频域光学相干层析去除复共轭镜像的分段四步相移方法与流程

本发明涉及一种频域光学相干层析去除复共轭镜像的分段四步相移方法。

背景技术：

频域光学相干层析成像是一种非接触式、无损伤、精度高及高分辨率的新型层析成像方法，光学相干层析以低相干光干涉为原理，以迈克耳逊干涉仪为技术核心，通过测量待测物体的反射或后向散射光来获取物体结构信息或表面轮廓信息。传统的方法是对采集的干涉光谱直接进行快速傅里叶变换，但这种直接对实数信号进行快速傅里叶变换的处理方法会出现检测样品实像关于零光程差对称的镜像成像，通常镜像和实像会相互叠加，导致图像混淆，传统做法是将检测样品置于正光程或负光程位置，使镜像和实像分开，但这就浪费了系统一半的成像深度和成像能力。目前采用的的四步移相法是通过控制电压输出从而驱动压电陶瓷来进行移相，通过移相获得相对于光源中心波长具有-135°、-45°、45°、135°的相位差的干涉信息，在信号重构的过程中以这四个相移量代替各波长处的相移量，然而，由于光源是宽带光源，其包含的波长成分及分为通常为几百个纳米，以中心波长移相时对其他波长成分均存在误差，即为多色误差，多色误差的存在使得传统的的四步移相法去共轭镜像能力有限，会存在共轭镜像残余，共轭镜像抑制比受到光源带宽所产生的多色误差影响较大。本发明提出了将光源分段为多个窄带宽光源的组合，采用二分段四步移相去除光学相干层析复共轭镜像成像、四分段四步移相去除光学相干层析复共轭镜像成像、八分段四步移相去除光学相干层析复共轭镜像成像、十六分段四步移相去除光学相干层析复共轭镜像成像等，可以有效降低多色误差影响，极大地提高复共轭镜像抑制效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种频域光学相干层析去除复共轭镜像的分段四步相移方法，可以有效降低多色误差影响，极大地提高复共轭镜像抑制效果，将光学相干层析系统的探测深度提高一倍。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种频域光学相干层析去除复共轭镜像的分段四步相移方法，包括如下步骤：

步骤s1、提供一成像系统，包括钨卤素灯光源模块、凸透镜、迈克尔逊干涉仪模块、二维光谱仪模块、移相器模块，还提供一安装有图像处理软件模块的计算机；

步骤s2、将钨卤素灯光源模块发射的宽带光源分段为多个窄带宽光源的组合，将光源光谱波段均匀分段，计算出各窄带宽光源的起止波长及光谱范围，计算出各窄带宽光源的中心波长；

步骤s3、对分段后每一个窄带宽光源，以各窄带宽光源的中心波长为参考，按四步移相法移相，计算出各窄带宽光源四步移相时移相器的移相位移；

步骤s4、安装调整成像系统，钨卤素灯光源模块发射的点光源经凸透镜准直为平行光束，经迈克尔逊干涉仪模块的第一柱透镜将平行光束聚焦为焦线，而后经迈克尔逊干涉仪模块的分光镜分束为强度相等的两束光线，一束作为参考光汇聚于迈克尔逊干涉仪模块的参考镜，另一束作为探测光汇聚于安装在待测样品安装架上的待测样品表面，两束光经反射至分光镜后重合发生干涉，并经迈克尔逊干涉仪模块的第二柱透镜出射；而后，经第二柱透镜出射的干涉光束经二维光谱仪模块的反射式光栅按波长在空间分光后由二维光谱仪模块的第三柱透镜汇聚成干涉谱线，由二维光谱仪模块的面阵ccd相机采集获得二维干涉光谱条纹；

步骤s5、控制移相器模块，使得迈克尔逊干涉仪模块的参考镜按步骤s2、s3分段后确定的移相位移实现定步距位移；

步骤s6、二维光谱仪模块将采集到的干涉条纹图像传输到计算机，对分段后各窄带宽光源以四步移相计算出各段波长范围内光强及相位，分段重构复数形式的二维干涉光谱信号，采用图像处理软件模块进行条纹信号的处理；

步骤s7、图像处理软件模块对采集到的一系列图像每行像素点光强先加hanning窗函数，后进行快速傅里叶变换，提取出各行像素点强度变化频率；

步骤s8、图像处理软件模块将各行像素点强度变化频率乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率即得到去除复共轭镜像及镜像抑制比高的待测样品层析结构图。

在本发明一实施例中，所述步骤s4中，面阵ccd相机采集的干涉光谱信号中直流项信号|ir(k,y)|²及互干涉项|is(k,y)|²不受光程差影响，干涉光谱信号可以表示为：

