（光学工程专业论文）高分辨率全视场光学相干层析术研究.pdf

硕士论文高分辨率全视场光学相干层析术研究 abs tract o ptic alc o here ncetom o g r a p h y( o c 一 i s anewte c hni q ue for im铭i n gl i v i飞 ti s sue 0 c th asthe c apabi l i tyo f opt i c als e c t 1 o n i ng i m a g e s o f b i o l o g i c alti s s 此in non i n v a s i vew a y 门 0 c th asd e m o n s t r a t e d i t s gr e atp o t e ni i ali n med i c i ne h o 、 ， e v e r， the 廿 a d i ti o nal 0 c t h asth e l i m ita t io n o f i o wi m agi ngsp eed and l o wl r a n s v e r s e re sol ut io n h i gh一 re s o l ut i o n f u l l f i e l d 0 c t ( f f o c 乃诚l l o v e re o me t hes e d i s a d v ant a g e s . ai fi 呱 th e prin c i p l e o f 0 c t 田 1 d the b as i c theo ryo f f f 0 c tare i n t r o d u c e d i n this p a per ; t 七 e n the p ri nci p l e o f linagi ngand the c o n s 1 ru c t i o n o f the h i ghre so l ut i o n f f o c tare anal y z e dind e l a i l . e s p e c i a i iy，the p ri n c i p l e o f k o e h l eri l l umi n at i o ni s i l l u s t r a t e dd e 面l e d . t h e c c di s stud i edd e e p l yand th e w ayo f h o wtoi m p r o vethe 声 e c i s i on o fdete c t i n gi sd i s c u s s ed. b e s i de s ， p h a s esh i ft i 雌 i n t e r fe r o n l e t ry i s i n t r o d u c e d and th e fo ur-s te p a l g o ri t 物 mi s a p p l i e d ， i n add i t i o 氏the p z ti s al s o s t u d l e d and the i m a g e s o f s i m p 1 e s are re bui l t w i t h the w a y o f w ave 一 fronifi tt i ng. f i n al l y，b a s e d o nthes etheo ri e s ， t h ew h o lef f o c ts y s t e n l ， i n c l u d i ng mec ll a n i s m ， o ptic sand c o m p ut ers o ft w a r ei s d e s i gned， a n de x p e ri m e ni s h avedem o n s t r a t ev al i d i tyo f th e s y stema n d o b t a i n a i mo f s t u d y in g . k e 州o rds : h i gh一 re so l utio nf ul l f i e l d 0 p t ic al c o h e r e n c e tom o g r a p h y koe hl eri l l um i n a t i o nc h ar g e c o upl edd e v i ee( c c d ) p h ase shi ffing i n t e rfer o m e t ry 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了加以 标注和致谢的 部分外， 不包含其他人己 经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作 了明确 的说明。 