CN104068825A - 一种短相干光干涉测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短相干光干涉测量方法及装置，所述装置包括：短相干光源1、A光纤耦合器3、H透镜19、光栅20、I透镜21、线阵相机22、快速变焦系统27和多光程参考系统28，短相干光源1发出的光进入A光纤耦合器3后分成两路，一路作为探测光进入快速变焦系统27并依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44，另一路作为参考光进入多光程参考系统28，进行相应的参考光光程补偿；经快速变焦系统27反射的探测光及经多光程参考系统28反射的参考光进入A光纤耦合器3，通过H透镜19准直后照射到光栅20，其光谱经I透镜21成像于线阵相机22。本发明实现了在一次测量中准确快速连续的检测眼睛的各层位置信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种短相干光干涉测量方法及装置，特别是一种可连续检测眼睛角膜、晶状体前后表面、视网膜表面各层位置的频域短相干光干涉测量装置及方法。
背景技术
在工业、医学等领域中，经常需要对多层结构物体中各层结构的位置进行连续快速检测，例如眼科中，在白内障患者植入人工晶状体前，需要测量眼睛各层的位置，计算出眼轴长度、角膜厚度和前房深度等。Haag-Streit AG公开了一种具有双参考臂的时域短相干光干涉仪(参见美国专利公开号US2009/0268209A1，发明名称为“Method and apparatus fordetermination of geometric values on an object”)，该干涉仪使用双参考光对样品的不同层进行测量；卡尔蔡司医疗技术股份有限公司公开了一种时域短相干干涉仪(参见中国专利申请号200880118045.1，发明名称为“短相干干涉仪”)，该干涉仪用于测量样品间隔设置的多个区域；王毅等公开了一种使用平衡探测法的时域短相干光干涉仪(参见中国专利申请号201210019447.4，发明名称为“光学相干生物测量仪及进行眼睛生物测量的方法”)。以上这三种方法及干涉仪都是利用时域短相干光干涉方法对眼睛的各层位置进行测量，而由于时域干涉方法易受噪声和直流分量的影响，灵敏度相对较低，对于屈光间质混浊程度比较严重者，会导致探测光的严重衰减，以至于进入探测仪器的光太弱而无法检出，限制了这种方法的适用范围。因此目前急需一种新的短相干光干涉技术来实现对眼睛各层位置的准确、高灵敏度连续检测。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种短相干光干涉测量方法及装置，它可以有效解决现有技术中存在的问题，尤其是对眼睛的各层位置进行测量时，灵敏度相对较低，对于屈光间质混浊程度比较严重者，会导致探测光的严重衰减，以至于进入探测仪器的光太弱而无法检出的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种短相干光干涉测量方法，包括以下步骤：将短相干光分为两路，一路作为探测光进入快速变焦系统并依次聚焦于眼睛的角膜、晶状体的前表面、晶状体的后表面及视网膜表面，另一路作为参考光进入多光程参考系统，进行相应的参考光光程补偿，实现对角膜、晶状体的前表面、晶状体的后表面及视网膜表面的连续检测；线阵相机记录角膜、晶状体的前表面、晶状体的后表面及视网膜表面反射光和参考光的干涉光谱，该干涉光谱经傅立叶变换后，计算即得眼睛的角膜、晶状体的前表面、晶状体的后表面和视网膜表面之间的相对位置L1、L2、L3、L4；若多光程参考系统提供的相应的光程补偿为S1、S2、S3、S4，则眼睛的角膜、晶状体的前表面、晶状体的后表面和视网膜表面的绝对位置分别为(L1+S1/2n)、(L2+S2/2n)、(L3+S3/2n)、(L4+S4/2n)，其中，n为多光程参考系统所用光程补偿材料的折射率。
实现前述方法的一种短相干光干涉测量装置，它包括：短相干光源、A光纤耦合器、H透镜、光栅、I透镜、线阵相机、快速变焦系统和多光程参考系统，短相干光源发出的光进入A光纤耦合器后分成两路，一路作为探测光进入快速变焦系统并依次聚焦于眼睛的角膜、晶状体的前表面、晶状体的后表面及视网膜表面，另一路作为参考光进入多光程参考系统，进行相应的参考光光程补偿；经快速变焦系统反射的探测光及经多光程参考系统反射的参考光进入A光纤耦合器，通过H透镜准直后照射到光栅，其光谱经I透镜成像于线阵相机。
优选的，所述的快速变焦系统包括：A转盘，A转盘上分布有不同厚度的A玻璃块、B玻璃块、C玻璃块和D玻璃块，探测光穿过的A玻璃块、B玻璃块、C玻璃块和D玻璃块的前后表面平行；还包括A准直器、A透镜、B透镜和A电机，探测光经过A准直器成为平行光，再经过A透镜、B透镜及A透镜与B透镜之间的A转盘上的玻璃块；确定A玻璃块、B玻璃块、C玻璃块和D玻璃块的厚度，使得转动A转盘时，探测光经过A玻璃块、B玻璃块、C玻璃块和D玻璃块后依次聚焦于眼睛的角膜、晶状体的前表面、晶状体的后表面及视网膜表面；A转盘由A电机驱动。
优选的，所述的多光程参考系统为可变多光程参考系统。
