CN111380453A - 自动校准光干涉装置及光干涉装置自动校准方法 - Google Patents

Abstract

一种自动校准光干涉装置包括：光源，发出低同调光；干涉光路组件，将低同调光分为第一及第二入射光；取样光路组件，具有第一及第二端，其中第一端接收第一入射光；第二端朝向待测样品，并有一部分反射窗镜用以将第一入射光分为第一反射光及第一穿透光，其中第一穿透光射向待测样品；参考光路组件，包括参考镜及致动器，参考光路组件将第二入射光射向参考镜以产生第二反射光，致动器用以移动参考镜；多色检测器，用以根据第一及第二反射光的光程差变异输出位移信号；以及位移控制器根据位移信号控制致动器。

Description

自动校准光干涉装置及光干涉装置自动校准方法

技术领域

本发明涉及光干涉的技术领域，特别是一种可自动校准的光干涉装置及光干涉装置的自动校准方法。

背景技术

在光干涉的技术领域中，由于光传递的速度极快，无法类似于超音波技术可直接由探头量测到波前的延迟，因此需透过取样光路与参考光路间固定的光程差产生干涉现象。传统的麦克森干涉仪具有两个光臂，该二光臂之间的光程差(Optical PathDifference，OPD)需保持稳定才能产生干涉现象。一般而言，光干涉装置需被放置在稳定耐震的平面，如光学防震桌上。

然而，对于需要手持使用的干涉仪而言，由于光程差会因使用者操作或外在环境影响而有变异，导致量测结果不精确。

发明内容

有鉴于此，为解决习知的麦克森干涉仪具有操作限制或易受外在环境影响的问题，本发明提出一种的自动校准光干涉装置及其方法，所述的装置及其方法作为手持式干涉仪使用对环境影响忍受度高，且可达到实时稳定光程差的效果。

根据本发明实施例所叙述的一种自动校准光干涉装置，包括：一光源，用以发出一低同调光；一干涉光路组件，耦接该光源，该干涉光路组件用以将该低同调光分为一第一入射光及一第二入射光；一取样光路组件，耦接该干涉光路组件，该取样光路组件具有一第一端及一第二端，其中该第一端耦接该干涉光路组件以接收该第一入射光；该第二端朝向一待测样品，该第二端具有一部分反射窗镜用以将该第一入射光分为一第一反射光及一第一穿透光，其中该第一穿透光射向该待测样品；一参考光路组件，耦接该干涉光路组件，该参考光路组件包括一参考镜及一致动器，该参考光路组件接收该第二入射光并将该第二入射光射向该参考镜以产生一第二反射光，该致动器用以移动该参考镜；一多色检测器，耦接该干涉光路组件，该多色检测器用以根据该第一反射光及该第二反射光的光程差变异输出一位移信号；以及一位移控制器，电性连接该多色检测器，该位移控制器根据该位移信号控制该致动器。

根据本发明实施例所叙述的一种光干涉装置的自动校准方法，包括：以一光源产生一低同调光；以一干涉光路组件将该低同调光分为一第一入射光及一第二入射光；以一取样光路组件的第一端接收该第一入射光；以设置于该取样光路组件的第二端的一部分反射窗镜将该第一入射光分为一第一反射光及一第一穿透光，其中该第一穿透光射向该待测样品；以一参考光路组件接收该第二入射光并将该第二入射光射向一参考镜以产生一第二反射光；以及以一多色检测器接收该第一反射光及该第二反射光，根据该二反射光的光程差变异输出一位移信号；以及以一位移控制器根据该位移信号控制该参考光路组件的致动器以移动该参考镜。

以上关于本公开内容的说明及以下实施方式的说明用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的专利申请范围更进一步的解释。

附图说明

图1为根据本发明实施例所绘示的自动校准光干涉装置及待测样品的架构图。

图1A为根据本发明实施例所绘示的取样光路组件的第二端的切换装置的示意图。

图2为根据本发明实施例所绘示的光干涉装置的自动校准方法的流程图。

图2A为根据本发明实施例所绘示的光干涉装置的自动校准方法的流程图中的步骤S6的详细流程图。

图3A绘示待测样品在多色检测器的模拟波形图。

图3B绘示经光程差变异后待测样品在多色检测器的模拟波形图。

附图标记列表

100 自动校准光干涉装置

10 光源

30 干涉光路组件

50 取样光路组件

E1 第一端

E2 第二端

52 第一准直透镜

54 第一远心透镜

56 部分反射窗镜

56’ 另一部分反射窗镜

56” 又一部分反射窗镜

58 切换装置

70 参考光路组件

72 第二准直透镜

74 致动器

76 第二远心透镜

78 参考镜

80 多色检测器

90 位移控制器

P1 第一光路

P2 第二光路

SP 待测样品

S1至S7 步骤

S61至S69 步骤

A1、A1’ 多色检测器上的信号

A2、A2’ 多色检测器上的信号

L1 取样光路组件的光程(至待测样品)

