CN104359863A - 自由空间干涉光路平衡探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自由空间干涉光路平衡探测装置，包括光源，光源发出的空间光经过立方棱镜分光后形成传播方向相垂直的透射光和反射光，透射光和反射光分别由各自光路中的反射器反射，并在第二分光器处形成干涉，干涉光被第二分光器分光后形成传播方向相垂直的干涉光X3和干涉光Y3，干涉光Y3通过第三反射器反射后的反射光X4与干涉光X3的传播方向一致，干涉光X3通过平行玻璃平板光路补偿后，使最终反射光X4与干涉光X3在平衡探测器端位相相差180°，随后可进行干涉光信号的差分探测处理。本发明与光的偏振无关，可用于各种自由空间干涉测量及成像系统中以抑制共模噪声，提高探测的信噪比，结构简单经济，容易实现。
Description
技术领域
本发明属于干涉测量成像技术领域，具体涉及一种自由空间干涉光路平衡探测装置。
背景技术
光学相干层析技术（OCT，Optical
Coherence Tomography）是近十几年来出现的一种新兴技术，它具有高分辨率，且能实时进行三维成像，已经成为医学、工业、卫生等领域一个重要的影像成像技术。OCT的干涉光路有光纤型和自由空间型，光纤型容易受温度、扰动等影响，而在空间干涉光路中却受限于单颗探测器成像，图像信噪比不如光纤型平衡探测系统。
现有中国专利文献CN 201010165045公开了一种自由空间差分探测的方法，但该系统基于偏振相关方才可实现自由空间差分探测,自由空间光偏振后能量将下降为原来一半，且偏振器件的使用将让系统更复杂和不经济。
发明内容
本发明要解决的是自由空间型干涉光路的OCT共模噪声大、图像信噪比低，偏振器件的使用降低了干涉光路中能量，且结构更加复杂，成本增高等技术问题。从而提供一种与偏振无关的可用于各种自由空间干涉测量的自由空间干涉光路平衡探测装置。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种自由空间干涉光路平衡探测装置，包括立方棱镜，立方棱镜的分光面与光源发射的空间光的前进方向呈45˚，立方棱镜将空间光分为传播方向相互垂直的透射光X1和反射光Y1；所述透射光X1经第一反射器反射进入第二分光器构成第一光路；第一反射器的反射面与立方棱镜的分光面平行；所述反射光Y1经第二反射器反射进入第二分光器构成第二光路；第二反射器的反射面与立方棱镜的分光面平行；第二分光器的分光面与第一反射器的反射面和第二反射器的反射面均平行；
第二分光器的分光面将第一光路和第二光路形成的干涉光分为传播方向相垂直的干涉光X3和干涉光Y3；干涉光X3经平行玻璃平板补偿光程后进入平衡探测器的负极构成第三光路；平行玻璃平板与干涉光X3的传播方向平行；干涉光Y3经第三反射器反射后的反射光X4进入平衡探测器的正极构成第四光路；第三反射器的反射面第二分光器的分光面平行。
第一光路和第二光路的光程相等；第三光路和第四光路的光程相等。
第一反射器和第二反射器为三棱镜，三棱镜的斜面为反射面且三棱镜的斜面与立方棱镜的分光面平行。
第一反射器和第二反射器为反射镜，反射镜与立方棱镜的分光面平行。
第二分光器为分光片；第三反射器为三棱镜，三棱镜的斜面为反射面；三棱镜的斜面和分光片的分光面均与立方棱镜的分光面平行。
所述干涉光X3和干涉光Y3的相位差为180˚。
第二分光器为立方棱镜；第三反射器为反射镜；立方棱镜的分光面与反射镜均与立方棱镜的分光面平行。
所述干涉光X3和反射光X4的相位差为180˚。
