CN104990500A - 一种检测金刚石对顶砧中物质体积和折射率的装置及方法 - Google Patents

一种检测金刚石对顶砧中物质体积和折射率的装置及方法 Download PDF

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本发明提出一种检测金刚石对顶砧中物质体积和折射率的装置及方法，本发明适用于物质高压下的折射率和高压物态方程的研究。所述装置包括宽带光源，还包括立方棱镜，立方棱镜的两路出射光路上依次设有汇聚物镜和三棱镜，立方棱镜后方设有面阵探测器，三棱镜的出射光路上设有反射镜，汇聚物镜的出射光路上设有金刚石对顶砧，金刚石对顶砧与第一位移机构相连，反射镜与第二位移机构相连。本发明只使用一套干涉测量装置，可以一次解算出样品的实时厚度和折射率，加上面阵成像特点得出样品的体积，无需配置额外的单色光干涉装置，测量过程简单，方便高压下物质参数的测量，且容易实现。本发明在能源、材料等领域具有巨大的市场应用价值。

Description

一种检测金刚石对顶砧中物质体积和折射率的装置及方法
技术领域
本发明属于干涉成像测量技术领域，具体涉及一种基于光学相干层析技术原理来测量金刚石对顶砧中物质的折射率和体积的装置和方法。
背景技术
高压可以戏剧性的改变物质的特性，这为物理、化学、材料、生物等领域的研究和发展提供了重要的实验手段。检测高压下物质的折射率可以分析物质的电子特性，而检测高压下的物质的体积则有助于得到物态方程，这些参数的测量有助于新材料、新器件的研究和发展。但是目前还没有能单独使用一套仪器可以精确得到高压下物质折射率和体积的办法和装置。
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技术属于一种干涉测量技术，可以获得样品的光学层析厚度d*n，共聚焦显微镜技术原理是通过使用高倍数值孔径的物镜，将焦平面以外的信息滤去，以提高分辨率，获得的是样品等效光程厚度d/n。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种检测金刚石对顶砧中物质体积和折射率的装置及方法，本发明适用于物质高压下的折射率和高压物态方程的研究。
本发明的技术方案是这样实现的：一种检测金刚石对顶砧中物质体积和折射率的装置，包括宽带光源，还包括立方棱镜，立方棱镜的两路出射光路上依次设有汇聚物镜和三棱镜，立方棱镜后方设有面阵探测器，三棱镜的出射光路上设有反射镜，汇聚物镜的出射光路上设有金刚石对顶砧，金刚石对顶砧与第一位移机构相连，反射镜与第二位移机构相连。
一种检测金刚石对顶砧中物质体积和折射率的方法，是按照下述方式进行的：
步骤(1)，宽带光源发出的空间光经过立方棱镜分成两路传播，一路光通过汇聚物镜后汇聚在金刚石对顶砧中的样品上，光在样品中被后向散射成为样品光原路返回至立方棱镜；另外一路光则通过三棱镜进行光路转折后入射在反射镜上，反射镜将光原路反射回形成参考光；样品光和参考光在立方棱镜处形成干涉光被面阵探测器接收；
步骤(2)，通过第二位移机构来控制反射镜的移动，反射镜移动时，面阵探测器采集金刚石对顶砧中的干涉数据；驱动第一位移机构将金刚石对顶砧缓慢移动，这样样品光将聚焦在金刚石对顶砧中样品的深度各层中，同时，第二位移机构驱动反射镜做快速移动，这样在面阵探测器得到共聚焦OCT的数据，通过图像复原算法复原出图像，测量图中金刚石对顶砧的上下两个表面的距离，该距离便是样品的光学厚度n*d，d为样品实际厚度、n为样品折射率，而第一位移机构移动过程中，测量复原图中的金刚石对顶砧上下表面峰值对应的第一位移机构8位置之差，就是压腔中样品的等效光程厚度d/n，这样共聚焦干涉成像信号便可全部获取；