L1a 取样光路组件的光程(至部分反射窗镜)

L2 参考光路组件的光程

ΔL 光程差变异

T1 第一入射光

T2 第一反射光

T3 第一穿透光

T4 取样光

T5 第二入射光

T6 第二反射光

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟习相关技艺者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、申请专利范围及图式，任何熟习相关技艺者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

请参考图1，其为根据本发明实施例所绘示的自动校准光干涉装置100及待测样品SP的架构图。所述的自动校准光干涉装置100包括：光源10、干涉光路组件30、取样光路组件50、参考光路组件70、多色检测器(Polychromator)80以及位移控制器90。如图1所示，干涉光路组件30耦接光源10、取样光路组件50、参考光路组件70及多色检测器80。

整体而言，光源10发出的光经干涉光路组件30分光至取样光路组件50与参考光路组件70，两光路组件各自回光，再耦合回干涉光路组件30，并由多色检测器80接收。

如图1所示，光源10耦接于干涉光路组件30。光源10可发出多种波长的低同调光(low coherence light)。

干涉光路组件30可将光源10发出的低同调光分为第一入射光T1及第二入射光T5。第一入射光T1循第一光路P1传递至取样光路组件50。第二入射光T5循第二光路P2传递至参考光路组件70。所述的第一光路P1及第二光路P2例如以光纤实现，然而并不以此为限。

具有固定光程的取样光路组件50具有第一端E1及第二端E2。第一端E1透过耦接至干涉光路组件30的第一光路P1接收第一入射光T1。第二端E2朝向待测样品SP。待测样品SP可为生物组织(例如受测者的皮肤)。如图1所示，第一端E2及第二端E2之间具有第一准直透镜52及第一远心透镜54，该二透镜52、54用以将第一入射光T1聚焦至待测样品SP的特定位置以量测该位置的光学信息。

本发明在第二端E2设置部分反射窗镜56。第一入射光T1经第一光路P1依序经过第一准直透镜52、第一远心透镜54，部分反射窗镜56可将第一入射光T1分为循原光路返回的第一反射光T2及射向待测样品SP的第一穿透光T3，第一反射光T2依序经过第一远心透镜54、第一准直透镜52再回到第一光路P1；第一穿透光T3进入待测样品SP，经过待测样品SP的吸收与反射后，产生取样光T4，取样光T4依序经过部分反射窗镜56、第一远心透镜54、第一准直透镜52再回到第一光路P1。第一反射光T2的光程如图1的L1a所示。取样光T4的光程如图1的L1所示。干涉光路组件30回收第一反射光T2与取样光T4，第一反射光T2的光程L1a为测量重点，光程L1a的光程变异ΔL1将作为参考光路组件70的位移补偿。

在一实施例中，取样光路组件50的第二端E2可以无间隙(gap)地接触待测样品SP的表面，从而使得来自部分反射窗镜56的第一穿透光T3可射至待测样品SP的表面之下的聚焦位置。然而，本发明并不受限于上述方式，例如当待测样品SP的聚焦位置可被固定时，第二端E2亦可与该待测样品SP保持一间隙。

在一实施例中，考虑待测样品对于光线的反射状况，第一反射光T2的能量小于第一穿透光T3的能量。例如第一反射光T2的能量比率为0.1至5％，第一穿透光T3的能量比率为95.0％至99.9％。

在一实施例中，部分反射窗镜56为玻璃或半透光高分子材料。

在一实施例中，部分反射窗镜56具有增透模(Anti-Reflective coating，ARcoating)，藉以改变部分反射窗镜56部分反射与部分透射的能量比率，例如降低部分反射窗镜56的反射率，让第一反射光T2的强度适度地降低。

