CN113424015A - 用于检测膜中/膜上出现的波的系统和方法 - Google Patents

用于检测膜中/膜上出现的波的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种检测在膜中/膜上出现的波的系统，包括：源(101)，用于将激励信号倾斜地指向膜；接收器(102)，用于测量从膜的前表面反射的激励信号的第一部分和从所述膜的后表面反射的激励信号的第二部分之间的干涉。系统包括处理装置(103)，用于基于所测量的干涉的变化来检测波。波的检测基于由波在激励信号的第二部分的传播路径的V形部分的光学长度上引起的变化，其中传播路径的V形部分在膜内部。

Description

用于检测膜中/膜上出现的波的系统和方法
技术领域
本公开涉及一种用于检测在膜中/膜上(例如在眼睛的角膜中/角膜上)出现的波的系统。此外，本公开涉及一种用于检测膜中/膜上出现的波的方法。
背景技术
在许多情况下，需要检测出现在膜中/膜上的波，诸如膜波或兰姆波。波可以是驻波或行波。在本文件中，“膜”一词不限于厚度极小的实质上二维结构，“膜”一词可以指任何材料层、片材、板或其厚度明显小于其他维度的另一结构。对出现在膜中/膜上的波的检测可以用于例如眼压测量中，其中，使用诸如空气脉冲、超声波猝发音、冲击波之类的激励或一些其他合适的激励来使角膜变形，之后基于由角膜中/角膜上的激励引起的波获得对眼压的估计。膜中/膜上出现的波可以例如使用干涉测量法来检测，其中，辐射被指向所考虑的膜和参考反射器。波引起从膜表面反射的辐射的传播路径的光学长度的变化。因而，波引起参考反射器反射的辐射与膜表面反射的辐射之间的干涉中的变化。因此，可以基于上述干涉的变化来检测波。
然而，在许多应用中，用于检测膜中/膜上出现的波的上述基于干涉测量的方法并非没有挑战。例如，可能存在挑战的是，结合眼压测量，保持参考反射器关于正被测量的眼睛充分静止，以便参考反射器关于眼睛的位置和/或方向的无意变化不会过多干扰眼压测量。因而，需要用于检测膜中/膜上出现的波的技术解决方案，以便不需要参考反射器或必须关于承载要检测的波的膜精确静止的一些其他元件。
发明内容
下面呈现简要发明内容，以提供对不同发明实施例的一些方面的基本理解。发明内容不是对本发明的广泛概述。既无意确定本发明的基本或关键要素，也无意描绘本发明的范围。以下发明内容仅以简化形式呈现本发明的一些概念，作为对本发明的示例性和非限制性实施例的更详细说明的前奏。
在本文件中，“几何”一词用作前缀时表示几何概念，不一定是任何物理对象的一部分。几何概念可以是例如几何点、直线或曲线几何线、几何平面、非平面几何表面、几何空间，或零、一、二或三维的任何其他几何实体。
根据本发明，提供了一种用于检测在膜中/膜上(例如，在眼睛的角膜中/角膜上)出现的波的新型系统。膜可以是任何材料层、片材、板或其厚度明显小于其他维度的另一结构。根据本发明的系统包括：
-源，用于将信号指向膜，以及
-接收器，用于测量从膜的前表面反射的信号的第一部分和从膜的后表面反射的信号的第二部分之间的干涉，以及
-处理装置，用于基于所测量的干涉的变化来检测波。
源和接收器关于彼此倾斜定位，使得当接收器接收到信号的反射的第一和第二部分时，信号被倾斜地指向膜。
对膜上出现的波的检测是基于波在信号的上述第二部分的传播路径的V形部分的长度上引起的变化，其中，传播路径的V形部分在膜内部。将在本文件后面参考附图解释波改变上述V形部分的长度的方式。
由于波的检测是基于膜前表面反射的信号的第一部分与膜后表面反射的信号的第二部分之间的干涉，因此不需要参考反射器和/或另一个必须关于承载要检测的波的膜精确静止的元件。
根据本发明，还提供了一种用于检测在膜中/膜上(例如，在眼睛的角膜中/角膜上)出现的波的新方法。根据本发明的方法包括：
-将信号倾斜地指向膜，以及
-测量从膜的前表面反射的信号的第一部分和从膜的后表面反射的信号的第二部分之间的干涉，以及
-基于所测量的干涉的变化来检测波。
在所附从属权利要求中描述了各种示例性和非限制性实施例。
当结合附图阅读时，从具体示例性实施例的以下说明可以最好地理解关于构造和操作方法的示例性和非限制性实施例以及附加目的和优点。
