CN117347317B - 用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光谱仪技术领域，尤其涉及一种用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪及其应用，用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪包括：准直组件、透射式衍射光栅、平面反射镜、聚焦组件和线扫相机；光纤头出射干涉光经过准直组件准直，得到准直的干涉光；光轴经过透射式衍射光栅发生转折，通过透射式衍射光栅对准直的干涉光衍射实现分光；分光后的干涉光经由平面反射镜反射转向；反射后的干涉光经由聚焦组件聚焦发散，最终不同波长的光束聚焦在线扫相机感光面上的不同位置处。本发明提供的一种用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪，操作步骤简单，提高了检测时间和检测效率，能够满足工业质检的检测需求。

Description

用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪及其应用

技术领域

本发明涉及光谱仪技术领域，尤其涉及一种用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪及其应用。

背景技术

近年来，随着光学检测技术的不断发展与工业质检领域对缺陷检测效率的不断提高，传统光学成像系统已不能满足工业质检领域日益提高的检测需求；究其原因，传统光学成像系统仅能识别被测样品表面的缺陷，并对其进行二维成像，而无法得到被测样品内部的缺陷及轮廓，且使用传统工业线扫相机加光源的质检方式复现性较差，对缺陷的检测需要依赖光源的选择及打光角度，且现场工程师的调试经验也会对最终的成像效果带来影响，检测误差大。

光学相干层析成像技术（Optical Coherence Tomography，OCT）作为一种非接触、无损伤的新型3D层析成像技术，现在广泛应用于各种临床，如眼科，皮肤病学，胃肠病学等，基本原理与超声波类似，即通过测量被测样品在不同深度反射或散射光的振幅和时间差，以此来得到被测样品的深度信息。而其中光谱仪作为整个OCT技术的核心模块，其功能在于采集由测量臂和参考臂所返回相干光的干涉光谱信号，再通过快速傅里叶逆变换、波数线性插值、色散补偿等后续算法处理，即可还原被测样品的3D图像。

谱域光学相干层析成像(Spectral domain OCT， SD-OCT)技术是第二代OCT技术，它由宽带光源照明的迈克尔逊干涉仪和光谱仪组成，参考臂固定不动从而无需对样品进行轴向扫描，直接测量干涉信号的光谱，对所测的光谱进行快速傅里叶逆变换得到样品不同纵向深度的信息，相比第一代时域OCT技术,在成像速度、信噪比和灵敏度等方面具有明显优势，但是现有SD-OCT中光谱仪所选择的光源带宽较宽，且中心波长多集中在近红外波段或红外波段,这样的设计虽可以使SD-OCT达到很高的纵向分辨率，但是局限性在于其对应的检测深度较小，对于在工业质检领域中一些厚度较大的样品来说，采用SD-OCT检测时，其在深度方向上单次无法完全穿透被测样品，需对被测样品进行翻转，以此来对其上下表面分别检测，操作步骤繁琐，从而导致检测时间长，检测效率较低，无法充分满足工业质检的检测需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有SD-OCT中光谱仪无法满足工业质检的检测需求的技术问题，本发明提供一种用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪，操作步骤简单，提高了检测时间和检测效率，能够满足工业质检的检测需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪，包括：

准直组件，所述准直组件的物方焦点与光纤跳线的光纤头重合，其光轴与光纤头出射干涉光的主光线重合，光纤头出射干涉光经过所述准直组件准直，得到准直的干涉光；

透射式衍射光栅，光轴经过所述透射式衍射光栅发生转折，通过透射式衍射光栅对准直的干涉光进行衍射实现分光，不同的波长的光束对应于不同的衍射角度；

平面反射镜，设定水平基准面为Q，所述平面反射镜的反射面与所述水平基准面形成夹角θ，分光后的干涉光经由平面反射镜反射转向；

聚焦组件，所述聚焦组件的光轴与所述平面反射镜反射的主波长光束的主光线重合，反射后的干涉光经由聚焦组件聚焦发散；

以及线扫相机，所述线扫相机的感光面垂直于所述聚焦组件的光轴，放置在所述聚焦组件的后焦平面上，所述不同波长的光束经聚焦组件聚焦在所述线扫相机感光面上的不同位置处；

其中，所述聚焦组件包括依次同轴设置的第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及发散透镜，反射后的干涉光经由所述第一聚焦透镜和所述第二聚焦透镜聚焦，再经发散透镜在竖直方向进行发散。