步骤(3)，由共焦成像的数据d/n和数据n*d便可分别解算出金刚石对顶砧中样品的折射率n和加压后的实际厚度d，另外；在干涉光信号的探测端采用面阵探测器进行光电转换，即可实现全场OCT成像；采用面阵探测器成像后可以对金刚石对顶砧的横向范围进行成像，可以通过成像放大率来测量压腔的面积S，并最终测量出压腔的样品体积V＝d*S。
反射镜的移动速度快于金刚石对顶砧的移动速度。
宽带光源的带宽优选为150nm
本发明只使用一套干涉测量装置，通过两个位移机构进行深度扫描时移动样品位置来实现共聚焦干涉信号的获取，可以一次解算出样品的实时厚度和折射率，加上面阵成像特点得出样品的体积，无需配置额外的单色光干涉装置，测量过程简单，方便高压下物质参数的测量，且容易实现。本发明在能源、材料等领域具有巨大的市场应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图。
其中：1.宽带光源，2.立方棱镜，3.汇聚物镜，4.金刚石对顶砧，5.三棱镜，6.反射镜，7.面阵探测器，8.第一位移机构，9.第二位移机构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所述的检测金刚石对顶砧中物质体积和折射率的装置包括宽带光源1，还包括立方棱镜2，立方棱镜2的两路出射光路上依次设有汇聚物镜3和三棱镜5，立方棱镜2后方设有面阵探测器7，三棱镜5的出射光路上设有反射镜6，汇聚物镜3的出射光路上设有金刚石对顶砧4，金刚石对顶砧4与第一位移机构8相连，反射镜6与第二位移机构9相连。宽带光源的带宽优选在150nm左右。
本发明所述的检测金刚石对顶砧中物质体积和折射率的方法，是按照下述方式进行的：
步骤(1)，宽带光源1发出的空间光经过立方棱镜2分成两路传播，一路光通过汇聚物镜3后汇聚在金刚石对顶砧4中的样品上，光在样品中被后向散射成为样品光原路返回至立方棱镜2；另外一路光则通过三棱镜5进行光路转折后入射在反射镜6上，反射镜6将光原路反射回形成参考光；样品光和参考光在立方棱镜2处形成干涉光被面阵探测器7接收；
步骤(2)，通过第二位移机构9来控制反射镜6的移动，反射镜6移动时，面阵探测器7采集金刚石对顶砧4中的干涉数据；驱动第一位移机构8将金刚石对顶砧4缓慢移动，这样样品光将聚焦在金刚石对顶砧4中样品的深度各层中，同时，第二位移机构9驱动反射镜6做快速移动，这样在面阵探测器7得到共聚焦OCT的数据，通过图像复原算法复原出图像，测量图中金刚石对顶砧4的上下两个表面的距离，该距离便是样品的光学厚度n*d，d为样品实际厚度、n为样品折射率，而第一位移机构8移动过程中，测量复原图中的金刚石对顶砧4上下表面峰值对应的第一位移机构8位置之差，就是压腔中样品的等效光程厚度d/n，这样共聚焦干涉成像信号便可全部获取；
步骤(3)，由共焦成像的数据d/n和数据n*d便可分别解算出金刚石对顶砧中样品的折射率n和加压后的实际厚度d。另外；在干涉光信号的探测端采用面阵检测器进行光电转换，即可实现全场OCT成像，；采用面阵探测器7成像后可以对金刚石对顶砧的横向范围进行成像，可以通过成像放大率来测量压腔的面积S，并最终测量出压腔的样品体积V＝d*S。
其中，反射镜6的移动速度快于金刚石对顶砧的移动速度。
本发明通过将共聚焦成像原理集成下OCT的光路中，使得该方法可以测量到样品的共聚焦干涉信号，并对该信号进行傅里叶变换后图像测量分析，可以同时得到样品的厚度、折射率以及面积等测量参数，使用更加便。其测量过程及所用的仪器数量大大简化，并且操作过程简便，容易实现。
