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(duì)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(duì)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(cè)到物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還能探測(cè)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(cè)中的應(yīng)用，對(duì)透明的和高散射性的物質(zhì)的檢測(cè)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(cè)定法； 工業(yè)材料檢測(cè) 1 引言關(guān)相干斷層掃描成像（OCT）是一種對(duì)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行高效，高敏感性檢測(cè)的新的光學(xué)技術(shù)。利用OCT，我們可以對(duì)大量生物和工業(yè)材料進(jìn)行非接觸式，非侵入性檢測(cè)。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(cè)。早期關(guān)于OCT的研究主要集中于時(shí)域低相干光干涉測(cè)量。隨后，一些新的能在時(shí)域或頻域進(jìn)行干涉信號(hào)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(cè)材料表下結(jié)構(gòu)的光各向異性的局部差異。對(duì)材料各向異性和雙折射的檢測(cè)需要用已知偏振狀態(tài)的光來(lái)做探針探測(cè)另一束光，測(cè)量其通過(guò)樣品時(shí)狀態(tài)的改變。這種測(cè)量方法對(duì)透明物質(zhì)來(lái)說(shuō)相對(duì)簡(jiǎn)單，而對(duì)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(guò)多次散射過(guò)程，偏振狀態(tài)也多次改變，最終，部分將去極化。這樣，對(duì)于高度散射介質(zhì)的雙折射的測(cè)量可以用PS-OCT。本文介紹了一種設(shè)計(jì)用來(lái)測(cè)量高散射性材料的先進(jìn)配置的PS-OCT測(cè)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(cè)器來(lái)對(duì)LSFO瓷器類(lèi)在結(jié)構(gòu)上的局部光各向異性的偏振測(cè)量。L

4、SFO瓷器由幾組大小和紋理在加工過(guò)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(duì)于瓷器局部各向異性變化的檢測(cè)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(guò)程評(píng)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(cè)范圍之內(nèi)。2 OCT的操作原理21 無(wú)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(guò)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(lái)的光與從鏡子反射回來(lái)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(zhǎng)度大才能檢測(cè)到干涉帶。干涉信號(hào)可表示為：1，12-14：其中，Id是光干涉信號(hào)強(qiáng)度，IDUT是從測(cè)量臂上收到的光信號(hào)強(qiáng)度，IREF是從參考臂上收到的光信號(hào)強(qiáng)度，是光源相干程度，是從測(cè)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(lái)的光強(qiáng)度IDUT和干涉光束間的時(shí)間延遲。延遲的測(cè)量可使我們發(fā)現(xiàn)并定位檢測(cè)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(cè)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(zhǎng)（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(zhǎng)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(cè)量的精確度，ng是組折射系數(shù), 0是發(fā)射光中心波長(zhǎng), 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(guò)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(cè)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(cè)量分辨率，0是發(fā)射光中心波長(zhǎng)，NA是數(shù)值口徑。 NA決定了測(cè)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(cè)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(pán)，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(guò)分析偏振狀態(tài)從而使OCT的測(cè)量能力提高。這種方法可選擇性觀察被測(cè)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(cè)量能力，提高了測(cè)量準(zhǔn)確性，減小了被測(cè)結(jié)構(gòu)的

8、視覺(jué)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(pán)，它在參考臂和測(cè)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(cè)（檢測(cè)器1和檢測(cè)器2）。這種方法使我們通過(guò)分析收到信號(hào)的數(shù)量和相位就能夠知道被測(cè)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(hào)可表示為：25=28：其中，IV（z, z），IH（z, z）分別是探測(cè)器1和探測(cè)器2記錄的信號(hào)，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(zhǎng)度。為了獲得被測(cè)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(guò)以下簡(jiǎn)單公式獲得：其中， 是收到信號(hào)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)為960nm，光譜寬度為36nm的超發(fā)光二極管SLD; (2) 為中心波長(zhǎng)為1550nm，光譜寬度為400nm的超連續(xù)光纖維源。（見(jiàn)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(cè)基礎(chǔ)上。依據(jù)平衡檢測(cè)理論，PS-OCT偏振分集檢測(cè)利用了兩對(duì)光學(xué)探測(cè)器。探測(cè)器1和探測(cè)器2收到的光信號(hào)與探測(cè)器3和探測(cè)器4收到的線性正交。利用平衡偏振分集檢測(cè)，系統(tǒng)的檢測(cè)能力不再取決于被測(cè)樣品和光源噪聲反射回來(lái)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(lái)使檢測(cè)器2和4獲得的信號(hào)比探測(cè)器1和3的高3分貝，這對(duì)我們的平衡檢測(cè)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(píng)估實(shí)驗(yàn)PS-OCT系統(tǒng)的性能，我們做了一系列的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)測(cè)試包括不同類(lèi)型樣品的背向反射信號(hào)強(qiáng)度(I(z) ，和延遲角。因是測(cè)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(wú)序的盤(pán)，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(lái)測(cè)試和校準(zhǔn)PS-OCT系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6-9。最后一個(gè)用LSFO瓷器為樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10和11。圖中的結(jié)果是通單維測(cè)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(jiàn)圖5)。測(cè)量的有效性和4微米一樣(見(jiàn)表1)。圖6，7是三

12、層玻璃樣品的測(cè)試結(jié)果，設(shè)備由三層被水分隔開(kāi)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(lái)的信號(hào)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(kāi)，故雙峰出現(xiàn)在X2 和X3點(diǎn)上。每對(duì)的峰之間的距離決定了水層的厚度。三層玻璃樣品沒(méi)有雙折射現(xiàn)象，沒(méi)有任何光信號(hào)延遲。偏振狀態(tài)是通過(guò)從每層表面反射回來(lái)的光來(lái)測(cè)量的。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)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(duì)應(yīng)的延遲角大小相同，故樣品每層間的延遲不存在。因測(cè)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(hào)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(jiàn)圖8，9），用的是一個(gè)中心波長(zhǎng)=1350nm的消色差無(wú)序盤(pán)。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(kāi)。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(pán)產(chǎn)生的延遲值。其他峰決定了盤(pán)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(zhǎng)盤(pán)的后反射光信號(hào)強(qiáng)度 圖9 四分之一波長(zhǎng)盤(pán)

14、的平均延遲圖圖10，11的圖形表明了LSFO瓷器材料的測(cè)試結(jié)果。圖10中最大值的分布與被測(cè)樣品內(nèi)層結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。這樣就可以評(píng)估樣品的厚度及探測(cè)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(cè)樣品局部的雙折射。故通過(guò)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(duì)晶體顆粒大小的測(cè)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(hào)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(cè)樣品測(cè)量參數(shù)范圍，提高了OCT測(cè)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(cè)量系統(tǒng)能夠檢測(cè)更廣范圍的高散射各向異性材料，如實(shí)驗(yàn)過(guò)的為檢測(cè)表面和表下缺陷的LSFO瓷器或多聚體，及合成物。與無(wú)偏振相反，OCT，PS-OCT能測(cè)量表下層的偏振的完整特性。通過(guò)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(cè)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(cè)量薄樣品的