进一步，具体地，还包括宽带光源、光纤耦合器和偏置控制器，所述光纤跳线与所述宽带光源连接，所述宽带光源用于提供光源，光源发出的光在光纤耦合器内干涉形成干涉光，经光纤跳线的光纤头出射干涉光，所述偏置控制器用以调节干涉光出射的偏振态。

进一步，具体地，所述准直组件由两个相对设置的双胶合透镜组成，每个所述双胶合透镜的表面镀有具有所述宽带光源波段的增透膜。

进一步，具体地，所述平面反射镜安装在光学调整架上，通过调节所述光学调整架改变所述夹角θ的大小。

进一步，具体地，所述第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及发散透镜的透镜表面均镀有具有所述宽带光源波段的增透膜。

进一步，具体地，所述光纤头的出射面与所述双胶合透镜的前表面之间的距离为85-100mm，所述双胶合透镜的后表面与所述透射式衍射光栅之间的距离为50-70mm。

进一步，具体地，所述平面反射镜与所述第一聚焦透镜之间的距离为35mm-50mm，所述第一聚焦透镜与所述第二聚焦透镜之间的距离范围为130-155mm，所述第二聚焦透镜与所述发散透镜之间的距离范围为110-130mm，所述发散透镜和所述感光面之间的距离为10-15mm。

进一步，具体地，所述平面反射镜的反射面上镀有具有所述宽带光源波段的高反膜。

进一步，具体地，所述宽带光源采用中心波长范围接近红外波段、且半高全宽小的超辐射发光二极管。

一种频域光学相干层析成像系统的应用，包括：光谱仪，所述光谱仪为如上所述的用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪在有限降低纵向分辨率的前提下，保证系统边缘波长在感光面上的间距不变，通过改善光谱仪的分辨率，从而增加OCT系统的探测深度，相对于现有技术，本发明操作步骤简单，提高了检测时间和检测效率，能够满足工业质检的检测需求；

（2）通过准直透镜对光束准直，准直后的光束直径满足系统像素匹配的条件，最后通过聚焦组件聚焦到感光面处的光束艾里斑半径小于所选相机的像元尺寸，能够获得系统最大的衍射圈入能量分布。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明提供的结构示意图。

图2是本发明提供的Huygens PSF Cross Section图。

图3是本发明提供的中心波长840nm聚焦光斑的均方根斑点尺寸图。

图4是本发明提供的边缘波长825nm聚焦光斑的均方根斑点尺寸图。

图5是本发明提供的边缘波长855nm聚焦光斑的均方根斑点尺寸图。

图6是本发明提供的中心波长840nm衍射能量分布图。

图7是本发明提供的边缘波长825nm衍射能量分布图。

图8是本发明提供的边缘波长855nm衍射能量分布图。

图中1、准直组件；2、透射式衍射光栅；3、平面反射镜；4、聚焦组件；5、线扫相机；6、光纤头；41、第一聚焦透镜；42、第二聚焦透镜；43、发散透镜；51、感光面。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本申请实施例提供了一种用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪，如图1所示，包括：

准直组件1，准直组件1的物方焦点与光纤跳线的光纤头6重合，其光轴与光纤头6出射干涉光的主光线重合，光纤头6出射干涉光经过准直组件1准直，得到准直的干涉光；

透射式衍射光栅2，光轴经过透射式衍射光栅2发生转折，通过透射式衍射光栅2对准直的干涉光进行衍射实现分光，不同的波长的光束对应于不同的衍射角度；

平面反射镜3，设定水平基准面为Q，平面反射镜3的反射面与水平基准面形成夹角θ，分光后的干涉光经由平面反射镜3反射转向；

聚焦组件4，聚焦组件4的光轴与平面反射镜3反射的主波长光束的主光线重合，反射后的干涉光经由聚焦组件4聚焦发散；

以及线扫相机5，线扫相机5的感光面51垂直于聚焦组件4的光轴，放置在聚焦组件4的后焦平面上，不同波长的光束经聚焦组件4聚焦在线扫相机5感光面上的不同位置处，使得不同波长的光束被线扫相机5所采集。

