CN105716521A - 增大频域低相干光干涉测量范围的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种增大频域低相干光干涉测量范围的装置由低相干光干涉和信号处理部分、参考臂和探测臂组成,低相干光干涉和信号处理部分的第1光纤准直器与参考臂光连接,低相干光干涉和信号处理部分的第2光纤准直器与探测臂光连接。采用上述装置进行增大频域低相干光干涉测量范围的方法步骤为:①用上述装置测量待测样品的探测面相对于等光程面的垂直距离d1绝对值;②在参考臂一侧加上透明片,用上述装置测量待测样品的探测面相对于等光程面的垂直距离d2绝对值,从而判断出待测样品的探测面位于等光程面的远端或近端。采用本方法能使频域低相干光干涉测量的检测范围扩大一倍。

Description

增大频域低相干光干涉测量范围的装置及其方法
技术领域
本发明涉及光学干涉测量技术领域,特别涉及一种增大频域低相干光干涉测量范围的装置及其方法。
背景技术
在频域低相干光检测技术中,通常需要对线阵相机检测到的探测光和参考光的相干光谱进行傅里叶变换,由其频率可计算得到待测目标的位置信息;但是在频域低相干光检测系统中检测到的信号是实数,通过进行傅里叶变换后的幅度谱是关于零点左右对称的偶函数:这样就只能确定待测样品和参考臂光程差大小的绝对值,而无法确定光程差的正负,即无法确定样品是比参考臂更远还是更近,这样的检测实际上就失去了价值。目前常用的方法是预先确定检测范围,即事先将样品置于探测臂的近端或远端,但是这种检测装置只能利用一半的有效检测范围,同时,实际检测中,是很难预先确定待检测样品位置的,所以这种装置并不实用。因此,亟需一种新的检测装置以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增大频域低相干光干涉测量范围的装置及其方法,该装置可以确定实际测量距离的正负情况,进而确定待测样品与等光程面的相对位置,能够使频域低相干光干涉测量的检测范围扩大一倍,使这种检测装置及其方法走向实用化。
本发明所提出的技术解决方案是这样的:
一种增大频域低相干光干涉测量范围的装置,所述增大频域低相干光干涉测量范围的装置由低相干光干涉和信号处理部分A、参考臂B和探测臂C组成,低相干光干涉和信号处理部分A的第1光纤准直器5与参考臂B光连接,低相干光干涉和信号处理部分A的第2光纤准直器11与探测臂C光连接。
所述低相干光干涉和信号处理部分A由短相干光源1、第1光纤2、光纤耦合器3、第2光纤4、第1光纤准直器5、第3光纤10、第2光纤准直器11、第4光纤14、第3光纤准直器15、光栅16、第3透镜17,线阵CCD18、电缆线19和计算机20组成,短相干光源1通过第1光纤2与光纤耦合器3连接,光纤耦合器3通过第2光纤4与第1光纤准直器5连接,光纤耦合器3通过第3光纤10与第2光纤准直器11连接,光纤耦合器3通过第4光纤14依次按序与第3光纤准直器15、光栅16、第3透镜17、线阵CCD18、电缆线19和计算机20作光、电串联连接。
所述参考臂B由第1透镜8、反射镜9和带电机7的转盘6组成,所述第1光纤准直器5依次与转盘6、第1透镜8和反射镜9作光连接;所述探测臂C由第2透镜12、待测样品13组成,所述第2光纤准直器11依次与第2透镜12和待测样品13作光连接。
也可以采用另一种连接结构:所述参考臂B由第1透镜8和反射镜9组成,所述第1光纤准直器5依次与第1透镜8和反射镜9作光连接;所述探测臂C由带电机7的转盘6、第2透镜12、待测样品13组成,所述第2光纤准直器11依次与转盘6、第2透镜12和待测样品13作光连接。
