折射率断层重建装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种折射率断层重建装置及其方法，属于高分辨率显微成像领域。
【背景技术】
[0002] 折射率是表征光学介质特性的基本参量之一，折射率的测量具有重要的意义。目 前测量物质折射率的方法很多，一般分为两类:一类是通过几何光学的方法，以折射和反射 定律为理论基础，通过测量光在通过材料时的偏折角度确定材料的折射率;一类是波动光 学方法，主要利用介质对透射光相位的影响测定折射率。但是这些方法只适用于测定折射 率均匀的样品，无法用于折射率非均匀样品的测定。
[0003] 近几年，结合低相干光干涉技术及计算机三维重建技术，发展了多种折射率三维 重建方法，用于非均匀介质的折射率三维重建。比如周振明采用反射式时域光学相干层析 结合滤波反投影算法进行折射率三维重建[基于光学相干层析成像的投影折射率计算机层 析成像系统研制，中国激光，2007，34(6) ];Adam M. Zysk使用反射式频域光学相干层析结合 滤波反投影算法进行折射率三维重建[Projected index computed tomography,Optics letters，2003，28(9)];Wang Yi使用透射式频域光学相干层析结合滤波反投影算法进行折 身才率三维重建[High-resolution computed tomography of refractive index distribution by transi1lumination low-coherence interf erometry ,Optics letters，2010,35(l)]。但是以上这些方法都是通过机械方式平移样品或探测光来获取样 品的折射率平行直线投影，导致投影数据的采集速度过慢，同时测得的折射率精度较低，因 而使得以上这些方法缺乏实用性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于，提供一种折射率断层重建装置及其方法，它可以有效解决现 有技术中存在的问题，尤其是投影数据的采集速度过慢，同时测得的折射率精度较低的问 题。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
[0006] 本发明提供一种折射率断层重建装置，包括:超辐射二极管光源、光纤耦合器、参 考臂、光谱仪、计算机、快速扫描系统和隔离器;所述超辐射二极管光源用于发出探测光并 通过隔离器传输至光纤耦合器;所述光纤耦合器还与所述参考臂、光谱仪和快速扫描系统 进行光信号交换;所述光谱仪连接计算机;所述快速扫描系统包括第一透镜、振镜、第二透 镜、第三透镜、第四透镜和第一平面镜;探测光通过第一透镜进入快速扫描系统，经过振镜 反射后依次穿过第二透镜、样品、第三透镜和第四透镜，并通过第一平面镜的反射原路返回 至光纤耦合器;所述振镜与计算机连接。
[0007] 如前述的折射率断层重建装置，所述光纤耦合器包括:第一端口、第二端口、第三 端口和第四端口；所述超辐射二极管光源发出的光通过第一端口进入光纤耦合器后分成两 路，一路通过第三端口进入参考臂，另一路通过第四端口进入快速扫描系统;参考臂及快速 扫描系统返回的光进入光纤耦合器汇合，并通过第二端口进入光谱仪。
[0008] 如前述的折射率断层重建装置，所述快速扫描系统还包括电机，所述电机用于驱 动样品转动;所述电机设于样品下方。因而能够加快投影数据采集速度，同时能够有效减少 手动操作带来的误差。
[0009] 如前述的折射率断层重建装置，所述快速扫描系统还包括样品平台，用于固定样 品；所述样品平台设于所述电机与样品之间。进而能够使样品放置时更稳定，且更易于安 置。
