)展的頻域光學(xué)相干層析技術(shù)，通過(guò)采集干涉光譜并經(jīng)過(guò)傅里葉變換后可以獲得被測(cè)材料的深度結(jié)構(gòu)信息。頻域OCT技術(shù)不僅具有傳統(tǒng)OCT技術(shù)的特點(diǎn)外，還具有成像速度高的特點(diǎn)。但是頻域OCT也有著自相干信號(hào)和直流信號(hào)等干擾信號(hào)與干涉光譜的信號(hào)并存的特點(diǎn)，導(dǎo)致信噪比隨著深度增加而降低，影響其更廣泛的應(yīng)用。

在結(jié)合幾何光學(xué)和頻域光學(xué)相干層析的基礎(chǔ)上，本發(fā)明公開(kāi)一種單相機(jī)平衡型光學(xué)相干層析掃描裝置與方法，其測(cè)量結(jié)果相比于傳統(tǒng)的光學(xué)相干層析技術(shù)不僅能有效提升信噪比，而且能對(duì)被測(cè)材料的一個(gè)截面同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種單相機(jī)平衡型光學(xué)相干層析掃描裝置，該裝置在結(jié)合幾何光學(xué)和頻域光學(xué)相干層析技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)采集干涉光譜并經(jīng)過(guò)傅里葉變換后可以獲得被測(cè)材料的深度結(jié)構(gòu)信息，能有效地提升信噪比。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：它包括有：

光源模塊，發(fā)射低相干寬帶光；

準(zhǔn)直調(diào)節(jié)模塊，把光源模塊發(fā)射出來(lái)的低相干寬帶光準(zhǔn)直并調(diào)節(jié)光的形狀和尺寸；

干涉光學(xué)模塊，將準(zhǔn)直調(diào)節(jié)模塊發(fā)射過(guò)來(lái)的光分成照射被測(cè)樣件的照射光和照射光楔的照射光，并使得來(lái)自被測(cè)樣件的反射光和光楔的反射光互相干涉，產(chǎn)生兩束干涉光；

光路模塊，使干涉光學(xué)模塊產(chǎn)生的兩束干涉光在空間上分離后照射至分光聚焦模塊；

分光聚焦模塊，使兩束在空間上分離的反射光分光并聚焦成像；

采集記錄模塊，采集記錄經(jīng)過(guò)分光聚焦后的兩束干涉光光譜。

進(jìn)一步地，所述準(zhǔn)直調(diào)節(jié)模塊包括有準(zhǔn)直透鏡、柱面鏡以及位于兩者之間的光闌，其中，準(zhǔn)直透鏡把光源模塊發(fā)射過(guò)來(lái)的光準(zhǔn)直，光再穿過(guò)光闌調(diào)整寬度，最后通過(guò)柱面鏡調(diào)節(jié)形狀。

進(jìn)一步地，所述干涉光學(xué)模塊由第一分光棱鏡、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡以及光楔組成，其中，被測(cè)樣件和光楔分別位于第一分光棱鏡垂直的兩個(gè)方向上，準(zhǔn)直調(diào)節(jié)模塊發(fā)射過(guò)來(lái)的光經(jīng)過(guò)第一分光棱鏡分成兩束照射光，一束經(jīng)過(guò)位于第一分光棱鏡和被測(cè)樣件之間的第一聚焦透鏡直達(dá)被測(cè)樣件，另外一束經(jīng)過(guò)位于第一分光棱鏡和照射光楔之間的第二聚焦透鏡直達(dá)光楔，該兩束照射光分別在被測(cè)樣件和光楔上產(chǎn)生反射，形成兩束反射回第一分光棱鏡的反射光；所述兩束反射光在第一分光棱鏡上產(chǎn)生干涉作用，形成兩束干涉光。

進(jìn)一步地，所述光路模塊包括第四分光棱鏡以及位于第四分光棱鏡垂直方向上的第二分光棱鏡和第三分光棱鏡；其中，干涉光學(xué)模塊、第二分光棱鏡以及第四分光棱鏡組成第一光路，干涉光學(xué)模塊、第三分光棱鏡以及第四分光棱鏡組成第二光路；在干涉光學(xué)模塊形成的兩束干涉光分別經(jīng)過(guò)第一光路和第二光路，并在第四分光棱鏡上使兩束干涉光在空間上分離。

進(jìn)一步地，所述分光聚焦模塊由衍射光柵和第三聚焦透鏡組成，衍射光柵對(duì)光路模塊形成的兩束在空間上分離的干涉光分光，分光后的兩束干涉光穿過(guò)第三聚焦透鏡聚焦成像。