所述的可变多光程参考系统具体包括：B转盘，B转盘上分布有不同厚度的E玻璃块、F玻璃块、G玻璃块和H玻璃块，参考光穿过的E玻璃块、F玻璃块、G玻璃块和H玻璃块的前后表面平行；还包括B准直器、C透镜、A反射镜和B电机，参考光经过B准直器成为平行光，再经过B转盘上的玻璃块以及C透镜，聚焦于A反射镜的表面；确定E玻璃块、F玻璃块、G玻璃块和H玻璃块的厚度，使得参考光在分别通过E玻璃块、F玻璃块、G玻璃块和H玻璃块后，其光程分别与快速变焦系统中探测光经过A转盘上的A玻璃块、B玻璃块、C玻璃块和D玻璃块的光程差小于(从而可以提供相应的光程补偿S1、S2、S3、S4)，其中，λ0为短相干光源的中心波长，Rλ为线阵相机的光谱分辨率；B转盘由B电机驱动。
优选的，所所述的A电机与B电机的转速相同，从而实现A转盘与B转盘同步，使变焦系统分别聚焦于眼睛的角膜、晶状体的前后表面及视网膜表面。
采用前述的可变多光程参考系统(参考系统)和快速变焦系统(探测系统)的结构，可实现二者完全同步，当探测光聚焦于眼睛的每一位置时，对应的玻璃块插入参考光路，改变光程，由于没有使用分光，因而参考光的利用率可达100％。
所述的多光程参考系统也可为基于分光片的多光程参考系统，其采用分光片进行分光，构成多光程参考臂，每个光程和探测臂的变焦位置对应。
基于分光片的多光程参考系统具体包括：C准直器、A半透半反分光片、B半透半反分光片、C半透半反分光片、D透镜、E透镜、F透镜、G透镜、B反射镜、C反射镜、D反射镜、E反射镜和F反射镜，参考光经过C准直器成为平行光，再经过A半透半反分光片、B半透半反分光片和C半透半反分光片分成四路，第一路经过D透镜聚焦于B反射镜，第二路经过E透镜聚焦于C反射镜，第三路经过F透镜聚焦于D反射镜，经E反射镜反射的第四路经过G透镜聚焦于F反射镜；确定D透镜、E透镜、F透镜、G透镜的位置，使得通过所述透镜的四路参考光的光程分别与快速变焦系统中探测光经过A转盘上A玻璃块、B玻璃块、C玻璃块和D玻璃块的光程差小于(从而可以提供相应的光程补偿S1、S2、S3、S4)，其中，λ0为短相干光源的中心波长，Rλ为线阵相机的光谱分辨率。该多光程参考系统由于使用分光片，不使用机械旋转装置，因而可以大大提高系统的稳定性。
所述的多光程参考系统也可为基于分光片和旋转玻璃块的混合多光程参考系统，使用分光片把参考光分成两路，一路对应视网膜表面的大光程补偿，另一路通过一个旋转玻璃块装置，可以实现角膜、晶状体的小范围光程补偿。
基于分光片和旋转玻璃块的混合多光程参考系统具体包括：D准直器、D半透半反分光片、I透镜、J透镜、G反射镜、H反射镜、I反射镜和C转盘，C转盘上分布有I玻璃块、J玻璃块、K玻璃块(I玻璃块、J玻璃块、K玻璃块为可旋转玻璃块)；参考光经D准直器变为平行光，再经D半透半反分光片后分为两路，第一路为透射光穿过I透镜并聚焦于G反射镜，第二路为反射光经H反射镜再次反射后，依次穿过C转盘上的玻璃块和J透镜，并聚焦于I反射镜；确定I玻璃块、J玻璃块、K玻璃块的厚度，使得转动C转盘时，穿过I玻璃块、J玻璃块和K玻璃块的参考光的光程分别与快速变焦系统中探测光经过A转盘上的A玻璃块、B玻璃块、C玻璃块和D玻璃块的光程差小于其中，λ0为短相干光源的中心波长，Rλ为线阵相机的光谱分辨率；确定J透镜和I反射镜的位置，使得第一路穿过I透镜的透射光聚焦于G反射镜的光程与快速变焦系统中探测光经过A转盘上的A玻璃块的光程差小于(从而可以提供相应的光程补偿S1、S2、S3、S4)，其中，λ0为短相干光源的中心波长，Rλ为线阵相机的光谱分辨率。由于视网膜的位置较深，如果使用玻璃块进行光程补偿，则需要的玻璃块会非常厚，因此视网膜的光程补偿通过增加第一路参考光中反射镜的距离来实现，通过三个玻璃块来改变角膜、晶状体的光程补偿。采用该结构的多光程参考系统可以有效避免使用较厚的玻璃块进行光程补偿，同时，该多光程参考系统可以使视网膜对应的参考光较强，角膜和晶状体对应的参考光较弱，因而提高了视网膜信号的信噪比。
前述的系统还包括：计算机，计算机与线阵相机连接，计算机中存有相应的计算处理软件，用于进行傅里叶变换及计算眼睛的角膜晶状体的前表面、晶状体的后表面和视网膜表面之间的相对位置和各自的绝对位置。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明实现了在一次测量中检测得到眼睛的角膜、晶状体前后表面和视网膜表面的位置信息，而且本发明采用快速变焦系统作为探测臂，使探测光可以在多个位置之间快速变焦，从而提高了被反射探测光的强度，提高了系统信噪比；采用多光程参考系统作为参考臂，其与快速变焦系统同步，从而实现了对眼睛各层位置的准确、快速、高灵敏度探测；另外，本发明采用频域短相干光干涉技术对检测到的光谱进行频域处理，可以减小噪声及直流分量的影响，在相同的检测条件小，进一步提高了检测灵敏度；
2.本发明将短相干光分为两路，一路作为探测光进入快速变焦系统并依次聚焦于眼睛的角膜、晶状体的前表面、晶状体的后表面及视网膜表面，另一路作为参考光进入多光程参考系统，进行相应的参考光光程补偿，从而实现了对角膜、晶状体的前表面、晶状体的后表面及视网膜表面的连续检测。
附图说明
图1为对于某一待测面，线阵相机上接受的光谱强度示意图；
图2为对图1中的光谱进行傅里叶变换后的幅度谱；
图3是本发明的一种实施例的装置示意图；
图4是A转盘的结构示意图；
图5是B转盘的结构示意图；
