[发明专利]单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置及方法

权利要求书

1.一种单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置，其特征在于，包括光源(1)、前置聚光镜(2)、孔径光阑(3)、视场光阑(4)、照明会聚透镜(5)、分光棱镜(6)、中性滤波片(7)、四分之一波片(8)、线偏振片(9)、参考臂显微物镜(10)、参考镜(11)、参考臂电控位移平台(12)、样品臂反射镜(13)、色散补偿玻璃板(14)、样品臂显微物镜(15)、样品(16)、样品臂电控位移平台(17)、偏振分光镜(18)、第一会聚透镜(19)、第二会聚透镜(20)、第一面阵CCD(21)、第二面阵CCD(22)、FPGA(23)、计算机(24)、参考臂电动位移平台控制器(25)、样品臂电动位移平台控制器(26)、第一CCD控制器(27)、第二CCD控制器(28)；

所述光源(1)、前置聚光镜(2)、孔径光阑(3)、视场光阑(4)、照明会聚透镜(5)、分光棱镜(6)构成科勒照明系统，中性滤波片(7)、四分之一波片(8)、线偏振片(9)、参考臂显微物镜(10)、参考镜(11)构成参考臂，样品臂反射镜(13)、色散补偿玻璃板(14)、样品臂显微物镜(15)、样品(16)、样品臂电控位移平台(17)构成样品臂；参考臂显微物镜(10)设置于分光棱镜(6)的反射出射面，样品臂反射镜(13)设置于分光棱镜(6)的透射出射面；参考镜(11)设置于参考臂电控位移平台(12)上，样品(16)设置于样品臂电控位移平台(17)上，第一会聚透镜(19)设置于偏振分光镜(18)的透射出射面，第二会聚透镜(20)设置于偏振分光镜(18)的反射出射面，第一面阵CCD(21)设置于第一会聚透镜(19)的焦面上，第二面阵CCD(22)设置于第二会聚透镜(20)的焦面上；第一面阵CCD(21)和第二面阵CCD(22)的信号由FPGA(23)同步，并接入计算机(24)，FPGA(23)发出的信号分别接入参考臂电动位移平台控制器(25)、样品臂电动位移平台控制器(26)、第一CCD控制器(27)、第二CCD控制器(28)，参考臂电动位移平台控制器(25)接入参考臂电控位移平台(12)，样品臂电动位移平台控制器(26)接入样品臂电控位移平台(17)；

所述光源(1)发出的光经过前置聚光镜(2)会聚到孔径光阑(3)上，然后通过视场光阑(4)、照明会聚透镜(5)入射至分光棱镜(6)，分光棱镜(6)产生反射光和透射光，其中反射光入射参考臂，成像于参考臂显微物镜(10)的前焦面，返回的参考光沿原路返回并通过线偏振片(9)、四分之一波片(8)，得到参考圆偏振参考光；透射光经过样品臂反射镜(13)成像于样品臂显微物镜(15)的后焦面，样品光记录样品信息的自然后向散射光也沿原路返回；通过视场光阑(4)调节参考臂显微物镜(10)、样品臂显微物镜(15)后焦面上的照明视场大小；两束返回的光经过偏振分光镜(18)发生干涉，分别从偏振分光镜(18)出射，相位相差π/2的干涉光分别经第一会聚透镜(19)、第二会聚透镜(20)成像至第一面阵CCD(21)、第二面阵CCD(22)。

2.根据权利要求1所述的单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置，其特征在于，参考臂中四分之一波片(8)快轴与水平方向成45°或135°。

3.根据权利要求1所述的单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置，其特征在于，所述的光源(1)为超辐射二极管、超辐射发光二极管、卤钨灯或超连续谱光源。

4.根据权利要求1所述的单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置，其特征在于，所述的参考镜(11)为反射镜、K9玻璃或者YAG晶体。