请参考图1A，其为根据本发明实施例所绘示的取样光路组件50的第二端E2的切换装置58的示意图。在一实施例中，取样光路组件50的第二端E2更具有一切换装置58。所述的切换装置58例如为转盘，如图1A所示。切换装置58上设置部分反射窗镜56、另一部分反射窗镜56’及又一部分反射窗镜56”。这三个部分反射光镜56、56’、56”彼此具有相异的反射系数。切换装置58用以从部分反射窗镜56、另一部分反射窗镜56’及又一部分反射窗镜56”中选择一者以接收第一入射光T1。藉此，本发明一实施例的自动校准光干涉装置100可达到依据待测样品SP不同调整第一穿透光T3的强度比率的功效。

具有可变光程的参考光路组件70包括第二准直透镜72及致动器74，致动器74包括第二远心透镜76及参考镜78。参考光路组件70透过耦接至干涉光路组件30的第二光路P2接收第二入射光T5，并将第二入射光T5射向参考镜78，参考镜78因此产生第二反射光T6。致动器74用以同时移动第二远心透镜76及参考镜78，藉此达到调整第二入射光T5射至参考镜78的光程L2。承上所述，第二入射光T5经第二光路P2依序由第二准直透镜72、第二远心透镜76、参考镜78(反射第二入射光T5)、第二远心透镜76、第二准直透镜72再回到第二光路P2，上述近似第一入射光T1在取样光路组件50的光学延迟。

多色检测器80根据第一反射光T2及第二反射光T6的光程差变异输出一位移信号。

位移控制器90电性连接多色检测器80。位移控制器90根据位移信号控制致动器74。透过致动器74移动参考镜78的位置可调整参考光路组件70的光学延迟。

在本发明一实施例中，藉由取样光路组件50的部分反射窗镜56与参考光路组件透过致动器74移动参考镜78的设计，多色检测器80可实时接收因探头产生的光程差(OpticalPath Difference，OPD)变异ΔL。随后，再基于信号处理的方式，计算出作为补偿的位移信号，并将位移信号发送至位移控制器90。藉此，可将参考镜78相对于第二准直透镜72进行移动，弥补前述的OPD变异，达到稳定光程差的功效。

本发明一实施例所叙述的自动校准光干涉装置100设置部分反射窗镜56于取样光路组件50中。取样光路组件50接收射至部分反射窗镜56后的第一反射光T2及射至待测样本SP后的取样光T4。这两道光束分别具有光程L1a(第一反射光T2)与L1(取样光T4)，第二端E2位于部分反射窗镜56的右侧，亦即部份反射涂层位于右侧。另一方面，本发明一实施例所叙述的自动校准光干涉装置100设置参考镜78于参考光路组件70中，使得第二入射光T5被参考镜78反射而产生第二反射光T6，第二反射光T6具有另一光程L2。多色检测器80可取得L1a-L2的信号(接收第一反射光T2与第二反射光T6的信号)。当手持式取样光路组件50因故(例如作为第一光路P1的光纤被拉扯，或是环境温度改变使光纤长度改变)造成光程变异ΔL1时，可由多色检测器80检测到(L1a+ΔL1)-L2的信号。另一方面，基于参考光路组件70的可变光程的机制，将参考光路组件70光程修正为L2’＝L2+ΔL1。从而维持参考光路组件70的光程与取样光路组件50的光程两者间的关系仍为L1a-L2。

本发明一实施例采用部分反射窗镜56的设计，即可弥补因环境或手持操作造成的光程变异，维持干涉现象稳定性，使得光干涉装置提高手持操作的适应性且具有耐受环境温度变化的效果。

请参考图2，其为根据本发明实施例所绘示的光干涉装置的自动校准方法的流程图。

请参考步骤S1，光源10产生低同调光。具体地，如前述的自动校准光干涉装置100透过可发出多波长的光源10发射光线。

请参考步骤S2，干涉光路组件30将低同调光分为第一入射光T1及第二入射光T5。该二入射光T1、T5分别沿第一光路P1及第二光路P2行进。

请参考步骤S3，取样光路组件50的第一端E1接收第一入射光T1。即第一入射光T1从第一端E1射入取样光路组件50。

在另一实施例中，在以取样光路组件50的第一端E1接收第一入射光T1之前，更包括以一切换装置58根据待测样品SP的反射率，从部分反射窗镜56、另一部分反射窗镜56’及又一部份反射窗镜56”中选择一者以接收第一入射光T1。所述的另一部分反射窗镜56’及又一部份反射窗镜56”与部分反射光镜56两者具有相异的反射系数。

