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周红仙
, 张潞英
ZHOU Hongxian, ZHANG Luying
中图分类号: O436.1
文献标识码: A
文章编号: 1006-7167(2017)05-0061-03
收稿日期: 2016-06-8
网络出版日期: 2017-05-20
版权声明: 2017 《实验室研究与探索》编辑部 《实验室研究与探索》编辑部 所有
基金资助:
作者简介:
作者简介:周红仙(1969-),女,陕西勉县人,高级实验师,现主要从事光学成像及检测研究。Tel.: 15233551072; E-mail: 15233551072@163.com
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摘要
结合频域低相干光干涉及计算机断层重建技术,建立了光学折射率三维重建系统,系统主要包括宽带光源、光纤迈克尔逊干涉仪、光谱仪。由光谱仪采集探测光和参考光的干涉光谱,经傅里叶变换计算样品折射率的直线投影,利用滤波反投影算法进行折射率重建,得到样品的三维折射率分布。用塑料管对本方法进行了实验验证,该系统适合于对折射率均匀和非均匀的样品进行三维成像,该系统能检测到的折射率灵敏度约为0.01。本实验系统适合于作为本科生综合设计性物理实验项目。
关键词：
Abstract
Optical refractive index (ORI) is one of the most important physical parameters for the description of the characterization of optical material, and measurement of ORI is crucial for research and industrial applications. We demonstrate establish an experimental system for three-dimensional imaging of ORI by combining low-coherence interferometry in frequency domain and computed tomography. The experimental system mainly consists of a broadband light source, an optical fiber Michelson interferometer and a spectrometer. The interference spectra of the detection light and reference light are acquired with the spectrometer, and the parallel projection of optical refractive index is calculated from the acquired interference spectra by Fourier transformation. The three-dimensional distribution of refractive index is reconstructed by the filtered back-projection algorithm. We experimentally demonstrate this system by cross-sectional imaging of a plastic tube. The present system is suitable for three-dimensional imaging of samples with homogeneous and inhomogeneous ORI distributions, and the ORI sensitivity is 0.01. The imaging system is suitable to be used as a synthetic and designing experiment in physical experiment teaching for undergraduates.
Keywords：
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;且密度、浓度、温度、应力等物理量的变化均会引起折射率的相应变化,通过测定折射率的变化,可以确定这些相关物理量,因此,在生物、医学、食品、环境科学、石油化工等领域,对折射率的检测具有重要的意义及应用价值,如通过测量液体折射率进行纯度鉴别、浓度的定量分析等[1-4]。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,通过测量光通过材料时的偏折角度确定材料的折射率;另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,具有代表性的测量方法有最小偏向角法、掠入射法、布儒斯特角法、干涉法等,这些方法只适合于折射率均匀的样品[5-9],不能用于折射率非均匀样品。
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,如用数字全息显微镜法对细胞折射率层析成像[10],用OCT的双焦光学相干折射测量法对浑浊介质成像[11],用反射和透射OCT重建折射率的空间分布[12-14],折射率三维重建已经成为一种新的成像方法。
本文介绍一种基于频域低相干光干涉的折射率三维重建实验系统,该系统主要由宽带光源、光纤迈克尔逊干涉仪、自制光栅光谱仪组成,由光谱仪采集穿过样品的前向散射光和参考光的干涉光谱,经傅里叶变换计算样品折射率的投影,利用滤波反投影算法进行折射率重建,得到样品的三维折射率分布,用LabVIEW和Matlab进行实验系统控制及折射率重建,该系统适合于对折射率均匀和非均匀的样品进行三维成像。