图6是基于分光片的多光程参考系统的结构示意图；
图7是为基于分光片和旋转玻璃块的混合多光程参考系统的结构示意图；
图8为C转盘的结构示意图；
图9是本发明的一种实施例的方法流程图。
附图标记：1-短相干光源，2-A光纤，3-A光纤耦合器，4-B光纤，5-A准直器，6-A透镜，7-B透镜，8-眼睛，9-角膜，10-晶状体的前表面，11-A转盘，12-A电机，13-C光纤，14-B准直器，15-C透镜，16-B转盘，17-A反射镜，18-D光纤，19-H透镜，20-光栅，21-I透镜，22-线阵相机，23-B电机，24-E玻璃块，25-F玻璃块，27-快速变焦系统，28-多光程参考系统，29-A半透半反分光片，30-D透镜，31-B反射镜，32-B半透半反分光片，33-E透镜，34-C反射镜，35-D准直器，36-D半透半反分光片，37-I透镜，38-G反射镜，39-H反射镜，40-I玻璃块，41-J玻璃块，42-C转盘，43-晶状体的后表面，44-视网膜表面，45-C半透半反分光片，46-F透镜，47-D反射镜，48-E反射镜，49-G透镜，50-F反射镜，51-J透镜，52-I反射镜，53-G玻璃块，54-H玻璃块，55-C准直器，56-A玻璃块，57-B玻璃块，58-C玻璃块，59-D玻璃块，60-K玻璃块。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
本发明的实施例1：一种短相干光干涉测量方法，如图9所示，包括以下步骤：将短相干光分为两路，一路作为探测光进入快速变焦系统27并依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44，另一路作为参考光进入多光程参考系统28，进行相应的参考光光程补偿，实现对角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44的连续检测；线阵相机22记录角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44反射光和参考光的干涉光谱，该干涉光谱经傅立叶变换后，计算即得眼睛8的角膜9晶状体的前表面10、晶状体的后表面43和视网膜表面44之间的相对位置L1、L2、L3、L4；若多光程参考系统28提供的相应的光程补偿为S1、S2、S3、S4，则眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43和视网膜表面44的绝对位置分别为(L1+S1/2n)、(L2+S2/2n)、(L3+S3/2n)、(L4+S4/2n)，其中，n为多光程参考系统28所用光程补偿材料的折射率。
实现上述方法的一种短相干光干涉测量装置，如图3所示，它包括：短相干光源1、A光纤耦合器3、H透镜19、光栅20、I透镜21、线阵相机22、快速变焦系统27和多光程参考系统28，短相干光源1发出的光经A光纤2进入A光纤耦合器3后分成两路，一路作为探测光经B光纤4进入快速变焦系统27并依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44，另一路作为参考光经C光纤13进入多光程参考系统28，进行相应的参考光光程补偿；经快速变焦系统27反射的探测光及经多光程参考系统28反射的参考光进入A光纤耦合器3，经D光纤18后通过H透镜19准直后照射到光栅20，其光谱经I透镜21成像于线阵相机22；该系统还包括：计算机，计算机与线阵相机22的输出端连接，计算机中存有相应现有的计算处理软件，用于进行傅里叶变换及计算眼睛8的角膜9晶状体的前表面10、晶状体的后表面43和视网膜表面44之间的相对位置和各自的绝对位置。
所述的快速变焦系统27包括：A转盘11，A转盘11(如图4所示)上分布有不同厚度的A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59，探测光穿过的A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59的前后表面平行；还包括A准直器5、A透镜6、B透镜7和A电机12，探测光经过A准直器5成为平行光，再经过A透镜6、B透镜7及A透镜6与B透镜7之间的A转盘11上的玻璃块；确定A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59的厚度，使得转动A转盘11时，探测光经过A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59后依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44；A转盘11由A电机12驱动。所述的多光程参考系统28为可变多光程参考系统。所述的可变多光程参考系统包括：B转盘16，B转盘16(如图5所示)上分布有不同厚度的E玻璃块24、F玻璃块25、G玻璃块53和H玻璃块54，参考光穿过的E玻璃块24、F玻璃块25、G玻璃块53和H玻璃块54的前后表面平行；还包括B准直器14、C透镜15、A反射镜17和B电机23，参考光经过B准直器14成为平行光，再经过B转盘16上的玻璃块以及C透镜15，聚焦于A反射镜17的表面；确定E玻璃块24、F玻璃块25、G玻璃块53和H玻璃块54的厚度，使得参考光在分别通过E玻璃块24、F玻璃块25、G玻璃块53和H玻璃块54后，其光程分别与快速变焦系统27中探测光经过A转盘11上的A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59的光程差小于其中，λ0为短相干光源1的中心波长，Rλ为线阵相机22的光谱分辨率；B转盘16由B电机23驱动。所述的A电机12与B电机23的转速相同。