请参考步骤S4，取样光路组件50的第二端E2的部分反射窗镜56将第一入射光T1分为第一反射光T2及第一穿透光T3，其中第一穿透光T3射向待测样品SP。

在一实施例中，在第一穿透光T3射向待测样品SP之后，更包括：以多色检测器80接收由待测样品SP反射的一取样光T4，其中取样光T4经过部分反射窗镜56且循取样光路组件50射回多色检测器80。透过计算该取样光T4的强度，可得知待测样品SP对于光线的反射比率，从而透过切换装置58选择更适合的部分反射窗镜56。

请参考步骤S5，参考光路组件70接收第二入射光T5并将其射向参考镜58以产生第二反射光T6。换个角度而言，第二入射光T5进入参考光路组件70后，通过第二准直透镜72与第二远心镜74以聚焦于参考镜78，再循原路径返回到第二光路P2。

请参考步骤S6，多色检测器80接收第一反射光T2及第二反射光T6并据以输出位移信号。具体地，多色检测器80根据二反射光T2、T6的光程差变异ΔL输出一位移信号。当光程L1因故增加了光程差变异ΔL时，透过位移信号可补偿此光程差变异ΔL，位移信号根据光程差变异ΔL所产生，其形式为一电信号或命令(command)传送给位移控制器90。步骤S6的具体步骤详述如下：

请一并参考图2及图2A。图2A为根据本发明实施例所绘示的光干涉装置的自动校准方法的流程图中的步骤S6的详细流程图。

请参考步骤S61，取得第一反射光T2及第二反射光T6的强度信号。即在步骤S6所述及的多色检测器80接收第一反射光T2及第二反射光T6后，进一步取得该二反射光T2、T6各自的强度值。请一并参考步骤S62、S63及S64，分别为执行信号内插(interpolation)法、执行快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform)及执行峰值的光程差检测(Peak’s OPDDetection)，上述步骤将步骤S61取得的二强度值转换为二峰值的光程差信号。请继续参考步骤S65，比对当前峰值的光程差与初始峰值的光程差的差值是否小于一范围。若该差值小于一范围(相当于当前峰值的光程差与初始峰值的光程差相等)，则代表当前峰值的光程差相对于初始峰值的光程差的误差在可容许范围内，因此执行步骤S66，输出当前峰值的光程差(或初始峰值的光程差)。反之，若当前峰值的光程差与初始峰值的光程差的差值大于或等于一范围(相当于当前峰值的光程差与初始峰值的光程差两者不相等)。则执行步骤S67，计算当前峰值的光程差与初始峰值的光程差两者的光程差变异ΔL(峰值的横向偏移等于光程差变异ΔL)。在计算得到此光程差变异ΔL之后，请参考步骤S68及步骤S69，将峰值的光程差变异ΔL转换为位移信号并输出至位移控制器90。具体地，图3A的峰值信号A1代表L1a及L2的光程差(A1＝L1a-L2，接收第一反射光T2与第二反射光T6信号所得到)，当光程L1因故增加了光程差变异ΔL，图3B的峰值信号A1’代表L1a及L2的光程差增加光程差变异ΔL(A1’＝L1a’-L2＝(L1a+ΔL)-L2)。峰值信号A1和峰值信号A1’之间的横向偏移代表光程差变异ΔL，横向偏移信号再转换为位移信号并输出至位移控制器90。

请一并参考图2、图3A及图3B，图3A绘示待测样品SP在多色检测器80的模拟波形图，图3B绘示经光程差变异ΔL后待测样品SP在多色检测器80的模拟波形图。

请参考图3A。第一反射光T2及第二反射光T6于多色检测器80上检测到的信号如图3A所示。信号A1展示出L1a及L2的光程差(A1＝L1a-L2)位于10微米(micrometer)处(接收第一反射光T2与第二反射光T6信号，用于后续测量光程差变异ΔL)。信号A2展示出L1及L2的光程差(A2＝L1-L2)位于50微米的位置(接收取样光T4与第二反射光T6信号，反映待测样品SP的信息)。

当取样光路组件30因故导致光程差变异ΔL时，取样光路组件50的光程L1a、L1皆增加光程差变异ΔL(ΔL来自取样光路组件50内部光程变动，非待测样品SP或间隙所导致)，多色检测器80上测到的信号如图3B所示，图3B信号A1’和图3A信号A1的横向偏移代表光程差变异ΔL。信号A1’展示出L1a’和L2的光程差(A1’＝L1a’-L2＝(L1a+ΔL)-L2)改为20微米处。A2’展示出L1’和L2的光程差(A2’＝L1’-L2＝(L1+ΔL)-L2)亦改为60微米处。L1和L1’的光程差变异为ΔL(L1’＝L1+ΔL)。同样地，L1a及L1a’的光程差亦为ΔL(L1a’＝L1a+ΔL)。