所述转盘6上对称于该转盘圆心O设有第1通孔6-1和第2通孔6-2,并在其中任一个通孔处装有一片透明片,该透明片的两个表面相互接近平行。
增大频域低相干光干涉测量范围的方法步骤为:
(1)用增大频域低相干光干涉测量范围的装置测量待测样品的探测面和等光程面的反射光的干涉光谱,经过高通滤波器,滤掉干涉光谱的低频部分,再经傅里叶变换,干涉光谱幅度谱极大值对应的信号频率设为f1,待测样品的探测面相对于等光程面的垂直距离d2的绝对值为:
(4)
其中,n为光在等光程面和探测面之间的光程路径的折射率;
(2)在参考臂一侧加上透明片,用增大频域低相干光干涉测量范围的装置测量待测样品的探测面和等光程面的反射光的干涉光谱,经过高通滤波器,滤掉干涉光谱的低频部分,再经傅里叶变换,干涉光谱幅度谱极大值对应的信号频率设为f2,待测样品的探测面相对于等光程面的垂直距离d2的绝对值为:
(5)
①如果大于,表明待测样品探测面光程相对于等光程面光程为之差为正,据此得出待测样品探测面位于等光程面的远端;
②如果小于,表明待测样品探测面光程相对于等光程面光程之差为负,据此得出待测样品探测面位于等光程面的近端。
在探测臂一侧加上透明片,用增大频域低相干光干涉测量范围的装置测量待测样品探测面和等光程面的反射光的干涉光谱,经过高通滤波器,滤掉干涉光谱的低频部分,再经傅里叶变换,干涉光谱幅度谱极大值对应的信号频率为f3,待测样品探测面相对于等光程面的垂直距离d3的绝对值为:
(6)
①如果大于,表明待测样品探测面相对于等光程面光程之差为负,据此得出待测样品探测面位于等光程面的近端;
②如果小于,表明待测样品探测面相对于等光程面光程之差为正,据此得出待测样品探测面位于等光程面的远端。
与现有的技术相比,本发明具有如下显著效果:
(1)由于本装置设有透明片,所以能够根据加透明片前后,干涉光谱幅度的位置变化情况判断出实际测量距离的正负情况,也就是说能确定待测样品位于探测臂的近端还是远端,克服了现有测量方法上的不足。
(2)由于本装置在参考臂和探测臂均可以设置透明片,能确定实际测量距离的正负情况,从而能确定待测样品位于探测臂的近端还是远端,而现有测量方法只能利用一半的有效测量范围,所以,本发明的探测范围可增大一倍。
附图说明
图1是本发明的一种增大频域低相干光干涉测量范围的装置结构示意图,图中在参考臂一侧设有转盘(6)。
图2是图1所示转盘(6)的结构示意图。
图3(a)是从图1所示增大频域低相干光干涉测量范围的装置获得的干涉光谱示意图。
图3(b)是图3(a)所示干涉光谱经傅里叶变换的变换结果示意图。
图4(a)是图1所示增大频域低相干光干涉测量范围的装置中,当测量距离为正时,探测光通过第1通孔的幅度谱示意图。
图4(b)是图1所示增大频域低相干光干涉测量范围的装置中,当测量距离为正时,探测光通过第2通孔的幅度谱示意图。
图5(a)是图1所示装置中,当测量距离为负时,探测光通过第1通孔的幅度谱示意图。
图5(b)是图1所示装置中,当测量距离为负时,探测光通过第2通孔的幅度谱示意图。
图6是图1所示的一种增大频域低相干光干涉测量范围的装置中,将转盘(6)设在探测臂一侧的结构示意图。
图7是图1所示的探测臂部分光路示意图,图中显示出待测样品的探测面相对于等光程面处于位置21、近端位置22和远端位置23。
具体实施方式
通过下面实施例对本发明作进一步详细阐述。
参见图1-图7所示,一种增大频域低相干光干涉测量范围的装置由低相干光干涉和信号处理部分A、参考臂B和探测臂C组成,低相干光干涉和信号处理部分A的第1光纤准直器5与参考臂B光连接,低相干光干涉和信号处理部分A的第2光纤准直器11与探测臂C光连接。