[0010]如前述的折射率断层重建装置，所述振镜上的光点位于第二透镜的焦点，第二透 镜与第三透镜间的距离为它们的焦距之和，第四透镜与第三透镜间的距离为它们的焦距之 和，第一平面镜位于第四透镜的焦面上；因此能够在当振镜使探测光偏转一个角度时，探测 光依次穿过第二透镜，样品，第三透镜、第四透镜，聚焦于反射镜，经反射镜反射的探测光， 再原路返回，经过第四透镜、第三透镜，样品、第二透镜，再被振镜反射，经过第一透镜进入 光纤。
[0011]如前述的折射率断层重建装置，所述参考臂包括:第五透镜、第六透镜和第二平面 镜;参考光通过第五透镜变为平行光;并经第六透镜汇聚后，入射到第二平面镜;经第二平 面镜反射的光经过第六透镜成为平行光，射到第五透镜上并经其汇聚后返回光纤耦合器。
[0012] 如前述的折射率断层重建装置，所述光谱仪包括第七透镜、光栅、第八透镜和线阵 相机;所述光谱仪接收的光先进入第七透镜，准直后照射到光栅，其光谱经第八透镜成像于 线阵相机，成像后的图像发送至计算机进行处理。
[0013] 本发明还提供一种折射率断层重建的方法，包括以下步骤:超辐射二极管光源发 出的光经光纤耦合器分为两路，其中一路作为参考光进入参考臂，另一路作为探测光进入 快速扫描系统;通过控制振镜转动，改变照射到样品上的光的方向，所述探测光沿不同路径 穿过样品后，经反射镜反射并原路返回，与经参考臂反射的参考光在光纤耦合器汇合，并进 入光谱仪，光谱仪采集探测光和参考光的干涉光谱，并传给计算机;计算机计算干涉光谱傅 里叶变换幅度谱极大值对应的频率，得到样品折射率的平行投影数据，并用滤波反投影算 法进行断层重建，即得断层的折射率二维分布。
[0014] 如前述的折射率断层重建方法，通过控制振镜摆动，获得所述的探测光沿不同路 径穿过样品的相干光谱。
[0015] 如前述的折射率断层重建方法，具体包括以下步骤：
[0016] S1，将样品置于样品平台上，通过电机控制样品平台转动，改变样品的角度；
[0017] S2,超辐射二极管光源发出的光在通过隔离器后再经光纤耦合器分为两路，其中 一路作为参考光进入参考臂;另一路作为探测光进入快速扫描系统；
[0018] S3，计算机控制振镜摆动一个角度;探测光经第一透镜成为平行光照射到振镜上， 从振镜反射的光经过第二透镜汇聚后，照射到样品上，从样品出来的透射光经第三透镜后 成为平行光，经第三透镜后的平行光，再经第四透镜汇聚后，入射到第一平面镜，被第一平 面镜反射的探测光经过第四透镜形成平行光，射入第三透镜并汇聚到样品，从样品出来的 透射光经第二透镜后，平行射入振镜上，被振镜反射到第一透镜，经第一透镜汇聚后，进入 光纤耦合器，获得所述探测光穿过样品的相干光谱；
[0019] S4,所述的经快速扫描系统反射的探测光与经参考臂反射的参考光在光经光纤耦 合器汇合，并进入光谱仪，光谱仪采集干涉光谱后传给计算机；
[0020] S5,样品当前一行扫描的是否完全，若是则转至S6,否则重复步骤S2~S4;
[0021] S6,样品是否180度均完成扫描，若是转至S7,否则返回S1;
[0022] S7,经过高通滤波器，滤掉干涉光谱的低频部分，再经傅里叶变换，干涉光谱傅里 叶变换幅度谱极大值对应的频率得到样品折射率的平行投影，并用滤波反投影算法进 行断层重建，即得断层的折射率二维分布^尸)。
[0023] 如前述的折射率断层重建方法，所述的样品折射率的平行投影通过以下方式获 得：
[0024]
[0025] 其中，fo为干涉光谱傅里叶变换幅度谱极大值对应的频率，△ Κ为光谱仪的波数取 样间隔，N为线阵相机像素数目，nair为空气折射率，/?(?)为待求的样品折射率分布。因而能 够有效提高折射率二维分布的精确性，且易于计算。
[0026] 与现有技术相比，本发明通过利用超辐射二极管光源、光纤耦合器、参考臂、光谱 仪、计算机和快速扫描系统，尤其是通过利用计算机控制快速扫描系统中振镜的转动，改变 射入到样品的光路，从而提高了对样品的扫描速度，同时减小了扫描步长，提高了图像的精 度和折射率的测量精度。另外，本发明通过利用电机带动样品旋转