專利名稱：利用微透鏡或微棱鏡陣列進行掃描的光學相干層析系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學相干層析技術，特別是一種利用微透鏡或微棱鏡陣列掃描的光學相干層析系統。
背景技術：
光學相干層析技術是一種新興的層析技術，它相對于傳統的層析技術而言，具有高分辨率、非接觸、編寫等特點，隨著光學相干層析技術的發展、以及各個部件的不斷改進，它的應用領域越來越廣。
一般傳統光學相干層析系統組成如圖1所示，這種系統采用點掃描的方式，主要由光源，分光棱鏡，反射鏡，光探測器組成，光源發出的光被分光棱鏡分成兩路一路稱為樣品臂，被透鏡聚焦于樣品上，然后被樣品內部的微細結構反射或散射回來，假設這一路光從離開分光棱鏡到重新回到分光棱鏡的總光程為S1；另一路稱為參考臂，被透鏡聚焦到反射鏡上，然后被反射回來，假設這一路光從離開分光棱鏡到重新回到分光棱鏡的總光程為S2。如果S1-S2≤相干長度，就會在分光棱鏡上發生雙光束干涉，此干涉信號被光探測器記錄。縱向掃描是通過反射鏡的上下移動改變S2，實現對于縱向深度S1的掃描。上述光學相干層析原理可以參見“Handbook of Optical CoherenceTomography”Brett E.Bouma Guillermo J.Tearney，MARCEL DEKKER INCP41-67。橫向掃描系統如圖2所示，通過振鏡的左右擺動實現對于物體的橫向一維掃描，如果要實現二維的橫向掃描則需要兩塊振鏡——也就是說，這種系統實際上是先對焦點以下的縱向信息進行記錄，然后通過在物體表面移動焦點，實現橫向的掃描。上述橫向掃描裝置的詳細資料可以參見Handbookof Optical Coherence Tomography”Brett E.Bouma Guillermo J.Tearney，MARCEL DEKKER INC P125-143。這種系統的優點在于縱向掃描速度快，成像質量好。
最近興起另外一種系統-全場光學相干層析系統，基本結構和傳統的點掃描系統一樣，只是把圖1中的點光源改為面光源，把探測器改為探測器陣列(如CCD)。其基本工作原理如下面光源發出的光被分光棱鏡分成兩路，一路被成像到物體上，另外一路被成像到反射鏡上；工作的時候先固定反射鏡位置，這樣在樣品臂上就可以掃描到一個等光程面，當面光源正好被成像到這個等光程面的時候，在探測器陣列就可以記錄到樣品的信息。這樣整個被光源照亮的X-Y平面同時都被成像，然后移動反射鏡就可以實現對Z方向的掃描。這種系統在提取物體信息時一般采用鎖相檢測，先對光源進行移相(一般為四步移相法)，然后獲得相應的移相后的四幅圖像，通過對四幅圖像的處理獲得相應探測點的相位和振幅信息。這種系統的優點在于橫向掃描速度快，掃描視場大。上述系統可以詳細參見“Thermal-light full-fieldoptical coherence tomography”L.Vabre，A.Dubois，A.C.Boccara.Opt.Lett Vol 27，P530-533，2002。
傳統的點掃描系統的主要局限性在于(1)當進行X-Y面的掃描時，需要兩片振鏡進行掃描，所以系統成本高；(2)由于使用振鏡掃描系統，為了權衡像差帶來的影響，系統的掃描、視場小；(3)當需要掃描整個視場時，需要在物體表面逐點移動焦點，所以橫向掃描速度慢。
所以傳統的點掃描系統很難實現對于物空間的大視場快速掃描，事實上在這種系統中橫向掃描系統已經成為系統掃描視場和掃描速度的瓶頸。
采用全場光學相干層析系統的局限性在于(1)采用移相器對光源進行移相調制時，由于移相器相差的存在，實際上只能對于光源中心頻率的光進行了合適的移相，對于其他頻率的光的移相，實質上是有偏差的，所以原理上就限制了這種層析系統的圖象質量；(2)掃描時理論上的等光程面實際上是一個圓面，而不是平面，所以建立這種系統時需要復雜的標定工作，需要把圓面標定到平面；(3)這種系統在縱向掃描速度上不如傳統的點掃描系統高。