其中，k为波数，y为探测焦线上检测点的竖向位置坐标，φ(k,y)为参考光与样品光相位角；

进一步，干涉光谱信号可以写为：

其中，i0(k,y)为直流项信号|ir(k,y)|²及互干涉项|is(k,y)|²之和，a(k,y)为二维干涉光谱不同波长光强，为二维干涉光谱不同波长相位。

在本发明一实施例中，所述步骤s6，具体实现如下：

通过步骤s5控制移相器模块使得迈克尔逊干涉仪模块的参考镜按步骤s2、s3分段后确定的移相位移实现定步距位移，即可让参考镜和待测样品的光程差发生变化得到相位差，获得四组不同相位差的干涉光谱i1(k,y)、i2(k,y)、i3(k)、i4(k,y)，由此分段求解出二维干涉光谱不同波长光强和相位；

光强表达式为：

其中，i0(k,y)为直流项信号|ir(k,y)|²及互干涉项|is(k,y)|²之和，a(k,y)为二维干涉光谱不同波长光强，为二维干涉光谱不同波长相位，φ(k,y)为二维干涉光谱移相的相位差；

求解上式得二维干涉光谱不同波长光强和相位：

由此分段重构出复数形式的的二维干涉光谱信号。

在本发明一实施例中，所述步骤s2中，将钨卤素灯光源模块发射的宽带光源分段为多个窄带宽光源的组合的分段方式包括二分段、四分段、八分段、十六分段。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法可以有效降低多色误差影响，极大地提高复共轭镜像抑制效果，将光学相干层析系统的探测深度提高一倍。

附图说明

图1是实施例的装置二维结构示意图。

图2是实施例的装置三维结构示意图。

图3是传统的频域光学相干层析成像过程示意图。

图4是未分段时各波长所对应的移相误差图。

图5是未分段时采用四步移相方法检测成像流程图。

图6是二分段时各波长所对应的移相误差图。

图7是二分段四步移相方法检测成像流程图。

图8是四分段时各波长所对应的移相误差图。

图9是四分段四步移相方法检测成像流程图。

图10是八分段时各波长所对应的移相误差图。

图11是八分段四步移相方法检测成像流程图。

图12是十六分段时各波长所对应的移相误差图。

图13是十六分段四步移相方法检测成像流程图。

图14为未分段四步移相、二分段四步移相、四分段四步移相、八分段四步移相、十六分段四步移相复共轭镜像抑制比对比图。

图中：1-钨卤素灯光源，2-凸透镜，3、9、12-柱透镜，4-分光镜，5-参考镜，6-移相器(压电陶瓷)，7-待测样品，8-待测样品安装架，10-反射镜，11-反射式光栅，13-面阵ccd相机。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种频域光学相干层析去除复共轭镜像的分段四步相移方法，包括如下步骤：

步骤s1、提供一成像系统，包括钨卤素灯光源模块、凸透镜、迈克尔逊干涉仪模块、二维光谱仪模块、移相器模块，还提供一安装有图像处理软件模块的计算机，如图1、2所示；

步骤s2、将钨卤素灯光源模块发射的宽带光源分段为多个窄带宽光源的组合，按二分段、四分段、八分段、十六分段等分段方式，将光源光谱波段均匀分段，计算出各窄带宽光源的起止波长及光谱范围，计算出各窄带宽光源的中心波长；

步骤s3、对分段后每一个窄带宽光源，以各窄带宽光源的中心波长为参考，按四步移相法移相差为90°(其它移相差也可，不需要特定的90°移相差)，计算出各窄带宽光源四步移相时移相器的移相位移；

步骤s4、安装调整成像系统，钨卤素灯光源模块发射的点光源经凸透镜准直为平行光束，经迈克尔逊干涉仪模块的第一柱透镜将平行光束聚焦为焦线，而后经迈克尔逊干涉仪模块的分光镜分束为强度相等的两束光线，一束作为参考光汇聚于迈克尔逊干涉仪模块的参考镜，另一束作为探测光汇聚于安装在待测样品安装架上的待测样品表面，两束光经反射至分光镜后重合发生干涉，并经迈克尔逊干涉仪模块的第二柱透镜出射；而后，经第二柱透镜出射的干涉光束经二维光谱仪模块的反射式光栅按波长在空间分光后由二维光谱仪模块的第三柱透镜汇聚成干涉谱线，由二维光谱仪模块的面阵ccd相机采集获得二维干涉光谱条纹；

步骤s5、控制移相器模块，使得迈克尔逊干涉仪模块的参考镜按步骤s2、s3分段后确定的移相位移实现定步距位移；

步骤s6、二维光谱仪模块将采集到的干涉条纹图像传输到计算机，对分段后各窄带宽光源以四步移相计算出各段波长范围内光强及相位，分段重构复数形式的二维干涉光谱信号，采用图像处理软件模块进行条纹信号的处理；