進(jìn)一步地，所述采集記錄模塊為CCD相機(jī)。

所述沿第一光路的干涉光相位與沿第二光路的干涉光相位相差一個(gè)π。

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，還提供一種用于單相機(jī)平衡型光學(xué)相干層析掃描裝置的方法，包括以下步驟：

(1)光源模塊發(fā)射低相干寬帶光；

(2)準(zhǔn)直調(diào)節(jié)模塊把光源模塊發(fā)射出來(lái)的低相干寬帶光準(zhǔn)直并調(diào)節(jié)光的形狀和尺寸；

(3)干涉光學(xué)模塊將準(zhǔn)直調(diào)節(jié)模塊發(fā)射過(guò)來(lái)的光分成照射被測(cè)樣件的照射光和照射光楔的照射光，并使得來(lái)自被測(cè)樣件的反射光和光楔的反射光互相干涉，產(chǎn)生兩束干涉光；

(4)光路模塊將干涉光學(xué)模塊產(chǎn)生的兩束干涉光在空間上分離，并把這兩束干涉光照射至分光聚焦模塊；

(5)分光聚焦模塊把光路模塊照射過(guò)來(lái)的兩束在空間上分離的反射光分光并聚焦成像；

(6)采集記錄模塊采集記錄經(jīng)過(guò)分光聚焦后的兩束干涉光光譜；

(7)將兩個(gè)干涉光光譜相減，得到新的干涉光光譜；

(8)新的干涉光光譜沿波數(shù)方向進(jìn)行傅里葉變換，即可調(diào)解出被測(cè)樣件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，沿第一光路的干涉光光譜強(qiáng)度I₁(k)為：

其中k為波數(shù)，DC為直流項(xiàng)，AC為自相干項(xiàng)，a(z)為被測(cè)樣件各深度的散射光強(qiáng)度，z為深度，n為被測(cè)樣件的折射率；

兩個(gè)干涉光相位相差一個(gè)π，沿第二光路的干涉光光譜強(qiáng)度I₂(k)為：

將兩個(gè)干涉光光譜相減，可以得到：

其中I(k)是兩束干涉光光譜相減后光譜強(qiáng)度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案結(jié)合幾何光學(xué)和頻域光學(xué)相干層析技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)采集干涉光譜并經(jīng)過(guò)傅里葉變換后可以獲得被測(cè)材料的深度結(jié)構(gòu)信息，能有效提升頻域光學(xué)相干層析技術(shù)測(cè)量結(jié)果的信噪比。具有非接觸、無(wú)輻射、高分辨率、高靈敏度測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種單相機(jī)平衡型光學(xué)相干層析掃描裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中CCD相機(jī)拍攝到的干涉圖像；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中測(cè)到的測(cè)量結(jié)果。

圖中標(biāo)記：1—光源模塊，2—準(zhǔn)直調(diào)節(jié)模塊，2-1—準(zhǔn)直透鏡，2-2—光闌，2-3—柱面鏡，3—干涉光學(xué)模塊，3-1—第一分光棱鏡，3-2—第一聚焦透鏡，3-3—第二聚焦透鏡，3-4—光楔，4—光路模塊，4-1—第二分光棱鏡，4-2—第三分光棱鏡，4-3—第四分光棱鏡，5—分光聚焦模塊，5-1—衍射光柵，5-2—第三聚焦透鏡，6—采集記錄模塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

參見(jiàn)附圖1所示，本實(shí)施例所述的一種單相機(jī)平衡型光學(xué)相干層析掃描裝置，它包括有光源模塊1、準(zhǔn)直調(diào)節(jié)模塊2、干涉光學(xué)模塊3、光路模塊4、分光聚焦模塊5以及采集記錄模塊6，采集記錄模塊6采用CCD相機(jī)，被測(cè)樣件為載玻片。

準(zhǔn)直調(diào)節(jié)模塊2包括有準(zhǔn)直透鏡2-1、柱面鏡2-3以及位于兩者之間的光闌2-2。

干涉光學(xué)模塊3由第一分光棱鏡3-1、第一聚焦透鏡3-2、第二聚焦透鏡3-3以及光楔3-4組成，載玻片和光楔3-4分別位于第一分光棱鏡3-1垂直的兩個(gè)方向上，第一聚焦透鏡3-2位于第一分光棱鏡3-1和載玻片之間，而第二聚焦透鏡3-3位于第一分光棱鏡3-1和光楔3-4之間。

