白光频域光学相干层析检测方法

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中图分类号 ： TH744.3； 0439 文献标 志码 ： A doi：10.3788/HPI PB20132508.1921薄膜厚度与膜层质量直接影响薄膜材料的性能1]，通常膜厚测量与缺陷检测方法有透射反射扫描法[2]、相衬显微法 和扫描电子显微法等 ]。透射反射扫描法简单易行 ，但测量精度有限；相衬显微法难以实现对不明显薄膜损伤的准确判断；扫描 电子显微法需要与薄膜接触直接感应出薄膜的厚度或膜层表面缺陷，会进-步损伤薄膜。光学相干层析成像(OCT)是-种非侵入 、非接触、无损伤的光学成像技术 ，具有 肚m 级的分辨率 ，探测深度可以达到数 mm5]，可以实现对光学散射薄膜的高精度检测。OCT利用低相干干涉原理，结合共焦显微和光学外差探测技术，通过检测散射介质 内部 的背 向散射光 ，获取样 品的-维深度 、二维层析和三维形貌图像l6]。目前，OCT技术广泛应用于眼科、牙科、皮肤病等医学临床诊断，以及信息存储、指纹识别、防伪检测等领域 J。OCT可分为时域 OCT(TI)oCT)和频域 OCT(SD-OCT)两种[6]。传统的时域 OCT需要通过扫描获取物体的深度信息l6]，而频域 OCT利用频域干涉原理，通过干涉光谱的傅里叶逆变换获取物体的深度信息[9]，因而可以替代传统时域 OCT系统的深度扫描装置，极大地提高系统的探测灵敏度、成像速度和图像信噪比，增强系统稳定性 u]。本文设计了白光频域 OCT系统对聚苯乙烯薄膜进行成像，并提出了-个光谱解耦的方法消除干涉光谱中的自相关项和直流项，提高了聚苯乙烯薄膜的图像质量。

l 频域 oCT的理论基础频域 OCT的理论基础是 A.F.Fercher等人提出的散射近似理论 ：物体的散射势 函数 P (z)含物体深度方向的结构信息，且 P ( )与散射光场强度 E ( )的傅里叶逆变换成正比 .9，即P (2)OC FT～EE (志)] (1)则散射光强 工(志)-I E (忌)I。-C I FTEP (z)]l (C为常数)。根据维纳-辛钦定理，功率谱密度为信号自相关函数的傅里叶变换，即FT EI(k)]-c(P ( )P (zZ)>-CACFEP (z)] (2)由式(2)可得物体散射势的自相关函数，而非散射势 P ( )本身 ，只有结构非常简单的物体 ，才可以从 自相关函数中解调 出散射势本身，而对于复杂结构的物体 ，可利用干涉频谱的傅里叶逆变换获取物体散射势。对于迈克尔逊干涉仪，干涉光谱可表示为r∞ r∞ r∞(愚)-s(忌)12 l P ( )cos(2kn oz)dzI I P ( )P (z )exp[i2kn 0( -z )]dzdz ) (3)J 0 J 0 J 0式中： 为探测深度 ；k为波数 ；S( )为光源的光谱密度 ；I (尼)为干涉光谱； 。为物体的平均折射率 。式 (1)中第-项为直流项；第二项为互相关项，样品的深度信息可由其傅里叶逆变换得到；第三项为自相关项，为物体内部不同深度散射光之间的干涉 。

收稿 日期 ：2012-12-18； 修订 日期 ：2013-01-30基金项目：长江学者和创新团队发展计划项目(IRT1033)；陕西侍育厅科学研究计划项目(12JK0672，12JK0514)作者简介：秦玉伟(1979-)，男，博士研究生，讲师，研究方向为传感器与光电检测技术；qinyuwei###163.corn。

通信作者 ：赵 宏 (1954 )，男 ，博导 ，教授 ，研究方向为光电检测 技术与方法 ；zhaohong###mail.xjtu.edu.cn。

强 激 光 与 粒 子 束 第 25卷对式(3)进行傅里叶逆变换得FT ， (k)-FT Es(k)] [P ( )P (-z) ( )AC(P ( ))] (4)式中：P (-z)为散射势的镜像 ，与 P (z)关于零光程差位置对称分布 ；AC(P (z))和 ( )分别为 自相关噪声和直流噪声。由式(4)可知，经傅里叶逆变换后，物体散射势P (z)伴有镜像和噪声干扰，易造成图像信噪比和对比度降低，影响成像质量。为消除图像噪声，对干涉光谱 I ( )进行解耦，设-个归-化函数T(k)-[J (k)- ID(志)J/[ (尼)- I (是)] (5)其中 (忌)- (忌)4-j眦(忌)，Jm(忌)和 Im(是)分别为样品光和参考光光谱 ，T(k)经过傅里叶逆变换后得FT1[T(k)]-[P (z)P (-z)] (6)由式(6)可知，该方法可有效消除直流噪声和自相关噪声。若对光路进行设计，将参考镜的虚像位置置于待测物体表面，则可以将物体图像与其镜像在空间位置分开，从而消除镜像 P (- )，获取物体散射势 P (z)[1 。

2 实验 系统 设计频域 OCT系统 由白光光源 、光纤迈克尔逊干涉仪和近红外光谱仪 等部分组成 ，系统 的结构如图 1所示。

白光光源频域 OCT系统能获取高分辨力的图像 ]，且近红外光谱能显著提高对物体的探测深度 ，因而 系统使用 卤钨灯 (Avalight-HAI ，Avaspec)作 为光 源，其波长 范围为 360～ 2500 nm，输 出光功率 为 4.5 mW。迈克尔逊干涉仪采用 2×2耦合 的 1310 nm单模光纤耦合器(分光 比为 30/70)。光谱仪为光纤接 口Fig.1 Schematic of white light spectral domain opticalcoherence tomagraphy(SD-OCT)system图 1 白光频域 OCT系统结构的近红外光谱仪(AvaSpec-NIR256-1.7，Avaspec)，探测波长范围为 900～1750 nm。光纤结构的设计 可有效提高系统对物体的探测灵活性。光源发出的入射光经过光纤耦合器后分为两束，-束经样品臂进入样品发生散射，另-束经参考臂被反射镜返回。样品臂返回的散射光与参考光经光纤耦合器重新会合，满足相干条件发生频谱干涉，干涉光谱通过光谱仪采集，然后传输至计算机进行信号处理和图像重构。参考镜采用高反射率的平面反射镜；显微物镜用于提高系统的水平分辨率；使用二维的微位移平台进行光路调整，并对物体横向扫描以获取物体的二维层析图像 。

3 实验 结果分 析将单层的聚苯乙烯薄膜固定在样品臂的微位移平台上.利用计算机软件控制微位移平台进行光路调整，使参考光光程略小于样品光光程，以消除物体镜像。对光路进行微调，使样品光和参考光之间的光程差小于相干长度发生干涉，当光谱仪上显示清晰的干涉条纹时停止光路调整，采集干涉光谱 J ( )，如图 2(a)所示。

wavelength/nm(a)beIbre noise removingFig.2 Interference spectrum of film图 2 薄膜 的干涉光谱图wavelength/nm(b)after noise removing1924 强 激 光 与 粒 子 束 第 25卷简化了 OCT系统结构，实现快速高质量成像。