在本实施例中，还包括宽带光源、光纤耦合器和偏置控制器，光纤跳线与宽带光源连接，宽带光源用于提供光源，光源发出的光在光纤耦合器内干涉形成干涉光谱信号，经光纤跳线的光纤头6出射干涉光；偏置控制器固定放置于干涉仪模块的参考臂中，使单模光纤穿过偏振控制器，通过转动偏振控制器的旋钮来对光纤施加外力，挤压光纤从而产生应力双折射，用以调节单模光纤中干涉光出射的偏振态。

进一步的，宽带光源采用中心波长范围接近红外波段、且半高全宽小的超辐射发光二极管。超辐射发光二极管提供光源通过分束器或光纤耦合器分成两束，一束进入样品臂，通过振镜偏转后入射到扫描透镜，经扫描透镜聚焦到被测样品的表面，耦合了样品深度信息后的向散射光按原光路返回与另一路参考臂反射回的光进行干涉，形成干涉光，其中，干涉光耦合有样品深度信息。

在本实施例中，准直组件1为双胶合透镜，双胶合透镜的表面镀有具有宽带光源波段的增透膜，设置的增透膜通过增加透射、增强对比度及消除鬼影，从而大幅改善光学效率，且能够减小系统的插入损耗，增强线扫相机5接收光强度。光纤头6的出射面与双胶合透镜的前表面之间的距离为85-100mm。需要说明的是，准直光束的直径直接影响光谱仪模块中聚焦光束的艾里斑大小，双胶合透镜的焦距为100mm，使得设计的艾里斑大小与所选线扫相机5的像元尺寸相匹配。

在本实施中，选择高线对数的透射式衍射光栅2作为光谱仪核心分光元件，不同的波长对应于不同的衍射角度，经过透射式衍射光栅2后中心波长衍射光的一级衍射角入射到透射式衍射光栅2表面的角度等于入射至透射式衍射光栅2表面干涉光束的入射角，且满足光栅方程。光栅方程如下所示：

其中，为入射光与透射式衍射法线之间的夹角(入射角)，为衍射光与透射式衍射法线之间的夹角(反射角)，N为光栅本身的线对数，m对应衍射级次，为波长。

准直组件1与透射式衍射光栅2之间的距离为50-70mm。透射式衍射光栅表面每毫米内的线对数N为1800 lp/mm，但不仅限如此，线对数越高，相同波长下透过衍射光栅后的衍射角越大,则使用同一聚焦组件时，边缘波长所对应的聚焦光束在感光面处的Y向间距越大，则光谱仪的分辨率越高。

在本实施例中，透射式衍射光栅2与平面反射镜3之间的距离为50-65mm。平面反射镜3安装在光学调整架上，通过调节光学调整架改变夹角θ的大小，使反射后的干涉光经聚焦组件4能够聚焦到感光面51的中心位置。平面反射镜3的反射面上镀有具有宽带光源波段的高反膜，用以增加衍射后不同波长的光束在介质间界面反射、减少损耗。

在本实施例中，聚焦组件4包括依次同轴设置的第一聚焦透镜41、第二聚焦透镜42以及发散透镜43，反射后的干涉光经由第一聚焦透镜41和第二聚焦透镜42聚焦再经发散透镜43在竖直方向进行发散。第一聚焦透镜41、第二聚焦透镜42以及发散透镜43的透镜表面均镀有具有宽带光源波段的增透膜，增加光束的透过率，减少表面反射，以此来增加光强，减小系统损耗。平面反射镜3与第一聚焦透镜41之间的距离为35mm-50mm，第一聚焦透镜41和第二聚焦透镜42之间的距离为130-155mm，第二聚焦透镜42以及发散透镜43之间的距离为110-130mm，发散透镜43与感光面51之间的距离为10-15mm，使得不同波长的光束在到达感光面51处的RMS值最小。

进一步的，第一聚焦透镜41和第二聚焦透镜42均为平凸透镜，用以分散光焦度，减小光学系统成像像差，发散透镜43为平凹透镜，矫正光学系统成像的场曲。第一聚焦透镜41、第二聚焦透镜42以及发散透镜43在检测时共同作用，既可保证所有光束最终聚焦到线扫相机5的感光面51处，又可使不同波长对应的聚焦光斑在平行于感光面51的水平方向上尽量分开，进而增大边缘波长聚焦光斑在感光面51上的间距，提高了光谱仪的分辨率，从而提升整个系统的探测深度。

