頻域低相干光干涉的折射率三維重建系統(tǒng)

周紅仙， 張潞英， 王 毅,1b

(1. 東北大學(xué) 秦皇島分校 a. 實(shí)驗(yàn)教育中心; b. 控制工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004;2. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 理學(xué)院， 廣東 佛山 528000)

頻域低相干光干涉的折射率三維重建系統(tǒng)

周紅仙1a， 張潞英2， 王 毅2,1b

(1. 東北大學(xué) 秦皇島分校 a. 實(shí)驗(yàn)教育中心; b. 控制工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004;2. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 理學(xué)院， 廣東 佛山 528000)

結(jié)合頻域低相干光干涉及計(jì)算機(jī)斷層重建技術(shù)，建立了光學(xué)折射率三維重建系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括寬帶光源、光纖邁克爾遜干涉儀、光譜儀。由光譜儀采集探測(cè)光和參考光的干涉光譜，經(jīng)傅里葉變換計(jì)算樣品折射率的直線投影，利用濾波反投影算法進(jìn)行折射率重建，得到樣品的三維折射率分布。用塑料管對(duì)本方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)適合于對(duì)折射率均勻和非均勻的樣品進(jìn)行三維成像，該系統(tǒng)能檢測(cè)到的折射率靈敏度約為0.01。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)適合于作為本科生綜合設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

折射率； 三維成像； 低相干光干涉； 濾波反投影

0 引 言

折射率是表征光學(xué)介質(zhì)特性的基本參量之一，折射率的測(cè)量具有重要的意義；且密度、濃度、溫度、應(yīng)力等物理量的變化均會(huì)引起折射率的相應(yīng)變化，通過測(cè)定折射率的變化，可以確定這些相關(guān)物理量，因此，在生物、醫(yī)學(xué)、食品、環(huán)境科學(xué)、石油化工等領(lǐng)域，對(duì)折射率的檢測(cè)具有重要的意義及應(yīng)用價(jià)值，如通過測(cè)量液體折射率進(jìn)行純度鑒別、濃度的定量分析等[1-4]。目前測(cè)量物質(zhì)折射率的方法很多，一般分為兩類：一類是通過幾何光學(xué)的方法，以折射和反射定律為理論基礎(chǔ)，通過測(cè)量光通過材料時(shí)的偏折角度確定材料的折射率；另一類是波動(dòng)光學(xué)方法，主要利用介質(zhì)對(duì)透射光相位的影響測(cè)定折射率，具有代表性的測(cè)量方法有最小偏向角法、掠入射法、布儒斯特角法、干涉法等，這些方法只適合于折射率均勻的樣品[5-9]，不能用于折射率非均勻樣品。

近幾年，結(jié)合低相干光干涉技術(shù)及計(jì)算機(jī)三維重建技術(shù)，發(fā)展了多種折射率三維重建方法，用于非均勻介質(zhì)的折射率三維重建，如用數(shù)字全息顯微鏡法對(duì)細(xì)胞折射率層析成像[10]，用OCT的雙焦光學(xué)相干折射測(cè)量法對(duì)渾濁介質(zhì)成像[11]，用反射和透射OCT重建折射率的空間分布[12-14]，折射率三維重建已經(jīng)成為一種新的成像方法。

本文介紹一種基于頻域低相干光干涉的折射率三維重建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由寬帶光源、光纖邁克爾遜干涉儀、自制光柵光譜儀組成，由光譜儀采集穿過樣品的前向散射光和參考光的干涉光譜，經(jīng)傅里葉變換計(jì)算樣品折射率的投影，利用濾波反投影算法進(jìn)行折射率重建，得到樣品的三維折射率分布，用LabVIEW和Matlab進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制及折射率重建，該系統(tǒng)適合于對(duì)折射率均勻和非均勻的樣品進(jìn)行三維成像。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文建立的基于頻域低相干光干涉的折射率三維重建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由寬帶光源、光纖邁克爾遜干涉儀、自制光柵光譜儀組成。寬帶光源為超輻射發(fā)光二極管(SLD)，中心波長(zhǎng)為840 nm，帶寬為62 nm，寬帶光源發(fā)出的光耦合進(jìn)入光纖，經(jīng)過隔離器進(jìn)入耦合器，從耦合器出來后分成探測(cè)光和參考光，參考光經(jīng)過準(zhǔn)直器L5形成平行光，經(jīng)透鏡L6會(huì)聚于反射鏡M表面；探測(cè)光經(jīng)過準(zhǔn)直器L3形成平行光，經(jīng)透鏡L4匯聚，匯聚的探測(cè)光經(jīng)過透鏡L2形成平行光，再經(jīng)過透鏡L1進(jìn)入光纖，透鏡L2和L4形成的焦點(diǎn)作為成像區(qū)域，選擇合適的透鏡L2和L4在焦點(diǎn)處形成較大景深，當(dāng)穿過樣品的光的錐角比較小時(shí)，光錐近似為平行直線，和光學(xué)投影層析的原理類似[15],如圖2所示。參考臂反射的光和透過樣品的光由耦合器C2進(jìn)入自制的光柵光譜儀，如圖1中點(diǎn)線框所示，由線陣相機(jī)記錄探測(cè)光和參考光的干涉光譜，并由此計(jì)算樣品的折射率投影值，用一個(gè)一維電動(dòng)平移臺(tái)移動(dòng)樣品(見圖2中x方向)，得到樣品折射率的平行直線投影。

