CN109540017A - 物体内断面变形量测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种物体内断面变形量测量系统，光源部用于发出相干宽带光，准直调节部用于将光源部发出的光准直并将调节后的光引导入射到干涉部，干涉部用于将光分成照射到被测物的一路光和照射到参考面的一路光，并将由被测物返回的反射光和由参考面返回的反射光汇合而发生干涉；分光聚焦部用于将干涉部出射的干涉光分光形成光谱并聚焦，采集记录部用于采集并记录干涉光光谱，数据处理部用于根据采集记录部记录的干涉光光谱计算出被测物内断面沿深度方向的变形量。本发明物体内断面变形量测量系统基于光学相干层析成像及测量原理，实现了测量物体内断面沿深度方向的变形量。

Description

物体内断面变形量测量系统
技术领域
本发明涉及光学应用技术领域，特别是涉及一种物体内断面变形量测量系统。
背景技术
光学相干层析成像技术(Optical Coherence Tomography，OCT)是一种20世纪90年代逐步发展的新型光学断层成像技术。OCT基于低相干光干涉原理，通过扫描对材料的内部进行层析测量。OCT主要由低相干光源、迈克尔逊干涉仪以及光电探测器组成，具有非接触，高分辨，无辐射，高灵敏度的特点，在临床检查，工业测量有着广泛的应用。
鉴于此，设计一种基于光学相干层析成像技术的实现测量物体内断面变形量的光学测量系统，是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种物体内断面变形量测量系统，实现了测量物体内断面沿深度方向的变形量。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种物体内断面变形量测量系统，包括光源部、准直调节部、干涉部、参考面、分光聚焦部、采集记录部和数据处理部；
所述光源部用于发出相干宽带光，所述准直调节部用于将所述光源部发出的光准直并将调节后的光引导入射到所述干涉部，所述干涉部用于将光分成照射到被测物的一路光和照射到所述参考面的一路光，并将由被测物返回的反射光和由所述参考面返回的反射光汇合而发生干涉；
所述分光聚焦部用于将所述干涉部出射的干涉光分光形成光谱并聚焦，所述采集记录部用于采集并记录干涉光光谱，所述数据处理部用于根据所述采集记录部记录的干涉光光谱计算出被测物内断面沿深度方向的变形量。
优选的，所述准直调节部包括透镜和/或柱面镜。
优选的，在所述干涉部和所述分光聚焦部之间光路上设置有用于将所述干涉部出射的干涉光准直的光学元件。
优选的，所述分光聚焦部包括衍射光栅和聚焦透镜组，所述衍射光栅用于将所述干涉部出射的干涉光分光形成光谱，所述聚焦透镜组用于将干涉光光谱汇聚到所述采集记录部。
优选的，所述聚焦透镜组的焦距大于135mm。
优选的，所述聚焦透镜组的焦距大于135mm且小于260mm。
优选的，所述光源部发出的相干光为近红外波段光。
优选的，所述数据处理部具体用于：
按照以下公式描述所述采集记录部记录的干涉光光谱：
其中，I表示光强度，k＝2π/λ表示波数，λ表示波长，M表示被测物内参与干涉的断面数量，φj0表示参考面与第j个断面干涉时的初始相位，Λj表示参考面与第j个断面之间的光程差，IR表示参考面的反射光强度，Ij表示第j个断面的反射光强度，DC表示直流分量，AC表示自相干分量；直流分量DC和自相干分量AC分别以以下公式描述：
其中，I0表示参考面的反射光强度；
根据公式(1)，在不考虑干涉光光谱中的直流分量DC和自相干分量AC的情况下，计算干涉光光谱沿波数轴的变化频率表示为：
根据公式(4)分别计算出被测物变形前后第j个断面与参考面之间的光程差，并根据以下公式计算被测物变形前后第j个断面的光程差变化量：
ΔΛj(t1,t2)＝Λj(t2)-Λj(t1)； (5)
其中，Λj(t1)、Λj(t2)分别表示被测物变形前后第j个断面与参考面之间的光程差；
根据被测物变形前后第j个断面的光程差变化量计算被测物变形前后第j个断面的变形量。
优选的，测量被测物内断面沿深度方向的变形量的测量分辨率表示为：
其中，λc表示光源部发出的相干宽带光的中心波长。
由上述技术方案可知，本发明所提供的一种物体内断面变形量测量系统，光源部发出相干宽带光，光经准直调节部准直后入射到干涉部，干涉部将光分成照射到被测物的一路光和照射到参考面的一路光，并将由被测物返回的反射光和由参考面返回的反射光汇合而发生干涉，由分光聚焦部将干涉部发射出的干涉光分光形成光谱并聚焦，采集记录部采集并记录干涉光光谱，由数据处理部根据记录的干涉光光谱计算出被测物内断面沿深度方向的变形量。本发明物体内断面变形量测量系统，基于光学相干层析成像及测量原理，实现了测量物体内断面沿深度方向的变形量。