發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種利用微透鏡或微棱鏡陣列進行掃描的光學相干層析系統，可以有效地解決現有光學相干層析系統中的掃描速度低、成本高，以及需要復雜的人為標定誤差等問題，并且結構簡單、掃描速度高、適宜于批量生產。
本發明的技術解決方案是利用微透鏡或微棱鏡陣列進行掃描的光學相干層析系統，其特征在于主要由光源、準直鏡、分光棱鏡、微透鏡或微棱鏡陣列和多路光纖組成的多路光纖耦合裝置、第一片微透鏡或微棱鏡陣列、第二片微透鏡或微棱鏡陣列、目標物體、第三片微透鏡或微棱鏡陣列、探測器陣列、微位移裝置以及由相位光柵、傅立葉透鏡、振鏡、全反鏡組成的快速掃描延遲線組成，第一片微透鏡或微棱鏡陣列、第二微透鏡或微棱鏡陣列以及多路光纖耦合裝置的尾端都固定在微位移裝置上，在多路光纖耦合裝置的輸出端通過第一片微透鏡或微棱鏡陣列把多路光纖中的點光源變成空間光路中的平行光束，然后被第二片微透鏡陣列聚焦到目標物體上，目標物體上的反射光束在分光棱鏡上和被快速掃描延遲線反射回來的光相遇，當這兩束光的光程相等的時候發生干涉，最終干涉信號通過第三片微透鏡或微棱鏡陣列被聚焦到探測器陣列上。
上述的微透鏡或微棱鏡陣列和探測器陣列可以是一維的，也可以是二維的；可以是方型陣列，也可以圓形或環行陣列。
上述的微位移裝置可以是壓電陶瓷堆，也可是微機械位移裝置或微動平臺。
上述的探測器陣列可以是光電二極管陣列，也可以是光電耦合器件，如CCD，CMOS等。
上述的多路光纖耦合系統可以利用微透鏡或微棱鏡陣列作為耦合透鏡，也可以是利用其他陣列耦合器件作為耦合透鏡，如菲涅爾透鏡等。
快速掃描延遲線由相位光柵、傅立葉透鏡、振鏡、全反鏡組成，其中相位光柵在傅立葉透鏡的物方焦面上，振鏡在傅立葉透鏡的像方焦面上，相位光柵和振鏡分別在傅立葉透鏡的前后焦面上，光束首先被相位光柵反射到傅立葉透鏡上，接著傅立葉透鏡把光束聚焦到振鏡上，振鏡左右振動并且反射光束，使得光束經過傅立葉透鏡和相位光柵鏡后出射，全反射鏡的作用是把第一次出射的光束再次反射回快速延遲線，充分補償入射光束的群色散。
發明的工作原理為點光源發出的光束被準直鏡準直為平行光束，平行光束經過分數器分成兩束，其中一束稱為參考臂，經過快速掃描延遲線，然后再次回到分光棱鏡上，其中快速延遲線的作用是實現樣品縱向深度掃描；另外一束平行光稱為樣品臂，它被多路光纖耦合裝置分成m×n路，在光纖輸出端后面是第一片微透鏡或微棱鏡陣列，每個光纖都對應了相應的一個子孔徑，而且都位于子孔徑的后焦點上，所以多路光纖中的各個點光源被其對應的子孔徑準直為m×n路平行光束，第二片微透鏡或微棱鏡陣列的m×n個子孔徑把這m×n路平行光束聚焦到目標物體上，目標物體上的m×n路反射光束通過上述的樣品臂光路再次到達分光棱鏡上，當樣品臂和參考臂的光程相等時，兩支反射光在分光棱鏡上發生干涉現象(m×n個干涉信號)，這些干涉信號通過第三片微透鏡或微棱鏡陣列(m×n個子孔徑)上面相應的子孔徑聚焦到探測器陣列上，第一片微透鏡或微棱鏡陣列和第二片微透鏡或微棱鏡陣列以及m×n路光纖的尾端都固定在微位移裝置上，通過微位移裝置的橫向移動實現對目標物體的橫向掃描。
發明與現有技術相比的優點如下(1)本發明通過使用陣列器件可以同時對于目標物體m×n個物點進行縱向掃描。相對于面陣光學相干層析系統，在縱向掃描速度上得到了很大的提高；(2)本發明通過增加微透鏡或微棱鏡陣列的子孔徑數目，實現對于橫向掃描速度的提高。相對于傳統的光學相干層析系統，在橫向掃描速度上提高了m×n倍；(3)本發明通過使用移動平臺等微位移裝置實現橫向掃描，代替了昂貴的振鏡，降低了系統的成本，便于產品化；(4)本發明對于聚焦到目標物體上的任意一個子孔徑來說都是傳統的點掃描方式，所以不需要進行等光程面的標定工作，減少了工作量；(5)本發明采用的多路光纖耦合系統，便于實現微透鏡或微棱鏡陣列4和6的相應的子孔徑的對準，易于系統調試；(6)本發明所采用的微透鏡或微棱鏡陣列都是具有相同的子孔徑數目和分布，便于批量生產，降低成本。
