热光源谱域光学相干层析成像系统
发布时间：2017-09-01
光学相干层析成像技术(OCT)是一种利用光学低相干涉测量原理的成像技术，它能够对样品内部的微观结构进行无损伤、非侵入、无接触的横截面层析成像，分辨率可以达到微米量级[1].由于OCT具有较高的分辨率，因此该技术已经引起了广泛关注，并被成功地应用于生物组织活体检验和半导体材料检测等领域[1-4].按成像原理不同，OCT可以分为时域OCT(TimeDomainOCT，简称TD-OCT)和傅里叶域OCT(FourierDomainOCT，简称FDOCT)两类[4].TD-OCT系统需要轴向的机械扫描装置，通过移动反射镜或样品来改变参考臂和样品臂之间的光程差，以获得样品的深度信息，因而限制了系统的成像速度，并且分辨率和信噪比较低[5-6].FD-OCT采用频谱域干涉技术，无需轴向机械扫描，样品探测深度范围内的所有背向散射光同时参与干涉光谱成像，这种深度探测的并行性，解决了高速成像与分辨单元信号采集时间下降之间的矛盾，且具有更高的分辨率和信噪比[5-6].
FD-OCT可以分为谱域OCT(SpectralDomainOCT，简称SD-OCT)和扫频源OCT(SweptSourceOCT，简称SS-OCT)[4].SD-OCT的最大优势在于深度信息的获得不需要通过轴向机械扫描实现，只需通过光谱仪一次采集含样品深度信息的全部干涉光谱，对波数空间分布的干涉图谱进行傅里叶反变换，并进行图像重构就可得到样品深度信息的层析图像，因而大大提高了SD-OCT系统的成像速度和图像分辨率[5-6].本文设计的SD-OCT系统使用热光源作为宽带低相干光源来提高系统的轴向分辨率，获取高分辨率的图像.由于热光源具有极短的相干长度，能够提高系统的轴向分辨率，因此适合作为SD-OCT系统的光源.
1SD-OCT系统的原理
SD-OCT系统的基本原理是散射势理论，即散射光强的傅里叶逆变换可得到含样品深度结构信息的散射势[7]
式中：FS(z)为样品的散射势;z为轴向深度;k 为波数;ES(P，k)为样品在测量点P 处的散射光强;FI为傅里叶逆变换.对于迈克尔逊干涉仪，干涉光谱信号为
式中：I(k)为干涉光谱信号;S(k)为光源的光谱密度;n为样品的平均折射率.式(2)中的第1项为直流项，表现为直流噪声;第2项为互相关项.样品的深度信息可由式(2)经傅里叶逆变换获得
利用5步相移法[4]去除式(3)中的第2项和第3项，即直流噪声和镜像，即可得到样品内部不同深度处的FS(z).
轴向分辨率是OCT 技术的一个重要指标，理想高斯光源SD-OCT系统的轴向分辨率为
式中：lC为相干长度;λ0为光源中心波长;λh为光源半谱宽度.可以看出，SD-OCT系统的轴向分辨率除与光源中心波长、光谱的带宽有关外，还与光谱形状有关.传统SD-OCT系统常用的宽带光源为超连续谱激光器和超辐射发光二极管(SLD)，而热光源很少作为SD-OCT系统的光源使用.在高分辨率SDCT系统中，由于卤钨灯具有极短的相干长度，因此可使系统获得较高分辨率的层析图像[4，8-9].
2实验系统设计
热光源的光纤SD-OCT系统主要由宽带光源、迈克尔逊干涉仪和光谱仪构成，结构[9]如图1所示.
图1中，由2×2光纤耦合器(分束比为50∶50)和2个光纤准直器构成光纤迈克尔逊干涉仪，显微物镜将光束聚焦在样品上，不仅提高了OCT 系统的横向分辨率，而且滤除了焦点外返回的杂散光，保证了系统的成像质量.
由于样品的背向散射光强远低于参考光强，为了能够较好地发生干涉，因此需要增加样品臂的背向散射光强度.但是，由于单层薄膜样品膜表面与基片上表面对入射光的背向散射均较强，导致干涉光谱的自相关项增大，引起图像模糊、信噪比降低，因此采用分束比为50∶50的光纤耦合器.系统所用的热光源为光谱形状近似高斯分布的卤钨灯，光源发出的入射光经过光纤耦合器后分成两部分，并分别进入样品臂和参考臂.样品的背向散射光中含有样品的深度信息，可以看成是多种准单色光的叠加.背向散射光返回后与来自参考臂的反射光经过耦合器发生干涉，干涉光谱信号由光谱仪接收，并送入计算机进行处理和图像重构.步进电机驱动平移台对样品进行水平扫描，以获得二维层析图像.
