用于工業(yè)材料分析的偏振敏感光相干斷層掃描成像術(shù)

1、用于工業(yè)材料分析的偏振敏感光相干斷層掃描成像術(shù) 摘要 光相干斷層掃描成像（OCT）是針對大多高散射性物質(zhì)的，非接觸式，非侵入型檢查的一種獨(dú)特技術(shù)。在光相干斷層掃描成像中引進(jìn)偏振狀態(tài)分析能對工業(yè)材料進(jìn)行研究觀察。偏振敏感光相干斷層掃描成像（PS-OCT）不僅能檢測到物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還能探測局部光學(xué)各向異性的特點(diǎn)。本文介紹了光相干斷層掃描成像（OCT）的原理及其改進(jìn)裝置：偏振敏感光相干斷層成像（PS-OCT），其中主要介紹了PS-OCT的實(shí)驗(yàn)裝置及其在物質(zhì)內(nèi)層結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用，對透明的和高散射性的物質(zhì)的檢測結(jié)果也有介紹。關(guān)鍵詞：光相干斷層掃描成像（OCT ）； 偏振敏感光相干斷層掃描成像（PS-OC

2、T）； 偏振測定法； 工業(yè)材料檢測 1 引言關(guān)相干斷層掃描成像（OCT）是一種對物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行高效，高敏感性檢測的新的光學(xué)技術(shù)。利用OCT，我們可以對大量生物和工業(yè)材料進(jìn)行非接觸式，非侵入性檢測。如今，OCT廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，特別是眼科學(xué)，皮膚醫(yī)學(xué)，口腔醫(yī)學(xué)，內(nèi)窺鏡檢查學(xué)。但OCT的優(yōu)點(diǎn)使其不僅能應(yīng)用于醫(yī)療方面，還能應(yīng)用于工業(yè)材料檢測。早期關(guān)于OCT的研究主要集中于時(shí)域低相干光干涉測量。隨后，一些新的能在時(shí)域或頻域進(jìn)行干涉信號處理的OCT技術(shù)發(fā)展形成了。依據(jù)這些技術(shù)的應(yīng)用，可以將其分為時(shí)域光相干斷層掃描成像（TD-OCT），多普勒光相干斷層掃描成像（D-OCT），和光譜域方法如傅立葉域光相干斷

3、層掃描成像（FD-OCT）。目前，偏振敏感型（PS-OCT）主要用于檢測材料表下結(jié)構(gòu)的光各向異性的局部差異。對材料各向異性和雙折射的檢測需要用已知偏振狀態(tài)的光來做探針探測另一束光，測量其通過樣品時(shí)狀態(tài)的改變。這種測量方法對透明物質(zhì)來說相對簡單，而對如生物組織，紙，瓷器，防腐層等高度散射的材料，探針的光束需要經(jīng)過多次散射過程，偏振狀態(tài)也多次改變，最終，部分將去極化。這樣，對于高度散射介質(zhì)的雙折射的測量可以用PS-OCT。本文介紹了一種設(shè)計(jì)用來測量高散射性材料的先進(jìn)配置的PS-OCT測量系統(tǒng)。我們的研究集中于將PS-OCT系統(tǒng)應(yīng)用于紅外探測器來對LSFO瓷器類在結(jié)構(gòu)上的局部光各向異性的偏振測量。L

4、SFO瓷器由幾組大小和紋理在加工過程中固定的微晶組成，各微晶具有和晶體相似的規(guī)則結(jié)構(gòu)，并有光各向異性。微晶的大小，紋理和密度大小決定了瓷器樣品的光電和鐵電特征。對于瓷器局部各向異性變化的檢測為我們提供了諸如可用于瓷器質(zhì)量及LSFO瓷器的工業(yè)制造加工過程評估的微晶密度和顆粒大小等重要信息。我們研究組制造的LSFO瓷器的結(jié)構(gòu)，包含直徑520微米的微晶，（已經(jīng)光學(xué)顯微技術(shù)驗(yàn)證），這些微晶的尺寸大小在改進(jìn)的PS-OCT系統(tǒng)的有效檢測范圍之內(nèi)。2 OCT的操作原理21 無偏振的敏感裝置OCT的操作原理是以兩個(gè)短時(shí)相干的光束的干涉為基礎(chǔ)的，這種干涉可以是通過邁克遜或馬赫-曾德耳干涉儀產(chǎn)生。圖1.2是具邁克