实施例2：一种短相干光干涉测量方法，如图9所示，包括以下步骤：将短相干光分为两路，一路作为探测光进入快速变焦系统27并依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44，另一路作为参考光进入多光程参考系统28，进行相应的参考光光程补偿，实现对角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44的连续检测；线阵相机22记录角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44反射光和参考光的干涉光谱，该干涉光谱经傅立叶变换后，计算即得眼睛8的角膜9晶状体的前表面10、晶状体的后表面43和视网膜表面44之间的相对位置L1、L2、L3、L4；若多光程参考系统28提供的相应的光程补偿为S1、S2、S3、S4，则眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43和视网膜表面44的绝对位置分别为(L1+S1/2n)、(L2+S2/2n)、(L3+S3/2n)、(L4+S4/2n)，其中，n为多光程参考系统28所用光程补偿材料的折射率。
实现上述方法的一种短相干光干涉测量装置，它包括：短相干光源1、A光纤耦合器3、H透镜19、光栅20、I透镜21、线阵相机22、快速变焦系统27和多光程参考系统28，短相干光源1发出的光进入A光纤耦合器3后分成两路，一路作为探测光进入快速变焦系统27并依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44，另一路作为参考光进入多光程参考系统28，进行相应的参考光光程补偿；经快速变焦系统27反射的探测光及经多光程参考系统28反射的参考光进入A光纤耦合器3，通过H透镜19准直后照射到光栅20，其光谱经I透镜21成像于线阵相机22。所述的快速变焦系统27包括：A转盘11，A转盘11上分布有不同厚度的A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59，探测光穿过的A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59的前后表面平行；还包括A准直器5、A透镜6、B透镜7和A电机12，探测光经过A准直器5成为平行光，再经过A透镜6、B透镜7及A透镜6与B透镜7之间的A转盘11上的玻璃块；确定A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59的厚度，使得转动A转盘11时，探测光经过A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59后依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44；A转盘11由A电机12驱动。所述的多光程参考系统28为基于分光片的多光程参考系统。所述的多光程参考系统28(如图6所示)包括：C准直器55、A半透半反分光片29、B半透半反分光片32、C半透半反分光片45、D透镜30、E透镜33、F透镜46、G透镜49、B反射镜31、C反射镜34、D反射镜47、E反射镜48和F反射镜50，参考光经过C准直器55成为平行光，再经过A半透半反分光片29、B半透半反分光片32和C半透半反分光片45分成四路，第一路经过D透镜30聚焦于B反射镜31，第二路经过E透镜33聚焦于C反射镜34，第三路经过F透镜46聚焦于D反射镜47，经E反射镜48反射的第四路经过G透镜49聚焦于F反射镜50；确定D透镜30、E透镜33、F透镜46、G透镜49的位置，使得通过所述透镜的四路参考光的光程分别与快速变焦系统27中探测光经过A转盘11上A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59的光程差小于其中，λ0为短相干光源1的中心波长，Rλ为线阵相机22的光谱分辨率。
实施例3：一种短相干光干涉测量方法，如图9所示，包括以下步骤：将短相干光分为两路，一路作为探测光进入快速变焦系统27并依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44，另一路作为参考光进入多光程参考系统28，进行相应的参考光光程补偿，实现对角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44的连续检测；线阵相机22记录角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44反射光和参考光的干涉光谱，该干涉光谱经傅立叶变换后，计算即得眼睛8的角膜9晶状体的前表面10、晶状体的后表面43和视网膜表面44之间的相对位置L1、L2、L3、L4；若多光程参考系统28提供的相应的光程补偿为S1、S2、S3、S4，则眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43和视网膜表面44的绝对位置分别为(L1+S1/2n)、(L2+S2/2n)、(L3+S3/2n)、(L4+S4/2n)，其中，n为多光程参考系统28所用光程补偿材料的折射率。
