CN105588847B - 一种用于近透明矿物质的大深度oct扫描装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述一种用于近透明矿物质的大深度OCT扫描装置，包括弱相干光源部分，激光光路部分，样品臂光路部分，参考臂光路部分，系统校准单元，系统光信号接收单元和信号处理单元；弱相干光源部分包括弱相干光源和偏振控制器，通过调节偏振控制器，可输出需要的偏振辐射光。本发明无需破坏近透明矿物质，对环境无特殊要求，对近透明矿物质进行无损探测。本发明采用独特的激光光路系统，结合电动直线平移单元其长行程的特点，对近透明矿物质内部进行大深度纵向光程扫描，能够更加准确全面的了解近透明矿物质内部的情况，并采用独特的系统校准单元和大深度光程扫描装置，系统探测精度误差可达微米级，准确度高，探测范围大。

Description

一种用于近透明矿物质的大深度OCT扫描装置及方法

技术领域

本发明涉及近透明矿物质检测技术领域，特别涉及用于近透明矿物质的大深度OCT扫描装置及方法。

背景技术

对近透明矿物质的提取或加工过程，需要采用不同类型的探测仪器辅助。在矿物质加工前，需对其进行品质检查。

由于近透明矿物质本身内部存在瑕疵(如裂痕和杂质等)，在加工前，若没有检测出瑕疵情况，可能会因为瑕疵问题而导致最终加工出来的产品成色不高甚至变为残次品，对原材料利用率不高，造成极大的损失。

对于高精密现代加工而言，高精度的探测装置设备是非常关键的。

传统测量方法使用超声回波技术，通过超声发生器发出超声波，通过探测介质分界面返回来的超声波分辨该物质的品质。由于超声波受本身物理属性的限制，其所能探测的最小物质有限，因此超声回波技术无法探测部分微小瑕疵，探测得到的结果是误差很大，无法满足现代高精度加工水平的要求。

机器视觉方法通过对被测物体的二维图像进行数字图像处理，可以精确判断其表面瑕疵情况，对于物体内部的情况，需要配合合适的照明系统。但如果被测物体体积稍大或其表面瑕疵比较严重，照明系统不能穿透其内部时，成像系统则无法清楚观测到其内部情况。因此，该方法对于体积稍大或表面瑕疵严重的被测物无法进行探测。

光学相干层析成像(OCT，opticalCoherence Tomograph)是另一种高精度的光学探测技术，它是一种新型的高精度非接触成像手段，其优点在于非接触，无损害探测，可穿透到半透明矿物质内部进行内部情况观测，其探测精度非常高。但是其探测的深度非常有限，仅有几毫米，而且其结构复杂，不适合应用于对大体积被测物的测量。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种用于近透明矿物质的大深度OCT扫描装置及方法，该方法测量准确，测量范围大，信噪比高。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于近透明矿物质的大深度OCT扫描装置，包括弱相干光源部分，激光光路部分，样品臂光路部分，参考臂光路部分，系统校准单元，系统光信号接收单元和信号处理单元；

本发明利用OCT技术，可获得微米级的探测精度；参考臂光路部分使用电动直线平移单元产生大深度光程扫描，可以在数秒内完成大深度的扫描；独特的系统校准单元，可对样品臂光路部分和参考臂光路部分进行微米级误差校准；巧妙设计光学外差探测光路对弱信号进行探测，实现高精度大深度的探测。

所述弱相干光源部分包括弱相干光源和偏振控制器，通过调节偏振控制器，可输出需要的偏振辐射光。

进一步，所述激光光路部分，把弱相干光源部分产生的激光光辐射分别分路到所述样品臂光路部分和所述参考臂光路部分，其由多个光纤耦合器组成，所述样品臂光路部分和参考臂光路部分出射的激光束经各路光学系统反射后，沿原路返回激光光路部分合束，再分路到所述系统光信号接收单元。

进一步，所述样品臂光路部分包括光纤输出单元和液体透镜，所述液体透镜把所述光纤输出单元出射的激光束会聚到被测物上，使激光束在被测物体上聚焦，然后接收从被测物漫反射的光，使之返回激光光路系统中。