5.根据权利要求1所述的单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置，其特征在于，所述FPGA(23)包括分频电路(29)、累加寄存器(30)、波形存储器(31)、脉冲产生电路(32)、数模转换电路(33)、低通滤波器(34)，FPGA(23)利用直接数字频率合成器电路原理发出同步信号：一路方波信号输入至参考臂电动位移平台控制器(25)和样品臂电动位移平台控制器(26)，由参考臂电控位移平台(12)和样品臂电控位移平台(17)带着参考镜(11)和样品进行扫描；另一路TTL信号输入至第一CCD控制器(27)、第二CCD控制器(28)，开启第一面阵CCD(21)、第二面阵CCD(22)的感光元件，配合调制方式实现自动化采集。

6.一种基于权利要求1所述单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置的单次采集无色散移相全场光学相干层析成像方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，光源(1)发出的光束经过科勒照明系统，被非偏振敏感分光棱镜(6)分成两束完全一样的光束，从分光棱镜(6)反射面出射的光束进入参考臂，从分光棱镜(6)的透射面出射的光束进入样品臂；

步骤2，进入参考臂的光束经过中性滤波片(7)进行衰减，接着顺次经过四分之一波片(8)、线偏振片(9)，入射至参考臂显微物镜(10)的后焦平面上，在参考镜(11)处获取均匀光，接着该均匀光束沿原路返回，参考臂返回的光是圆偏振光；

步骤3，进入样品臂的光束顺次经过样品臂反射镜(13)转折光路、色散补偿玻璃板(14)补偿系统色散，然后入射至样品臂显微物镜(15)的后焦面上，样品(16)获得均匀光照，样品光记录样品信息的自然后向散射光也沿原路返回；

步骤4，两束返回的光经过偏振分光镜(18)发生干涉，分别从偏振分光镜(18)出射，其中一组为圆偏振光的水平分量与样品光的干涉，另一组为圆偏振光的垂直分量与样品光的干涉，两者相位差相差π/2，相位相差π/2的干涉光分别经第一会聚透镜(19)、第二会聚透镜(20)成像至第一面阵CCD(21)、第二面阵CCD(22)，通过解调得到层析图；

步骤2所述进入参考臂的光束经过中性滤波片(7)进行衰减，接着顺次经过四分之一波片(8)、线偏振片(9)，入射至参考臂显微物镜(10)的后焦平面上，在参考镜(11)处获取均匀光，接着该均匀光束沿原路返回，参考臂返回的光是圆偏振光，具体如下：

经过四分之一波片(8)和线偏振片(9)的光束偏振态采用琼斯矩阵计算，快轴方向与X轴成45°的四分之一波片琼斯矩阵表示为J_AQWP：

其中，i表示虚数；

参考镜(11)不携带任何偏振信息，故返回的参考光经过线偏振片(9)后表示为E表示振幅，θ＝0表示光矢量与X轴的夹角，E_in入射至参考臂显微物镜(10)的后焦平面上，在参考镜(11)处获取均匀光，接着该均匀光束沿原路返回，参考臂到达偏振分光镜(18)之前的参考光束表示为E_out：

步骤4所述相位相差π/2的干涉光分别经第一会聚透镜(19)、第二会聚透镜(20)成像至第一面阵CCD(21)、第二面阵CCD(22)，第一面阵CCD(21)、第二面阵CCD(22)接收的干涉信号I_A(x,y)和I_B(x,y)表示为：

其中，I_sam(x,y)和I_ref(x,y)分别表示相干平面处的直流信号，相干信号为I_inc(x,y)，表示初始相位，a为光强因子；

两正交干涉信号相减后得到S₁(x,y)，即S₁(x,y)≡I_A(x,y)-I_B(x,y)，简化后表示为：

其中最终得到：

通过希尔伯特变换，sin(·)函数变换成cos(·)函数，得到S₂(x,y)：

最终，一幅层析图的实际信号A(x,y)表示为：