用于工业材料分析的偏振敏感光相干断层扫描成像术 摘要 光相干断层扫描成像（OCT）是针对大多高散射性物质的，非接触式，非侵入型检查的一种独特技术。在光相干断层扫描成像中引进偏振状态分析能对工业材料进行研究观察。偏振敏感光相干断层扫描成像（PS-OCT）不仅能检测到物质内部结构，还能探测局部光学各向异性的特点。本文介绍了光相干断层扫描成像（OCT）的原理及其改进装置：偏振敏感光相干断层成像（PS-OCT），其中主要介绍了PS-OCT的实验装置及其在物质内层结构检测中的应用，对透明的和高散射性的物质的检测结果也有介绍。关键词：光相干断层扫描成像（OCT ）； 偏振敏感光相干断层扫描成像（PS-OCT）； 偏振测定法； 工业材料检测 1 引言关相干断层扫描成像（OCT）是一种对物质内部结构进行高效，高敏感性检测的新的光学技术。利用OCT，我们可以对大量生物和工业材料进行非接触式，非侵入性检测。如今，OCT广泛应用于医学，特别是眼科学，皮肤医学，口腔医学，内窥镜检查学。但OCT的优点使其不仅能应用于医疗方面，还能应用于工业材料检测。早期关于OCT的研究主要集中于时域低相干光干涉测量。随后，一些新的能在时域或频域进行干涉信号处理的OCT技术发展形成了。依据这些技术的应用，可以将其分为时域光相干断层扫描成像（TD-OCT），多普勒光相干断层扫描成像（D-OCT），和光谱域方法如傅立叶域光相干断层扫描成像（FD-OCT）。目前，偏振敏感型（PS-OCT）主要用于检测材料表下结构的光各向异性的局部差异。对材料各向异性和双折射的检测需要用已知偏振状态的光来做探针探测另一束光，测量其通过样品时状态的改变。这种测量方法对透明物质来说相对简单，而对如生物组织，纸，瓷器，防腐层等高度散射的材料，探针的光束需要经过多次散射过程，偏振状态也多次改变，最终，部分将去极化。这样，对于高度散射介质的双折射的测量可以用PS-OCT。本文介绍了一种设计用来测量高散射性材料的先进配置的PS-OCT测量系统。我们的研究集中于将PS-OCT系统应用于红外探测器来对LSFO瓷器类在结构上的局部光各向异性的偏振测量。LSFO瓷器由几组大小和纹理在加工过程中固定的微晶组成，各微晶具有和晶体相似的规则结构，并有光各向异性。微晶的大小，纹理和密度大小决定了瓷器样品的光电和铁电特征。对于瓷器局部各向异性变化的检测为我们提供了诸如可用于瓷器质量及LSFO瓷器的工业制造加工过程评估的微晶密度和颗粒大小等重要信息。我们研究组制造的LSFO瓷器的结构，包含直径520微米的微晶，（已经光学显微技术验证），这些微晶的尺寸大小在改进的PS-OCT系统的有效检测范围之内。2 OCT的操作原理21 无偏振的敏感装置OCT的操作原理是以两个短时相干的光束的干涉为基础的，这种干涉可以是通过迈克逊或马赫-曾德耳干涉仪产生。图1.2是具迈克逊干涉仪的标准OCT系统。宽带光源发射的低相干光被分束器分成两束，一束样品光穿透样品，另一束光射到移动的镜子。从样品反射回来的光与从镜子反射回来的光叠加干涉。只有当干涉仪臂上的光程差不比光源的相干长度大才能检测到干涉带。干涉信号可表示为：1，12-14：其中，Id是光干涉信号强度，IDUT是从测量臂上收到的光信号强度，IREF是从参考臂上收到的光信号强度，是光源相干程度，是从测量臂和参考臂收到光束的时间延迟. 是干涉光束的相差，vo是发射光的主要频率。记录的干涉图Id包含重要信息，如关于从样品反射回来的光强度IDUT和干涉光束间的时间延迟。延迟的测量可使我们发现并定位检测样品中结构的不均一性。这些结构上的不均一性是背向散射光形成的原因。测量参数，如OCT的横向轴和深度的分辨率，很大程度上取决于组成仪器的光学元件的质量和光源参数。