进一步，所述参考臂光路部分，包括光纤准直透镜、光纤耦合透镜、直角反射镜和电动直线平移单元，所述激光光路部分分路的激光经过光纤准直透镜，出射到光学延迟线部分，所述光学延迟线部分再把激光束反射，经过所述光纤耦合透镜耦合到所述激光光路部分中去，电动直线平移单元在通电情况下进行直线移动，实现激光束光程扫描功能。

进一步，所述系统校准单元包括准直透镜和反射镜，对激光光路部分光学参数的相对光信号进行校正，通过自由空间上的反射镜稳定反射激光束，对激光光路系统分路的所述参考臂光路部分和样品臂光路部分的系统误差进行微米级校正。

进一步，所述系统光信号接收单元包括多组PIN光电二极管、差分放大单元和傅里叶频谱整形电路，把所述激光光路部分产生的回返光学外差调制光信号转换成电信号，设置PIN光电二极管工作模式为光伏模式，减少器件噪声，提高信噪比，对由光信号转换而成的电信号作差分放大处理，去除共模的干扰信号，放大有用的差模信号，对电信号进行傅里叶频谱整形处理，得到用于计算的信号。

所述信号处理单元，包括模数转换单元和PC上位机，对系统光信号接收单元输出的电信号进行模数转换，再传到PC上位机进行计算，经PC上位机计算后输出结果。

一种用于近透明矿物质的大深度OCT扫描方法，测量步骤如下：

(1)启动系统：开启系统电源，点亮弱相干光源，打开光学延迟线开关、系统校准单元开关；

(2)放置被测物：把被测物放到待测平台上，在上位机把该系统设置为工作模式，使其开始工作；

(3)动态获取近透明矿物质内部的光学调制信号：基于系统校准单元，样品臂光路部分和参考臂光路部分的误差以作校准，可在上位机上看到精准的其内部情况，其中信号波形情况解释如下：

a)信号产生为高斯峰，其为近透明矿物质前后表面以及内部瑕疵的情况；

b)除去近透明矿物质前后表面的信号波形，信号波形的强度代表瑕疵的深度，信号越强，瑕疵越严重，反之亦然；

c)瑕疵产生的信号峰，对应在信号轴出现的位置，代表其在近透明矿物质内部所在的空间位置；

(4)数次采样：对被测近透明矿物质作数次采集，得出的结果再取均值计算；

(5)计算：对最终得到的结果计算，得出瑕疵信号的位置，以及瑕疵的严重程度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明是非接触光学弱相干探测技术，无需破坏近透明矿物质，对环境也无特殊要求，可以对近透明矿物质进行无损探测。

2.本发明采用独特的激光光路系统，结合电动直线平移单元其长行程的特点，对近透明矿物质内部进行大深度纵向光程扫描，能够更加准确全面的了解近透明矿物质内部的情况。

3.本发明采用了液体透镜作为聚焦透镜，其特点在于可以快速实现不同位置连续聚焦，配合大深度OCT扫描装置，很好地解决探测时激光束离焦情况，提高系统探测灵敏度。

4.本发明采用独特的大深度OCT扫描校准单元，很好的解决了传统OCT扫描系统的扫描误差问题，特别是微小瑕疵情况下，其具有精确的定位判断，更小的扫描误差等优势。

5.本发明采用了多路光电接收单元，能够输出多路光信息信号，结合差分放大电路提高电路系统的稳定性，增强系统的信噪比。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1为本发明所述一种用于近透明矿物质的大深度OCT扫描装置原理图。

图2为液体透镜工作图。

图3为系统校准单元部分图。

图4为近透明矿物质信号结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种用于近透明矿物质大深度OCT扫描的方法，其实施方式如下：参见图1，该系统由：弱相干光源部分，激光光路部分，样品臂光路部分，参考臂光路部分，系统校准单元，系统光信号接收单元，信号处理单元组成。

弱相干光源部分包括，第一弱相干光源1、第二弱相干光源35、第一输出光纤2、第二输出光纤30和第一偏振控制器3。偏振控制器可调节输出激光的偏振态。

激光光路部分包括，第一弱相干光源输入光纤4、第一光纤耦合器5、第二光纤耦合器7、第三光纤耦合器31、第四光纤耦合器27，第二偏振控制器11、第三偏振控制器19、第四偏振控制器26、第五偏振控制器42组成。激光输入光功率通过不同的光纤耦合器分路到样品臂光路部分和参考臂光路部分。