研 究 生 签 名 : 浅蛛文 沙 叩年 肛 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以 借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网 公布本学位论文的部分或全部内 容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : 为 鲜策 一 “ 兮手 了 明日 硕士论文高分辨率全视场光学相干层析术研究 1 绪论 光学相千层析技术 ( o c t)是一门新 兴的生 物成像技术， 它是基 于麦克 尔逊干 涉仪的 一种测量仪器， 利用近红外的 低相干宽带光 源， 非 侵入地从生 物组 织中 提 取出高分辨率的二维图像。 全视场光学相干层析技术 (ful l fi el d opti cal c ohe re nc e tom o g r a p hy， 简称为 ffo c t ) 。 f f o c t 技术是一种以 相干为 特性的医 学成像技术， 其理论 基础是 光学 相千层析技术， 即o c t 。 因此，它 继承了o c t 技术的非接 触性和非 侵入 性的 特 点， 可在自 然条件下进行实时的活体测量， 且测试结果与被测对象的热血和机械 特性无关。目 前， 在提高响应速度、 提高成像分辨率、组织图像重建，以及小型 化、 实用化等方面具有较高的研究 价值。 本课题研究的f f o c t系 统具有 成像速 度快、 分辨率高、图象重简单等优点. 1 . 1 0 c t的发展 光学相干层析术建立在低相干千 涉或白 光干涉技术的基础上。 最早来 源于白 光干涉测量法， 一种一维光学测距技术 光学相干域反射测量技术 ( o p t i cal cohe re nce 一 dom ai n re fi ec to m e try， o c d r ) 。 该技术使用一宽带光源发出的相 干光进 行反 射域的 测量， 并通过实验得到了10p m的 轴向 分辨率和大于100 db 的 动态 范围。 o c d r原主要用 来检测光缆的 瑕疵， 但是不久人们就 认识到它具有 探测眼 睛和其它生物组织的能力， 并在测定光纤和光波导中的后向散射光和回波光中得 到 应用111 。 低相干干涉在生物医学上的首次 应用是f erche : 等人用部分相 干光通 过干涉法测量了 眼球的长度，并得到眼部的法布里一 拍罗 ( f abry p erot) 干涉条 纹 1 2 1 。 1 991 年，由美国 麻省 理工大学的 f uj i mo to工作组的h u a n g 等人首次 提出 了光学相干层析术 ( o c t ) 的概念，并通过实验成功地演示了人类视网膜和动脉 粥样硬化噬菌斑的活体成像。 作为在透明、 轻度散射介质和强散射介质中成像的 例证， 这一研究 采用光纤迈克 尔干涉仪， 光源选用波长为 8 30lun 的超发光二 极 管低相 干光源， 并具有 参考臂 扫描， 轴向 分辨率为 10协 m。 至 此以 后的 十多年 里， o c t技术得到了 突飞猛进的 发展， 不论是其分 辨率 还是在性能上 都有了 很大的 提高 和 发 展 131 . 目前， 国际 上有众多的 研究机构开展了 这方面的 研究。 国外从 事此项研究并 已 取得 突出 成就的研究组主要有:美国m rr的f ujim o to研究组、c as e westem reserv e u n i v ersi ty的i zatt 研究组， u n i v ersi tyo f c al i fo rnia 的z h o n 即1 雌c h e n 研 究组等. 1 .2 0 c t 的主要应用 光学相干层析术最初的应用就是对人眼的探测， 至今在眼科学的临床诊断中 硕: 论文高分辨率全视场光学相干层析术研究 起着重要的作 用。 对人视网膜中区的 成像是在 19 93年， 其后它的应用范围不断 增加。 o c t的主 要应用如下: 1 .在眼科 方面的 检查: 可用于 眼科疾病 ( 例如 青光眼) 的临床诊断; 2 . 对人体 皮肤和肠胃 组织的 成像，也可检测皮 肤表层的损伤程度; 3 .于口 腔和牙齿 组织的 成像和 疾病 ( 如:胡齿)的临 床诊断，并用来检查 康复 过程中的效果; 4 .根据病变组织与正常组织光学特性上的差异， 可将 o c t图像作为癌症等疾病 早期诊断的依据; 5 内窥镜技术结合可观察人体内部器官的病变: 6 .目 前 将 o c t应用于 大脑皮 层的 成像进而作为用来 研究认知科学的手段 之一 是 o c t技术的一个新的兴奋点，具有诱人的前景。 自 从 o c t成像技术成功的演示了人类视网膜层析结构以后， 它就以迅速的 速度发展起来， 并且它的应用范围也在不断的扩大， 不但由对透明生物组织的轴 向探测发展到对高散射非透明组织的成像， 还从对生物组织的探测扩展到对非生 物材料的 检测应用。 著名的 f uj lino to研究组在对生物活体组织成像的基础 上也 开展了对聚合物 ( 如聚丙烯) 等材料微结构的 探测研究。在麻省理工大学 研究 o c t成像技术的先驱者们的协助下，美国国家标准及技术学院 ( n ist )进行了 利 用oc t 技术对碳一 纤维等复合材料成 像的 应用研究。 