深度的分辨率是以由中心光波长（0），光谱宽度（）和光源的光谱强度分布图三者决定的光相干长度为基础的。这种关系可表示如下12-14：其中，z 是深度测量的精确度，ng是组折射系数, 0是发射光中心波长, 是发射光光谱宽度，k是由光源光谱强度分布决定的常数，k0.44时是高斯中心分布谱，k1时光谱是矩形分布。1，30所以，通过利用具高斯分布光谱的宽带光源能得到最大的纵向分辨率。横向分辨率由光学元件集中在DUT上的测量光束的数值口径NA决定。提高NA的值可改进横向分辨率，关系如下表：12-14：其中， x是横向测量分辨率，0是发射光中心波长，NA是数值口径。 NA决定了测量头的纵向深度，这限制了纵向值的最大范围。因此，横向分辨率是由扫描深度范围和横向测量准确性共同决定的。22 偏振敏感装置组成 OCT系统的光学偏振元件（如图 2 中的：相差盘，偏振分束器）可将基本的OCT转换为偏振敏感型OCT系统。PS-OCT是OCT的一种，它通过分析偏振状态从而使OCT的测量能力提高。这种方法可选择性观察被测材料的光各向异性的结构。背向散射光的偏振状态的变化能告诉我们关于物质结构不均一性的有用信息。而且，偏振状态分析提高了测量能力，提高了测量准确性，减小了被测结构的视觉误差。Fig.2中是标准PS-OCT系统装置。PS-OCT系统采用了偏光器P和一个相差盘，它在参考臂和测量臂上同时引进了环行的偏振状态的光，及偏振分集检测（检测器1和检测器2）。这种方法使我们通过分析收到信号的数量和相位就能够知道被测样品结构的局部偏振状态。按照琼斯公式，收到的信号可表示为：25=28：其中，IV（z, z），IH（z, z）分别是探测器1和探测器2记录的信号，z是扫描深度，R(z)是样品在深度z时的反射系数，I(Z)是样品在深度z时的光的延迟角，是快速定位轴，ko是波数，l是光源相干长度。为了获得被测物质的双折射的完整特性，延迟角 I(Z)的大小及快速定位轴都需知道。它们可通过以下简单公式获得：其中， 是收到信号IV (z, z)和IH (z, z)的相差。其中，HT . 是希耳伯特变换。利用以上方程公式（5）-（7），可以获得能够反映被测物质完整各向异性的深度相关的琼斯矩阵。 3 实验PS-OCT系统图三中是一个具有平衡探测的PS-OCT系统，它是在科技大学光电子系建立的。该PS-OCT系统设计成能检测如瓷器，聚合体，合成物质等高度散射物质。故，PS-OCT性能被优化从而获得更高的测量敏感度和高的动态范围。该系统建立在迈克逊干涉仪和一快动的扫描线的基础上。扫描线放置在参考臂上，利用由驱动移相器移动的参考镜。该系统能在光谱范围为800-1700nm的 不同光源下运行。我们的研究中，两种光源被用到，(1) 为中心波长为960nm，光谱宽度为36nm的超发光二极管SLD; (2) 为中心波长为1550nm，光谱宽度为400nm的超连续光纤维源。（见图 5）数据采集和分析系统建立在平衡的偏振分集检测基础上。依据平衡检测理论，PS-OCT偏振分集检测利用了两对光学探测器。探测器1和探测器2收到的光信号与探测器3和探测器4收到的线性正交。利用平衡偏振分集检测，系统的检测能力不再取决于被测样品和光源噪声反射回来的光的偏振状态。OCT系统利用两个非偏振分光棱镜来使检测器2和4获得的信号比探测器1和3的高3分贝，这对我们的平衡检测系统是必需的。表1中是实验室PS-OCT系统的特征。 图4 SLD的光谱特征 图5 超连续光纤源的光谱特征4 实验和结果为了评估实验PS-OCT系统的性能，我们做了一系列的检测实验。这些实验测试包括不同类型样品的背向反射信号强度(I(z) ，和延迟角。