步骤s7、图像处理软件模块对采集到的一系列图像每行像素点光强先加hanning窗函数，后进行快速傅里叶变换，提取出各行像素点强度变化频率；

步骤s8、图像处理软件模块将各行像素点强度变化频率乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率即得到去除复共轭镜像及镜像抑制比高的待测样品层析结构图。

所述步骤s4中，面阵ccd相机采集的干涉光谱信号中直流项信号|ir(k,y)|²及互干涉项|is(k,y)|²不受光程差影响，干涉光谱信号可以表示为：

其中，k为波数，y为探测焦线上检测点的竖向位置坐标，φ(k,y)为参考光与样品光相位角；

进一步，干涉光谱信号可以写为：

其中，i0(k,y)为直流项信号|ir(k,y)|²及互干涉项|is(k,y)|²之和，a(k,y)为二维干涉光谱不同波长光强，为二维干涉光谱不同波长相位。

所述步骤s6，具体实现如下：

通过步骤s5控制移相器模块使得迈克尔逊干涉仪模块的参考镜按步骤s2、s3分段后确定的移相位移实现定步距位移，即可让参考镜和待测样品的光程差发生变化得到相位差，获得四组不同相位差的干涉光谱i1(k,y)、i2(k,y)、i3(k)、i4(k,y)，由此分段求解出二维干涉光谱不同波长光强和相位；

光强表达式为：

其中，i0(k,y)为直流项信号|ir(k,y)|²及互干涉项|is(k,y)|²之和，a(k,y)为二维干涉光谱不同波长光强，为二维干涉光谱不同波长相位，φ(k,y)为二维干涉光谱移相的相位差；

求解上式得二维干涉光谱不同波长光强和相位：

由此分段重构出复数形式的的二维干涉光谱信号。

以下为本发明具体实施实例。

图3是传统的频域光学相干层析成像过程示意图，传统的方法是对采集的干涉光谱直接进行快速傅里叶变换，但这种直接对实数信号进行快速傅里叶变换的处理方法会出现检测样品实像关于零光程差对称的镜像成像，通常镜像和实像会相互叠加，导致图像混淆，且存在直流干扰及背景噪声。

图4是未分段时对波长范围为742.75nm—1141.71nm，中心波长为942.23nm，分别移相0°、90°、180°、-90°、-180°时各波长所对应的移相误差，由图可知波长带宽越大，越偏离中心波长，其所对应的移相误差越大。

图5是未分段时采用四步移相方法(波长范围为742.75nm—1141.71nm，中心波长为942.23nm光源)检测成像流程图，其复共轭镜像抑制信号强度为25.6db，由成像效果可知，成像存在镜像残余。

图6是二分段时，段1波长范围为742.75nm—942.231nm，中心波长为842.23nm，段2波长范围为942.23nm—1141.71nm，中心波长为1041.97nm，分别移相0°、90°、180°、-90°、-180°时各波长所对应的移相误差，由图可知分段后，各波长所对应的移相误差逐渐减小。

图7是二分段四步移相方法(段1波长范围为742.75nm—942.231nm，中心波长为842.23nm，段2波长范围为942.23nm—1141.71nm，中心波长为1041.97nm)检测成像流程图，其复共轭镜像抑制信号强度为31.59db，有效消除了镜像。

图8是四分段时，段1波长范围为742.75nm—842.49nm，中心波长为792.62nm，段2波长范围为842.49nm—942.49nm，中心波长为892.49nm，段3波长范围为942.49nm—1041.97nm，中心波长为992.23nm，段4波长范围为1041.97nm—1141.71nm，中心波长为1091.84nm，分别移相0°、90°、180°、-90°、-180°时各波长所对应的移相误差，由图可知分段后，各波长所对应的移相误差逐渐减小。

图9是四分段四步移相方法(段1波长范围为742.75nm—842.49nm，中心波长为792.62nm，段2波长范围为842.49nm—942.49nm，中心波长为892.49nm，段3波长范围为942.49nm—1041.97nm，中心波长为992.23nm，段4波长范围为1041.97nm—1141.71nm，中心波长为1091.84nm)检测成像流程图，其复共轭镜像抑制信号强度为37.73db，有效消除了镜像。