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为本发明实施例提供的一种物体内断面变形量测量系统的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种物体内断面变形量测量系统，包括光源部、准直调节部、干涉部、参考面、分光聚焦部、采集记录部和数据处理部；
所述光源部用于发出相干宽带光，所述准直调节部用于将所述光源部发出的光准直并将调节后的光引导入射到所述干涉部，所述干涉部用于将光分成照射到被测物的一路光和照射到所述参考面的一路光，并将由被测物返回的反射光和由所述参考面返回的反射光汇合而发生干涉；
所述分光聚焦部用于将所述干涉部出射的干涉光分光形成光谱并聚焦，所述采集记录部用于采集并记录干涉光光谱，所述数据处理部用于根据所述采集记录部记录的干涉光光谱计算出被测物内断面沿深度方向的变形量。
本实施例物体内断面变形量测量系统，基于光学相干层析成像及测量原理，实现了测量物体内断面沿深度方向的变形量。
下面结合附图和具体实施方式对本实施例物体内断面变形量测量系统进行详细说明。
请参考图1，图1为本实施例提供的一种物体内断面变形量测量系统的示意图。由图可知，本系统包括光源部10、准直调节部11、干涉部12、参考面13、分光聚焦部14、采集记录部15和数据处理部16。
光源部10用于发出相干宽带光。优选的，光源部10发出的相干宽带光为近红外波段光，采用近红外光能够得到较好的光谱效果。另外，光源部10可以采用发光二极管，优选采用超辐射发光二极管，但不限于此，也可采用其它发光器件，也都在本发明保护范围内。
准直调节部11用于将光源部10发出的光准直并将调节后的光引导入射到干涉部12，通过准直调节部11还可调节光的形状和尺寸。在具体实施时，准直调节部可包括透镜和/或柱面镜，在本实施例中准直调节部11包括第一透镜17和柱面镜18。
干涉部12用于将光分成照射到被测物的一路光和照射到参考面13的一路光，并将由被测物返回的反射光和由参考面13返回的反射光汇合而发生干涉。可选的，干涉部12可以是分光棱镜。
优选的，在干涉部12和分光聚焦部14之间光路上可设置用于将干涉部12出射的干涉光准直的光学元件，这样有利于分光聚焦部对干涉光进行分光，能够得到较好的光谱效果，有助于提高测量准确性和测量精度。本实施例中，可参考图1所示，在干涉部12和分光聚焦部14之间光路上设置用于将干涉部出射的干涉光准直的第二透镜19。
分光聚焦部14用于将干涉部12出射的干涉光分光形成光谱并聚焦，在具体实施时，分光聚焦部可包括衍射光栅和聚焦透镜组，衍射光栅用于将干涉部出射的干涉光分光形成光谱，聚焦透镜组用于将干涉光光谱汇聚到所述采集记录部。本实施例中，分光聚焦部14包括衍射光栅20和第三透镜21，第三透镜21将由衍射光栅20出射的干涉光光谱汇聚到采集记录部15。
在一种优选实施方式中，聚焦透镜组的焦距大于135mm，采集记录部位于聚焦透镜组的焦平面上。更为优选的，聚焦透镜组的焦距大于135mm且小于260mm，示例性的其焦距可以是250mm。对于本光学测量系统，若聚焦透镜组的焦距过小，会导致系统的测量范围比较小，进而导致对于变形量超出系统视场范围的被测物就需要分步操作测量，这不仅导致测量效率降低，而且分步测量实验环境及条件不可能做到完全一致，因此会降低测量结果的准确性，本实施例光学测量系统中使用具有较大焦距的聚焦透镜组，能够增大本测量系统的视场范围，增大测量范围。
采集记录部15用于采集并记录干涉光光谱。可选的，采集记录部15可采用电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)相机。
数据处理部16用于根据采集记录部15记录的干涉光光谱计算出被测物内断面沿深度方向的变形量。
进一步具体的，根据成像记录的干涉光光谱计算被测物内断面沿深度方向的变形量的方法如下：
按照以下公式描述所述采集记录部记录的干涉光光谱：
其中，I表示光强度，k＝2π/λ表示波数，λ表示波长，M表示被测物内参与干涉的断面数量，φj0表示参考面与第j个断面干涉时的初始相位，Λj表示参考面与第j个断面之间的光程差，IR表示参考面的反射光强度，Ij表示第j个断面的反射光强度，DC表示直流分量，AC表示自相干分量；直流分量DC和自相干分量AC分别以以下公式描述：
其中，I0表示参考面的反射光强度。
根据公式(1)，在不考虑干涉光光谱中的直流分量DC和自相干分量AC的情况下，计算干涉光光谱沿波数轴的变化频率表示为：
根据公式(4)分别计算出被测物变形前后第j个断面与参考面之间的光程差，并根据以下公式计算被测物变形前后第j个断面的光程差变化量：