样品臂光路部分包括，第三输出光纤12和液体透镜13组成。液体透镜把输出激光会聚到被测物上，液体透镜是可以动态连续变焦，可以实现在近透明矿物质内不同深度的聚焦。

参考臂光路部分包括，第一准直透镜21、直角反射镜16、电动直线平移单元17和光纤耦合透镜24组成。电动直线平移单元可实现大纵向移动，结合光路系统，可实现大深度OCT扫描光程扫描。

系统校准单元包括，第二准直透镜44、聚焦透镜46和反射镜48。系统校准单元通过校准单元的光路系统，产生回光光信号，借助此回光信号，对样品臂光路部分和参考臂光路部分误差进行微米级的校准。

系统光信号接收单元包括，第一PIN光电二极管36、第二PIN光电二极管37、第三PIN光电二极管38和差分放大电路模块39组成。光信号转化成电信号，再做差分放大处理。

信号处理单元包括模数转换单元和PC上位机。对采集的信号进行重组和计算。

第一弱相干光源1，在恒流电源下驱动，使之辐射出稳定的激光束。激光束出射，经过第一输出光纤2与第一偏振控制器3连接，第一偏振控制器3调节入射到激光光路系统的激光束的偏振态。第一偏振控制器3与第一光纤耦合器5通过第一弱相干光源输入光纤4连接。第一光纤耦合器5、第二光纤耦合器7通过第一光纤跳线6连接，第二光纤耦合器7把激光束分路成两路，分别在第四输出光纤10、第五输出光纤18输出。

第五输出光纤18的激光束进过第三偏振控制器19，在第一准直透镜21准直后输出。直角反射镜16把平行光22反射180°返回，在光纤耦合透镜24把激光束耦合到光纤输入25，再经过第四光纤耦合器27、第三光纤耦合器31到第一PIN光电二极管36、第二PIN光电二极管37、第三PIN光电二极管38。

第二弱相干光源35辐射激光束，在第四光纤耦合器27分路到光纤输入25和第六输出光纤41，光纤输入25激光束被直角反射镜16反射到第二光纤耦合器7，第四光纤耦合器27分路的另一路到第六输出光纤41，经第五偏振控制器42后出射，第二准直透镜44准直，聚焦透镜46聚焦在反射镜48上，再沿原路返回。

第二光纤耦合器7分路的另一路激光束到第四输出光纤10，第二偏振控制器11，再经液体透镜13聚焦到被测物体上，被测物体漫反射部分微弱激光沿原路返回。

在第一PIN光电二极管36、第二PIN光电二极管37、第三PIN光电二极管38接收到的光信号为样品臂光路部分和参考臂光路部分激光光束耦合后产生的光学外差调制信号，该光学外差调制信号为弱相干光源辐射的激光光谱上各个光波矢的积分，其光波矢积分运算结果与各个光波矢的相位差有关，当各个光波矢的相位差等于0，也就是各个光波矢的光程差为0时，其运算结果为各个光波矢能量的代数和；而当各个光波矢的相位差不等于0时，其运算结果接近于0。根据光学外差调制信号极大值的幅度和位置，就可知道近透明矿物质内部的瑕疵情况。

第一PIN光电二极管36、第二PIN光电二极管37、第三PIN光电二极管38转换成电信号，电信号在差分放大电路模块39差分处理，滤除电信号中的共模信号，放大差模信号，提高系统信噪比。

经模数转换装置40转换后，把采集到的光信号传输到上位机，进行数字信号处理。

样品臂光路部分的液体透镜，图2所示，可实现从凹面到凸面转变，凹面时呈现为凹透镜作用，把入射光束发散；平面时，呈现为平面玻璃；凸面时呈现为凸透镜，把光束会聚。液体透镜在通以0V-70V电压，可实现焦距从-80mm至无穷，无穷至8mm连续变化。