本发明平衡探测的方法如下：A： 光源发出的光由立方棱镜分成两路光，该两路光在第二分光器处干涉，干涉后的光分为两路传播，两路干涉光存在180度位相差。
B： 使这两路干涉光传输方向平行，再继续传输时传播距离短的一路通过平行玻璃板补偿光程，使两路干涉光在抵达平衡探测器的两个通道时，位相差恒定为180度。
本发明光源发出的空间光经过立方棱镜分光后形成传播方向相垂直的透射光和反射光，透射光和反射光分别由各自光路中的反射器反射，并在第二分光器处形成干涉，干涉光被第二分光器分光后形成传播方向相垂直的干涉光X3和干涉光Y3，干涉光Y3通过第三反射器反射后的反射光X4与干涉光X3的传播方向一致，干涉光X3通过平行玻璃平板光路补偿后，使最终反射光X4与干涉光X3在平衡探测器端位相相差180°，随后可进行干涉光信号的差分探测处理。本发明与光的偏振无关，可用于各种自由空间干涉测量及成像系统中以抑制共模噪声，提高探测的信噪比，结构简单经济，容易实现。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图2为实施例2的结构示意图。
图3为实施例3的结构示意图。
图4为实施例4的结构示意图。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，一种自由空间干涉光路平衡探测装置，包括立方棱镜2，立方棱镜2的分光面与光源1发射的空间光的前进方向呈45˚。立方棱镜2将空间光分为传播方向相互垂直的反射光Y1和透射光X1。
透射光X1经三棱镜3a反射后的反射光Y2进入分光片4构成第一光路。三棱镜3a的斜面为透射光X1的反射面，且三棱镜3a的斜面与立方棱镜2的分光面相平行。
反射光Y1经三棱镜3b反射后的反射光X2进入分光片4构成第二光路。三棱镜3b的斜面为反射光Y1的反射面，且三棱镜3b的斜面与立方棱镜的分光面相平行。
分光片4的分光面与三棱镜3a的斜面和三棱镜3b的斜面均平行。第一光路和第二光路的光程相等。
分光片4的分光面将第一光路和第二光路形成的干涉光分为传播方向相垂直的干涉光X3和干涉光Y3。
干涉光X3经平行玻璃平板5补偿光程后进入平衡探测器6的负极构成第三光路。平行玻璃平板5与干涉光X3的传播方向平行。
干涉光Y3经三棱镜3c反射后的反射光X4进入平衡探测器6的正极构成第四光路。三棱镜3c的斜面为干涉光Y3的反射面且三棱镜3c的斜面与分光片4平行。
反射光X4和干涉光X3的传播方向一致，且第三光路和第四光路的光程相等。
工作原理：光源1发射的空间光经立方棱镜2分光，形成传播方向相互垂直的透射光X1和反射光Y1，透射光X1和反射光Y1不存在相位差。三棱镜3a对透射光X1全反射形成反射光Y2进入分光片4构成第一光路。三棱镜3b对反射光Y1全反射后形成反射光X2进入分光片4构成第二光路。第一光路和第二光路的光程相等且反射光X2和反射光Y2没有相位差。
反射光X2和反射光Y2在分光片4处发生干涉，由于分光片的分光面基底材料折射率高于空气，分光片的分光面将干涉光从空气反射到空气的干涉光X3产生半波损失，即相位延迟180˚。而从基底材料内反射出去的干涉光Y3不产生相位跃变，因此在分光片4处分开干涉光X3和干涉光Y3存在180˚的相位差。
干涉光X3经平行玻璃平板5补偿光程后进入平衡探测器6的负极形成第三光路。干涉光Y3经三棱镜3c全反射后的反射光X4进入平衡探测器6的正极。反射光X4和干涉光X3传播方向一致，第三光路和第四光路的光程相等，这样干涉光X3和反射光X4传播到平衡探测器6时，相位差恒定为180˚。相位差为180˚的干涉光进行差分探测后，信噪比值提升为原来的2倍，同时差分探测可以消除光强直流信号以及共模噪声。