b as hkans ky等人将o c t 技术运用到检测陶瓷、 单晶碳化硅和附有特氟纶电线等材料上， 对次表面的瑕疵 进行检测， 可得到这些内 部瑕疵的空间 位置 141 。 1 3 o c t技术的现状 由 于o c t 被用于临床检查和外科 手术微结构成像， 它除了高 分辨率之外， 还 需要 成像实时 性、 高对比 度、 高清晰 度和多 方位多层面性。 这 样才能 减少医 生的 失 误， 避免检查 失误带来灾难性后果， 对于脑部， 冠动脉检查显得更为重要。 用 普通检查手段， 某 些疾病 在可治 愈的 初期很难被 检查出 来， 比 如皮肤癌， 子宫癌， 食道癌，腺癌，而用o c t 能做到早期发现。这就需要有一整套的更优化的系统: 频带更宽、 功率更大的 光源: 更先进的 仪器结 构; 快速扫描装置; 更优化的 三维 成 像 再 现 算 法 5 。 从上述提到的， 研究光学相干层 析技术 ( o c t ) 的成像特性， 完善o c t 成像 系统结构，改进系统成像质量的方法，有着理论意义和应用价值。 为了 使光学相干层析成像 (oc 劝真正 成为 生物医学工程和临床检测的工具， 还有几个关键问题有待改善。 ( a ) 光源 理论和实验都证明，选取光源的条件: 近红外. 颇带蜜， 亮度大。沂红外可 硕 1: 论文高分辨率全视场光学相干层析术研究 以 提高光的穿 透深度; 频带宽 可以 提高分辨率， 提高共 焦效果， 减小散斑的影响， 达到改善图像 质量的目 的: 因为光在生 物组织中的衰减比较厉害， 选取光源的时 候要适当提高光源的亮度。 伪 ) 穿透深度 o c t 应用在高散射的生物组织当中，穿透深度不够。在不同组织中，光的 穿透能力是不一 样的， 现在o c t 在混浊媒质当中的 穿透深度一般都在2 一 3 m m 。 如 果光源的波长巧00一 1 7 50lun 的红外波长，在利用生物组织相容试剂，那么它的成 像深度也就是 4 一 s mm 。 ( 灼 成 像分辨率 利用飞秒激光做光源， o c t 纵向分辨率达到l p m， 基于o c t 技术的内窥镜纵 向分辨率是3 p m。这样的分辨率要看清一些大细胞的大致结构还可以，但是如 果要看清细胞的有丝分裂，病理细胞结构，那是远远不够的。 ( 由 采样 速度 当 前最大的 采样速度是1 0 帧每秒。 在参考臂 加入光学群延时( 叩ti c algro 叩 del ay) 处理手段， 可以 取得视频的 速度。 影响这 个速度的 关键参数有， 调制速率， 探测器感应速度和读取速度。 (e)三 维图像重构 o c t 纵向分辨率与横向分辨率不匹配，这是一个直接影响图像质量的原因。 那么要 在这个基础上利用这些切片进行三维图 像重构， 重构的图像质量肯定就有 问题，在分析一些病理的时候，可信度自然降低。 基于以上 o c t的现状，因此对其改进型的高分辨率 f f o c t已经引起很多 科学 家的 关注.国 外报道的 最新f f o c t 技术， 其成像速度已经能够 达到实时 成 像 ， 并 具有 临 床 应用 的 报道16 。国 内 正 在 进 行 此 项 研 究的 主 要 有 清 华大 学 、 天 津 大学等。国内研究尚刚刚起步，尚无正式的研究结果报道。 l 4 本课题研究内 容及创新 本课题以光学相干技术原理为基础， 实现光学相干信号的获取， 并以相移干 涉法为 原理， 实 现对图 象信号的获取 和处理。 其要解决的关键问 题在于 对相位的 有效 和精确的 控制，以 及对微弱光信号的 探测、 获取和处理等关 键性技 术。 本论文研究课题主要创新是实现了li unik 显微结 构的高分 辨率f f o c t ， 利 用面采样的、快速的、 高分辨率的成像技术。 论文的核心内容将围绕这些关键问 题进行系统的研究和讨论。 对本课题的研究主要做了如下工作: 1 、 建立了 一套能全场实时成像的o c t 系统， 对其成 像速度及成像分辨率有了 极 大的提高。 硕 卜论文高分辨率全视场光学相+层析术研究 2 、提出了一种用普通光源， 低了成本。 3 、运用了一项移相干涉法， 的提高了图象处理速度。 即卤钨灯白光光源作为照明光源的方法，极大的降 即四步移相干涉 法技术。 此方法简便易实现，极大 硕_ 七 论文高分辨率全视场光学相干层析术研究 z f f o c t原理及其成像处理 2 . 1 0 c t及 f f o c t原理 首先，有必要把扫描式 o c t的系统原理介绍一下。图 2 . 1 是我们课题组前 期已经完成了的 o c t原理图。s l d是超级激光二极管，它发出的光束祸合进入 2x2 ，分光比为 5 0 /50的单模光纤祸合器，祸合器将光束分成两束，分别进入样 品臂和参考臂。 从两个臂反射回来的光束混合在一起射到光电探测器上。 平面镜 在参考臂 作频率调制， 并完成一系列的纵向 扫描。 探测器输出的 信号， 经过带 通 滤波器、 解调器、 a d( 模数转换器) 送入计算机进行成像显示171 。 图 2 . ic k :t原理图 上述o c t系统与普 通迈克尔逊干 涉仪构 造上有两点不同 之处，一、 采用单 模光纤来传递光波， 有效降低了周围环境杂光对光路的影响， 但是也丧失了光学 元件放置的灵活性;二、采用了超发光二极管这样的低相干宽带光源， 这也正是 o c t可以获得高分辨率的原因所在。 