实现上述方法的一种短相干光干涉测量装置，它包括：短相干光源1、A光纤耦合器3、H透镜19、光栅20、I透镜21、线阵相机22、快速变焦系统27和多光程参考系统28，短相干光源1发出的光进入A光纤耦合器3后分成两路，一路作为探测光进入快速变焦系统27并依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44，另一路作为参考光进入多光程参考系统28，进行相应的参考光光程补偿；经快速变焦系统27反射的探测光及经多光程参考系统28反射的参考光进入A光纤耦合器3，通过H透镜19准直后照射到光栅20，其光谱经I透镜21成像于线阵相机22。所述的快速变焦系统27包括：A转盘11，A转盘11上分布有不同厚度的A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59，探测光穿过的A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59的前后表面平行；还包括A准直器5、A透镜6、B透镜7和A电机12，探测光经过A准直器5成为平行光，再经过A透镜6、B透镜7及A透镜6与B透镜7之间的A转盘11上的玻璃块；确定A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59的厚度，使得转动A转盘11时，探测光经过A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59后依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44；A转盘11由A电机12驱动。所述的多光程参考系统28为基于分光片和旋转玻璃块的混合多光程参考系统。所述的多光程参考系统28(如图7所示)包括：D准直器35、D半透半反分光片36、I透镜37、J透镜51、G反射镜38、H反射镜39、I反射镜52和C转盘42，C转盘42(如图8所示)上分布有I玻璃块40、J玻璃块41、K玻璃块60；参考光经D准直器35变为平行光，再经D半透半反分光片36后分为两路，第一路为透射光穿过I透镜37并聚焦于G反射镜38，第二路为反射光经H反射镜39再次反射后，依次穿过C转盘42上的玻璃块和J透镜51，并聚焦于I反射镜52；确定I玻璃块40、J玻璃块41、K玻璃块60的厚度，使得转动C转盘42时，穿过I玻璃块40、J玻璃块41和K玻璃块60的参考光的光程分别与快速变焦系统27中探测光经过A转盘11上的A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59的光程差小于确定J透镜51和I反射镜52的位置，使得第一路穿过I透镜37的透射光聚焦于G反射镜38的光程与快速变焦系统27中探测光经过A转盘11上的A玻璃块56的光程差小于其中，λ0为短相干光源1的中心波长，Rλ为线阵相机22的光谱分辨率。
实施例4：一种短相干光干涉测量方法，如图9所示，包括以下步骤：将短相干光分为两路，一路作为探测光进入快速变焦系统27并依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44，另一路作为参考光进入多光程参考系统28，进行相应的参考光光程补偿，实现对角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44的连续检测；线阵相机22记录角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44反射光和参考光的干涉光谱，该干涉光谱经傅立叶变换后，计算即得眼睛8的角膜9晶状体的前表面10、晶状体的后表面43和视网膜表面44之间的相对位置L1、L2、L3、L4；若多光程参考系统28提供的相应的光程补偿为S1、S2、S3、S4，则眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43和视网膜表面44的绝对位置分别为(L1+S1/2n)、(L2+S2/2n)、(L3+S3/2n)、(L4+S4/2n)，其中，n为多光程参考系统28所用光程补偿材料的折射率。