在进行频域OCT层析成像时将样品放入X1或者X2的光路中，光源1采用扫频宽带光源，这样在平衡探测器端可探测到包含样品深度信息的差分干涉信号，要对样品进行横向面扫描得到三维数据时，只需使用电动平台带动样品在光路的垂直面内进行二维移动。
实施例2：如图2所示，一种自由空间干涉光路平衡探测装置，包括立方棱镜2，立方棱镜2的分光面与光源1发射的空间光的前进方向呈45˚。立方棱镜2将空间光分为传播方向相互垂直的反射光Y1和透射光X1。
透射光X1经反射镜3a反射后的反射光Y2进入分光片4构成第一光路。反射镜3a与立方棱镜2的分光面相平行。
反射光Y1经反射镜3b反射后的反射光X2进入分光片4构成第二光路。反射镜3b与立方棱镜的分光面相平行。
分光片4的分光面与反射镜3a和反射镜3b均平行。第一光路和第二光路的光程相等。
分光片4的分光面将第一光路和第二光路形成的干涉光分为传播方向相垂直的干涉光X3和干涉光Y3。
干涉光X3经平行玻璃平板5补偿光程后进入平衡探测器6的负极构成第三光路。平行玻璃平板5与干涉光X3的传播方向平行。
干涉光Y3经三棱镜3c反射后的反射光X4进入平衡探测器6的正极构成第四光路。三棱镜3c的斜面为干涉光Y3的反射面且三棱镜3c的斜面与分光片4平行。
反射光X4和干涉光X3的传播方向一致，且第三光路和第四光路的光程相等。
工作原理：光源1发射的空间光经立方棱镜2分光，形成传播方向相互垂直的透射光X1和反射光Y1，透射光X1和反射光Y1不存在相位差。反射镜3a对透射光X1反射形成反射光Y2进入分光片4构成第一光路。反射镜3b对反射光Y1反射后形成反射光X2进入分光片4构成第二光路。第一光路和第二光路的光程相等。透射光X1和反射光Y1分别在反射镜3a和反射镜3b处进行菲涅尔反射均发生半波损失，故反射光X2和反射光Y2没有相位差。
反射光X2和反射光Y2在分光片4处发生干涉，由于分光片的分光面基底材料折射率高于空气，分光片的分光面将干涉光从空气反射到空气的干涉光X3产生半波损失，即相位延迟180˚。而从基底材料内反射出去的干涉光Y3不产生相位跃变，因此在分光片4处分开干涉光X3和干涉光Y3存在180˚的相位差。
干涉光X3经平行玻璃平板5补偿光程后进入平衡探测器6的负极形成第三光路。干涉光Y3经三棱镜3c全反射后的反射光X4进入平衡探测器6的正极。反射光X4和干涉光X3传播方向一致，第三光路和第四光路的光程相等，这样干涉光X3和反射光X4传播到平衡探测器6时，相位差恒定为180˚。相位差为180˚的干涉光进行差分探测后，信噪比值提升为原来的2倍，同时差分探测可以消除光强直流信号以及共模噪声。
在进行频域OCT层析成像时将样品放入X1或者X2的光路中，光源1采用扫频宽带光源，这样在平衡探测器端可探测到包含样品深度信息的差分干涉信号，要对样品进行横向面扫描得到三维数据时，只需使用电动平台带动样品在光路的垂直面内进行二维移动。
实施例3：如图3所示，一种自由空间干涉光路平衡探测装置，包括立方棱镜2，立方棱镜2的分光面与光源1发射的空间光的前进方向呈45˚。立方棱镜2将空间光分为传播方向相互垂直的反射光Y1和透射光X1。
透射光X1经三棱镜3a反射后的反射光Y2进入立方棱镜4构成第一光路。三棱镜3a的斜面为透射光X1的反射面，且三棱镜3a的斜面与立方棱镜2的分光面相平行。
反射光Y1经三棱镜3b反射后的反射光X2进入立方棱镜4构成第二光路。三棱镜3b的斜面为反射光Y1的反射面，且三棱镜3b的斜面与立方棱镜2的分光面相平行。