o c t采用低相千干涉术和共焦显微镜的原理，f f o c t是在此基础上发展而 来191 。 对样品内部 组织的 细微结 构进行微米级的分 辨率 成像， 原理如图2 .2所示。 相干光源选用k oeh l e r 照明系统 产生， 并且选用o s r a m 公司的 20w卤 钨灯作 为照明光源。光线通过ko e hi er照明系统后，均匀分布在垂直光线传播的平面上， 光线通过分光棱镜 ( b s )，被分成两束，一束投射到lin l l l k 千涉仪中的一个臂为 参考 臂， 另一束投射到测量样品臂。 在样品臂一 端， 光被聚 焦到样品 上， 然后由 于生物组织的高散射特性， 样品内的背向散射光逆向沿着射入样品臂的路径被显 微物镜收集后， 再一次通过分光棱镜。 在参考臂一端， 光通过调制反 射镜后又反 射回 来. 从参考臂和样品臂反射回来的光， 当 它们之间的光程差在光 源的相干长 度内， 它 们才会在通过聚光镜后， 射入 到一个c c d 探测器(cool s n a p) 进行干涉， 进行接收。在理论上，参考臂和样品臂的这两个显微物镜必须一样。 硕 卜 论文高分辨率个视场光学相干层析术研究 图2 之f f i ) c t原理图 f f o c t 系 统 采用 的扫 描 方式 只 有 一 个 纵向 扫 瞄( 切 片 扫 描)191 ， 纵向 扫 描 是 通 过一个步进电机带动升降台上下进行步进传动.参考镜在一维压电陶瓷传动器 pz t 带动下，进行调制左右来回振动。在这个调制的过程中，不同的相位，可以 采集带 不同 信息的生物组织切片图 像， 在采集某一相 位生 物组织图像同时， 步 进 电机带动升降台进行纵向扫描，然后再调节相位，再采一帧生物组织切片图像， 这样就可以构造三维图像了。 相干光谱信号经过c c d 探测器后， 转化为电信号， 用计算机中的软件处理就 可以将生物组织图像再现。 通过这些三维图像和任意的二维图像及截面图， 就能 方便的 看到被观察的生物组织立体型 貌， 微组 织的大小、 形状及其与其他微 组织 的空间关系等生物组织信息。对这些图像分析就能全方位的了解组织的特征信 息。 f f o c t 系统可采 用廉价的宽带卤 钨灯光源和灵敏度相当高的c c d 作为 探测 器来实现， 较为方便地对微观组织实现无损伤地高分辨率成像， 并且实时性也相 当高。但是，由于非透明介质地高散射限制了成像深度，因此要提高成像深度， 光源利用率和探测器的响 应速度都是 应该考虑的重要因素 11 01 。 2. 2 光源 2. 2. 1 光的干涉现象 在两个 ( 或多个) 光波叠加的区 域， 某些点的 振动始终加强， 另 一些点 的振 动始终减弱，形成 在该区 域内 稳定的 光强强弱分布的 现象 称为光的 干涉。 根 据波 的 叠加 原 理， 在空 间 一 点 处 同 时存 在 两 个 振动 月、凡时( 粗体 表 示 矢量) ，叠加后该点的光强为: 硕士论 文高分辨率全视场光学相干层析术研究 了 二 ( 各 + 瓦 ). ( 妈 + 凡 ) = ( 耳瓦 ) + ( 凡 乓 卜2 ( 瓦乓 ) = 11+ 几+11 2 ( 2 . 1 ) 式 (2 .1) 中 利用 了 关系 式 1 = ( e e ) ， 即 该 点 的 光 强 度 应 是 该点 光 振幅 平 方的 时 间 平均值。 从1 表示式可以看出， 因为人 : 的 存在， 该点合振动的强度不是简单 地等于两 振动单独在该点产生地强度之和，入 2 称为 干涉项。 设两个平面矢量波表示为: 飒= 减c o s ( k ， r 一 码 t + 巩 )( 2 2 ) 凡， 凡c o s ( k : r 一 叭 t + 几 ) 则两光波在p点的合振动的强 度为 1 = 入 十 几 + 人 2 = 几 + 几 + 2 ( 飒 凡 ) = 几 + 几+ 瑞 凡co s 占 式中占 = ( 介 ， 一 盆 2 ) r + ( 巩 一 姚 ) 一 (码一 典) t l ， 易 知 ( 2 . 3 ) (2. 4 ) ， 干涉项1. 2 与 两光波的 振动方向 ( 鸿，a z ) 及在p 点的 相位 差占 有 关 。 分 析 这 两 项， 可以 得 到 产生 干 涉的3 个 条 件: 频率相同、振动方向相同和相位差恒定. 满足干涉条件的光波称为相干光波， 相 应的光源称为相干光源111 】 。 2. 2. 2 宽谱光干涉原理 当一个宽谱光源的光入射进干涉仪中， 在零光程差附近， 可以观察到很好的 干涉对比 度; 随着光程差的增加( 绝对 值) ， 条 纹清晰度下降并最后完全消失( 图 2. 3 ) 。当 光程大于一个特定的 相干长度时， 两束干涉波不再相 干， 其相位差的变 化是时间的函数，干涉强度公 式中的 余弦项最终被 平均11 210 图2. 3宽 谱光源的干涉信号( 单位:p m ) 可以 换一种方式理 解这种现象: 把宽谱分 解成单独的 波长， 每个波长凡 产生 硕士论文高分辨率全视场光学相干层析术研究 自己 的干涉图样， 周期为入。 