在本实施例中，线扫相机5经由加工件固定在定制的光谱仪底板上，且加工件可绕X轴垂直纸面方向旋转一定的倾角，在系统装配调试时，通过微调加工件倾角的大小，可进一步优化不同波长的光束在达到感光面51时的聚焦效果。线扫相机5优选高速线扫相机5，其对应的最大线扫速度大于200KHz，高速的线扫速度保证了系统的成像速率，相对较大的像素尺寸，提高了光学系统的调整空间。

由于SD-OCT的纵向分辨率只取决于光源的中心波长和半高全宽，纵向分辨率的计算公式为：

其中，为系统的中心波长，为光源的半高全宽，在一具体实施方式中，中心波长为840nm±5nm，半高全宽22-24nm，得到纵向分辨率在13-14µm之间，可以满足目前工业质检绝大多数的检测场景。

实施例2

本申请实施例还提供了一种频域光学相干层析成像系统的应用，包括：光谱仪，光谱仪为如上的用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪。

测试说明，成像深度是评价OCT技术性能的重要指标之一。对于SD-OCT技术其成像深度主要取决于光学系统的中心波长及光谱仪的分辨率。进一步地，光谱仪的分辨率则与光束聚焦后的艾里斑大小及聚焦光斑照亮相机感光面51处的总宽度有关。

以光纤头6的出射面与双胶合透镜的前表面之间的距离为94mm，准直组件1与透射式衍射光栅2之间的距离为60mm，透射式衍射光栅2与平面反射镜3之间的距离为58mm，平面反射镜3与第一聚焦透镜41之间的距离为41mm，第一聚焦透镜41和第二聚焦透镜42之间的距离为149mm，第二聚焦透镜42以及发散透镜43之间的距离为118mm，发散透镜43与感光面51之间的距离为12mm为例，得到中心波长840nm对应光束在线扫相机5感光面51处的艾里斑大小为9.145µm，小于线扫相机5本身的像元尺寸，根据瑞利判据可知，若两个点源之间的距离不小于艾里斑半径，则可以区分出两个点源的图像，本系统中不同波长的艾里斑大小均满足这一要求，具体RMS效果如图4-6所示。

此外，线扫相机5感光面51上两边缘波长之间的宽度为20.48mm，则在本实施例中，线扫相机的感光面被完全照亮，2048个像元均用来接收聚焦后的光谱信号，结合选择光源的带宽，光谱仪的光谱采样率为14.64pm，即

其中，为光学系统的光谱带宽30nm，N为线扫相机用来接收聚焦后的光谱信号的像元总数2048。

进一步的，采用Zemax光学设计软件对该光路进行仿真模拟，验证本发明的可行性和有效性，将光学系统的波长重新设置，使得它们之间的间距为14.64pm，得到的HuygensPSF Cross Section图，如图2所示，两个波长的点扩散函数PSF彼此接近，但它们仍可分别出两个峰。

参见图3-图5所示，为频域光学相干层析成像系统中心波长和边缘波长所对应的聚焦光斑的均方根斑点尺寸图，从图中可以看到，各个波长下的RMS值均小于系统的艾里斑半径，且系统的艾里斑半径也均小于所选相机的像元尺寸，可见，不同波长的光斑均处于相机的像元尺寸内，能够获得最大强度的干涉光谱信号。

参见图6-图8所示，为频域光学相干层析成像系统中心波长和边缘波长所对应的衍射能量分布图，从质心到边缘10µm的距离内（与像元尺寸10µm相匹配），不同波长的圈入能量也几乎接近系统的衍射极限，能够满足设计要求。