其中，步骤(2)中具体实施如下：第一位移机构8缓慢运动的同时第二位移机构9带动反射镜6快速移动，第一位移机构8每向物镜方向移动一个微位移后，第二位移机构9带动反射镜6快速移动，同时面阵探测器接收干涉光信息Ii。面阵探测器对样品横向二维面进行成像，记录m*n*i个像素数据，其中m*n为横向数据，i表示样品深度信息点，即面阵探测器接受m*n个干涉光信息Ii。将每一组Ii进行Fourier变换后，可以得到物镜将光汇聚在样品不同深度时，m*n个样品的深度层析信息组Di，对所述信息组Di做图像处理分析可以得到样品上下表面的光程厚度，即样品的实际厚度d和折射率n的乘积n*d。Di做图像处理分析可以得到光汇聚在样品上下表面时，第一位移机构8所移动的距离L。所述距离为样品的等效光程厚度d/n，即样品的实际厚度d除以折射率n。
面阵探测器得到的样品横向成像信息，根据面阵探测器的像素个数、像素大小及倍率可以求出样品的表面积S。最后，结合厚度信息就可以得到体积数据V＝S*d。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种检测金刚石对顶砧中物质体积和折射率的装置，包括宽带光源(1)，其特征在于：还包括立方棱镜(2)，立方棱镜(2)的两路出射光路上依次设有汇聚物镜(3)和三棱镜(5)，立方棱镜(2)后方设有面阵探测器(7)，三棱镜(5)的出射光路上设有反射镜(6)，汇聚物镜(3)的出射光路上设有金刚石对顶砧(4)，金刚石对顶砧(4)与第一位移机构(8)相连，反射镜(6)与第二位移机构(9)相连。
2.一种检测金刚石对顶砧中物质体积和折射率的方法，其特征在于是按照下述方式进行的：
步骤(1)，宽带光源(1)发出的空间光经过立方棱镜(2)分成两路传播，一路光通过汇聚物镜(3)后汇聚在金刚石对顶砧(4)中的样品上，光在样品中被后向散射成为样品光原路返回至立方棱镜(2)；另外一路光则通过三棱镜(5)进行光路转折后入射在反射镜(6)上，反射镜(6)将光原路反射回形成参考光；样品光和参考光在立方棱镜(2)处形成干涉光被面阵探测器(7)接收；
步骤(2)，通过第二位移机构(9)来控制反射镜(6)的移动，反射镜(6)移动时，面阵探测器(7)采集金刚石对顶砧(4)中的干涉数据；驱动第一位移机构(8)将金刚石对顶砧(4)缓慢移动，这样样品光将聚焦在金刚石对顶砧(4)中样品的深度各层中，同时，第二位移机构(9)驱动反射镜(6)做快速移动，这样在面阵探测器(7)得到共聚焦OCT的数据，通过图像复原算法复原出图像，测量图中金刚石对顶砧(4)的上下两个表面的距离，该距离便是样品的光学厚度n*d，d为样品实际厚度、n为样品折射率，而第一位移机构(8)移动过程中，测量复原图中的金刚石对顶砧(4)上下表面峰值对应的第一位移机构(8)位置之差，就是压腔中样品的等效光程厚度d/n，这样共聚焦干涉成像信号便可全部获取；
步骤(3)，由共焦成像的数据d/n和数据n*d便可分别解算出金刚石对顶砧中样品的折射率n和加压后的实际厚度d，另外；在干涉光信号的探测端采用面阵探测器进行光电转换，即可实现全场OCT成像；采用面阵探测器7成像后可以对金刚石对顶砧的横向范围进行成像，可以通过成像放大率来测量压腔的面积S，并最终测量出压腔的样品体积V＝d*S。
3.根据权利要求2所述的检测金刚石对顶砧中物质体积和折射率的方法，其特征在于：反射镜(6)的移动速度快于金刚石对顶砧的移动速度。
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