光路模塊4包括第四分光棱鏡4-3以及位于第四分光棱鏡4-3垂直方向上的第二分光棱鏡4-1和第三分光棱鏡4-2，干涉光學(xué)模塊3、第二分光棱鏡4-1以及第四分光棱鏡4-3組成第一光路，干涉光學(xué)模塊3、第三分光棱鏡4-2以及第四分光棱鏡4-3組成第二光路。

分光聚焦模塊5由衍射光柵5-1和第三聚焦透鏡5-2組成。

工作原理如下：

光源模塊1發(fā)射的低相干寬帶光依次經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡2、光闌3、柱面鏡4，準(zhǔn)直透鏡2-1把光源模塊1發(fā)射過(guò)來(lái)的光準(zhǔn)直，光再穿過(guò)光闌2-2形成長(zhǎng)方形狀，通過(guò)柱面鏡2-3調(diào)節(jié)大小后穿過(guò)第二分光棱鏡4-1達(dá)到第一分光棱鏡3-1，光達(dá)到第一分光棱鏡3-1后分成兩束,分別經(jīng)過(guò)第一聚焦透鏡3-2將載玻片的一個(gè)截面照亮，另一束經(jīng)過(guò)第二聚焦透鏡3-3和光楔3-4后反射回到第一分光棱鏡3-1和載玻片的反射光發(fā)生干涉,干涉光在第一分光棱鏡3-1分成兩束，兩束干涉光分別沿第二分光棱鏡4-1和第四分光棱鏡4-3所組成的第一光路以及第三分光棱鏡4-2、第四分光棱鏡4-3所組成的第二光路到達(dá)衍射光柵5-1進(jìn)行分光。經(jīng)過(guò)分光后的兩束干涉光經(jīng)過(guò)第三聚焦透鏡5-2后，由CCD相機(jī)同時(shí)記錄兩束干涉光光譜。由于第一分光棱鏡3-1的透射作用，沿第一光路的干涉光光譜強(qiáng)度I₁(k)為：

其中k為波數(shù)，DC為直流項(xiàng)，AC為自相干項(xiàng)，a(z)為載玻片各深度的散射光強(qiáng)度，z為深度，n為載玻片的折射率。

另一束干涉光由于經(jīng)過(guò)第一分光棱鏡3-1反射作用進(jìn)入到了第二光路，因此這束干涉光相位與沿第一光通道的干涉光相差一個(gè)π，沿第二光通道的干涉光光譜強(qiáng)度I₂(k)為：

將兩個(gè)干涉光光譜相減，可以得到：

其中I(k)是兩束干涉光光譜相減后新的干涉光光譜強(qiáng)度。由上式可以看出，干涉信號(hào)的幅值增強(qiáng)了一倍，而直流干擾信號(hào)和自相干干擾信號(hào)得到了有效減弱。

最后，新的干涉光光譜沿波數(shù)方向進(jìn)行傅里葉變換，即可調(diào)解出載玻片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

本實(shí)施例結(jié)合幾何光學(xué)和頻域光學(xué)相干層析技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)采集干涉光譜并經(jīng)過(guò)傅里葉變換后可以獲得被測(cè)材料的深度結(jié)構(gòu)信息，能有效提升頻域光學(xué)相干層析技術(shù)測(cè)量結(jié)果的信噪比。具有非接觸、無(wú)輻射、高分辨率、高靈敏度測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。

圖2所示為被測(cè)樣件為載玻片時(shí)，CCD相機(jī)15拍攝到的干涉圖像，其中上層的干涉光譜是沿第一光路的干涉光光譜，下層的干涉光譜是沿第二光路的干涉光譜。

圖3所示為載波片的測(cè)量結(jié)果，從上往下第一個(gè)圖為兩束干涉光譜相減過(guò)后沿波數(shù)方向進(jìn)行傅里葉變換得到的玻璃片結(jié)構(gòu)圖，第二個(gè)和第三個(gè)圖分別是沿第一光路和第二光路的干涉光光譜沿波數(shù)方向進(jìn)行傅里葉變換得到的玻璃片結(jié)構(gòu)圖，其中深度為0.6mm位置和2.1mm位置的亮線分別為載玻片的前后表面所在處，深度為1.5mm位置的亮線是載玻片前后表面自干涉信號(hào)所在處?？梢钥闯觯瑑陕废鄿p的干涉信號(hào)與任意一路的干涉光信號(hào)相比，幅值明顯增強(qiáng)，而直流干擾信號(hào)和自相干干擾信號(hào)的幅值減少。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，該發(fā)明一種單相機(jī)平衡型光學(xué)相干層析掃描裝置與方法能有效地提升信噪比。

以上所述之實(shí)施例子只為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非以此限制本發(fā)明的實(shí)施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。