[发明专利]正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统和方法

权利要求书

1.一种正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统，包括低相干光源（1），在低相干光源（1）的光束前进方向上顺序放置准直扩束器（2）、柱面镜（3）、迈克尔逊干涉仪（4），该迈克尔逊干涉仪（4）的分光器（41）将入射光分为探测臂光路（44）和参考臂光路（42），参考臂光路（42）的末端为第一聚焦透镜（46）和反射式空间正弦相位调制器件（43），探测臂光路（44）的末端为第二聚焦透镜（47）和待测样品（45），待测样品（45）放置在一个精密移动平台上；该迈克尔逊干涉仪（4）的输出端连接一光谱仪（5）；该光谱仪（5）由分光光栅（51）、第三聚焦透镜（52）和二维光电探测器阵列（53）组成；二维光电探测器阵列（53）通过图像数据采集卡（6）和计算机（7）连接；其特征在于：所述的反射式空间正弦相位调制器件（43）与入射光束垂直摆放，使反射光沿原入射光路逆向返回，并在反射光波前上引入空间正弦相位调制，所述的柱面镜（3）将一束入射平行光会聚为一个线状照明光；所述的第一聚焦透镜（46）、第二聚焦透镜（47）的焦距相同；所述的柱面镜（3）与迈克尔逊干涉仪（4）中的第一聚焦透镜（46）、第二聚焦透镜（47）是共焦关系；所述的迈克尔逊干涉仪（4）中的第一聚焦透镜（46）、第二聚焦透镜（47）分别与光谱仪（5）中的第三聚焦透镜（52）是共焦关系；所述的待测样品（45）和反射式空间正弦相位调制器件（43）分别与二维光电探测器阵列（53）在系统光路上呈物像共轭关系。

2.根据权利要求1所述的正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统，其特征在于所述的低相干光源（1）为宽带光源，为发光二极管、超辐射发光二极管、飞秒激光器或超连续谱光源。

3.根据权利要求1所述的正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统，其特征在于所述的二维光电探测器阵列（53）是面阵CCD、面阵CMOS、面阵InGaAs或其它具有光电信号转换功能的二维探测器阵列。

4.根据权利要求1所述的正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统，其特征在于所述的精密移动平台是具有沿三个互相垂直方向精密平移的平台。

5.利用权利要求1所述的正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统进行并行复频域光学相干层析成像的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

①利用干涉参考臂的反射式空间正弦相位调制器件（43）在二维光电探测器阵列（53）获得的二维频域干涉条纹上沿并行探测方向引入空间正弦相位调制ψ(x)=2k·acos(2πf_cx/σ+θ)，即在二维频域干涉条纹中引入空间载波；

其中：a为空间正弦相位调制振幅，θ为空间正弦相位调制初始相位，f_c是空间正弦相位调制频率；λ代表波长，k=2π/λ代表波数；x代表待测样品（45）和干涉参考臂反射式空间正弦相位调制器件（43）沿线状照明光长度方向的横向位置经一维成像系统成像在光谱仪（5）中二维光电探测器阵列（53）上的横向位置；所述的一维成像系统分别由迈克尔逊干涉仪（4）中反射式空间正弦相位调制器件（43）前的第一聚焦透镜（46）和待测样品（45）前的第二聚焦透镜（47）与光谱仪（5）中二维光电探测器阵列（53）前第三聚焦透镜（52）组成，σ=F₂/F₁代表一维成像系统的横向放大率，F₁代表迈克尔逊干涉仪（4）中在反射式空间正弦相位调制器件（43）前第一聚焦透镜（46）和待测样品（45）前第二聚焦透镜（47）的焦距，F₂代表光谱仪中二维光电探测器阵列（53）前第三聚焦透镜（52）的焦距；x′代表待测样品（46）沿线状照明光长度方向的横向位置，x′=x/σ；

②系统工作后，所述的二维光电探测器阵列（53）记录了含有空间载波的二维频域干涉信号：

g(k,x)=g0(k,x)+2ΣnS(k)αn(x)β0cos[2k(zn(x)+ψ(x)/2k)],]]>

其中：g0(k,x)=S(k)β0+ΣnS(k)αn(x)+2Σn≠mS(k)αn(x)αm(x)cos[2k(zn(x)-zm(x))],]]>

S(k)代表低相干光源（1）的功率谱密度,β₀代表反射式空间正弦相位调制器件（43）的等效反射率，α_n(x)、α_m(x)代表二维光电探测器阵列（53）上横向位置x对应的待测样品（45）上横向位置x′处第n、m层反射或散射界面的反射率或背向散射率，z_n(x)、z_m(x)代表二维光电探测器阵列（53）上横向位置x对应的待测样品（45）上横向位置x′处第n、m层反射或散射界面的纵向深度；

上式二维频域干涉信号又可以表示为：

g(k,x)=g0(k,x)+2Σnbn(k,x)cos[2k(zn(x)+ψ(x)/2k)],]]>

其中：bn(k,x)=S(k)αn(x)β0;]]>

③对二维频域干涉信号g(k，x)作以x为变量的傅里叶变换，得到：

其中：G表示g的傅里叶频谱，f_x代表对应x轴的空间频谱；A_m=J_m(d)exp(imθ),J_m是m阶贝塞尔函数，d=4πa/λ，δ是狄拉克函数，符号表示卷积运算，符号表示以x为变量的傅里叶变换；

④从空间频谱信号G(k，f_x)中取出一倍频F(f_c/σ)频谱和二倍频F(2f_c/σ)频谱，通过下式计算得到二维复频域干涉条纹信号实部和虚部的傅里叶变换信号；

其中：对应二维复频域干涉条纹信号的实部，项对应二维复频域干涉条纹信号的虚部，Re表示取实部运算；

⑤将二维复频域干涉条纹信号实部和虚部的傅里叶变换信号和分别以f_x为变量做逆傅里叶变换，并将得到的二维复频域干涉条纹信号的实部和虚部组合得到二维复频域干涉条纹信号g_comp(k，x)：

gcomp(k,x)=Σnbn(k,fx)exp[i2kzn(x)]=ΣnS(k)αn(x)β0exp[i2kzn(x)];]]>

⑥将二维复频域干涉信号g_comp(k，x)以k为变量作逆傅里叶变换，并代入关系式x′=x/σ，得到：

I~(x′,z)=Σnαn(x′)β0Γ(z-2zn(x′)),,]]>

其中：Γ代表低相干光源（1）功率谱的逆傅里叶变换，即低相干光源（1）的自相关函数；

⑦取的幅度信息得到待测样品（45）的二维层析图；

⑧通过精密平移台对待测样品（45）沿与所述的线状照明光长度方向和该线状照明光的光轴构成的平面垂直的水平方向作一维扫描，重复以上步骤②～⑦得到待测样品（45）的三维层析图。