熱光源譜域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng) (1)

1、第卷第期年月西安交通大學(xué)學(xué)報熱光源譜域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)，趙宏，莊仲琴秦玉偉，（西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室，西安；渭南師范學(xué)院物理與電子工程系，陜西渭南）摘要：根據(jù)熱光源具有極短的相干長度、能夠提高系統(tǒng)的軸向分辨率的特點(diǎn)，設(shè)計了一種使用熱光源的譜域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)利用高斯函數(shù)計算得到的理想光譜密度與光譜儀測量的實(shí)際光譜密度之間的比值，得出了不同波長對應(yīng)的光源光譜密度的校正系數(shù)，將校正系數(shù)與所測干涉光譜值相乘，得到了校正后的理想干涉光譜值實(shí)驗結(jié)果表明：高斯校正后，樣品的一維散射勢得到銳化，散射勢峰值變大，系統(tǒng)的軸向分辨率變高；高斯校正后使二維層析圖像的質(zhì)量得到了提高，樣品因

2、此，系統(tǒng)具有分辨率高、成像速度快、測量精度高和對樣品無損傷的特點(diǎn)，的薄膜邊界變得清晰在薄膜厚度的無損測量方面有著廣泛的應(yīng)用前景關(guān)鍵詞：光學(xué)相干層析成像；熱光源；高斯校正；散射勢）中圖分類號：；文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文章編號：（，（，；，），：，：；是一種利用光光學(xué)相干層析成像技術(shù)（）學(xué)低相干涉測量原理的成像技術(shù)，它能夠?qū)悠穬?nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損傷、非侵入、無接觸的橫截面層析成像，分辨率可以達(dá)到微米量級由于具有較高的分辨率，因此該技術(shù)已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，并被成功地應(yīng)用于生物組織活體檢驗和半導(dǎo)體材料檢測等領(lǐng)域按成像原理不同，可以分為時域簡稱（，），收稿日期：男，博士生；趙宏（聯(lián)系人）男，教授，博士生導(dǎo)師基

3、金項目：國家自作者簡介：秦玉偉（）；陜西省教育廳資助項目（）然科學(xué)基金資助項目（網(wǎng)絡(luò)出版時間：網(wǎng)絡(luò)出版地址：等：熱光源譜域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)期秦玉偉，第和傅里葉域簡稱（，）兩類系統(tǒng)需要軸向的機(jī)械掃描通過移動反射鏡或樣品來改變參考臂和樣品裝置，臂之間的光程差，以獲得樣品的深度信息，因而限制了系統(tǒng)的成像速度，并且分辨率和信噪比較低軸向分辨率是理技術(shù)的一個重要指標(biāo)，想高斯光源系統(tǒng)的軸向分辨率為（）（）式中：為相干長度；為光源中心波長；為光源半譜寬度可以看出，系統(tǒng)的軸向分辨率除無需軸向機(jī)械掃描，采用頻譜域干涉技術(shù)，樣品探測深度范圍內(nèi)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

4、速成且具像與分辨單元信號采集時間下降之間的矛盾，有更高的分辨率和信噪比與光源中心波長、光譜的帶寬有關(guān)外，還與光譜形狀傳統(tǒng)有關(guān)系統(tǒng)常用的寬帶光源為超連續(xù)，譜激光器和超輻射發(fā)光二極管（而熱光源很）在高分辨率少作為系統(tǒng)的光源使用由于鹵鎢燈具有極短的相干長度，因系統(tǒng)中，此可使系統(tǒng)獲得較高分辨率的層析圖像可以分為譜域（簡稱和掃頻源）（，簡稱，）的最大優(yōu)勢在于只深度信息的獲得不需要通過軸向機(jī)械掃描實(shí)現(xiàn)，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(shù)空間分布的干涉圖譜進(jìn)行傅里葉反變并進(jìn)行圖像重構(gòu)就可得到樣品深度信息的層析換，圖像，因而大大提高了系統(tǒng)的成像速度和本文設(shè)計的圖像分辨率系統(tǒng)使用熱實(shí)驗系統(tǒng)

5、設(shè)計熱光源的光纖系統(tǒng)主要由寬帶光源、邁克爾遜干涉儀和光譜儀構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖所示圖中，由×光纖耦合器（分束比為和）個光纖準(zhǔn)直器構(gòu)成光纖邁克爾遜干涉儀，顯微物鏡不僅提高了將光束聚焦在樣品上，系統(tǒng)的橫向分辨率，而且濾除了焦點(diǎn)外返回的雜散光，保證了系統(tǒng)的成像質(zhì)量光源作為寬帶低相干光源來提高系統(tǒng)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(tǒng)的軸向分辨率，因此適合作為系統(tǒng)的光源系統(tǒng)的原理即散系統(tǒng)的基本原理是散射勢理論，射光強(qiáng)的傅里葉逆變換可得到含樣品深度結(jié)構(gòu)信息的散射勢（）（）（，）式中：為樣品的散射勢；（）為軸向深度；為波數(shù)；為樣品在測量點(diǎn)處的散射光強(qiáng)；（，）為傅里葉

