熱光源譜域光學相干層析成像系統
發布時間：2017-09-01
光學相干層析成像技術(OCT)是一種利用光學低相干涉測量原理的成像技術，它能夠對樣品內部的微觀結構進行無損傷、非侵入、無接觸的橫截面層析成像，分辨率可以達到微米量級[1].由于OCT具有較高的分辨率，因此該技術已經引起了廣泛關注，并被成功地應用于生物組織活體檢驗和半導體材料檢測等領域[1-4].按成像原理不同，OCT可以分為時域OCT(TimeDomainOCT，簡稱TD-OCT)和傅里葉域OCT(FourierDomainOCT，簡稱FDOCT)兩類[4].TD-OCT系統需要軸向的機械掃描裝置，通過移動反射鏡或樣品來改變參考臂和樣品臂之間的光程差，以獲得樣品的深度信息，因而限制了系統的成像速度，并且分辨率和信噪比較低[5-6].FD-OCT采用頻譜域干涉技術，無需軸向機械掃描，樣品探測深度范圍內的所有背向散射光同時參與干涉光譜成像，這種深度探測的并行性，解決了高速成像與分辨單元信號采集時間下降之間的矛盾，且具有更高的分辨率和信噪比[5-6].
FD-OCT可以分為譜域OCT(SpectralDomainOCT，簡稱SD-OCT)和掃頻源OCT(SweptSourceOCT，簡稱SS-OCT)[4].SD-OCT的最大優勢在于深度信息的獲得不需要通過軸向機械掃描實現，只需通過光譜儀一次采集含樣品深度信息的全部干涉光譜，對波數空間分布的干涉圖譜進行傅里葉反變換，并進行圖像重構就可得到樣品深度信息的層析圖像，因而大大提高了SD-OCT系統的成像速度和圖像分辨率[5-6].本文設計的SD-OCT系統使用熱光源作為寬帶低相干光源來提高系統的軸向分辨率，獲取高分辨率的圖像.由于熱光源具有極短的相干長度，能夠提高系統的軸向分辨率，因此適合作為SD-OCT系統的光源.
1SD-OCT系統的原理
SD-OCT系統的基本原理是散射勢理論，即散射光強的傅里葉逆變換可得到含樣品深度結構信息的散射勢[7]
式中：FS(z)為樣品的散射勢;z為軸向深度;k 為波數;ES(P，k)為樣品在測量點P 處的散射光強;FI為傅里葉逆變換.對于邁克爾遜干涉儀，干涉光譜信號為
式中：I(k)為干涉光譜信號;S(k)為光源的光譜密度;n為樣品的平均折射率.式(2)中的第1項為直流項，表現為直流噪聲;第2項為互相關項.樣品的深度信息可由式(2)經傅里葉逆變換獲得
利用5步相移法[4]去除式(3)中的第2項和第3項，即直流噪聲和鏡像，即可得到樣品內部不同深度處的FS(z).
軸向分辨率是OCT 技術的一個重要指標，理想高斯光源SD-OCT系統的軸向分辨率為
式中：lC為相干長度;λ0為光源中心波長;λh為光源半譜寬度.可以看出，SD-OCT系統的軸向分辨率除與光源中心波長、光譜的帶寬有關外，還與光譜形狀有關.傳統SD-OCT系統常用的寬帶光源為超連續譜激光器和超輻射發光二極管(SLD)，而熱光源很少作為SD-OCT系統的光源使用.在高分辨率SDCT系統中，由于鹵鎢燈具有極短的相干長度，因此可使系統獲得較高分辨率的層析圖像[4，8-9].
2實驗系統設計
熱光源的光纖SD-OCT系統主要由寬帶光源、邁克爾遜干涉儀和光譜儀構成，結構[9]如圖1所示.
圖1中，由2×2光纖耦合器(分束比為50∶50)和2個光纖準直器構成光纖邁克爾遜干涉儀，顯微物鏡將光束聚焦在樣品上，不僅提高了OCT 系統的橫向分辨率，而且濾除了焦點外返回的雜散光，保證了系統的成像質量.
由于樣品的背向散射光強遠低于參考光強，為了能夠較好地發生干涉，因此需要增加樣品臂的背向散射光強度.但是，由于單層薄膜樣品膜表面與基片上表面對入射光的背向散射均較強，導致干涉光譜的自相關項增大，引起圖像模糊、信噪比降低，因此采用分束比為50∶50的光纖耦合器.系統所用的熱光源為光譜形狀近似高斯分布的鹵鎢燈，光源發出的入射光經過光纖耦合器后分成兩部分，并分別進入樣品臂和參考臂.樣品的背向散射光中含有樣品的深度信息，可以看成是多種準單色光的疊加.背向散射光返回后與來自參考臂的反射光經過耦合器發生干涉，干涉光譜信號由光譜儀接收，并送入計算機進行處理和圖像重構.步進電機驅動平移臺對樣品進行水平掃描，以獲得二維層析圖像.