綜合以上所述，由于本文所述利用微透鏡或微棱鏡陣列進行掃描的光學相干層析系統采用了陣列光學器件，可以同時克服傳統光學相干層析系統和面陣光學相干層析系統的局限性，設計出一種結構簡單、掃描速度快、成本低、適宜于批量生產的光學相干層析系統。
圖1為本發明提到的傳統光學相干層析系統；圖2為本發明中提到的傳統橫向掃描裝置；圖3為本發明中提到的利用微透鏡或微棱鏡陣列進行掃描的光學相干層析系統；圖4為本發明的數據采集和處理流程；圖5為本發明中提到的m×n個子孔徑的微透鏡或微棱鏡陣列聚焦示意圖。
圖6為本發明提到的快速延遲線的光路。
具體實施例方式
如圖3所示，點光源1發出的光束被準直鏡2準直為平行光束，平行光束經過分數器3分成兩束，其中一束稱為參考臂，通過快速延遲線參考臂，然后再次回到分光棱鏡3上，其中快速延遲線16的主要作用是實現對于樣品縱向深度的掃描；另一束稱為樣品臂，在多路光纖耦合裝置15的輸出端通過一片微透鏡或微棱鏡陣列6把多路光纖中的點光源變成空間光路中的平行光束，然后被第二片微透鏡或微棱鏡陣列7聚焦到目標物體8上，光束被物體8反射并經過多路光纖耦合裝置15時被分割成m×n路平行光束，這些光束在分光棱鏡3上和從快速延遲線16反射回來的平行光束相遇，當這兩束光的光程相等的時候發生干涉，最終干涉信號通過第三片微透鏡陣13列被聚焦到探測器陣列14上，第一片微透鏡或微棱鏡陣列6和第二片微透鏡或微棱鏡陣列7以及m×n多路光纖5的尾端都固定在微位移裝置17上，通過微位移裝置17的橫向移動實現對目標物體的橫向掃描。
重構目標物體8內部結構的時候需要的信息是內部結構的深度和灰度信息。樣品深度信息可以直接在快速掃描延遲線上得到，而灰度信號可以通過干涉信號得到。
由于微透鏡或微棱鏡陣列的使用使得樣品臂光束被分成m×n路，因為這m×n路光束都是從同一束平行光束中分出來的，所以每一路光束的相位和振幅都是一樣的，因此對于干涉信號的獲得，只需要針對一束光分析就可以了。
假設光源為單波長光源，則樣品臂和參考臂的Es，Er可以分別表示為Es＝Asexp[-j(βsls-ωt)](1)Er＝Arexp[-j(βrlr-ωt)](2)其中As，Ar分別表示為樣品臂和參考臂電場振幅；βs，βr分別表示為兩者的空間角頻率；ls，lr分別為兩支光路中的總光程。
兩者干涉產生的干涉信號被光電二極管接受，產生的光信號可以表示為I=ηehv(1η0)[12|Ar|2+12|As|2+real{EsEr*}]---(3)]]>其中η為光電二極管的量子效率；e為單位電荷；hv為入射光子能量；η0為二極管阻抗；Er*為Er的共軛函數。
實際的光學相干層析系統中光源具有一定的帶寬，則公式(1)和(2)應該改寫為Er(ω)＝Ar(ω)exp{-j[βr(ω)lr-ωt]}(4)Es(ω)＝As(ω)exp{-j[βs(ω)ls-ωt]}(5)樣品臂和參考臂的振幅和空間角頻率都是角頻率的函數，把(4)和(5)代入(3)得到I∝real{∫-∞+∞Es(ω)Er(ω)*dω2π}=real{∫-∞+∞S(ω)exp[-jΔφ(ω)]dω2π}---(6)]]>S(ω)＝As(ω)Ar(ω)*(7)Δφ(ω)＝βs(ω)ls-βr(ω)lr(8)公式(6)就是干涉信號，每一個子孔徑就對應了這樣一個干涉信號，所以m×n個子孔徑就可以同時有m×n個干涉信號，所以在橫向掃描速度上比傳統的布局提高了m×n倍。各個子孔徑之間具有一定的間隙，因此還需要微位移裝置的橫向移動來掃描這些區域。
如圖4所示，后續的信號采集和處理部分由探測器、帶通濾波器、前置放大器、數據采集卡、數字信號處理和圖像重構組成，帶通濾波器把公式(3)中的直流信號部分濾出掉，然后交流部分通過前置放大器放大，接著被數據采集卡的采集，然后進入電腦進行處理。