ΔΛj(t1,t2)＝Λj(t2)-Λj(t1)； (5)
其中，Λj(t1)、Λj(t2)分别表示被测物变形前后第j个断面与参考面之间的光程差。
根据被测物变形前后第j个断面的光程差变化量计算被测物变形前后第j个断面的变形量。
另外，从公式(4)可以看出，光程差Λj与频率fk之间是线性关系，干涉光谱的频谱中包含了被测物内部的层析轮廓信息。从该式可以看出，本测量系统能够分辨出的最小光程差取决于沿波数轴变化的最小频率，表示为：
因此，沿被测物深度方向的测量分辨率为：
其中，λc表示光源部发出的相干宽带光的中心波长。多次实验得出，在光源中心波长和波长带宽等硬件参数可选的范围内，该方法的测量分辨率通常为2μm-10μm。
另外，通过以上分析计算，根据干涉光光谱的频率可以解调出被测物内部断面的轮廓结构和位移情况，但是这种方法测量到的位移分辨率与轮廓测量分辨率相同，为微米级。而被测物变形前后干涉光光谱第j个断面的相位变化量为：
从公式(8)可以看出，相位每变化2π对应的光程差变化量为光源中心波长的一半，该方法对位移的测量灵敏度通常可以达到10nm。值得注意的是，由于初始相位φj0未知，这种测量方法只能用于光程差变化量的测量，而不能用于层析轮廓的测量；另一方面，从干涉光谱中解调出的相位是在[-π,π]变化的卷绕相位，它与真实相位之间存在2N·π的误差，其中N为整数。
以上对本发明所提供的物体内断面变形量测量系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种物体内断面变形量测量系统，其特征在于，包括光源部、准直调节部、干涉部、参考面、分光聚焦部、采集记录部和数据处理部；
所述光源部用于发出相干宽带光，所述准直调节部用于将所述光源部发出的光准直并将调节后的光引导入射到所述干涉部，所述干涉部用于将光分成照射到被测物的一路光和照射到所述参考面的一路光，并将由被测物返回的反射光和由所述参考面返回的反射光汇合而发生干涉；
所述分光聚焦部用于将所述干涉部出射的干涉光分光形成光谱并聚焦，所述采集记录部用于采集并记录干涉光光谱，所述数据处理部用于根据所述采集记录部记录的干涉光光谱计算出被测物内断面沿深度方向的变形量。
2.根据权利要求1所述的物体内断面变形量测量系统，其特征在于，所述准直调节部包括透镜和/或柱面镜。
3.根据权利要求1所述的物体内断面变形量测量系统，其特征在于，在所述干涉部和所述分光聚焦部之间光路上设置有用于将所述干涉部出射的干涉光准直的光学元件。
4.根据权利要求1所述的物体内断面变形量测量系统，其特征在于，所述分光聚焦部包括衍射光栅和聚焦透镜组，所述衍射光栅用于将所述干涉部出射的干涉光分光形成光谱，所述聚焦透镜组用于将干涉光光谱汇聚到所述采集记录部。
5.根据权利要求4所述的物体内断面变形量测量系统，其特征在于，所述聚焦透镜组的焦距大于135mm。
6.根据权利要求4所述的物体内断面变形量测量系统，其特征在于，所述聚焦透镜组的焦距大于135mm且小于260mm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的物体内断面变形量测量系统，其特征在于，所述光源部发出的相干光为近红外波段光。
8.根据权利要求1所述的物体内断面变形量测量系统，其特征在于，所述数据处理部具体用于：
按照以下公式描述所述采集记录部记录的干涉光光谱：
其中，I表示光强度，k＝2π/λ表示波数，λ表示波长，M表示被测物内参与干涉的断面数量，φj0表示参考面与第j个断面干涉时的初始相位，Λj表示参考面与第j个断面之间的光程差，IR表示参考面的反射光强度，Ij表示第j个断面的反射光强度，DC表示直流分量，AC表示自相干分量；直流分量DC和自相干分量AC分别以以下公式描述：
其中，I0表示参考面的反射光强度；
根据公式(1)，在不考虑干涉光光谱中的直流分量DC和自相干分量AC的情况下，计算干涉光光谱沿波数轴的变化频率表示为：
根据公式(4)分别计算出被测物变形前后第j个断面与参考面之间的光程差，并根据以下公式计算被测物变形前后第j个断面的光程差变化量：
ΔΛj(t1,t2)＝Λj(t2)-Λj(t1)； (5)
其中，Λj(t1)、Λj(t2)分别表示被测物变形前后第j个断面与参考面之间的光程差；
根据被测物变形前后第j个断面的光程差变化量计算被测物变形前后第j个断面的变形量。
9.根据权利要求8所述的物体内断面变形量测量系统，其特征在于，测量被测物内断面沿深度方向的变形量的测量分辨率表示为：
其中，λc表示光源部发出的相干宽带光的中心波长。
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