本文建立的基于频域低相干光干涉的折射率三维重建实验系统如图1所示,该系统主要由宽带光源、光纤迈克尔逊干涉仪、自制光栅光谱仪组成。宽带光源为超辐射发光二极管(SLD),中心波长为840 nm,带宽为62 nm,宽带光源发出的光耦合进入光纤,经过隔离器进入耦合器,从耦合器出来后分成探测光和参考光,参考光经过准直器L5形成平行光,经透镜L6会聚于反射镜M表面;探测光经过准直器L3形成平行光,经透镜L4汇聚,汇聚的探测光经过透镜L2形成平行光,再经过透镜L1进入光纤,透镜L2和L4形成的焦点作为成像区域,选择合适的透镜L2和L4在焦点处形成较大景深,当穿过样品的光的锥角比较小时,光锥近似为平行直线,和光学投影层析的原理类似[15],如图2所示。参考臂反射的光和透过样品的光由耦合器C2进入自制的光栅光谱仪,如图1中点线框所示,由线阵相机记录探测光和参考光的干涉光谱,并由此计算样品的折射率投影值,用一个一维电动平移台移动样品(见图2中x方向),得到样品折射率的平行直线投影。
图1 折射率三维重建实验系统|||| SLD-超辐射二极管光源,IS-隔离器,C1、C2-耦合器,L1~L8-透镜,M-反射镜,W-水,ST-平移-旋转平台,T-水槽,G-光栅,LC-线阵相机
为了采集样品不同方向的投影,用一个一维电动平移台和一个步进电动机带动样品平移和转动。首先选定样品的一个横截面(和z方向垂直,z方向为步进电动机转轴方向),用电动平移台沿x方向以一定步距平移样品,在每个平移位置采集干涉光谱,得到折射率平行投影,以1.8°的步距使样品转过360°,在每一角度,重复样品平移及采集过程,得到样品不同方向的平行投影数据。
为减小样品—空气界面的光折射,把样品浸入水中进行测量,假设沿探测光的折射率分布为n
式中:nw表示水的折射率。积分沿探测光的方向进行。
图3(a)中曲线1和2分别表示未加样品、加样品后典型的干涉光谱,其理论表达式可近似表示为:
式中:F
平移和转动样品,能采集到样品一截面内足够方向的平行直线投影,调用Matlab的iradon()函数,用滤波反投影算法重建出样品的折射率分布n
用图1所示的基于频域低相干光干涉的折射率三维重建实验系统对一塑料管进行实验。把塑料管嵌入一透明凝胶圆柱体中,置于图1中平移-旋转平台,塑料管沿步进电动机转轴方向放置,以20 μm的步距平移样品,以1.8°的步距使样品转过360°,由光谱仪采集干涉光谱,经傅里叶变换计算样品折射率平行投影,共采集到400组平行投影数据,用Matlab的iradon()函数进行重建,选取Shepp-Logan滤波器及线性插值。由于塑料管的各个横断面为形状近似相同的圆环,故图4显示了其中一个横断面重建结果。重建结果和样品完全吻合,验证了建立的基于频域低相干光干涉的折射率三维重建实验系统及重建算法的正确性。图4(b)中,塑料管外的完全透明的凝胶也清晰可见,凝胶由2%琼脂制成,其折射率约为1.343,而水的折射率为1.33,所以可断定用该系统测量样品折射率时的精度至少为0.01。
建立的基于频域低相干光干涉的折射率三维重建实验系统可以对均匀及非均匀样品进行折射率分布成像,该系统能检测到的折射率灵敏度约为0.01。样品的对比度及形状和重建结果都基本吻合,边缘清晰。通过对一塑料管进行成像,验证了所建立的基于频域低相干光干涉的折射率三维重建实验系统及重建算法的正确性。从重建结果来看,存在较大的伪迹,这是因为为了提高实验速度,在平移和旋转样品时,选择了较大的步长,如果减小步长,同时优化系统,减小探测光斑的尺寸可进一步提高系统的空间分辨率。
本实验系统包括光学、图像重建及计算机控制多学科知识,该系统可利用实验室常用设备建立,用LabVIEW和Matlab进行实验系统控制及折射率重建,成本较低,设计新颖,物理思想清晰,非常适合于作为综合设计性物理实验项目。
The authors have declared that no competing interests exist.
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测量液体浓度的折射率方法 [J].
制造技术的精密化和用户要求的提高促使设计者及制造商寻求更快、更准确地测量产品参数的方法.在开发和最终产品的在线测量中,诸如折射率和光吸收测量等光学手段得到越来越多的应用,其中一个引人注意的领域是液体浓度的测量.在许多应用场合中,折射率测量是检测水和其它液体浓度的一种理想方法.同电学方法相比,它既简单又廉价,而且与导电性无关.直接的透射测量可能会改变液体的颜色或使其降解,同时系统很难校准.
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溶液浓度与其折射率关系的理论和实验研究 [J].DOI:10.3969/j.issn.1673-3193.2009.03.017 URL 摘要
根据洛伦兹电子论,朗伯定律和比尔定律,提出了一种用来描述溶液的浓度与其折射率线性关系的理论模型.实验测定了蔗糖和NaCl溶液,基于最小二乘法原理,根据实验数据得到各自的浓度与其折射率关系的实验模型,实验结果表明模型的计算结果与实际测量结果的误差小于2%.这种研究结果对利用光激发表面等离子共振技术和介质增强古斯一汉欣位移方法测量溶液的浓度具有参考意义.
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活性染料染色废水中盐浓度的光折射率法测试 [J].
<p>为了高效回用活性染料染色废水，提出采用光折射率法测试其中的盐浓度。研究单一盐、混合盐溶液中盐度与盐质量浓度间的关系，以及染液质量浓度对测试结果的影响，构建了相应的测试标准曲线，建立了一种活性染料染色废水含盐量测试的方法。结果显示，氯化钠、硫酸钠和碳酸钠质量浓度与盐度存在较好的线性拟合关系，拟合度达到0.99以上。在混合盐的溶液中，盐度具有较好的加和性，误差小于5%。染料浓度对单一盐或混合盐的盐度测定影响较小，误差在4%以下。</p>
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水溶液中染料吸光度与浓度的非线性关系 [J]. |
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干涉对比法测液体折射率的一种简易方法 [J].DOI:10.3969/j.issn.1006-7167.2012.03.003 URL [本文引用: 1] 摘要
在牛顿环干涉实验中,若在平凸透镜的凸面与平玻璃板间加入少许液体,可将液体膜局域等效于液体劈尖,则液体膜可看成是沿平凸透镜的凸面与平玻璃板接触点向外的径向线性增加的液体劈尖,利用液体劈尖的等厚干涉理论可推导出平凸透镜的曲率半径与光波波长间的关系式,进而得到液体折射率与空气膜及液体膜产生的干涉圆环直径间的关系式.利用此关系式可知,只要不改变实验装置,在未知凸透镜曲率半径和光波波长的情况下,分别测出在同一牛顿环装置下液体膜和空气膜的任意相邻干涉圆环的直径,即可方便地测出液体的折射率.