本發明的信號處理如下首先對得到的信號進行窗口傅立葉變化，得到信號的頻譜，然后取得中心頻譜對應的信息，并把這部分信息進行傅立葉逆變化，得到時間域的強度，把這個強度信號作為物點的灰度值，再結合在快速掃描延遲線上得到的深度信號，就可以重構出樣品內部的圖像。
權利要求
1.利用微透鏡或微棱鏡陣列進行掃描的光學相干層析系統，其特征在于主要由光源(1)、準直鏡(2)、分光棱鏡(3)、微透鏡或微棱鏡陣列(4)和多路光纖(5)組成的多路光纖耦合裝置(15)、第一片微透鏡或微棱鏡陣列(6)、第二片微透鏡或微棱鏡陣列(7)、目標物體(8)、第三片微透鏡或微棱鏡陣列(13)、探測器陣列(14)、微位移裝置(17)以及快速掃描延遲線(16)組成，第一片微透鏡或微棱鏡陣列(6)、第二微透鏡或微棱鏡陣列(7)以及多路光纖耦合裝置(15)的尾端都固定在微位移裝置(17)上，在多路光纖耦合裝置(15)的輸出端通過第一片微透鏡或微棱鏡陣列(6)把多路光纖(5)中的點光源變成空間光路中的平行光束，然后被第二片微透鏡(7)陣列聚焦到目標物體(8)上，目標物體(8)上的反射光束在分光棱鏡(3)上和被快速掃描延遲線(16)反射回來的光相遇，當這兩束光的光程相等的時候發生干涉，最終干涉信號通過第三片微透鏡或微棱鏡陣列(13)被聚焦到探測器陣列(14)上。
2.根據權利要求1所述的利用微透鏡或微棱鏡陣列進行掃描的光學相干層析系統，其特征在于所述的三片微透鏡或微棱鏡陣列和探測器陣列可以是一維的，也可以是二維的；可以是方型陣列，也可以圓形或環行陣列。
3.根據權利要求1所述的利用微透鏡或微棱鏡陣列進行掃描的光學相干層析系統，其特征在于所述的微位移裝置(17)可以是壓電陶瓷堆，也可是微機械位移裝置或微動平臺。
4.根據權利要求1所述的利用微透鏡或微棱鏡陣列進行掃描的光學相干層析系統，其特征在于所述的探測器陣列(14)可以是光電二極管陣列，也可以是光電耦合器件。
5.根據權利要求1所述的利用微透鏡或微棱鏡陣列進行掃描的光學相干層析系統，其特征在于所述的多路光纖耦合裝置(15)可以利用微透鏡或微棱鏡陣列作為耦合透鏡，也可以是利用其他陣列器件，如菲涅爾透鏡作為耦合透鏡。
6.根據權利要求1所述的利用微透鏡或微棱鏡陣列進行掃描的光學相干層析系統，其特征在于所述的快速掃描延遲線(16)由相位光柵(9)、傅立葉透鏡(10)、振鏡(11)、全反鏡(12)組成，相位光柵(9)和振鏡(11)分別在傅立葉透鏡(10)的前后焦面上，光束首先被相位光柵(9)反射到傅立葉透鏡(10)上，接著傅立葉透鏡(10)把光束聚焦到振鏡(11)上，振鏡(11)左右振動并且反射光束，使得光束經過傅立葉透鏡(10)和相位光柵(9)鏡后出射，全反射鏡(12)把第一次出射的光束再次反射回快速延遲線，充分補償入射光束的群色散。
全文摘要
利用微透鏡或微棱鏡陣列進行掃描的光學相干層析系統，主要由光源、準直透鏡、分光棱鏡、多路光纖耦合裝置、3片微透鏡或微棱鏡陣列、快速延遲線、探測器陣列、微位移裝置組成，在多路光纖耦合裝置的輸出端通過一片微透鏡或微棱鏡陣列把多路光纖中的點光源變成空間光路中的平行光束，然后被第二片微透鏡或微棱鏡陣列聚焦到物體上，物體上的反射光束在分光棱鏡上和被快速掃描延遲線反射回來的光相遇，當這兩束光的光程相等的時候發生干涉，最終干涉信號通過第三片微透鏡或微棱鏡陣列被聚焦到探測器陣列上。本發明通過使用微透鏡或微棱鏡陣列在大大的提高了光學相干層析系統的掃描速度，減少獲取三維層析圖像的獲取時間，降低了系統成本。
文檔編號G02B26/10GK1713020SQ20051001223
公開日2005年12月28日 申請日期2005年7月21日 優先權日2005年7月21日
發明者史國華, 張雨東, 陳凱, 戴云, 王海英, 李恩德 申請人:中國科學院光電技術研究所