低相干光干涉和信号处理部分A由短相干光源1(SLD)、第1光纤2、光纤耦合器3、第2光纤4、第1光纤准直器5、第3光纤10、第2光纤准直器11、第4光纤14、第3光纤准直器15、光栅16、第3透镜17,线阵CCD18、电缆线19和计算机20组成,短相干光源1通过第1光纤2与光纤耦合器3连接,光纤耦合器3通过第2光纤4与第1光纤准直器5连接,光纤耦合器3通过第3光纤10与第2光纤准直器11连接,光纤耦合器3通过第4光纤14依次按序与第3光纤准直器15、光栅16、第3透镜17、线阵CCD18、电缆线19和计算机20作光、电串联连接。
参考臂B由第1透镜8、反射镜9和带电机7的转盘6组成,第1光纤准直器5依次与带电机7的转盘6、第1透镜8和反射镜9作光连接;探测臂C由第2透镜12、待测样品13组成,第2光纤准直器11依次与第2透镜12和待测样品13作光连接。
也可以采用另一种连接结构:参考臂B由第1透镜8和反射镜9组成,第1光纤准直器5依次与第1透镜8和反射镜9作光连接;探测臂C由带电机7的转盘6、第2透镜12、待测样品13组成,第2光纤准直器11依次与带电机7的转盘6、第2透镜12和待测样品13作光连接。
转盘6上对称于该转盘圆心O设有第1通孔6-1和第2通孔6-2,并在其中任一个通孔处装有一片透明片,该透明片的两个表面相互接近平行。
短相干光源1输出的相干光经第1光纤2输出至光纤耦合器3,光纤耦合器3的两个输出端通过第2光纤4、第3光纤10分别与第1光纤准直器5和第2光纤准直器11输入端连接,第1光纤准直器5和第2光纤准直器11输出的两路平行光分别进入参考臂B和探测臂C。
当进入参考臂B的光通过转盘6上的第1通孔6-1后,经第1透镜8汇聚到反射镜9上,反射光原路返回到第2光纤4中进入探测臂C的光经过第2透镜12汇聚到待测样品13,反射光原路返回到第3光纤10中;上述两路返回光通过光纤耦合器3,经第4光纤14进入第2光纤准直器15,变为平行光,照射到光栅16,由光栅16分光后经过第3透镜17,由此得到的干涉光谱成像于线阵CCD18,经线阵CCD18转换为电信号,该电信号经电缆19进入计算机20,最后经计算机20处理进而得到待测样品13的位置信息。转盘6在电机7作用下旋转,当参考臂B的光通过转盘6上第2通孔6-2时,后续步骤与上述通过第1通孔6-1时一致,再得到一组探测臂C和参考臂B的干涉光谱;第1通孔6-1为一自由空间通光孔,在第2通孔6-2上安装有透明片,如图2所示。
计算待测样品13位置的过程如下:
进入计算机20的干涉光谱可表示为:
(1)
上式中k表示波数,即波长的倒数;I(k)r和I(k)s分别表示进入线阵CCD18的参考光和探测光的光强随波数的分布函数,n为折射率;d表示待测样品探测面相对于等光程面的垂直距离差;其中等光程面,表示为一个假想的、在探测臂中与参考臂的反射镜9的光程差为零的面。
本装置的干涉光谱的示意图如图3(a)所示,经过高通滤波器,滤掉干涉光谱的低频部分,再经傅里叶变换,干涉光谱幅度谱如图3(b)所示,极大值对应的信号频率为f0,探测面相对于等光程面的垂直距离差d的绝对值为:
(2)
(1)式中余弦项为偶函数,当距离差为-d和+d时,傅里叶变换后,结果都为d的绝对值,因此,根据幅值图谱无法判断出探测面相对于等光程面的实际位置。
采用增大频域低相干光干涉测量范围的方法步骤如下:
(1)用增大频域低相干光干涉测量范围的装置测量待测样品13的探测面和等光程面的反射光的干涉光谱,经过高通滤波器,滤掉干涉光谱的低频部分,再经傅里叶变换,干涉光谱幅度谱极大值对应的信号频率设为f1,待测样品13的探测面相对于等光程面的垂直距离d1的绝对值为:
(4)
其中,n为光在等光程面和探测面之间的光程路径的折射率;