在零光程差处， 所有的 干涉条纹一致; 但随着光 程 差的增加，由于周期稍微有不同，这些条纹失去了一致性 ( 图2. 4)。由于一些波 长是明条 纹，另一 些是暗条纹，总的 强度的平均值是 个常数， 对比 度消失113。 尹/ 2/ 、 1声，了 从z / 叹 、 1丫入八 、 、 卜. 一 1 0 凸叹dj曰乙n门0叹d，门乙日仲 . ，上j.人1山，几曰工八八u盛11八u 图2 . 4不同 波长光 源的干 涉信号( 单位:l x) 2. 2 3 光源的选择 对于连续光源和脉冲光源，其深度分辨率的表达式均为: z l n z义 2 才几 ( 2 . 5 ) 其中兄 为光源的中心波长， 兄为光谱半高宽度 ( f wh m) ，则配 即所谓的相干 长 度。 可见波长 越短、 谱线越宽， 则分 辨率 越高。 由于 这一特殊要求， 需要 光源 具有较宽的频谱宽度。 同时考虑到光 在生物组织表面 或浅 层引起的散射， 受到光 波长及生 物组织成 分 ( 如血 液、 色素等) 的影响， 各种组 织对不同波长的光吸收有差别; 另外， 所 有活体 组织成分都含有水， 研究表明组织对近红外光 ( 8 5 0 “ m ) 波段的 光吸 收 很小， 散 射 是作 用过 程 的主 要机 理 14 10 现在国际上用来作为 o c t光源的一个方向是用飞秒激光器，飞秒激光有许 多优点， 其中最主要的是可以有很宽的频带， 相应的有很短的时间相干长度， 功 率也可以达到很高。有人用中心频率 1 280 川 的 带宽为 75lun的锁模飞秒激光器 达 到 10协 m的 纵向 分辨率， 信噪比 达到1 10 d b ， 样品臂的光 功率是 1 0tnwll slo 下面表2 . 1 是几种光源的比较 ( 下面的这些数据都是分辨率达到最高时的数 据) 。 虽 然飞 秒激光 取得成果喜人， 但是 这也有不可逾越的 缺点， 价钱昂贵，占 地 面积大， 成像速度比较慢， 对生物活体 组织有一定的伤害 性， 特别是 对眼睛有不 可恢复性的伤害。 硕 1 论 文 高分辨率全视场光学相十层析术研究 表 21不同光源纵向比较 光源中心波长 ( n n l ) 纵向分辨率 (pm) 参考文献 led s ld 锁模钦宝石飞秒激光 1 3 00 8 0 0 、 1 3 0 0 8 2 0 8 1 0 、 1 2 3 1 4 1 4 r 1 5 1 c r +4镁橄榄石飞秒激光 染料激光 1 28 0 5 9 0 l 0 4 1 5 1 1 4 1 宽带光源 7 0 00 . 7 1 6 1 白光卤 钨灯光源在f f o c t 上很有潜力。 不否认白光的穿 透深度 有它局限 性， 但是它很有前景。它频带很宽， 可以提高分辨率;便宜，体积小， 很容易做成便 携式， 很有市场前景， 利于推广。 最显著的优点就是低相干性， 有效的降低了散 斑的影响。 据理论分析 ( 后面会深入分析) ，白光光源应用在 f f o c t上的分辨率可达 0 s p m l l 6 . 2 3 干涉显微物镜 干涉仪是利用干涉条纹来进行测量的仪器， 设计时首 先应使 仪器能够方便的 调出脚需要的干涉图象，因此必须对干涉仪中光学元件运动与干涉图象的形状、 间 隔、 方向 变化的关系进行仔细 研究， 从中 找出 其规律、 以 指导 干涉仪的设计和 调整。 2 3 . 1 迈克尔 ( m i c b o l s o n ) 干涉显微物镜 图2. 5 是m i chel so n 干涉显微轮 廓仪的 原理示意图。 来自 光 学系 统前 端光路 的 光束经显微物镜后被分束镜分成两束，一束被参考面反 射， 另一束被被测面反 射， 两束 光再次经过分束镜后会合并 发生干涉 【 ， 71 . 从干涉分光 方式和光路结构 看， m i ch el so n干涉显 微光路类似于传 统的m i chelson 干 涉仪， 不同的 是传统的 mic he l so n 干涉仪 ( 包括传统的feze au、 1 切 y lnan 一 g r e e n， m ac h 一 zehnd e r 干涉仪在内 ) 是 一种宏观测量， 它们测量的 是表面形状或表面 形状误差， 而m l c h e l s on干涉显 微轮廓仪是一种显微放大测量，它测量的是 微观区域内表面的 微观结构形貌。 mic hel son干涉显微轮廓仪只使用了一个显微物镜，在物镜和被测表面之间 也 放置了 分光器件，m i chel so n 干涉显微轮廓仪的 物镜工作距离更长， 数值孔径 更 小， 因而mic hel so n 干涉显微镜的 抗干扰能力、 横向 分辨率都要差于li nnik干 涉显微轮廓仪。mic hel son干涉显微物镜的放大率一般只有 1 . sx、2. 5x 和 sx。 硕 士 论 文高 分 辨 率 全视 场 光 学 相 干 层 析 术 研 究 图2.5迈克尔 ( mic hels on)干涉分光路 2 盘 z lin ul k 干 涉显微 物镜 li 俪k 干涉显 微轮廓仪 干涉显 微光路如图 2. 6 所示。 