[发明专利]一种全场光学时空相干编码动态体成像装置及方法

权利要求书

1.一种全场光学时空相干编码动态体成像装置，其特征在于，包括扫频光源(1)、光纤(2)、光阑(3)、准直透镜(4)、全反射棱镜(5)、数字微镜阵列(6)、第一透镜(7)、第二透镜(8)、分光元件(9)、样品臂物镜(10)、参考臂物镜(11)、样品(12)、参考镜(13)、位移平台(14)、管透镜(15)、高速面阵相机(16)、数据采集卡(17)和计算机(18)；

所述扫频光源(1)发出的光经过光纤(2)传输，并由光阑(3)和准直透镜(4)形成平行光束，然后通过全反射透镜(5)入射数字微镜阵列(6)，经数字微镜阵列(6)反射后入射第一透镜(7)和第二透镜(8)形成缩束或扩束的平行光，该平行光由分光元件(9)分成透射光和反射光，其中透射光成像于样品臂显微物镜(10)的后焦面，然后对样品(12)照明，样品光记录样品信息并沿原路返回；反射光入射参考臂，成像于参考臂显微物镜(11)的前焦面，对参考镜(13)照明，参考光沿原路返回；调节位移平台(14)，使得两束返回的光再次经过分光棱镜(9)发生干涉，干涉光经过管透镜(15)成像在高速面阵相机(16)的感光面上；

所述计算机(18)控制数字微镜阵列(6)改变光束的空间结构照明，以调节照明光的空间相干度；低速扫频光源(1)输出光束的同时发出触发信号，通过计算机(18)控制高速面阵相机(16)同步采集一系列干涉光谱信号；干涉光谱信号经过数据采集卡(17)转化为数字信号后，传输至计算机(18)进行处理。

2.根据权利要求1所述的全场光学时空相干编码动态体成像装置，其特征在于，所述扫频光源(1)的波长扫频速度为10²～10⁴nm/s量级范围，扫频速度可调节。

3.根据权利要求1所述的全场光学时空相干编码动态体成像装置，其特征在于，所述传输光纤(2)采用多模光纤或单模光纤；当传输光纤(2)采用单模光纤时，无需使用光阑(3)；当采用多模光纤时，需要使用光阑(3)。

4.根据权利要求1所述的全场光学时空相干编码动态体成像装置，其特征在于，所述准直透镜(4)、全反射棱镜(5)、第一透镜(7)、第二透镜(8)、分光元件(9)、管透镜(15)，均为宽波段消色差透镜。

5.根据权利要求1所述的全场光学时空相干编码动态体成像装置，其特征在于，所述分光元件(9)的分光比，在宽波段范围内为50:50。

6.根据权利要求1所述的全场光学时空相干编码动态体成像装置，其特征在于，所述数字微镜阵列(6)的720p全屏刷新率为100Hz及以上。

7.根据权利要求1所述的全场光学时空相干编码动态体成像装置，其特征在于，所述数字微镜阵列(6)的光学开关阵列可编辑，既能够形成结构光也能够形成均匀照明。

8.根据权利要求1所述的全场光学时空相干编码动态体成像装置，其特征在于，所述高速面阵相机(16)的帧频为100Hz及以上。

9.根据权利要求1所述的全场光学时空相干编码动态体成像装置，其特征在于，所述扫频光源(1)的波长扫频速度和高速面阵相机(16)的帧频相匹配。

10.一种全场光学时空相干编码动态体成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、启动系统，设置参数；

步骤2、扫频光源(1)开始工作，操作位移平台(14)调节样品光与参考光之间的光程差，使高速面阵相机(16)的软件实时显示窗口中出现明暗对比最强烈和最稀疏的干涉条纹，成像区域为(x_i,y_i)，i＝1、…a，j＝1、…b，其中a、b为视场像素数；

步骤3、通过计算机(18)控制数字微镜阵列(6)同步形成正面空间照明结构I_ill(x_i,y_i)，利用I_ill(x_i,y_i)照明结构实现抑制串扰和增强横向分辨率；

步骤4、通过计算机(18)控制高速面阵相机(16)同步采集关于波数k的一系列干涉光谱信号其中N为轴向关于波数k的采样点数；

步骤5、对成像区域内每一点(x_i,y_i)，由N个采样数据构成的光谱信号I_{ill_n}(x_i,y_i,k)进行预处理，包括光谱整形、重采样、光谱标定，以及色散补偿处理，得到光谱信号I_{ill_n}′(x_i,y_i,κ)；

步骤6、对光谱信号I_{ill_n}′(x_i,y_i,k)进行关于波数k的逆傅里叶变换，取其正半共轭像，得到由正面照明光内每一点(x_i,y_i)对应的深度z空间信息构成的三维体数据

步骤7、对振幅A(x_i,y_i,z_N/2)取对数，获得样品(12)的二维或三维结构图像；

步骤8、对扫频光源(1)发出的单次扫频光谱S(λ)进行波段分割，获得p段子光谱S(k_p)＝S(k)×w(λ_p),w为中心波长λ_p对应的窗口，对子光谱信号进行步骤5和6的运算，获得对应结构图I_p(x_i,y_i,z_N/2)；连续对扫频光谱序列进行上述运算处理，在t_m时间，m＝1、...M，其中M为扫频光源(1)的扫频数，将I_p(x_i,y_i,z_N/2,t_m)作为时间序列，对其进行傅里叶频谱运算处理，获得到样品(12)的动态对比图。