热光源谱域光学相干层析成像系统.

1、第4 5卷第11期2011年11月 西安交通大学学报JOURNALOFXI 'ANJIAOTONGUNIVERSITY热光源谱域光学相干层析成像系统2,赵宏1,庄仲琴1秦玉伟1,(西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，1.7 1 0 0 4 9，西安；2 渭南师范学院物理与电子工程系，7 1 4 0 0 0,陕西渭南)摘要：根据热光源具有极短的相干长度、能够提高系统的轴向分辨率的特点，设 计了一种使用热光源的谱域光学相干层析成像系统利用高斯函数计算得到的理 想光谱密度与光谱仪测量的实际光谱密度之间的比值，得出了不同波长对应的光 源光谱密度的校正系数，将校正系数与所测干涉光谱值相乘

2、，得到了校正后的理 想干涉光谱值实验结果表明：高斯校正后，样品的一维散射势得到锐化，散射 势峰值变大，系统的轴向分辨率变高；高斯校正后使二维层析图像的质量得到了 提高，样品 因此，系统具有分辨率高、成像速度快、测量精度高和对样品无损伤的特点，的 薄膜边界变得清晰.在薄膜厚度的无损测量方面有着广泛的应用前景.关键词：光学相干层析成像；热光源；高斯校正；散射势)中图分类号：TH744.3;O439文献标志码：A 文章编号：0253987X(201111006804SectralDomainOticalCoherenceTomorah SstemwithppgpyyLihtSourceThermal

3、g1，211QIN Yuwei ， ZHAO HonHUANG Zhoni n ，Zggq(，；1.StateKeLaboratorforManufactur inSstemsEnineerinXi 'anJiaotonUnivers itXi'an710049，Chinayygygggy，W，W，)2.DeartmentofPhsicsandElectro nicEnineerineinanTeachersUniversite inanShanxi714000，Chinapyggy:AAbstract hih resolution sectrald omain otical

4、coherence tomorahsstem with a thermalgppgpy ysourcewasintroduced.Theratiooftheidealsectraldensit'calcul1 atedwithGaussianfunc liht gP)Ttiontotheactualsectraldensitmeasuredb sectrom，et ee rwasusedtoobtainthecalibrationcoPyyPefficientofdifferentwavelenth.Theidealinterferencesectrumaftercalibration

5、wasc)btainedgPoncemulti1in-thecoeffic1 eentbthemeasuredinterferencesectrum.TheexerimentresultPygyPPotentialets;eaksshowsthattheone -一dimensionalscatterinsharertheareheihtene(dandPgPgPgtheaxialresoluti，o :nofthesstemisimrovedbGaussianncalibration.InadditiontheimaeyPygualitisimrovedandthefilmboundarof

6、thesamlebecomesclear.Thu；s broadbandthermalqyPyPsourceissuitableforhih reso1 utionsectral1 -domai.noticalcoherencetomorahsstem.lihtgPPgPyyy goGKewordsticalcoherencetomor；ahthermallihtsourceaus siancalibrationscatterinyPgPyggotentialP是一种利用光光学相干层析成像技术(OCT)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

7、1层析成像，分辨率可以达到微米量级由于O .CT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1 4材料检测等领域按成像原理不同，.OCT可以分为时域O简称TCT(Time Domain OCT，D OCT),，收稿日期：男，博士生；赵宏(联系人)男，教授，博士生导师.基金项目：国家自2 0 1 1 0 3 0 1.作者简介：秦玉伟(1 9 7 9 );陕西省教育厅资助项目()然科学基金资助项目(5097522808JK282网络出版时间：2011一0 9一09:/网络出版地址:httwwW.kcmsdetai 161.1069.T.