由 光学系统前端光路出 射 的平 行光经过分束棱镜后分成两路， 一路经 过显微 物镜聚集在参考面上并被反 射 回显微物镜还原成平行光， 另一路经过另一个显微物镜聚集在被测表面上， 反射 后经 过显微物镜还原成平行光， 两束光经过分束棱 镜后重新会合并发生干涉 118 10 在l i nnik 干涉显微光路中，采用了两个完全相同的显微物镜，参考光路与测 量光 路要求一致，由 于在物镜和被测表 面之间 没有其它光学元件，因 而li imik 干 涉显 微轮廓仪可使用工作距离较短的显 微物镜， 其数值孔径可高达0. 95。 li nnik 干涉 显微物镜的放大率一般高 达1 00倍，甚 至2 00倍。 图2 6l in n ik干涉分光路 硕 士论 文 高分辨率全视场光学相干层析术研究 2 3 .3 干 涉显微 物镜的 选择 干涉测量的最终 目的是要达到预期的测量精度和测量范围。 因此， 干涉仪的 总体设计 应该 考虑以 下几点要求: 干 涉仪能 够产生对比 度好、 照度合适 ( 照度必须控制 在探测器的线性范围 之 内)的 干涉仪. 千 涉仪应有较好的抗干扰能 力，使干涉条纹仅对被测的信息灵敏，而 对外界 和仪器本身的各种千扰不灵敏。 这是 干涉仪设 计时的重要而又困 难的问 题。 千涉体系的布局要合理、以简化结构，减少误差环节为主。 干涉仪的结构稳定 性要好:调整 机构即 要方便灵活，又要稳定可靠。 下表2. 2 总结了 光束分光路千 涉的 两种形式， 对物镜， 数值孔 径， 放大 倍率， 适用范围和优缺点做了比较.mic h el s on 干涉采用一个物镜，但是 mic hel son物 镜的工作距离更长，数值孔径更小，因而 mic hel s on 的抗于扰能力、横向分辨率 都要差于li imik千涉。 linnik干涉可使用工作距离 较短的显微物镜， 数 值孔径高 达0. 95， 放 大 率 高 达10 0 倍 ， 甚 至2 00倍 101 。 这 种 结 构的 优点 是 在 物 镜的 纵 向 上把球差和色差校正得很好。 表2. 2干涉仪性能比较 mic hels on 干涉仪lin n i k 干涉仪 放大率比较小，视场比较大 显微物镜数值孔径比较大， 放大率比较 大 精度不高精度相当高 分光器的工作距离受到限制分光器的工作距离比较 自由 分辨率不高 分辨率比较高 2. 4 移相装置 ( p z t ) 压电陶瓷微位移器和电致伸缩微位移器都是通过在外加电场作用下产生微 位移， 一般都统称为 “ 压电陶瓷微 位移器 ( p z t ) ” 120。 实际应 用的 压电 陶瓷微 位移器一般由 许多 铁电 体的 微晶 组成， 是多晶固 溶体。 其在外加电 场作用下具有 两种效应: 压电效应和电致伸缩效应， 压电和电致伸缩效应就其本质而言是电介 质晶体 在外加电 场作用下产生极化的结果， 电 介质晶 体的极化使其晶 体的晶格发 生畸 变， 在宏观上表现为机电 混合效 应产生机械应变， 即在外电 场的 作用下， 由 于感 应极化作用而引起应变， 应变的大小与电场成正比， 应变方向 与电 场方向 有 关，电 场反向时应变也改变方向 ( 逆压电效应 ) ; 压电陶瓷微位移器应用的是 逆压 电效 应，由 于组成该器件材料的因素， 表现出的电 致伸 缩效应很弱， 可以 忽 略; 电 致伸缩陶瓷微位移器应用的是电 致伸缩效应。 在各种相移方法中，p zt 电致伸缩微位移器是最为常用的一种。 其原因主要 硕 十 论 文高分 辨 率 全 视 场 光 学 相 + 层析 术研 究 源于以下几个方面: 1 、p z t 电致伸缩微位移 器的位 移精度高， 其位移分 辨率可以 达到 纳米级: 2 、p z t 的驱动控制比较简单， 只需要对其施加直流电 压就可以实 现相移， 对驱 动电源的编程控制比较容易; 3 、价格 便宜: 4 、 p z t 电 致伸缩微 位移 器的使 用面比 较广， 用其作为相移 器时， 对配套的 驱动 电源几乎无须进行任何改变就可以直接使用; 5 、 用p z t 实 现相移时采 用的是 机械位移和反 射方式，除了 相移技术中 必须的 校 正和定标等过程外，对光波的波长没有选择性，对光波的偏振性没有要求; 6 、除了 p z t 及其 驱动电 源外， 只需要在增加一 块反 射镜就 可以实 现相移， 使用 和调整比较方便，技术难度小，容易适应各种光路结构对相移器的使用要求; 7 、 使用时附 加光学元件少， 相移本身不需 要使用偏振光学元件，因而带来附加 相位误差的可能性小。 单层陶 瓷片的 变形量比 较小， 符合本课题的 微位移。 其压电陶瓷堆叠的伸长 量与所加电压的一般关系为: 配=k u( 2 . 6 ) 从上式可以得出: 位移量与所加电压成正比， 我们可以通过改变加电压来改变陶 瓷片的变形量，从而来改变位移。 相移器是实现相位调制的关键器件.因此，相移器的设计与加工十分重要， 其精度、重复性以及稳定性都直接影响相位测量的精度。相移器在相移过程中， 产生的微位移是纳米量级的。 只有相移器的导向装置设计合理， 部件之间紧密结 合， 使p z t 的伸长量尽量传 递到参 考反射镜上。 如果部件之间存在间隙，当 压电 陶瓷在加电压伸缩的时候， 产生的微位移会被部件之间的连接处消耗掉。 