3实验结果和讨论
由于光源的光谱形状、中心波长和带宽决定了OCT系统的轴向分辨率，因此实验前先要测量卤钨灯的光谱(见图2).
由图2可知，卤钨灯光源的中心波长和光谱半宽分别为650nm和225nm，根据轴向分辨率的表达式可知，系统的理论轴向分辨率为0.83μm.由光源光谱图中可以看出光谱并非理想高斯分布，这将会导致轴向响应函数的展宽和旁瓣产生，从而降低系统轴向分辨率和成像质量[10]，因此需要对卤钨灯光源的原始光谱进行高斯光谱校正[4，11-12].对于理想高斯分布的光源，光谱密度可以表示为
式中：λ为光源的波长.设由光谱仪采集到的卤钨灯的实际光谱密度为Sr(λ)，对应于相同的λ，可由式(5)计算得出理想情况下的光谱密度.根据实际光谱密度和理想光谱密度可以得到校正系数
若光谱仪采集到的实际干涉光谱强度为Ir(λ)，则可得到高斯校正后的干涉光谱强度为
由于光谱仪采集到的干涉光谱信号为波长的函数，而深度方向的空间坐标与波数互为傅里叶变换对，因此在傅里叶逆变换前，需将波长空间分布的Ii(λ)转化到波数空间分布的干涉光谱强度Ii(k).由于波长与波数之间的非线性关系，因此利用三次样条插值算法对干涉光谱进行波数空间的非线性校正，以确保系统轴向分辨率和图像质量[10].实验样品是以玻璃为基片、厚度为60μm 的聚苯乙烯单层薄膜，非线性校正、高斯光谱校正和图像重构等数据处理过程通过MATLAB编程软件实现.高斯校正后，光源的中心波长和光谱半宽分别为670nm和165nm，因此系统实际轴向分辨率约为1.2μm，比理论轴向分辨率低，这是由波数的非线性校正误差引起的.图3a和图3b分别为高斯光谱校正前后样品轴向(深度方向)的一维散射势图，其
中纵坐标为归一化散射势.从图3中可以看出，一维散射势具有4个明显的峰值，高斯光谱校正前后，散射势峰值的尖锐程度不同.在高斯光谱校正前，散射势峰值1、2较平坦，范围较宽，表明系统轴向分辨率较低，不利于边界定位.当高斯光谱校正后，散射势峰值得到锐化，系统轴向分辨率提高，与校正前的峰值2相比，峰值4变大，从而有利于边界定位和薄膜厚度的测量.由图3中散射势的2个主要峰值的位置可知，聚苯乙烯薄膜厚度约为67.8μm.
图4为高斯光谱校正前、后样品的二维层析图像，图中亮线表示折射率突变的界面处，图像顶端的亮线代表聚苯乙烯薄膜上表面，中间亮线位置代表薄膜与玻璃基片的交界处.由于实验样品为单层薄膜结构，为获取高质量的二维层析图像并精确测量薄膜厚度，对样品的二维层析图像进行直方图均衡化处理，并设定灰度值阈值，这样既可以滤掉高频噪声，又可以提高图像的清晰度和对比度，获得精确薄膜厚度.由图4a可以看出，高斯校正前的图像模糊，薄膜与基片之间的边界较宽，但经过高斯光谱校正、直方图均衡化和阈值设定等处理后，图像的质量和分辨率得到了提高，薄膜的边界清晰地显示出来，2条亮线之间的杂散干扰信号得到了去除，薄膜的厚度约为67.8μm(见图4b).
4结论
本文设计了一种使用宽带热光源的光纤迈克尔逊干涉仪结构的SD-OCT系统，采用高斯校正算法对卤钨灯光源的原始光谱进行校正，提高了系统的轴向分辨率和图像质量.实验结果表明，经过高斯校正，样品的一维散射势峰值得到了锐化，系统的分辨率和层析图像质量都得到了提高，并且滤除掉了杂散信号的干扰，使薄膜与基片的边界更加清晰.本文系统具有较高的分辨率，测量过程中无需与样品发生接触，对样品无损伤，具有成像速度快、测量精度高的特点，因此在薄膜厚度的无损测量方面具有广泛的应用前景.
摘自：中国计量测控网