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3种测量三棱镜折射率方法的对比 [J].DOI:10.3969/j.issn.1006-7167.2011.04.008 URL 摘要
为了提高实验效率,并找一种更加简捷的测量三棱镜折射率方法,对垂直底边入射法进行了研究,并和传统的最小偏向角法和全反射法进行了比较.垂直底边入射法让入射光线垂直于三棱镜顶角的临边入射,通过测量出射角度间接测量三棱镜折射率.比较了3种方法操作的简繁程度、测量数据的准确性和结果不确定度.实验结果表明,垂直底边入射法的操作较之传统方法更加简便,数据和最小偏向角法的结果符合很好,数据准确性次于最小偏向角法.最小偏向角法在数据的准确性方面优于其他两种方法,全反射法的不确定度明显高于其他2种测量方法.采用垂直底边入射法可以有效地达到简化测量三棱镜折射率的目的.
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利用白光的双缝干涉测量介质薄膜的折射率 [J].
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基于迈克耳孙干涉仪及劈尖测量透明液体折射率 [J].
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测量微量液体折射率的新方法 [J].DOI:10.3321/j.issn:1004-924X.2008.07.008 URL [本文引用: 1] 摘要
液体折射率的毛细管焦点测量法 具有样品需要量极少和封闭测量的特点,在微量液体的折射率测量方面有重要的应用前景。为了提高毛细管焦点测量法的测量精度和改善测量的方便性,用内置 CCD的电子目镜取代传统目镜,在计算机上直接观察和判断毛细管焦点的成像状态;用电动精密位移台取代传统的手动精密位移台;用新的测量系统对不同浓度的 乙二醇水溶液做了折射率测量。结果表明,折射率的测量精度达到±0.0002;一次性测量样品需要量小于0.002mL。在毛细管焦点测量法中引入电子目 镜和电动精密位移台,提高了微量液体折射率的测量精度。
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Cell refractive index tomography by digital holographic microscopy [J]. |
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Refractive index tomography of turbid media by bifocal optical coherence refractometry [J].DOI:10.1117/12.531272 URL PMID: 19471485 [本文引用: 1] 摘要
We demonstrate tomographic imaging of the refractive index of turbid media using bifocal optical coherence refractometry ( BOCR). The technique, which is a variant of optical coherence tomography, is based on the measurement of the optical pathlength difference between two foci simultaneously present in a medium of interest. We describe a new method to axially shift the bifocal optical pathlength that avoids the need to physically relocate the objective lens or the sample during an axial scan, and present an experimental realization based on an adaptive liquid- crystal lens. We present experimental results, including video clips, which demonstrate refractive index tomography of a range of turbid liquid phantoms, as well as of human skin in vivo. (C) 2003 Optical Society of America.
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Projected index computed tomography [J]. |
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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 [J].DOI:10.3321/j.issn:0258-7025.2007.06.020 URL 摘要
报道了基于光纤型光学相干层析成像(OCT)的投影折射率计算机层析成像(PICT)系统,并利用研制的系统对外径为1.3 mm,内径为0.9 mm的充水玻璃管样品进行了测量。样品以1°的步进角旋转,共采集180个方向上的投影值,然后利用卷积反投影算法进行了折射率分布图像的重建。实验结果表明,系统具有较高的空间分辨率,能够正确区分空气、玻璃和水三种不同折射率的物质,且其边界清晰可辨;由于利用了折射率信息,投影折射率计算机层析图像消除了常规光学相干层析图像中的几何畸变。
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High-resolution computed tomography of refractive index distribution by transillumination low-coherence interferometry [J].DOI:10.1364/OL.35.000091 URL PMID: 20664683 [本文引用: 1] 摘要
We present a method to image refractive index distribution within a sample across 8 mm dimension with high spatial resolution by a transmission low-coherence interferometer. The relative strong forward-scattering light is collected, from which the parallel projections of refractive indices within the sample are obtained. A convolution backprojection algorithm is used to transform the projection data set recorded at sufficient angular views into the spatial distribution of refractive indices within the sample. We experimentally demonstrate this method by imaging a phantom. We show that this method can achieve a precision of 0.01 in determining the refractive index and a spatial resolution of 40 microm.
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Optical projection tomography as a tool for 3D microscopy and gene expression studies [J]. |
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