图10是八分段时，段1波长范围为742.75nm—792.62nm，中心波长为7767.685nm，段2波长范围为792.62nm—842.49nm，中心波长为817.555nm，段3波长范围为842.49nm—892.49nm，中心波长为867.49nm，段4波长范围为892.49nm—942.49nm，中心波长为917.49nm，段5波长范围为942.49nm—992.23nm，中心波长为967.36nm，段6波长范围为992.23nm—1041.97nm，中心波长为1017.1nm，段7波长范围为1041.97nm—1091.84nm，中心波长为1066.905nm，段8波长范围为1091.84nm—1141.71nm，中心波长为1116.775nm，分别移相0°、90°、180°、-90°、-180°时各波长所对应的移相误差，由图可知分段后，各波长所对应的移相误差逐渐减小。

图11是八分段四步移相方法(段1波长范围为742.75nm—792.62nm，中心波长为7767.685nm，段2波长范围为792.62nm—842.49nm，中心波长为817.555nm，段3波长范围为842.49nm—892.49nm，中心波长为867.49nm，段4波长范围为892.49nm—942.49nm，中心波长为917.49nm，段5波长范围为942.49nm—992.23nm，中心波长为967.36nm，段6波长范围为992.23nm—1041.97nm，中心波长为1017.1nm，段7波长范围为1041.97nm—1091.84nm，中心波长为1066.905nm，段8波长范围为1091.84nm—1141.71nm，中心波长为1116.775nm)检测成像流程图，其复共轭镜像抑制信号强度为45.13db，有效消除了镜像。

图12是十六分段时，段1波长范围为742.75nm—767.685nm，中心波长为755.2175nm，段2波长范围为767.685nm—792.62nm，中心波长为780.1525nm，段3波长范围为792.62nm—817.555nm，中心波长为805.0875nm，段4波长范围为817.555nm—842.49nm，中心波长为830.0225nm，段5波长范围为842.49nm—867.49nm，中心波长为9854.99nm，段6波长范围为867.49nm—892.49nm，中心波长为879.99nm，段7波长范围为892.49nm—917.49nm，中心波长为904.99nm，段8波长范围为917.49nm—942.49nm，中心波长为929.99nm，段9波长范围为942.49nm—967.365nm，中心波长为954.925nm，段10波长范围为967.365nm—992.23nm，中心波长为979.795nm，段11波长范围为992.23nm—1017.1nm，中心波长为1004.665nm，段12波长范围为1017.1nm—1041.97nm，中心波长为1029.535nm，段13波长范围为1041.97nm—1066.905nm，中心波长为1054.4375nm，段14波长范围为1066.905nm—1091.84nm，中心波长为1079.3725nm，段15波长范围为1091.84nm—1116.775nm，中心波长为1104.3075nm，段16波长范围为1116.775nm—1141.71nm，中心波长为1129.2425nm，分别移相0°、90°、180°、-90°、-180°时各波长所对应的移相误差，由图可知分段后，各波长所对应的移相误差逐渐减小。

图13是十六分段四步移相方法(段1波长范围为742.75nm—767.685nm，中心波长为755.2175nm，段2波长范围为767.685nm—792.62nm，中心波长为780.1525nm，段3波长范围为792.62nm—817.555nm，中心波长为805.0875nm，段4波长范围为817.555nm—842.49nm，中心波长为830.0225nm，段5波长范围为842.49nm—867.49nm，中心波长为9854.99nm，段6波长范围为867.49nm—892.49nm，中心波长为879.99nm，段7波长范围为892.49nm—917.49nm，中心波长为904.99nm，段8波长范围为917.49nm—942.49nm，中心波长为929.99nm，段9波长范围为942.49nm—967.365nm，中心波长为954.925nm，段10波长范围为967.365nm—992.23nm，中心波长为979.795nm，段11波长范围为992.23nm—1017.1nm，中心波长为1004.665nm，段12波长范围为1017.1nm—1041.97nm，中心波长为1029.535nm，段13波长范围为1041.97nm—1066.905nm，中心波长为1054.4375nm，段14波长范围为1066.905nm—1091.84nm，中心波长为1079.3725nm，段15波长范围为1091.84nm—1116.775nm，中心波长为1104.3075nm，段16波长范围为1116.775nm—1141.71nm，中心波长为1129.2425nm)检测成像流程图，其复共轭镜像抑制信号强度为53.12db，有效消除了镜像。

图14为未分段四步移相、二分段四步移相、四分段四步移相、八分段四步移相、十六分段四步移相复共轭镜像抑制比对比图，未分段四步移相复共轭镜像抑制信号强度为25.6db，二分段四步移相复共轭镜像抑制信号强度为31.59db，四分段四步移相复共轭镜像抑制信号强度为37.73db，八分段四步移相复共轭镜像抑制信号强度为45.13db，十六分段四步移相复共轭镜像抑制信号强度为53.12db。随着分段数的增加，多色误差影响逐渐降低，复共轭镜像抑制效果逐渐增加，十六分段四步移相时复共轭镜像信号基本湮没在噪声信号中。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。