(2)在参考臂B一侧加上透明片,用增大频域低相干光干涉测量范围的装置测量待测样品13的探测面和等光程面的反射光的干涉光谱,经过高通滤波器,滤掉干涉光谱的低频部分,再经傅里叶变换,干涉光谱幅度谱极大值对应的信号频率设为f2,待测样品的探测面相对于等光程面的垂直距离d2的绝对值为:
(5)
①如果大于,表明待测样品13探测面光程相对于等光程面光程为之差为正,据此得出待测样品13探测面位于等光程面的远端;
②如果小于,表明待测样品13探测面光程相对于等光程面光程之差为负,据此得出待测样品13探测面位于等光程面的近端。
也可以在探测臂C一侧加上透明片,用增大频域低相干光干涉测量范围的装置测量待测样品13探测面和等光程面的反射光的干涉光谱,经过高通滤波器,滤掉干涉光谱的低频部分,再经傅里叶变换,干涉光谱幅度谱极大值对应的信号频率为f3,待测样品13探测面相对于等光程面的垂直距离d3的绝对值为:
(6)
①如果大于,表明待测样品13探测面相对于等光程面光程之差为负,据此得出待测样品13探测面位于等光程面的近端;
②如果小于,表明待测样品13探测面相对于等光程面光程之差为正,据此得出待测样品13探测面位于等光程面的远端。
下面阐述使用透明片来确定探测面相对于等光程面的实际位置的原理:
首先明确一下,测量距离的相关涵义:当由参考臂B的反射镜9反射的参考光和由待测样品13表面反射的探测光,分别经参考臂B和探测臂C返回到光纤耦合器3,通过第2光纤4、第3光纤准直器15、光栅16、第3透镜17,到线阵CCD18的表面,形成干涉光谱。干涉光谱的峰值位置决定于这两者之间光程差的绝对值。当待测样品13的表面即探测面处于某一位置时,设为位置21(如图7所示),如果这两者的光程差的值为零时,称这一位置为等光程面,并称此时的测量距离为零;当探测样品13表面的位置处于图7中的范围①内,即探测臂C的近端,如近端位置22时,称此时的测量距离为负;当待测样品13表面的位置处于图7中的范围②内,即探测臂C的远端,如远端位置23时,称此时的测量距离为正。
这里以在参考臂B一端放置带电机7的转盘6,并在第2通孔6-1安装透明片为例,对比探测光分别通过第1通孔6-1和第2通孔6-2时,各自干涉光谱信号经傅里叶变换后的幅值位置变化情况为:若幅度谱分别为图4(a)和图4(b)所示,即通过第2通孔6-2时的峰值位置,相对于通过第1通孔6-1时的峰值位置向等光程面有靠近的趋势时,可以得出此时的测量距离为正,也就是说此时的探测面位于图7所示的区域②内;若幅度谱分别为图5(a)和图5(b)所示,即通过第2通孔6-2时的峰值位置,相对于通过第1通孔6-1时的峰值位置向等光程面有偏离的趋势时,可以得出此时的测量距离为负,也就是说此时的探测面位于图7所示的区域①内。
综上所述,通过对比两次干涉光谱经傅里叶变换后峰值的位置变化,就能确定待测样品13位于探测臂C的近端还是远端。
此外,也可以在探测臂C引入透明片,如图6所示,工作原理和过程同上。

Claims (7)

1.一种增大频域低相干光干涉测量范围的装置,其特征在于:所述增大频域低相干光干涉测量范围的装置由低相干光干涉和信号处理部分(A)、参考臂(B)和探测臂(C)组成,低相干光干涉和信号处理部分(A)的第1光纤准直器(5)与参考臂(B)光连接,低相干光干涉和信号处理部分(A)的第2光纤准直器(11)与探测臂(C)光连接。