系统校准部分，校准参考臂部分和探测臂扫描部分的误差。校准部分第七输出光纤43输出的激光光束，经过第二准直透镜44和聚焦透镜46聚焦在反射镜48上，沿原路返回，耦合到激光光纤光路中。另一部分经光纤输入25输出的激光束，经过直角反射镜16和第一准直透镜21耦合到激光光路中。这两路激光束分别经过第二光纤耦合器7、第四光纤耦合器27合束到第三光纤耦合器31中，分路到第一PIN光电二极管36、第二PIN光电二极管37。这两路的光束会产生光学外差调制，该调制信号的峰值宽度仅有几微米，因此该系统由这两路激光束可调制产生一个微米级的校准光信号，该光学外差调制信号在第一PIN光电二极管36、第二PIN光电二极管37上接收。

系统运作时，图3所示，参考臂部分和探测臂扫描部分需协同工作，因此需要一协同工作的控制装置，系统校准单元就是实现此功能的。参考臂光路部分的电动直线平移单元通电后直线运动，产生深度扫描的光信号。参考臂光路部分实现扫描过程中，探测臂部分需要实现连续深度连续变焦。参考臂光路部分的电动直线平移单元在做直线运动时，系统校准单元会产生系统校准信号，系统校准信号传递给参考臂光路部分和探测臂扫描部分，从而实现校准参考臂光路部分和探测臂扫描部分的误差。信号采集部分，根据系统校准单元产生的校准信号，实现协同信号采集。所构成的系统校准单元可实现微米级的误差校准。

系统运作时，参考臂光路部分的电动直线平移单元通电后直线运动，产生深度扫描的光信号，探测臂光路部分收集由被测物内部反射回来的微弱光信号，参考臂光路部分和探测臂光路部分的激光回波信号经过第一光纤耦合器5、第二光纤耦合器7、第三光纤耦合器31后分路到第二PIN光电二极管37、第三PIN光电二极管38，PIN光电二极管把该路的光信号转换成电压信号后，被差分放大电路模块39差分放大电路处理，滤除电信号中的共模信号，放大差模信号。对电信号进行傅里叶频谱整形处理，得到用于计算的信号，计算机对信号进行解调平滑处理后，可清晰得到近透明矿物质的内部纵向情况。

图4所示，近透明矿物质测量结果，图中前后两个高斯峰为近透明矿物质的前后表面，在近透明矿物质前表面和后表面中间就是其内部情况。图中可看到内部有拱起来的信号，说明物质内部存在瑕疵情况。如果其内部探测到的信号非常弱或者根本没有拱起信号，则说明其内部是无瑕疵，晶莹剔透，成色均匀。

该方法中弱相干光源部分提供可用于产生光学调制的信号光，样品臂光路部分接收近透明矿物质反射的微弱光信号，参考臂光路部分实现大深度光程扫描，把光信号进行光学外差调制，形成干涉波形，系统校准单元作为样品臂光路部分和参考臂光路部分的误差校正模块，系统光信号接收单元和信号处理单元把光信号转换成电信号，作差分放大处理后把信号解调出来，得出近透明矿物质内部瑕疵情况。本发明采用独特的系统校准单元和大深度光程扫描装置，系统探测精度误差可达微米级，准确度高，探测范围大

一种用于近透明矿物质大深度OCT扫描方法，测量步骤如下：

(6)启动系统：开启系统电源，点亮弱相干光源，打开光学延迟线开关、系统校准单元开关；

(7)放置被测物：把被测物放到待测平台上，在上位机把该系统设置为工作模式，使其开始工作；

(8)动态获取近透明矿物质内部的光学调制信号：基于系统校准单元，样品臂光路部分和参考臂光路部分的误差以作校准，可在上位机上看到其精准的内部情况。其中信号波形情况解释如下：

a)信号产生为高斯峰，其为近透明矿物质前后表面以及内部瑕疵的情况；

b)除去近透明矿物质前后表面的信号波形，信号波形的强度代表瑕疵的深度(瑕疵严重程度)，信号越强，瑕疵越严重，反之亦然。

c)瑕疵产生的信号峰对应在信号轴出现的位置，代表其在近透明矿物质内部所在的空间位置。

(9)数次采样：对被测近透明矿物质作数次采集，得出的结果均值计算。

(10)计算：对最终得到的结果计算，得出瑕疵信号的位置，以及瑕疵的严重程度。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是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 (7)

1.一种用于近透明矿物质的大深度OCT扫描装置，其特征在于：包括弱相干光源部分，激光光路部分，样品臂光路部分，参考臂光路部分，系统校准单元，系统光信号接收单元和信号处理单元；