SLD-超輻射二極管光源，IS-隔離器，C1、C2-耦合器，L1～L8-透鏡，M-反射鏡，W-水，ST-平移-旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，T-水槽，G-光柵，LC-線陣相機(jī)

圖1 折射率三維重建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 當(dāng)穿過樣品的光錐角比較小時(shí)(a)，聚焦的光錐近似為平行直線投影(b)

為了采集樣品不同方向的投影，用一個(gè)一維電動(dòng)平移臺(tái)和一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)樣品平移和轉(zhuǎn)動(dòng)。首先選定樣品的一個(gè)橫截面(和z方向垂直，z方向?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸方向)，用電動(dòng)平移臺(tái)沿x方向以一定步距平移樣品，在每個(gè)平移位置采集干涉光譜，得到折射率平行投影，以1.8°的步距使樣品轉(zhuǎn)過360°，在每一角度，重復(fù)樣品平移及采集過程，得到樣品不同方向的平行投影數(shù)據(jù)。

2 重建方法

(1)

式中:nw表示水的折射率。積分沿探測(cè)光的方向進(jìn)行。

圖3(a)中曲線1和2分別表示未加樣品、加樣品后典型的干涉光譜，其理論表達(dá)式可近似表示為：

(2)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用圖1所示的基于頻域低相干光干涉的折射率三維重建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)一塑料管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。把塑料管嵌入一透明凝膠圓柱體中，置于圖1中平移-旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，塑料管沿步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸方向放置，以20 μm的步距平移樣品，以1.8°的步距使樣品轉(zhuǎn)過360°，由光譜儀采集干涉光譜，經(jīng)傅里葉變換計(jì)算樣品折射率平行投影，共采集到400組平行投影數(shù)據(jù)，用Matlab的iradon()函數(shù)進(jìn)行重建，選取Shepp-Logan濾波器及線性插值。由于塑料管的各個(gè)橫斷面為形狀近似相同的圓環(huán)，故圖4顯示了其中一個(gè)橫斷面重建結(jié)果。重建結(jié)果和樣品完全吻合,驗(yàn)證了建立的基于頻域低相干光干涉的折射率三維重建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及重建算法的正確性。圖4(b)中,塑料管外的完全透明的凝膠也清晰可見,凝膠由2%瓊脂制成,其折射率約為1.343,而水的折射率為1.33,所以可斷定用該系統(tǒng)測(cè)量樣品折射率時(shí)的精度至少為0.01。

4 結(jié) 語

建立的基于頻域低相干光干涉的折射率三維重建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以對(duì)均勻及非均勻樣品進(jìn)行折射率分布成像，該系統(tǒng)能檢測(cè)到的折射率靈敏度約為0.01。樣品的對(duì)比度及形狀和重建結(jié)果都基本吻合,邊緣清晰。通過對(duì)一塑料管進(jìn)行成像，驗(yàn)證了所建立的基于頻域低相干光干涉的折射率三維重建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及重建算法的正確性。從重建結(jié)果來看,存在較大的偽跡,這是因?yàn)闉榱颂岣邔?shí)驗(yàn)速度,在平移和旋轉(zhuǎn)樣品時(shí),選擇了較大的步長(zhǎng),如果減小步長(zhǎng),同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng),減小探測(cè)光斑的尺寸可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的空間分辨率。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括光學(xué)、圖像重建及計(jì)算機(jī)控制多學(xué)科知識(shí)，該系統(tǒng)可利用實(shí)驗(yàn)室常用設(shè)備建立，用LabVIEW和Matlab進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制及折射率重建，成本較低，設(shè)計(jì)新穎，物理思想清晰，非常適合于作為綜合設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

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Three-dimensional Imaging of Optical Refractive Index by Low-coherence Interferometry in Fourier Frequency Domain

ZHOUHongxian1a，ZHANGLuying2，WANGYi2,1b

(a. Experiment Education Center; b. School of Control Engineering; 1. Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004, Hebei, China; 2. School of Science, Foshan University, Foshan 528000, Guangdong, China)

Optical refractive index (ORI) is one of the most important physical parameters for the description of the characterization of optical material, and measurement of ORI is crucial for research and industrial applications. We demonstrate establish an experimental system for three-dimensional imaging of ORI by combining low-coherence interferometry in frequency domain and computed tomography. The experimental system mainly consists of a broadband light source, an optical fiber Michelson interferometer and a spectrometer. The interference spectra of the detection light and reference light are acquired with the spectrometer, and the parallel projection of optical refractive index is calculated from the acquired interference spectra by Fourier transformation. The three-dimensional distribution of refractive index is reconstructed by the filtered back-projection algorithm. We experimentally demonstrate this system by cross-sectional imaging of a plastic tube. The present system is suitable for three-dimensional imaging of samples with homogeneous and inhomogeneous ORI distributions, and the ORI sensitivity is 0.01. The imaging system is suitable to be used as a synthetic and designing experiment in physical experiment teaching for undergraduates.

optical refractive index; three-dimensional imaging; low-coherence interferometry; filtered back-projection algorithm

2016-06-08

國家自然科學(xué)基金(61275214)； 廣東省自然科學(xué)基金(S2013010012973)； 河北省自然科學(xué)基金(S2013010012973)

周紅仙(1969-)，女，陜西勉縣人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)主要從事光學(xué)成像及檢測(cè)研究。

Tel.: 15233551072； E-mail: 15233551072@163.com

O 436.1

A

1006-7167(2017)05-0061-03