8、2 0 1109 09.16 54001.htm1P:ttdXh/wwW.PJ等：热光源谱域光学相干层析成像系统1期秦玉伟，第16 9和傅里叶域O简称FCT(FouricrDomainOCT，D-口OCT)两类4.TD OCT系统需要轴向的机械扫描通过移动反射镜或样品 来改变参考臂和样品装置，臂之间的光程差，以获得样品的深度信息，因而限制5 6 了系统的成像速度，并且分辨率和信噪比较低.轴向分辨率是O理CT技术的一个重要指标，想高斯光源SD OCT系统的轴向分辨率为2/(/)(/()52 = 21n2 冗入 4入z=lCh)0式中：1入Q为相干长度；0为光源中心波长；h为光源半谱宽度.

9、可以看出， SDOCT系统的轴向分辨率除无需轴向机械扫描，FD OCT采用频谱域干涉技术，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 且具像与分辨单元信号采集时间下降之间的矛盾，5 6有更高的分辨率和信噪比.与光源中心波长、光谱的带宽有关外，还与光谱形状传统S有关.D 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(而热光源很SL D)在高分辨率S少作为SD OCT系统的光源使用.D 由于卤钨灯具有极 短的相干长度，因OCT系统中，4，8 9此可使系统获得较高分辨率的层析图像.FDOCT可以分为谱域OCT(Scctra1Doma

10、inp简称S和扫频源ODOCT)CT(SwctSourceOCT,p4简称SOCT,SOCT).SDOCT的最大优势在于只深度信息的获得 不需要通过轴向机械扫描实现，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并进行图像重构就可得到样 品深度信息的层析换，图像，因而大大提高了SDOCT系统的成像速度和5 6本文设计的S图像分辨率.D OCT系统使用热2 实验系统设计热光源的光纤SD OCT系统主要由宽带光源、9迈克尔逊干涉仪和光谱仪构成，结构如图1所示.图1中，由2 X2光纤耦合器(分束比为5和2 0：50 )个光纤准直器构成光 纤迈克尔逊干涉仪，

11、显微物镜不仅提高了O将光束聚焦在样品上，CT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光源匚八(9光纤耦合器反射潼反射镜光纤准宜器显微物镜场计算机样品步进电机平移台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.1 SDOCT系统的原理 即散SD OCT系统的基本原理是散射势理论， 射光强的傅里叶逆变换可得到含样品深度结构信息7的散射势()FS(z)*FES(P,k)lI式中：为样品的散射势；FS(z)z为轴向深度；k为波数；为样品在测量点 P处的散射光强

12、；ES(P,k)F I为傅里叶逆变换.对于迈克尔逊干涉仪， 干涉光谱信号为()I(k)*S(k)l + 2FS(z)knz)z(cos2d20图1 热光源的光纤SD-OCT系统图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 增加样品臂的背但是，由于单层薄膜样品膜表面与基向散射光强度.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5系统所用的0 ：50的光纤耦合器.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，并分别样品的背向散射光中含有样进入样品臂和参考臂.式中：为干涉

13、光谱信号；为光源的光谱密I (k)S(k )式(中的第1项为直 度；n为样品的平均折射率.2)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(经傅里叶逆变换获得2(/ )*品的深度信息，可以看成是多种准单色光的叠加.背F Ik)S(k)FS(z)z)+FS(-z) + S(S(II()向散射光返回后与来自参考臂的反射光经过耦合器34)利用5步相移法去除式(中的第2项和第3项，干涉光谱信号由光谱仪接 收，并送入计算发生干涉，3即直流噪声和镜像，即可得到样品内部不同深度处的FS(z).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.: hwww.

14、 pj7 0西安交通大学学报5卷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因此实验前先要测量卤钨OCT系 统的轴向分辨率，）G 0LI200300400500600700800900波长/na灯的光谱（见图2.现高斯校正后，光源的中心波长和光谱半宽分别为因此系统实际轴向分辨率约 为 6 7 0 nm 和165nm,比理论轴向分辨率低，这是由波数的非线1.2ym,性校正误差引起的.图3a和图3 b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，一维高斯光谱校正前后，散散射 势具有4个明显的峰值，射势峰值的尖锐程度不同.在高斯