实现上述方法的一种短相干光干涉测量装置，它包括：短相干光源1、A光纤耦合器3、H透镜19、光栅20、I透镜21、线阵相机22、快速变焦系统27和多光程参考系统28，短相干光源1发出的光进入A光纤耦合器3后分成两路，一路作为探测光进入快速变焦系统27并依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44，另一路作为参考光进入多光程参考系统28，进行相应的参考光光程补偿；经快速变焦系统27反射的探测光及经多光程参考系统28反射的参考光进入A光纤耦合器3，通过H透镜19准直后照射到光栅20，其光谱经I透镜21成像于线阵相机22。所述的快速变焦系统27包括：A转盘11，A转盘11上分布有不同厚度的A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59，探测光穿过的A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59的前后表面平行；还包括A准直器5、A透镜6、B透镜7和A电机12，探测光经过A准直器5成为平行光，再经过A透镜6、B透镜7及A透镜6与B透镜7之间的A转盘11上的玻璃块；确定A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59的厚度，使得转动A转盘11时，探测光经过A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59后依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44；A转盘11由A电机12驱动。所述的多光程参考系统28为可变多光程参考系统。
实施例5：一种短相干光干涉测量方法，如图9所示，包括以下步骤：将短相干光分为两路，一路作为探测光进入快速变焦系统27并依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44，另一路作为参考光进入多光程参考系统28，进行相应的参考光光程补偿，实现对角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44的连续检测；线阵相机22记录角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44反射光和参考光的干涉光谱，该干涉光谱经傅立叶变换后，计算即得眼睛8的角膜9晶状体的前表面10、晶状体的后表面43和视网膜表面44之间的相对位置L1、L2、L3、L4；若多光程参考系统28提供的相应的光程补偿为S1、S2、S3、S4，则眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43和视网膜表面44的绝对位置分别为(L1+S1/2n)、(L2+S2/2n)、(L3+S3/2n)、(L4+S4/2n)，其中，n为多光程参考系统28所用光程补偿材料的折射率。
实现上述方法的一种短相干光干涉测量装置，它包括：短相干光源1、A光纤耦合器3、H透镜19、光栅20、I透镜21、线阵相机22、快速变焦系统27和多光程参考系统28，短相干光源1发出的光进入A光纤耦合器3后分成两路，一路作为探测光进入快速变焦系统27并依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44，另一路作为参考光进入多光程参考系统28，进行相应的参考光光程补偿；经快速变焦系统27反射的探测光及经多光程参考系统28反射的参考光进入A光纤耦合器3，通过H透镜19准直后照射到光栅20，其光谱经I透镜21成像于线阵相机22。所述的快速变焦系统27包括：A转盘11，A转盘11上分布有不同厚度的A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59，探测光穿过的A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59的前后表面平行；还包括A准直器5、A透镜6、B透镜7和A电机12，探测光经过A准直器5成为平行光，再经过A透镜6、B透镜7及A透镜6与B透镜7之间的A转盘11上的玻璃块；确定A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59的厚度，使得转动A转盘11时，探测光经过A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59后依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44；A转盘11由A电机12驱动。所述的多光程参考系统28为基于分光片的多光程参考系统。
实施例6：一种短相干光干涉测量方法，如图9所示，包括以下步骤：将短相干光分为两路，一路作为探测光进入快速变焦系统27并依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44，另一路作为参考光进入多光程参考系统28，进行相应的参考光光程补偿，实现对角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44的连续检测；线阵相机22记录角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44反射光和参考光的干涉光谱，该干涉光谱经傅立叶变换后，计算即得眼睛8的角膜9晶状体的前表面10、晶状体的后表面43和视网膜表面44之间的相对位置L1、L2、L3、L4；若多光程参考系统28提供的相应的光程补偿为S1、S2、S3、S4，则眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43和视网膜表面44的绝对位置分别为(L1+S1/2n)、(L2+S2/2n)、(L3+S3/2n)、(L4+S4/2n)，其中，n为多光程参考系统28所用光程补偿材料的折射率。