5、遜干涉儀的標(biāo)準(zhǔn)OCT系統(tǒng)。寬帶光源發(fā)射的低相干光被分束器分成兩束，一束樣品光穿透樣品，另一束光射到移動(dòng)的鏡子。從樣品反射回來的光與從鏡子反射回來的光疊加干涉。只有當(dāng)干涉儀臂上的光程差不比光源的相干長度大才能檢測到干涉帶。干涉信號可表示為：1，12-14：其中，Id是光干涉信號強(qiáng)度，IDUT是從測量臂上收到的光信號強(qiáng)度，IREF是從參考臂上收到的光信號強(qiáng)度，是光源相干程度，是從測量臂和參考臂收到光束的時(shí)間延遲. 是干涉光束的相差，vo是發(fā)射光的主要頻率。記錄的干涉圖Id包含重要信息，如關(guān)于從樣品反射回來的光強(qiáng)度IDUT和干涉光束間的時(shí)間延遲。延遲的測量可使我們發(fā)現(xiàn)并定位檢測樣品中結(jié)構(gòu)的不均一性。

6、這些結(jié)構(gòu)上的不均一性是背向散射光形成的原因。測量參數(shù)，如OCT的橫向軸和深度的分辨率，很大程度上取決于組成儀器的光學(xué)元件的質(zhì)量和光源參數(shù)。深度的分辨率是以由中心光波長（0），光譜寬度（）和光源的光譜強(qiáng)度分布圖三者決定的光相干長度為基礎(chǔ)的。這種關(guān)系可表示如下12-14：其中，z 是深度測量的精確度，ng是組折射系數(shù), 0是發(fā)射光中心波長, 是發(fā)射光光譜寬度，k是由光源光譜強(qiáng)度分布決定的常數(shù)，k0.44時(shí)是高斯中心分布譜，k1時(shí)光譜是矩形分布。1，30所以，通過利用具高斯分布光譜的寬帶光源能得到最大的縱向分辨率。橫向分辨率由光學(xué)元件集中在DUT上的測量光束的數(shù)值口徑NA決定。提高NA的值可改進(jìn)橫向

7、分辨率，關(guān)系如下表：12-14：其中， x是橫向測量分辨率，0是發(fā)射光中心波長，NA是數(shù)值口徑。 NA決定了測量頭的縱向深度，這限制了縱向值的最大范圍。因此，橫向分辨率是由掃描深度范圍和橫向測量準(zhǔn)確性共同決定的。22 偏振敏感裝置組成 OCT系統(tǒng)的光學(xué)偏振元件（如圖 2 中的：相差盤，偏振分束器）可將基本的OCT轉(zhuǎn)換為偏振敏感型OCT系統(tǒng)。PS-OCT是OCT的一種，它通過分析偏振狀態(tài)從而使OCT的測量能力提高。這種方法可選擇性觀察被測材料的光各向異性的結(jié)構(gòu)。背向散射光的偏振狀態(tài)的變化能告訴我們關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)不均一性的有用信息。而且，偏振狀態(tài)分析提高了測量能力，提高了測量準(zhǔn)確性，減小了被測結(jié)構(gòu)的