15、光谱校正前，散射范围较宽，表明系统轴向分 辨率势峰值1、2较平坦，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个主要峰值的位聚苯 乙烯薄膜厚度约为6置可知，7.8 ym.图2 卤钨灯光源光谱图由图2可知，卤钨灯光源的中心波长和光谱半宽分别为6根据轴向分辨率的表5 0nm和2 2 5 nm，达式可知，系统的理论轴向分辨率为0由光.83 y m.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10，系统轴向分辨率和成像质量因此需要

16、对卤钨灯4,11 12 光源的原始光谱进行高斯光谱校正对于理.光谱密度可以表示为想高斯分布的光源，()S 入)=i(/)2(/xln2 入一X9c4p0)h入h)(5/12式中：设由光谱仪采集到的卤钨灯 入为光源的波长，的实际光谱密度为S对应 于相同的入可由式X) r()计算得出理想情况下的光谱密度根据实际光 谱5密度和理想光谱密度可以得到校正系数(/cSX=SX X i(r(得到高斯校正后的干涉光谱强度为(II X = cX X i(r(7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(转化到波数空间分布

17、的干涉光谱强度I由k) . X) i(因此利用三次样于波长与波数之间的非线性关系，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()6()高斯校正后b薄膜上表面散射势峰值；薄膜下表面散射势峰值1、3:2、4:，若光谱仪采集到的实际干涉光谱强度为I则可八r(图3 样品的一维散射势峰值的变化趋势图4为高斯光谱校正前、后样品的二维层析图图中亮线表示折射率突变的界面处，图像顶端的像，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，

18、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4高斯校正前的图像模糊，a可以看出，实验样品是以玻璃为基片、厚度为6 0 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M ATLAB编程软件实: hwww. pj等：热光源谱域光学相干层析成像系统1期秦玉伟，第17 1with ultrahih resolution for mater ial investiationgg，():J.OticsExress2005，1331015 1024.pp4FERCHERA F，DREXLER W，HITZENBERGERCrin

19、cilesK，etal.Oticalcoherencetomorah一andppPPgpyTJ.ReortsonproressinPhsicsalicationspgypp():20036620 0 3 239一3035LEITGEBR，HITZEN：BE :RGERCK,FERCHERAF.PerformanceofFourierdomainVs.timedomai no一P5ticalcoherencetomorahJ.OticsExressgpypP()高斯校正前(高斯校正后ab图4 样品的二维层析图像():2003，118889 894.口6CHOMA M A，SARUNICMV，YA

20、NGCH，etal.SensitivitadvantaeofswetsourceandFourierdoygpmainoticalcoherencetomorahJ.OticsEx -pgpyp，():ress2003，111 8 2 1 8 3 2 189.p7FERCHERAF，HITZENBERGERCK,KAMP G,et al.Measurement of intraocular di stances bback yscatterinsectralinterferometrJ.Otics Commu g pyp,nication1 9 9 5,117:4 3 48. 8FERCHER

21、AF，HITZENBERGERC K，StickerM，etal.A thermallihtsourcetechniueforotica1co gqp，herencetomorahJ.OticsCommunicaationgpyp2000，185:57 64. 9CHEN YP，ZHAOH，WANGZ.Investiationong domainoticalcoherencetomorahusinasectralpg；pyg ptunstenhaloenlamaslihtsourceJ.OticalRe ggpgp():view，2009，1612629.陈玉平，赵宏，杨琦，等谱域光学相干层析

22、成像系统10:的实验研究J.西安交通大学学报，2008,42(7)816 817.55YANGYuinZHAOH(3 niQietal.Ex一CHENpggerimentresearchonsectral一domainoticalcoherencepppJ.JournalofXifanJiaotonUniversittomorahgygpy():200 8,4 27816一817吴彤，丁志华.112 0kHZ扫频光学相干层析系统J. ():中国激光，2009，362503 507.,DWU TonING Zhihua.Develoment of 20 kHzgpswet source otical coherence t omorahsstem ppgpyy,():J.ChineseJournalofLasers20 0 9，36 2503507.口DU12BERYSK，GYANENDRAS5TULSIA，etal.Fullfie1 dswetsourceoticalcoherencetomorahppgpywit