实现上述方法的一种短相干光干涉测量装置，它包括：短相干光源1、A光纤耦合器3、H透镜19、光栅20、I透镜21、线阵相机22、快速变焦系统27和多光程参考系统28，短相干光源1发出的光进入A光纤耦合器3后分成两路，一路作为探测光进入快速变焦系统27并依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44，另一路作为参考光进入多光程参考系统28，进行相应的参考光光程补偿；经快速变焦系统27反射的探测光及经多光程参考系统28反射的参考光进入A光纤耦合器3，通过H透镜19准直后照射到光栅20，其光谱经I透镜21成像于线阵相机22。所述的快速变焦系统27包括：A转盘11，A转盘11上分布有不同厚度的A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59，探测光穿过的A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59的前后表面平行；还包括A准直器5、A透镜6、B透镜7和A电机12，探测光经过A准直器5成为平行光，再经过A透镜6、B透镜7及A透镜6与B透镜7之间的A转盘11上的玻璃块；确定A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59的厚度，使得转动A转盘11时，探测光经过A玻璃块56、B玻璃块57、C玻璃块58和D玻璃块59后依次聚焦于眼睛8的角膜9、晶状体的前表面10、晶状体的后表面43及视网膜表面44；A转盘11由A电机12驱动。所述的多光程参考系统28为基于分光片和旋转玻璃块的混合多光程参考系统。
本发明中用傅立叶变换计算测量位置的原理：
假定相对于某一待测面，在线阵相机上接收的光谱如图1所示，对其进行傅立叶变换，幅度谱如图2所示，幅度谱极大值对应的频率F和待测面相对于参考光等光程点的距离L成正比，即满足L＝KF，比例系数K可以通过一个已知的距离测量得到；
用同样的方法，假定一个已知的距离为L0，测量得到幅度谱极大值对应的频率为F0，则比例系数K＝L0/F0。
相对位置的补偿：
当参考比使用单一参考光程时，探测范围有限，假定最大为L0，则可以检测的范围为0～L0，当待检测范围超过L0时，则无法进行检测。对于眼睛而言，角膜和视网膜之间的距离远远超过L0，因而无法使用单一参考光在一次检测中得到眼睛各层的位置信息。采用本发明中的快速变焦系统和多光程参考系统后，在快速变焦系统中，随着转盘的转动，其上不同厚度的玻璃块依次穿过探测光，改变探测光的锥角，从而使得探测光依次聚焦到眼睛的各层位置；多光程参考系统提供额外的光程补偿，假定为S1、S2、S3、S4，可以保障当快速变焦系统依次聚焦到待测位置时，相对于补偿后的参考光，仍然满足在探测范围L0内。设经傅立叶变换计算得四个待测面的相对位置为L1、L2、L3、L4，则L1和L2的绝对位置为(L1+S1/n)、(L2+S2/n)、(L1+S1/n)、(L2+S2/n)，n为所用光程补偿材料的折射率。
Claims (10)
1.一种短相干光干涉测量方法，其特征在于，包括以下步骤：将短相干光分为两路，一路作为探测光进入快速变焦系统(27)并依次聚焦于眼睛(8)的角膜(9)、晶状体的前表面(10)、晶状体的后表面(43)及视网膜表面(44)，另一路作为参考光进入多光程参考系统(28)，进行相应的参考光光程补偿，实现对角膜(9)、晶状体的前表面(10)、晶状体的后表面(43)及视网膜表面(44)的连续检测；线阵相机(22)记录角膜(9)、晶状体的前表面(10)、晶状体的后表面(43)及视网膜表面(44)的干涉光谱，该干涉光谱经傅立叶变换后，计算即得眼睛(8)的角膜(9)、晶状体的前表面(10)、晶状体的后表面(43)和视网膜表面(44)之间的相对位置L1、L2、L3、L4；若多光程参考系统(28)提供的相应的光程补偿为S1、S2、S3、S4，则眼睛(8)的角膜(9)、晶状体的前表面(10)、晶状体的后表面(43)和视网膜表面(44)的绝对位置分别为(L1+S1/2n)、(L2+S2/2n)、(L3+S3/2n)、(L4+S4/2n)，其中，n为多光程参考系统(28)所用光程补偿材料的折射率。
2.实现权利要求1所述方法的一种短相干光干涉测量装置，其特征在于，它包括：短相干光源(1)、A光纤耦合器(3)、H透镜(19)、光栅(20)、I透镜(21)、线阵相机(22)、快速变焦系统(27)和多光程参考系统(28)，短相干光源(1)发出的光进入A光纤耦合器(3)后分成两路，一路作为探测光进入快速变焦系统(27)并依次聚焦于眼睛(8)的角膜(9)、晶状体的前表面(10)、晶状体的后表面(43)及视网膜表面(44)，另一路作为参考光进入多光程参考系统(28)，进行相应的参考光光程补偿；经快速变焦系统(27)反射的探测光及经多光程参考系统(28)反射的参考光进入A光纤耦合器(3)，通过H透镜(19)准直后照射到光栅(20)，其光谱经I透镜(21)成像于线阵相机(22)。