立方棱镜4的分光面与三棱镜3a的斜面和三棱镜3b的斜面均平行。第一光路和第二光路的光程相等。
立方棱镜4的分光面将第一光路和第二光路形成的干涉光分为传播方向相垂直的干涉光X3和干涉光Y3。
干涉光X3经平行玻璃平板5补偿光程后进入平衡探测器6的负极构成第三光路。平行玻璃平板5与干涉光X3的传播方向平行。
干涉光Y3经反射镜3c反射后的反射光X4进入平衡探测器6的正极构成第四光路。反射镜3c与立方棱镜4的分光面平行。
反射光X4和干涉光X3的传播方向一致，且第三光路和第四光路的光程相等。
工作原理：光源1发射的空间光经立方棱镜2分光，形成传播方向相互垂直的透射光X1和反射光Y1，透射光X1和反射光Y1不存在相位差。三棱镜3a对透射光X1全反射形成反射光Y2进入立方棱镜4构成第一光路。三棱镜3b对反射光Y1全反射后形成反射光X2进入立方棱镜4构成第二光路。第一光路和第二光路的光程相等且反射光X2和反射光Y2没有相位差。
反射光X2和反射光Y2在立方棱镜4处发生干涉，立方棱镜4将干涉光分为传播方向相垂直的干涉光X3和干涉光Y3，干涉光X3和干涉光Y3不存在相位差。
干涉光X3经平行玻璃平板5补偿光程后进入平衡探测器6的负极形成第三光路。反射镜3c的反射面基底材料折射率高于空气，所以将干涉光Y3从空气反射至空气后的反射光X4，反射光X4产生半波损失，即相位延迟180˚。反射光X4进入平衡探测器6的正极。反射光X4和干涉光X3传播方向一致，第三光路和第四光路的光程相等，这样干涉光X3和反射光X4传播到平衡探测器6时，相位差恒定为180˚。相位差为180˚的干涉光进行差分探测后，信噪比值提升为原来的2倍，同时差分探测可以消除光强直流信号以及共模噪声。
在进行频域OCT层析成像时将样品放入X1或者X2的光路中，光源1采用扫频宽带光源，这样在平衡探测器端可探测到包含样品深度信息的差分干涉信号，要对样品进行横向面扫描得到三维数据时，只需使用电动平台带动样品在光路的垂直面内进行二维移动。
实施例4：如图4所示，一种自由空间干涉光路平衡探测装置，包括立方棱镜2，立方棱镜2的分光面与光源1发射的空间光的前进方向呈45˚。立方棱镜2将空间光分为传播方向相互垂直的反射光Y1和透射光X1。
透射光X1经三棱镜3a反射后的反射光Y2进入立方棱镜4构成第一光路。三棱镜3a的斜面为透射光X1的反射面，且三棱镜3a的斜面与立方棱镜2的分光面相平行。
反射光Y1经三棱镜组3b反射后的反射光X2进入立方棱镜4构成第二光路。反射光X2与反射光X1传播方向相同。
立方棱镜4的分光面与三棱镜3a的斜面平行。第一光路和第二光路的光程相等。
立方棱镜4的分光面将第一光路和第二光路形成的干涉光分为传播方向相垂直的干涉光X3和干涉光Y3。
干涉光X3经平行玻璃平板5补偿光程后进入平衡探测器6的负极构成第三光路。平行玻璃平板5与干涉光X3的传播方向平行。
干涉光Y3经反射镜3c反射后的反射光X4进入平衡探测器6的正极构成第四光路。反射镜7与立方棱镜4的分光面平行。
反射光X4和干涉光X3的传播方向一致，且第三光路和第四光路的光程相等。
工作原理：光源1发射的空间光经立方棱镜2分光，形成传播方向相互垂直的透射光X1和反射光Y1，透射光X1和反射光Y1不存在相位差。三棱镜3a对透射光X1全反射形成反射光Y2进入立方棱镜2b构成第一光路。三棱镜组3b对反射光Y1全反射后形成反射光X2进入立方棱镜4构成第二光路。第一光路和第二光路的光程相等且反射光X2和反射光Y2没有相位差。
反射光X2和反射光Y2在立方棱镜4处发生干涉，立方棱镜4将干涉光分为传播方向相垂直的干涉光X3和干涉光Y3，干涉光X3和干涉光Y3不存在位相差。