移动部 件和p z t 之间的连接必须是单点接触，这能保证反射镜沿轴线方向运动，不产生 倾斜和旋转。同时材料的选取也应该特别考虑。 因此，使用p zt做相移器也有 一些需 要注意和避免的问 题: 1 、p zt 电致伸缩微位移器的位移量随所施加的线性变化的电场的变化具有非线 性， 位移变化的非线性是超高精度的相位测量的主要误差源， 在一般精度和存在 其它相位型随机误差时， 通过选择非线性小的p z t 和适当的算法， p z t 的非线性 误差对相位测量结果的影响可以被抑制到容许的误差范围内。 克服p z t 非线性位 移的理想方法是测量出 p zt的非线 性曲 线， 在驱动控制程序中进行补偿， 但由 于 其它因素的影响， 在实际 测量中 实现的必要性和实 现中需 要解决的问 题尚 有待研 究: 2 、 p zt 电 致伸缩微位移器除了 沿电 场方向 产生位移外，还会 在偏离电 场方向 上 硕 十论文高分辨率全视场光学相干层析术研究 产生微小的偏转， 当偏转方向不在载波和参考光所构成的平面内时， 有可能引起 干涉条纹图 的偏转， 对测量结果 产生比 较大的影响; 当偏转方向在载波和 参考光 所构成的平面内时， 有可能引起干涉条纹图条纹间距的微小改变， 其产生的影响 可以作为p z t 的非线性影响处理; 3 、由于p z t 属于铁电材料，在同一驱动电压下的位移不仅与电压值有关，还与 达到 该电 压值的 路径、 初始值及电 压增减的 速率有 关， 表 现为铁电 材料所 特有的 迟滞回线，在进行重复测量时，应充分考虑到p zt 的这一性质; 4 、当 对p z t 施加驱动电 压后，由 于晶体内分子克 服其内 部晶 格之间的摩擦力而 达到有序排列需要有一段时间的能量积累时间， 在电学上表现出电容性性质， 使 得p z t 需要有一个渐变过程才能 达到所施加电 压应有的位移量， 这 一现象可以 形 象地称为 “ 蠕变”。 蠕变现象的 存在， 使p z t 的 响应频率受到限制， 在相 移过程 中应注意加以克服和利用; 5 、压电陶瓷本身是对机械作用和温度作用都非常敏感的材料，在作为相移器使 用时 应保持环境温度的稳定， 并在夹持时 尽可能保持p z t 处于 “ 自由” 状态。 2 . 5 探测器 c c d c c d (ch arge c o 叩le d d evi ce ) 电 荷祸合器件是20 世 纪70 年代初发展 起来的 新型半导体集成光电器件。它是由美国贝尔实验室于 1970 年首先提出的，在经 历了一段时间的研究之后，建立以一维势阱模型为基础的非稳态 c c d理论.近 3 0 年来c c d 器件及其应用技术的 研究取得了 惊人的进展， 特别是 在图象 传感和 非接触性测量领域的发展更为迅速。目 前c c d应用 技术己 经成为 集光学、 光电 子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术， 在现代光电检测技术、 光子 学和现代测试技术领域中使用广泛。 2. 5. i c c d的基本工作原理 电荷藕荷器件的突出特点是以电 荷作为信号， 而 不同于 其他大多 数器件是以 电 流或者电 压作为信号121 。c c d 的基本 功能是电 荷的存储和电荷的转移。因 此 c c d的工作过程中主要问题是信号的产生、 存储、 传输和检测。 图2. 7 是线阵c c d 的结构示意图， 可以看出c c d 主要由三部分组成， 即感光区， 转移区和输出单元。 硕 1 : 论文 高分辨率全视场光学相十层析术研究 光敏区 转移姗 位移寄存器 位移时钟1 位移时钟2 图2. 7线阵c c o结构示意图 光敏区和转移区是彼此分开的，光敏区一般是参杂多晶硅一二氧化硅一硅的 m o s 电 容阵列，通过沟阻扩散结构分隔成一个个感光单元。转移区是c c d 移位 寄存器， 感光单元线阵与移位寄存器并行排列， 并且一一对应， 二者中间用转移 栅加以 控制。 输出单元一般包括一个输出二极管和一个输出栅， 它的作用在于将 c c d 最后一个移位寄存器单元下的势阱中的信号电荷引出， 并检出电荷所输运的 光信息122。 c c d 的基本工作原理分以下几个过程: 1 、电荷存储 构成 c c d的基本单元是 m o s( 金属 一氧化物一半导体) 结构的光敏元。 m o s 结构示意图如图2. 8 所示。 在栅 极g施加正 偏电 压认之前， p 型 半导 体中 空 穴 ( 多数载 流子) 的 分 布 是 均 匀的， 如图 所示。 当 栅极施加正 偏电 压叽， 且矶小于p 型半导 体的 阐 值电 压ut时， 产生耗 尽区， 如图b 所示。 偏压继续 增加， 耗尽区 将进一 步向 半 导 体 体内 延 伸。 当叽大 于阐 值电 压叽时 ， 半 导 体 与 绝 缘 体 之间 的电 势( 常 称为 表面 势) 变的非常高，以至于将半导体体内的电子 ( 少数载流子) 吸引到表面， 形成 一层极薄的， 但电荷浓度很高的反型层，如图c 所示。 反型层电荷的存在， 说明 了mo s 结构存储电荷的功能。 