3.根据权利要求2所述的短相干光干涉测量装置，其特征在于，所述的快速变焦系统(27)包括：A转盘(11)，A转盘(11)上分布有不同厚度的A玻璃块(56)、B玻璃块(57)、C玻璃块(58)和D玻璃块(59)，探测光穿过的A玻璃块(56)、B玻璃块(57)、C玻璃块(58)和D玻璃块(59)的前后表面平行；还包括A准直器(5)、A透镜(6)、B透镜(7)和A电机(12)，探测光经过A准直器(5)成为平行光，再经过A透镜(6)、B透镜(7)及A透镜(6)与B透镜(7)之间的A转盘(11)上的玻璃块；确定A玻璃块(56)、B玻璃块(57)、C玻璃块(58)和D玻璃块(59)的厚度，使得转动A转盘(11)时，探测光经过A玻璃块(56)、B玻璃块(57)、C玻璃块(58)和D玻璃块(59)后依次聚焦于眼睛(8)的角膜(9)、晶状体的前表面(10)、晶状体的后表面(43)及视网膜表面(44)；A转盘(11)由A电机(12)驱动。
4.根据权利要求2或3所述的短相干光干涉测量装置，其特征在于，所述的多光程参考系统(28)为可变多光程参考系统。
5.根据权利要求4所述的短相干光干涉测量装置，其特征在于，所述的可变多光程参考系统包括：B转盘(16)，B转盘(16)上分布有不同厚度的E玻璃块(24)、F玻璃块(25)、G玻璃块(53)和H玻璃块(54)，参考光穿过的E玻璃块(24)、F玻璃块(25)、G玻璃块(53)和H玻璃块(54)的前后表面平行；还包括B准直器(14)、C透镜(15)、A反射镜(17)和B电机(23)，参考光经过B准直器(14)成为平行光，再经过B转盘(16)上的玻璃块以及C透镜(15)，聚焦于A反射镜(17)的表面；确定E玻璃块(24)、F玻璃块(25)、G玻璃块(53)和H玻璃块(54)的厚度，使得参考光在分别通过E玻璃块(24)、F玻璃块(25)、G玻璃块(53)和H玻璃块(54)后，其光程分别与快速变焦系统(27)中探测光经过A转盘(11)上的A玻璃块(56)、B玻璃块(57)、C玻璃块(58)和D玻璃块(59)的光程差小于其中，λ0为短相干光源(1)的中心波长，Rλ为线阵相机(22)的光谱分辨率；B转盘(16)由B电机(23)驱动。
6.根据权利要求5所述的短相干光干涉测量装置，其特征在于，所述的A电机(12)与B电机(23)的转速相同。
7.根据权利要求2或3所述的短相干光干涉测量装置，其特征在于，所述的多光程参考系统(28)为基于分光片的多光程参考系统。
8.根据权利要求7所述的短相干光干涉测量装置，其特征在于，所述的多光程参考系统(28)包括：C准直器(55)、A半透半反分光片(29)、B半透半反分光片(32)、C半透半反分光片(45)、D透镜(30)、E透镜(33)、F透镜(46)、G透镜(49)、B反射镜(31)、C反射镜(34)、D反射镜(47)、E反射镜(48)和F反射镜(50)，参考光经过C准直器(55)成为平行光，再经过A半透半反分光片(29)、B半透半反分光片(32)和C半透半反分光片(45)分成四路，第一路经过D透镜(30)聚焦于B反射镜(31)，第二路经过E透镜(33)聚焦于C反射镜(34)，第三路经过F透镜(46)聚焦于D反射镜(47)，经E反射镜(48)反射的第四路经过G透镜(49)聚焦于F反射镜(50)；确定D透镜(30)、E透镜(33)、F透镜(46)、G透镜(49)的位置，使得通过所述透镜的四路参考光的光程分别与快速变焦系统(27)中探测光经过A转盘(11)上A玻璃块(56)、B玻璃块(57)、C玻璃块(58)和D玻璃块(59)的光程差小于其中，λ0为短相干光源(1)的中心波长，Rλ为线阵相机(22)的光谱分辨率。
9.根据权利要求3所述的短相干光干涉测量装置，其特征在于，所述的多光程参考系统(28)为基于分光片和旋转玻璃块的混合多光程参考系统。
10.根据权利要求9所述的短相干光干涉测量装置，其特征在于，所述的多光程参考系统(28)包括：D准直器(35)、D半透半反分光片(36)、I透镜(37)、J透镜(51)、G反射镜(38)、H反射镜(39)、I反射镜(52)和C转盘(42)，C转盘(42)上分布有I玻璃块(40)、J玻璃块(41)、K玻璃块(60)；参考光经D准直器(35)变为平行光，再经D半透半反分光片(36)后分为两路，第一路为透射光穿过I透镜(37)并聚焦于G反射镜(38)，第二路为反射光经H反射镜(39)再次反射后，依次穿过C转盘(42)上的玻璃块和J透镜(51)，并聚焦于I反射镜(52)；确定I玻璃块(40)、J玻璃块(41)、K玻璃块(60)的厚度，使得转动C转盘(42)时，穿过I玻璃块(40)、J玻璃块(41)和K玻璃块(60)的参考光的光程分别与快速变焦系统(27)中探测光经过A转盘(11)上的A玻璃块(56)、B玻璃块(57)、C玻璃块(58)和D玻璃块(59)的光程差小于其中，λ0为短相干光源(1)的中心波长，Rλ为线阵相机(22)的光谱分辨率；确定J透镜(51)和I反射镜(52)的位置，使得第一路穿过I透镜(37)的透射光聚焦于G反射镜(38)的光程与快速变焦系统(27)中探测光经过A转盘(11)上的A玻璃块(56)的光程差小于其中，λ0为短相干光源(1)的中心波长，Rλ为线阵相机(22)的光谱分辨率。
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