请参考步骤S7，位移控制器90根据位移信号控制参考光路组件70的致动器74移动参考镜78。具体地，透过前述具有固定光程的L2及L1a可修正得到L2’＝L2+ΔL以达到补偿光程差变异ΔL的效果。在步骤S6中的多色检测器80根据上述输出的位移信号由位移控制器90接收后，位移控制器90据以控制参考光路组件70的致动器74调整参考镜78以修正光程为L2’＝L2+ΔL，维持参考光路组件70的光程与取样光路组件50的光程两者间的关系仍为L1a-L2(经过光程差变异ΔL的位移补偿，消去光程差变异ΔL)。从而使信号再度从图3B回到图3A的状态，以保持干涉信号的稳定。

综合以上所述，本发明透过部分反射窗镜的设计，弥补了因为环境温度改变或手持操作导致的光程差变异，维持干涉现象的稳定性，进一步让光干涉装置提高环境耐受度即减轻手持操作的影响。另外，透过切换装置的设计，更可达到依据待测样品反射光线比率的不同，适应性地选用具有不同透射率的部分反射窗镜。

Claims (9)

1.一种自动校准光干涉装置，包括：

光源，用以发出低同调光；

干涉光路组件，耦接该光源，该干涉光路组件用以将该低同调光分为第一入射光及第二入射光；

取样光路组件，耦接该干涉光路组件，该取样光路组件具有第一端及第二端，其中该第一端耦接该干涉光路组件以接收该第一入射光；该第二端朝向待测样品，该第二端具有一部分反射窗镜用以将该第一入射光分为第一反射光及第一穿透光，其中该第一穿透光射向该待测样品；

参考光路组件，耦接该干涉光路组件，该参考光路组件包括参考镜及致动器，该参考光路组件接收该第二入射光并将该第二入射光射向该参考镜以产生第二反射光，该致动器用以移动该参考镜；

多色检测器，耦接该干涉光路组件，该多色检测器用以根据该第一反射光及该第二反射光的光程差变异输出位移信号；以及

位移控制器，电性连接该多色检测器，该位移控制器根据该位移信号控制该致动器。

2.如权利要求1所述的自动校准光干涉装置，其中该部分反射窗镜为玻璃或半透光高分子材料。

3.如权利要求1所述的自动校准光干涉装置，其中该第一反射光的能量小于该第一穿透光的能量。

4.如权利要求1所述的自动校准光干涉装置，其中该部分反射窗镜具有增透模(Anti-Reflective coating，AR coating)。

5.如权利要求1所述的自动校准光干涉装置，其中该取样光路组件的该第二端更具有切换装置，该部分反射窗镜及另一部分反射窗镜被设置于该切换装置，该二部分反射光镜具有相异的反射系数，该切换装置用以从该部分反射窗镜及该另一部分反射窗镜中选择一者以接收该第一入射光。

6.如权利要求1所述的自动校准光干涉装置，其中该第一反射光的能量比率为0.1至5％，该第一穿透光的能量比率为95.0％至99.9％。

7.一种光干涉装置自动校准方法，包括：

以光源产生低同调光；

以干涉光路组件将该低同调光分为第一入射光及第二入射光；

以取样光路组件的第一端接收该第一入射光；

以设置于该取样光路组件的第二端的一部分反射窗镜将该第一入射光分为第一反射光及第一穿透光，其中该第一穿透光射向该待测样品；

以参考光路组件接收该第二入射光并将该第二入射光射向参考镜以产生第二反射光；

以多色检测器接收该第一反射光及该第二反射光，根据该二反射光的光程差变异输出位移信号；以及

以位移控制器根据该位移信号控制该参考光路组件的致动器以移动该参考镜。

8.如权利要求7所述的光干涉装置自动校准方法，更包括：

在该第一穿透光射向该待测样品之后，以该多色检测器接收由该待测样品反射的取样光，其中该取样光经过该部分反射窗镜且循该取样光路组件射回该多色检测器。

9.如权利要求7所述的光干涉装置自动校准方法，更包括：

在以该取样光路组件的该第一端接收该第一入射光之前，以切换装置根据该待测样品的反射率从该部分反射窗镜及另一部分反射窗镜中选择一者以接收该第一入射光，其中，该二部分反射光镜具有相异的反射系数。

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