8、視覺誤差。Fig.2中是標(biāo)準(zhǔn)PS-OCT系統(tǒng)裝置。PS-OCT系統(tǒng)采用了偏光器P和一個(gè)相差盤，它在參考臂和測量臂上同時(shí)引進(jìn)了環(huán)行的偏振狀態(tài)的光，及偏振分集檢測（檢測器1和檢測器2）。這種方法使我們通過分析收到信號的數(shù)量和相位就能夠知道被測樣品結(jié)構(gòu)的局部偏振狀態(tài)。按照瓊斯公式，收到的信號可表示為：25=28：其中，IV（z, z），IH（z, z）分別是探測器1和探測器2記錄的信號，z是掃描深度，R(z)是樣品在深度z時(shí)的反射系數(shù)，I(Z)是樣品在深度z時(shí)的光的延遲角，是快速定位軸，ko是波數(shù)，l是光源相干長度。為了獲得被測物質(zhì)的雙折射的完整特性，延遲角 I(Z)的大小及快速定位軸都需知道。它們

9、可通過以下簡單公式獲得：其中， 是收到信號IV (z, z)和IH (z, z)的相差。其中，HT . 是希耳伯特變換。利用以上方程公式（5）-（7），可以獲得能夠反映被測物質(zhì)完整各向異性的深度相關(guān)的瓊斯矩陣。 3 實(shí)驗(yàn)PS-OCT系統(tǒng)圖三中是一個(gè)具有平衡探測的PS-OCT系統(tǒng)，它是在科技大學(xué)光電子系建立的。該P(yáng)S-OCT系統(tǒng)設(shè)計(jì)成能檢測如瓷器，聚合體，合成物質(zhì)等高度散射物質(zhì)。故，PS-OCT性能被優(yōu)化從而獲得更高的測量敏感度和高的動(dòng)態(tài)范圍。該系統(tǒng)建立在邁克遜干涉儀和一快動(dòng)的掃描線的基礎(chǔ)上。掃描線放置在參考臂上，利用由驅(qū)動(dòng)移相器移動(dòng)的參考鏡。該系統(tǒng)能在光譜范圍為800-1700nm的 不同光源

10、下運(yùn)行。我們的研究中，兩種光源被用到，(1) 為中心波長為960nm，光譜寬度為36nm的超發(fā)光二極管SLD; (2) 為中心波長為1550nm，光譜寬度為400nm的超連續(xù)光纖維源。（見圖 5）數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)建立在平衡的偏振分集檢測基礎(chǔ)上。依據(jù)平衡檢測理論，PS-OCT偏振分集檢測利用了兩對光學(xué)探測器。探測器1和探測器2收到的光信號與探測器3和探測器4收到的線性正交。利用平衡偏振分集檢測，系統(tǒng)的檢測能力不再取決于被測樣品和光源噪聲反射回來的光的偏振狀態(tài)。OCT系統(tǒng)利用兩個(gè)非偏振分光棱鏡來使檢測器2和4獲得的信號比探測器1和3的高3分貝，這對我們的平衡檢測系統(tǒng)是必需的。表1中是實(shí)驗(yàn)室PS-

11、OCT系統(tǒng)的特征。 圖4 SLD的光譜特征 圖5 超連續(xù)光纖源的光譜特征4 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果為了評估實(shí)驗(yàn)PS-OCT系統(tǒng)的性能，我們做了一系列的檢測實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)測試包括不同類型樣品的背向反射信號強(qiáng)度(I(z) ，和延遲角。因是測試設(shè)備，我們用了一個(gè)三層玻璃樣品，一個(gè)消色差的無序的盤，一個(gè)LSFO瓷器。前兩個(gè)設(shè)備是有顯著的光學(xué)參數(shù)，因此，它們能用來測試和校準(zhǔn)PS-OCT系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6-9。最后一個(gè)用LSFO瓷器為樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖10和11。圖中的結(jié)果是通單維測量掃描即Z方向的深度掃描獲得的。實(shí)驗(yàn)中用到的PS-OCT均具有超連續(xù)光纖源(見圖5)。測量的有效性和4微米一樣(見表1)。圖6，7是三