干涉光X3经平行玻璃平板5补偿光程后进入平衡探测器6的负极形成第三光路。反射镜3c的反射面基底材料折射率高于空气，所以将干涉光Y3从空气反射至空气后的反射光X4，反射光X4产生半波损失，即相位延迟180˚。反射光X4进入平衡探测器6的正极。反射光X4和干涉光X3传播方向一致，第三光路和第四光路的光程相等，这样干涉光X3和反射光X4传播到平衡探测器6时，相位差恒定为180˚。相位差为180˚的干涉光进行差分探测后，信噪比值提升为原来的2倍，同时差分探测可以消除光强直流信号以及共模噪声。
在进行时域OCT层析成像时，光源1采用宽带光源，并将样品放入立方棱镜2和三棱镜3a之间，使透射光X1平行穿过样品。电动平台带动三棱镜组3b移动保持第一光路和第二光路的光程相等。这样在平衡探测器6可探测到包含样品深度信息的差分干涉信号，只需使用电动平台带动样品在透射光X1的垂直面内进行二维移动，即可完成对样品的深度层析扫描。
Claims (9)
1.一种自由空间干涉光路平衡探测装置，其特征在于：包括立方棱镜（2），立方棱镜（2）的分光面与光源（1）发射的空间光的前进方向呈45˚，立方棱镜（2）将空间光分为传播方向相互垂直的透射光X1和反射光Y1；所述透射光X1经第一反射器（3a）反射进入第二分光器（4）构成第一光路；第一反射器（3a)的反射面与立方棱镜(2)的分光面平行；所述反射光Y1经第二反射器(3b)反射进入第二分光器(4)构成第二光路；第二反射器(3b)的反射面与立方棱镜(2)的分光面平行；第二分光器(4)的分光面与第一反射器(3a)的反射面和第二反射器(3b)的反射面均平行；
第二分光器(4)的分光面将第一光路和第二光路形成的干涉光分为传播方向相垂直的干涉光X3和干涉光Y3；干涉光X3经平行玻璃平板(5)补偿光程后进入平衡探测器(6)的负极构成第三光路；平行玻璃平板(5)与干涉光X3的传播方向平行；干涉光Y3经第三反射器(3c)反射后的反射光X4进入平衡探测器(6)的正极构成第四光路；第三反射器(3c)的反射面第二分光器(4)的分光面平行。
2.根据权利要求1所述的自由空间干涉光路平衡探测装置，其特征在于：第一光路和第二光路的光程相等；第三光路和第四光路的光程相等。
3.根据权利要求2所述的自由空间干涉光路平衡探测装置，其特征在于：第一反射器和第二反射器为三棱镜，三棱镜的斜面为反射面且三棱镜的斜面与立方棱镜(2)的分光面平行。
4.根据权利要求2所述的自由空间干涉光路平衡探测装置，其特征在于：第一反射器和第二反射器为反射镜，反射镜与立方棱镜(2)的分光面平行。
5.根据权利要求3或4所述的自由空间干涉光路平衡探测装置，其特征在于：第二分光器(4)为分光片；第三反射器(3c)为三棱镜，三棱镜的斜面为反射面；三棱镜的斜面和分光片的分光面均与立方棱镜(2)的分光面平行。
6.根据权利要求5所述的自由空间干涉光路平衡探测装置，其特征在于：所述干涉光X3和干涉光Y3的相位差为180˚。
7.根据权利要求3或4所述的自由空间干涉光路平衡探测装置，其特征在于：第二分光器(4)为立方棱镜；第三反射器(3c)为反射镜；立方棱镜的分光面与反射镜均与立方棱镜(2)的分光面平行。
8.根据权利要求7所述的自由空间干涉光路平衡探测装置，其特征在于：所述干涉光X3和反射光X4的相位差为180˚。
9.根据权利要求2所述的自由空间干涉光路平衡探测装置，其特征在于：所述第一反射器为三棱镜，第二反射器为三棱镜组。
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