硕 上 论文高分辨率全视场光学相干层析术研究 认 90 %外形尺寸 t/ r:5 0/5 0 % 土2 % t: ( 几+ tp) /2 r :( rs+ rp)/2 出射光束偏转:00 士 3( 乃，9 00士5( r) 入射光入射角: 00士 30 膜层:斜面上镀分光膜。四个直角 通光 表面 镀宽带多层增透膜 r a v e 0. 5 % 豪- 一澳 、 、 口 卜 嘴 石 二钊 二 ; 二 口口. 一川 一.阴尸一 几l !厂 卜 、匕一厂 一- 一 ! ，!州种.户 州 . !下 ! 一 ，一 l 一 ! - - -一， 一目 侧，洲户 !: .l .月.玉皿.侣价 月. . 创 .翎. 卜 .】 图3 .3分光棱镜分光比 硕士论文 高分辨率全视场光学相干层析术研究 4 系统误差及分辨率分析 这里 对引 起系统测量误差的 一些因素作一 简单分析， 并给出 修正的 方法， 由 于时间 和实 验条 件的限 制， 有的 误差修正技术 本文尚 未具体实现。 光学 相干层析术作为一种 精密的 测量手段， 其测量精度通常受到实验过程中 各种误差 源的影响， 包括相移 器的 标定误差、 探测器的 非线性误差和量化误差、 光源的不稳定性， 光学仪器的不 理想， 机械振动 和空 气扰动等等。 因 此为了 保证 高 精度的 测量结果， 提高测量精度的重复 性， 需要对以 上误差源进行分析和校正。 对测量误差的抑 制， 一方面可以 进行实 验方法的改进， 例如将系统放置在防震平 台 上并与 振动源隔离， 设计合 理的 干涉光路并使 之紧 凑， 加快图 像采集的 速度， 进行合理的图像 转化等 等。 另一方 面可对各 种误差源造成的波前再现误差进行理 论分析和 模拟，以 求找 到具有 较小 误差的最佳算 法或设计减小 误差的 新算法。 4 i f f o c t系统中的 误差源 对f f o c t 系统中 误差 源的 分析， 按照 误差在其中出 现的机理将其分为三类: 第一类，与干涉和图像采集过程有关的相移误差， 探测器非线性误差， 光源的不 稳定性和图像采 集的量 化误差; 第二类， 周围 环境产生的 振动误差和空气扰动误 差; 第三类， 系 统缺陷， 例如光 路设计的不合理 或实 验所用光学元件的 不理想引 入的误差。 若按 嗓声 源的 特性及与 待测相位尹 的关系进行分类， 同 样可以 分为三 种类型: ( 1 ) 系统误差，包括相移 误差 和探测器非线性 误差， 该类型 误差由 实验 中 所选择的器件本身的 性质决定， 且多具有si n( n 俨 ) 或cos (n p ) ， n =1 ， 2， 的 形式; ( n ) 是 关si n( n 沪 ) 或 co s (n 尹 ) 函 数的 随机 误差， 例如 光源的 不稳 定性和 机械振 动; (li1) 与少 无关的随 机误差， 包括探测器的 输出 噪声和量化误差， 在某些情况下相 移器本身也可能 有随机误差。 下面我们主要介绍对测量结果影 响较大的相移误差、 探测器非线性误差、 光 源的不稳定 性、 机械振动和对它们己 有的 补偿方法， 并指出 忽略量化误差的 条件。 4 . 1 . 1 相移误差( p 卜 a s e s h i ft e rro “ ) 定步长相移算法和等步长相移 算法都对相移值有 严格要 求， 即 每一步中 参考 光的相位改变必须相等， 且前者 还要求 相移量必须等于预先设定的值。 但是由 于 相移器本身的缺陷，例如p zt的漂移误 差或标定产生的误差，使实际的相移 值 a j (i=1 ，2，3，. .m， 表示 相移 步数 ) 偏离设 定 值试， 此差 值即 为相移 误差 a ， ， 可 表 示为 硕 七论文 高分辨率全视场光学相干层析术研究 a ， = a ， 一 a 一 = 二 i a ， + e z a 产 + e ， a 了 + k( 4 . 1 ) 其中e l 、 : 、凡是常 数， 表示线性，二次， 三次 相移误 差系数，由 相移器本 身的 性质决定，相移器不同，这些 常数值 也不同 选择合适的相移算法是进行该误差补 偿的 有效方法。 四 步相移算法可以 对线 性相移误差产生的相位场误差完全免疫。 4 . 1 . 2 探测器非线性( d c t e c t o r . o n l i n e a ri ty ) 当干涉图的强度过强， 超出探测器的动态范围时， 探测器的非线性会给采集 的图 像带来误差142)，此误差可表示为 盯= 石 一 式= b 刀+ 树十 dl产 + k(4.2) 其中il 表示测量到的光强，式 是实际光强， 1 =l， 2， 3.一m，表示所采集的 干涉图的 帧数，b 、c 、d 都为常数，表示探测器两阶非线性系数.但通常情况下，c c d 动 态范围大， 在干涉场的强度不均匀， 通过选择合适的相移算法能对该误差有效的 进行补偿，并能获得质量较高的干涉图象。 本课题利用四步移相法对某一相移值下，采集到的一组干涉图进行相位恢 复。 然后，改变步长进行另一组干涉图的记录和相位恢复， 将两次得到相位取平 值作为 最终结果。分析表明，如果 两次步 长值相差 某一 特定值， 譬如二 /2 或二 ， 则可以有效减小探测器非线性误差带来的影响。 4 . 1 3 光源的不稳定性( s o u 代 e i n s ta b i l