所述弱相干光源部分包括弱相干光源和偏振控制器，通过调节偏振控制器，可输出需要的偏振辐射光；

所述系统校准单元包括准直透镜和反射镜，对激光光路部分光学参数的相对光信号进行校正，通过自由空间上的反射镜稳定反射激光束，对激光光路系统分路的所述参考臂光路部分和样品臂光路部分的系统误差进行微米级校正；

参考臂光路部分包括，第一准直透镜(21)、直角反射镜(16)、电动直线平移单元(17)和光纤耦合透镜(24)组成，电动直线平移单元可实现大纵向移动，结合光路系统，可实现大深度OCT扫描光程扫描；

系统校准单元包括，第二准直透镜(44)、聚焦透镜(46)和反射镜(48)，系统校准单元通过校准单元的光路系统，产生回光光信号，借助此回光信号，对样品臂光路部分和参考臂光路部分误差进行微米级的校准。

2.根据权利要求1所述一种用于近透明矿物质的大深度OCT扫描装置，其特征在于：所述激光光路部分，把弱相干光源部分产生的激光光辐射分别分路到所述样品臂光路部分和所述参考臂光路部分，其由多个光纤耦合器组成，所述样品臂光路部分和参考臂光路部分出射的激光束经各路光学系统反射后，沿原路返回激光光路部分合束，再分路到所述系统光信号接收单元。

3.根据权利要求1所述一种用于近透明矿物质的大深度OCT扫描装置，其特征在于：所述样品臂光路部分包括光纤输出单元和液体透镜，所述液体透镜把所述光纤输出单元出射的激光束会聚到被测物上，使激光束在被测物体上聚焦，然后接收从被测物漫反射的光，使之返回激光光路系统中。

4.根据权利要求1所述一种用于近透明矿物质的大深度OCT扫描装置，其特征在于：所述参考臂光路部分，包括光纤准直透镜、光纤耦合透镜、直角反射镜和电动直线平移单元，所述激光光路部分分路的激光经过光纤准直透镜，出射到光学延迟线部分，所述光学延迟线部分再把激光束反射，经过所述光纤耦合透镜耦合到所述激光光路部分中去，电动直线平移单元在通电情况下进行直线移动，实现激光束光程扫描功能。

5.根据权利要求1所述一种用于近透明矿物质的大深度OCT扫描装置，其特征在于：所述系统光信号接收单元包括多组PIN光电二极管、差分放大单元和傅里叶频谱整形电路，把所述激光光路部分产生的回返光学外差调制光信号转换成电信号，设置PIN光电二极管工作模式为光伏模式，减少器件噪声，提高信噪比，对由光信号转换而成的电信号作差分放大处理，去除共模的干扰信号，放大有用的差模信号，对电信号进行傅里叶频谱整形处理，得到用于计算的信号。

6.根据权利要求1所述一种用于近透明矿物质的大深度OCT扫描装置，其特征在于：所述信号处理单元，包括模数转换单元和PC上位机，对系统光信号接收单元输出的电信号进行模数转换，再传到PC上位机进行计算，经PC上位机计算后输出结果。

7.一种采用权利要求1的扫描装置用于近透明矿物质的大深度OCT扫描方法，其特征在于：测量步骤如下：

(1)启动系统：开启系统电源，点亮弱相干光源，打开光学延迟线开关、系统校准单元开关；

(2)放置被测物：把被测物放到待测平台上，在上位机把该系统设置为工作模式，使其开始工作；

(3)动态获取近透明矿物质内部的光学调制信号：基于系统校准单元，样品臂光路部分和参考臂光路部分的误差以作校准，可在上位机上看到精准的其内部情况，其中信号波形情况解释如下：

a)信号产生为高斯峰，其为近透明矿物质前后表面以及内部瑕疵的情况；

b)除去近透明矿物质前后表面的信号波形，信号波形的强度代表瑕疵的深度，信号越强，瑕疵越严重，反之亦然；

c)瑕疵产生的信号峰，对应在信号轴出现的位置，代表其在近透明矿物质内部所在的空间位置；

(4)数次采样：对被测近透明矿物质作数次采集，得出的结果再取均值计算；

(5)计算：对最终得到的结果计算，得出瑕疵信号的位置，以及瑕疵的严重程度。