3實驗結果和討論
由于光源的光譜形狀、中心波長和帶寬決定了OCT系統的軸向分辨率，因此實驗前先要測量鹵鎢燈的光譜(見圖2).
由圖2可知，鹵鎢燈光源的中心波長和光譜半寬分別為650nm和225nm，根據軸向分辨率的表達式可知，系統的理論軸向分辨率為0.83μm.由光源光譜圖中可以看出光譜并非理想高斯分布，這將會導致軸向響應函數的展寬和旁瓣產生，從而降低系統軸向分辨率和成像質量[10]，因此需要對鹵鎢燈光源的原始光譜進行高斯光譜校正[4，11-12].對于理想高斯分布的光源，光譜密度可以表示為
式中：λ為光源的波長.設由光譜儀采集到的鹵鎢燈的實際光譜密度為Sr(λ)，對應于相同的λ，可由式(5)計算得出理想情況下的光譜密度.根據實際光譜密度和理想光譜密度可以得到校正系數
若光譜儀采集到的實際干涉光譜強度為Ir(λ)，則可得到高斯校正后的干涉光譜強度為
由于光譜儀采集到的干涉光譜信號為波長的函數，而深度方向的空間坐標與波數互為傅里葉變換對，因此在傅里葉逆變換前，需將波長空間分布的Ii(λ)轉化到波數空間分布的干涉光譜強度Ii(k).由于波長與波數之間的非線性關系，因此利用三次樣條插值算法對干涉光譜進行波數空間的非線性校正，以確保系統軸向分辨率和圖像質量[10].實驗樣品是以玻璃為基片、厚度為60μm 的聚苯乙烯單層薄膜，非線性校正、高斯光譜校正和圖像重構等數據處理過程通過MATLAB編程軟件實現.高斯校正后，光源的中心波長和光譜半寬分別為670nm和165nm，因此系統實際軸向分辨率約為1.2μm，比理論軸向分辨率低，這是由波數的非線性校正誤差引起的.圖3a和圖3b分別為高斯光譜校正前后樣品軸向(深度方向)的一維散射勢圖，其
中縱坐標為歸一化散射勢.從圖3中可以看出，一維散射勢具有4個明顯的峰值，高斯光譜校正前后，散射勢峰值的尖銳程度不同.在高斯光譜校正前，散射勢峰值1、2較平坦，范圍較寬，表明系統軸向分辨率較低，不利于邊界定位.當高斯光譜校正后，散射勢峰值得到銳化，系統軸向分辨率提高，與校正前的峰值2相比，峰值4變大，從而有利于邊界定位和薄膜厚度的測量.由圖3中散射勢的2個主要峰值的位置可知，聚苯乙烯薄膜厚度約為67.8μm.
圖4為高斯光譜校正前、后樣品的二維層析圖像，圖中亮線表示折射率突變的界面處，圖像頂端的亮線代表聚苯乙烯薄膜上表面，中間亮線位置代表薄膜與玻璃基片的交界處.由于實驗樣品為單層薄膜結構，為獲取高質量的二維層析圖像并精確測量薄膜厚度，對樣品的二維層析圖像進行直方圖均衡化處理，并設定灰度值閾值，這樣既可以濾掉高頻噪聲，又可以提高圖像的清晰度和對比度，獲得精確薄膜厚度.由圖4a可以看出，高斯校正前的圖像模糊，薄膜與基片之間的邊界較寬，但經過高斯光譜校正、直方圖均衡化和閾值設定等處理后，圖像的質量和分辨率得到了提高，薄膜的邊界清晰地顯示出來，2條亮線之間的雜散干擾信號得到了去除，薄膜的厚度約為67.8μm(見圖4b).
4結論
本文設計了一種使用寬帶熱光源的光纖邁克爾遜干涉儀結構的SD-OCT系統，采用高斯校正算法對鹵鎢燈光源的原始光譜進行校正，提高了系統的軸向分辨率和圖像質量.實驗結果表明，經過高斯校正，樣品的一維散射勢峰值得到了銳化，系統的分辨率和層析圖像質量都得到了提高，并且濾除掉了雜散信號的干擾，使薄膜與基片的邊界更加清晰.本文系統具有較高的分辨率，測量過程中無需與樣品發生接觸，對樣品無損傷，具有成像速度快、測量精度高的特點，因此在薄膜厚度的無損測量方面具有廣泛的應用前景.
摘自：中國計量測控網