进一步的，基于光谱仪的分辨率后，计算实施例二的成像深度，计算公式为：

其中，n是介质的折射率。

光谱仪的SD-OCT技术所能达到的最大成像深度可达10mm量级。

综上，在纵向分辨率牺牲较小的情况下，增加了光学系统的成像深度，在工业质检领域能够满足更多的应用场景。

本发明的用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪在有限降低纵向分辨率的前提下，通过改善光谱仪的分辨率，从而增加OCT系统的探测深度，相对于现有技术，本发明操作步骤简单，提高了检测时间和检测效率，能够满足工业质检的检测需求；通过准直透镜对光束准直，准直后的光束直径满足系统像素匹配的条件，最后通过聚焦组件聚焦到感光面51处的光束艾里斑半径小于所选相机的像元尺寸，能够获得系统最大的衍射圈入能量分布，使聚焦光斑的能量尽可能集中在固定大小的像元尺寸内，能够减小系统噪声串扰，增加图像灵敏度，提升系统性能。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪，其特征在于，包括：

宽带光源，用于提供光源，与光纤跳线连接；

光纤耦合器，所述宽带光源发出的光在所述光纤耦合器内干涉形成干涉光，再经所述光纤跳线的光纤头（6）出射干涉光；

偏置控制器，用以调节干涉光出射的偏振态；

准直组件（1），所述准直组件（1）的物方焦点与光纤跳线的光纤头（6）重合，其光轴与光纤头（6）出射干涉光的主光线重合，光纤头（6）出射干涉光经过所述准直组件（1）准直，得到准直的干涉光；

透射式衍射光栅（2），光轴经过所述透射式衍射光栅（2）发生转折，通过透射式衍射光栅（2）对准直的干涉光进行衍射实现分光，不同波长的光束对应于不同的衍射角度；

平面反射镜（3），设定水平基准面为Q，所述平面反射镜（3）的反射面与所述水平基准面形成夹角θ，分光后的干涉光经由平面反射镜（3）反射转向；

聚焦组件（4），所述聚焦组件（4）的光轴与所述平面反射镜（3）反射的主波长光束的主光线重合，反射后的干涉光经由聚焦组件（4）聚焦发散；

以及线扫相机（5），所述线扫相机（5）的感光面（51）垂直于所述聚焦组件（4）的光轴，放置在所述聚焦组件（4）的后焦平面上，所述不同波长的光束经聚焦组件（4）聚焦在所述线扫相机（5）感光面上的不同位置处；

其中，所述宽带光源采用中心波长范围接近红外波段、且半高全宽小的超辐射发光二极管；

所述聚焦组件（4）包括依次同轴设置的第一聚焦透镜（41）、第二聚焦透镜（42）以及发散透镜（43），第一聚焦透镜（41）和第二聚焦透镜（42）为平凸透镜，发散透镜（43）为平凹透镜，反射后的干涉光经由所述第一聚焦透镜（41）和所述第二聚焦透镜（42）聚焦，再经发散透镜（43）在竖直方向进行发散；

所述平面反射镜（3）与所述第一聚焦透镜（41）之间的距离为35mm-50mm，所述第一聚焦透镜（41）与所述第二聚焦透镜（42）之间的距离范围为130-155mm，所述第二聚焦透镜（42）与所述发散透镜（43）之间的距离范围为110-130mm，所述发散透镜（43）和所述感光面（51）之间的距离为10-15mm。

2.如权利要求1所述的用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪，其特征在于，所述准直组件（1）为双胶合透镜，所述双胶合透镜的表面镀有具有所述宽带光源波段的增透膜。

3.如权利要求1所述的用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪，其特征在于，所述平面反射镜（3）安装在光学调整架上，通过调节所述光学调整架改变所述夹角θ的大小。

4.如权利要求1所述的用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪，其特征在于，所述第一聚焦透镜（41）、第二聚焦透镜（42）以及发散透镜（43）的透镜表面均镀有具有所述宽带光源波段的增透膜。

5.如权利要求2所述的用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪，其特征在于，所述光纤头（6）的出射面与所述双胶合透镜的前表面之间的距离为85-100mm，所述双胶合透镜的后表面与所述透射式衍射光栅（2）之间的距离为50-70mm。

6.如权利要求3所述的用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪，其特征在于，所述平面反射镜（3）的反射面上镀有具有所述宽带光源波段的高反膜。

7.一种频域光学相干层析成像系统的应用，其特征在于，包括：光谱仪，所述光谱仪为如权利要求1至6中任一项所述的用于频域光学相干层析成像系统的大深度光谱仪。