12、層玻璃樣品的測試結(jié)果，設(shè)備由三層被水分隔開的玻璃組成。每層玻璃的真實(shí)厚度是200微米。圖6中，標(biāo)為X1-X4的最大值表示從每個(gè)玻璃層的前后表面背向反射回來的信號強(qiáng)度。最大值位點(diǎn)之間的差異與玻璃層的厚度有關(guān)，且與真值很接近。因玻璃層被水分隔開，故雙峰出現(xiàn)在X2 和X3點(diǎn)上。每對的峰之間的距離決定了水層的厚度。三層玻璃樣品沒有雙折射現(xiàn)象，沒有任何光信號延遲。偏振狀態(tài)是通過從每層表面反射回來的光來測量的。測試結(jié)果見圖7。每個(gè)峰決定了背向反射光的延遲角的大小。這些峰對應(yīng)的延遲角大小相同，故樣品每層間的延遲不存在。因測量誤差和偏振狀態(tài)分析方法的不完善導(dǎo)致的延遲角大小偏差是合理的。 圖 6 玻璃樣品的后反

13、射光信號強(qiáng)度 圖7 三層玻璃樣品的平均延遲圖第二個(gè)實(shí)驗(yàn)（見圖8，9），用的是一個(gè)中心波長=1350nm的消色差無序盤。這個(gè)設(shè)備是由水晶石英和氟化鎂組成，中間用粘合層分隔開。圖8中的強(qiáng)度圖是特定層表面的光反射的結(jié)果。這個(gè)實(shí)驗(yàn)，以Y1-Y4標(biāo)記的最大值是各層間邊界處的光的背向反射。這些最大值的分布表明的水晶石英層，粘合層，和氟化鎂層的厚度。圖9中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了樣品的偏振特性。第一個(gè)峰和最后一個(gè)峰之間的差值是物質(zhì)產(chǎn)生的延遲角 。值是1.47拉德，接近 ，即消色差盤產(chǎn)生的延遲值。其他峰決定了盤組件：水晶石英層和粘合層導(dǎo)致的偏振狀態(tài)的變化。 圖8 四分之一波長盤的后反射光信號強(qiáng)度 圖9 四分之一波長盤

14、的平均延遲圖圖10，11的圖形表明了LSFO瓷器材料的測試結(jié)果。圖10中最大值的分布與被測樣品內(nèi)層結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。這樣就可以評估樣品的厚度及探測到各散射中心組。 LSFO瓷器材料由幾組具有不同大小和紋理的各向異性的微晶組成(在第一部分提到)。這些參數(shù)決定的是被測樣品局部的雙折射。故通過分析延遲角t曲線查找延遲特性的逐漸變化能定位晶界。這種分析對晶體顆粒大小的測量及顆粒密度大小的數(shù)據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)很有用。圖 10 LSFO瓷器樣品的后反射光信號強(qiáng)度 圖11 LSFO瓷器樣品的平均延遲波形5 結(jié)論偏振狀態(tài)分析擴(kuò)大了被測樣品測量參數(shù)范圍，提高了OCT測量能力。我們的研究及獲得的延遲角變化特征證明了PS-OCT測量系統(tǒng)能夠檢測更廣范圍的高散射各向異性材料，如實(shí)驗(yàn)過的為檢測表面和表下缺陷的LSFO瓷器或多聚體，及合成物。與無偏振相反，OCT，PS-OCT能測量表下層的偏振的完整特性。通過偏振敏感分析，能夠觀察到導(dǎo)致延遲特征的晶體顆粒邊界的步移變化。在晶體顆粒粘合的情況下，偏振敏感分析是唯一能觀測到晶體顆粒邊界及微晶顆粒大小和紋理的方法?？傊?，設(shè)計(jì)的PS-OCT系統(tǒng)能測量薄樣品的