2.根据权利要求1所述的增大频域低相干光干涉测量范围的装置,其特征在于:所述低相干光干涉和信号处理部分(A)由短相干光源(1)、第1光纤(2)、光纤耦合器(3)、第2光纤(4)、第1光纤准直器(5)、第3光纤(10)、第2光纤准直器(11)、第4光纤(14)、第3光纤准直器(15)、光栅(16)、第3透镜(17)、线阵CCD(18)、电缆线(19)和计算机(20)组成,短相干光源(1)通过第1光纤(2)与光纤耦合器(3)连接,光纤耦合器(3)通过第2光纤(4)与第1光纤准直器(5)连接,光纤耦合器(3)通过第3光纤(10)与第2光纤准直器(11)连接,光纤耦合器(3)通过第4光纤(14)依次按序与第3光纤准直器(15)、光栅(16)、第3透镜(17)、线阵CCD(18)、电缆线(19)和计算机(20)作光、电串联连接。
3.根据权利要求1所述的增大频域低相干光干涉测量范围的装置,其特征在于:所述参考臂(B)由第1透镜(8)、反射镜(9)和带电机(7)的转盘(6)组成,所述第1光纤准直器(5)依次与带电机(7)的转盘(6)、第1透镜(8)和反射镜(9)作光连接;所述探测臂(C)由第2透镜(12)、待测样品(13)组成,所述第2光纤准直器(11)依次与第2透镜(12)和待测样品(13)作光连接。
4.根据权利要求1所述的增大频域低相干光干涉测量范围的装置,其特征在于:所述参考臂(B)由第1透镜(8)和反射镜(9)组成,所述第1光纤准直器(5)依次与第1透镜(8)和反射镜(9)作光连接;所述探测臂(C)由带电机(7)的转盘(6)、第2透镜(12)、待测样品(13)组成,所述第2光纤准直器(11)依次与带电机(7)的转盘(6)、第2透镜(12)和待测样品(13)作光连接。
5.根据权利要求3或4所述的增大频域低相干光干涉测量范围的装置,其特征在于:所述带电机(7)的转盘(6)上对称于该转盘圆心O设有第1通孔(6-1)和第2通孔(6-2),并在其中任一个通孔处装有一片透明片,该透明片的两个表面相互接近平行。
6.采用权利要求1所述的装置进行增大频域低相干光干涉测量范围的方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
(1)用增大频域低相干光干涉测量范围的装置测量待测样品的探测面和等光程面的反射光的干涉光谱,经过高通滤波器,滤掉干涉光谱的低频部分,再经傅里叶变换,干涉光谱幅度谱极大值对应的信号频率设为f1,待测样品的探测面相对于等光程面的垂直距离d1的绝对值为:
(4)
其中,n为光在等光程面和探测面之间的光程路径的折射率;
(2)在参考臂一侧加上透明片,用增大频域低相干光干涉测量范围的装置测量待测样品的探测面和等光程面的反射光的干涉光谱,经过高通滤波器,滤掉干涉光谱的低频部分,再经傅里叶变换,干涉光谱幅度谱极大值对应的信号频率设为f2,待测样品的探测面相对于等光程面的垂直距离d2的绝对值为:
(5)
①如果大于,表明待测样品探测面光程相对于等光程面光程为之差为正,据此得出待测样品探测面位于等光程面的远端;
②如果小于,表明待测样品探测面光程相对于等光程面光程之差为负,据此得出待测样品探测面位于等光程面的近端。
7.根据权利要求6所述的增大频域低相干光干涉测量范围的方法,其特征在于:在探测臂一侧加上透明片,用增大频域低相干光干涉测量范围的装置测量待测样品探测面和等光程面的反射光的干涉光谱,经过高通滤波器,滤掉干涉光谱的低频部分,再经傅里叶变换,干涉光谱幅度谱极大值对应的信号频率为f1,待测样品探测面相对于等光程面的垂直距离d3的绝对值为:
(6)
如果大于,表明待测样品探测面相对于等光程面光程之差为负,据此得出待测样品探测面位于等光程面的近端;
如果小于,表明待测样品探测面相对于等光程面光程之差为正,据此得出待测样品探测面位于等光程面的远端。
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