因是测试设备，我们用了一个三层玻璃样品，一个消色差的无序的盘，一个LSFO瓷器。前两个设备是有显著的光学参数，因此，它们能用来测试和校准PS-OCT系统。实验结果见图6-9。最后一个用LSFO瓷器为样品的实验结果见图10和11。图中的结果是通单维测量扫描即Z方向的深度扫描获得的。实验中用到的PS-OCT均具有超连续光纤源(见图5)。测量的有效性和4微米一样(见表1)。图6，7是三层玻璃样品的测试结果，设备由三层被水分隔开的玻璃组成。每层玻璃的真实厚度是200微米。图6中，标为X1-X4的最大值表示从每个玻璃层的前后表面背向反射回来的信号强度。最大值位点之间的差异与玻璃层的厚度有关，且与真值很接近。因玻璃层被水分隔开，故双峰出现在X2 和X3点上。每对的峰之间的距离决定了水层的厚度。三层玻璃样品没有双折射现象，没有任何光信号延迟。偏振状态是通过从每层表面反射回来的光来测量的。测试结果见图7。每个峰决定了背向反射光的延迟角的大小。这些峰对应的延迟角大小相同，故样品每层间的延迟不存在。因测量误差和偏振状态分析方法的不完善导致的延迟角大小偏差是合理的。 图 6 玻璃样品的后反射光信号强度 图7 三层玻璃样品的平均延迟图第二个实验（见图8，9），用的是一个中心波长=1350nm的消色差无序盘。这个设备是由水晶石英和氟化镁组成，中间用粘合层分隔开。图8中的强度图是特定层表面的光反射的结果。这个实验，以Y1-Y4标记的最大值是各层间边界处的光的背向反射。这些最大值的分布表明的水晶石英层，粘合层，和氟化镁层的厚度。图9中的实验结果表明了样品的偏振特性。第一个峰和最后一个峰之间的差值是物质产生的延迟角 。值是1.47拉德，接近 ，即消色差盘产生的延迟值。其他峰决定了盘组件：水晶石英层和粘合层导致的偏振状态的变化。 图8 四分之一波长盘的后反射光信号强度 图9 四分之一波长盘的平均延迟图图10，11的图形表明了LSFO瓷器材料的测试结果。图10中最大值的分布与被测样品内层结构相对应。这样就可以评估样品的厚度及探测到各散射中心组。 LSFO瓷器材料由几组具有不同大小和纹理的各向异性的微晶组成(在第一部分提到)。这些参数决定的是被测样品局部的双折射。故通过分析延迟角t曲线查找延迟特性的逐渐变化能定位晶界。这种分析对晶体颗粒大小的测量及颗粒密度大小的数据调查统计很有用。图 10 LSFO瓷器样品的后反射光信号强度 图11 LSFO瓷器样品的平均延迟波形5 结论偏振状态分析扩大了被测样品测量参数范围，提高了OCT测量能力。我们的研究及获得的延迟角变化特征证明了PS-OCT测量系统能够检测更广范围的高散射各向异性材料，如实验过的为检测表面和表下缺陷的LSFO瓷器或多聚体，及合成物。与无偏振相反，OCT，PS-OCT能测量表下层的偏振的完整特性。通过偏振敏感分析，能够观察到导致延迟特征的晶体颗粒边界的步移变化。在晶体颗粒粘合的情况下，偏振敏感分析是唯一能观测到晶体颗粒边界及微晶颗粒大小和纹理的方法。总之，设计的PS-OCT系统能测量薄样品的的厚度及对双折射层进行定位。而且，还能测量微晶密度和尺寸大小。工业材料的各向异性决定了它们的质量，故PS-OCT可对瓷器之类工业材料的制造加工过程起监视作用。进一步研究将集中于用米勒公式来提高PS-OCT的数据分析能力。这样，系统将可以不仅能测量非二向色性物质也能测量二向色性材料。随后，如制造一稳定，高能，宽带光源；降低扫描时间或提供有效的散射补偿等一系列问题将及待解决。致谢 本研究得到波兰科学和信息技术部门政府的支持，批号为NO.3T11B009 27。 电脑 电脑的屏幕是由小的荧光点组成的，这些荧光点是闪烁的，要想看清楚就需要我们眼睛不断地调节。我们自己感觉不到，但却真实存在，