6、逆變換對于邁克爾遜干涉儀，干涉光譜信號為（）（）（）（）（圖熱光源的光纖系統(tǒng)圖由于樣品的背向散射光強(qiáng)遠(yuǎn)低于參考光強(qiáng)，為了能夠較好地發(fā)生干涉，因此需要增加樣品臂的背但是，由于單層薄膜樣品膜表面與基向散射光強(qiáng)度片上表面對入射光的背向散射均較強(qiáng)，導(dǎo)致干涉光譜的自相關(guān)項增大，引起圖像模糊、信噪比降低，因此采用分束比為系統(tǒng)所用的的光纖耦合器熱光源為光譜形狀近似高斯分布的鹵鎢燈，光源發(fā)出的入射光經(jīng)過光纖耦合器后分成兩部分，并分別樣品的背向散射光中含有樣進(jìn)入樣品臂和參考臂式中：為干涉光譜信號；為光源的光譜密（）（）式（中的第項為直度；為樣品的平均折射率）流項，表現(xiàn)為直流噪聲；第項為互相關(guān)項樣品的）深度信息可

7、由式（經(jīng)傅里葉逆變換獲得（） 品的深度信息，可以看成是多種準(zhǔn)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(jīng)過耦合器）利用步相移法去除式（中的第項和第項，干涉光譜信號由光譜儀接收，并送入計算發(fā)生干涉，即直流噪聲和鏡像，即可得到樣品內(nèi)部不同深度處的（）機(jī)進(jìn)行處理和圖像重構(gòu)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動平移臺對樣品進(jìn)行水平掃描，以獲得二維層析圖像：西安交通大學(xué)學(xué)報第卷實(shí)驗結(jié)果和討論由于光源的光譜形狀、中心波長和帶寬決定了因此實(shí)驗前先要測量鹵鎢系統(tǒng)的軸向分辨率，）燈的光譜（見圖現(xiàn)高斯校正后，光源的中心波長和光譜半寬分別為因此系統(tǒng)實(shí)際軸向分辨率約為和，比理論軸向分辨率低，這是由波數(shù)的非線，性校正誤差

8、引起的圖和圖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(biāo)為歸一化散射勢從圖中可以看出，一維高斯光譜校正前后，散散射勢具有個明顯的峰值，射勢峰值的尖銳程度不同在高斯光譜校正前，散射范圍較寬，表明系統(tǒng)軸向分辨率勢峰值、較平坦，較低，不利于邊界定位當(dāng)高斯光譜校正后，散射勢峰值得到銳化，系統(tǒng)軸向分辨率提高，與校正前的峰值相比，峰值變大，從而有利于邊界定位和薄膜厚度的測量由圖中散射勢的個主要峰值的位聚苯乙烯薄膜厚度約為置可知，圖鹵鎢燈光源光譜圖由圖可知，鹵鎢燈光源的中心波長和光譜半寬分別為根據(jù)軸向分辨率的表和，達(dá)式可知，系統(tǒng)的理論軸向分辨率為由光源光譜圖中可以看出光譜并非理想高斯

9、分布，這將會導(dǎo)致軸向響應(yīng)函數(shù)的展寬和旁瓣產(chǎn)生，從而降低，系統(tǒng)軸向分辨率和成像質(zhì)量因此需要對鹵鎢燈，光源的原始光譜進(jìn)行高斯光譜校正對于理光譜密度可以表示為想高斯分布的光源，（）高斯校正前）（）（）（式中：設(shè)由光譜儀采集到的鹵鎢燈為光源的波長，的實(shí)際光譜密度為對應(yīng)于相同的，可由式）（）計算得出理想情況下的光譜密度根據(jù)實(shí)際光譜密度和理想光譜密度可以得到校正系數(shù)（）（得到高斯校正后的干涉光譜強(qiáng)度為（）（）由于光譜儀采集到的干涉光譜信號為波長的函數(shù)，而深度方向的空間坐標(biāo)與波數(shù)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（轉(zhuǎn)化到波數(shù)空間分布的干涉光譜強(qiáng)度由）（因此利用三次樣于波長與波數(shù)之間的

10、非線性關(guān)系，條插值算法對干涉光譜進(jìn)行波數(shù)空間的非線性校正，以確保系統(tǒng)軸向分辨率和圖像質(zhì)量（）（）高斯校正后薄膜上表面散射勢峰值；薄膜下表面散射勢峰值、：、：，若光譜儀采集到的實(shí)際干涉光譜強(qiáng)度為則可）（圖樣品的一維散射勢峰值的變化趨勢圖為高斯光譜校正前、后樣品的二維層析圖圖中亮線表示折射率突變的界面處，圖像頂端的像，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(shí)驗樣品為單層薄膜結(jié)構(gòu)，為獲取高質(zhì)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(jìn)行直方圖均衡化處理，并設(shè)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高斯校正

11、前的圖像模糊，可以看出，實(shí)驗樣品是以玻璃為基片、厚度為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(gòu)等數(shù)據(jù)處理過程通過編程軟件實(shí)：等：熱光源譜域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)期秦玉偉，第，（）：，（）：，（）高斯校正前（高斯校正后圖樣品的二維層析圖像（）：，（）：，：，：，（）：，陳玉平，趙宏，楊琦，等譜域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)：的實(shí)驗研究西安交通大學(xué)學(xué)報，（），（）：，吳彤，丁志華掃頻光學(xué)相干層析系統(tǒng)（）：中國激光，（）：，：薄膜與基片之間的邊界較寬，但經(jīng)過高斯光譜校正、直方圖均衡化和閾值設(shè)定等處理后，圖像的質(zhì)量和分辨率得到了提高，薄膜的邊界清晰地顯示出來，條亮線之間的雜散干擾信號得到了去除，薄膜的厚）見圖度約為（結(jié)論本文設(shè)計了一種使用寬帶熱光源的光纖邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的采用高斯校正算法系統(tǒng)，對鹵鎢燈光源的原始光譜進(jìn)行校正，提高了系統(tǒng)的軸向分辨率和圖