动词“包含…”和“包括…”在本文件中用作开放限制，既不排除也不要求存在未叙述的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中叙述的特征可以相互自由组合。此外，应理解，本文件中通篇使用的“一”或“一个”，即单数形式，并不排除复数形式。
附图说明
下面参考附图更详细地解释本发明的示例性和非限制性实施例及其优点，其中：
图1a示出了根据示例性和非限制性实施例的用于检测膜中/膜上出现的波的系统，
图1b至图1d示出了图1a中所示系统的操作原理，以及
图2示出了根据示例性和非限制性实施例的用于检测膜中/膜上出现的波的方法的流程图。
具体实施方式
下面说明中提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则以下说明中提供的示例列表和示例组都不是详尽无遗的。
图1a示出了根据示例性和非限制性实施例的用于检测出现在膜107中/上的波的系统。在图1a中所示的示例性情况下，膜107是眼睛106的角膜。在图1b、图1c和图1d中示出了沿膜107行进的波，这些图示出了在时间t0、t1和t2的不同时刻的膜107的截面图，其中t2>t1>t0。图1a中所示的系统包括用于将信号指向膜107的源101。源101可以包括例如光源104，光源104可以是例如激光源，诸如用于发射信号的垂直腔面发射激光器“VCSEL”。在该示例性情况下，信号是光束，例如，激光束。源101可以进一步包括用于将光束聚焦到膜107的透镜系统。光束有利地聚焦在膜107的前表面上或前表面后面。前表面是信号首先到达的膜107的表面。辐射点，例如激光点在膜107表面上的直径可以例如在0.5mm至6mm的范围内。信号也可能是一些其他传播波前，例如，超声波波前。系统包括接收器102，以测量从膜107的前表面反射的信号的第一部分和从膜107的后表面反射的信号的第二部分之间的干涉。在图1b至图1d中，信号的第一部分用虚线箭头表示，信号的第二部分用点划线箭头表示。在其中信号是电磁辐射，例如激光束的示例性情况下，接收器102可以包括例如透镜系统和包含传感器元件105阵列的多点传感器。每个传感器元件可以是例如光电二极管或光电晶体管。接收器102也可能包括电荷耦合器件“CCD”。系统进一步包括用于基于由接收器102测量的干涉的变化来检测波的处理装置103。在根据示例性和非限制性实施例的系统中，接收器102包括双光电二极管或光电二极管阵列，其中，使用相邻光电二极管的差分感测来提高灵敏度。
源101和接收器102关于彼此倾斜定位，使得当接收器102接收到信号的所反射的第一和第二部分时，信号被倾斜地指向膜107。在根据示例性和非限制性实施例的系统中，源101和接收器102关于彼此倾斜定位，使得源101的发射方向和接收器102的接收方向之间的角α在15度至120度的范围内。在根据示例性和非限制性实施例的系统中，角α在45度至90度的范围内。
下面参考图1b至图1d解释对波的检测。在图1b中所示的情况下，波还没有到达膜107的辐射区域。信号的第一和第二部分之间的干涉由信号的波长和信号的第二部分的传播路径的V形部分A-B-C的长度确定。在信号是电磁辐射(例如，激光束)的示例性情况下，假定术语“长度”包括膜107的材料的折射率的影响。如图1b至图1d所示，传播路径的V形部分在膜107内部。在图1c中所示的情况下，波已经到达膜107的激励区域。如图1b和图1c中所示，图1c中所示情况下的距离A-B比图1b所示情况下的长，并且距离B-C在图1b和图1c中所示的情况下基本相同。在图1d中所示的情况下，波在传播方向上已经比图1c中所示的情况下移动得更远。如图1b至图1d中所示，图1d中所示情况下的距离A-B和B-C比图1b和图1c中所示情况下的距离短。信号的第二部分的传播路径的V形部分A-B-C的长度的上述变化引起信号的第一和第二部分之间的干涉的变化。如图1b至图1d所示，当信号的第二部分进入膜107的点A与信号的第二部分离开膜107的点C之间的距离基本为在膜中/上出现的波的长度时，V形部分A-B-C的长度变化最强。
根据示例性和非限制性实施例的系统包括支撑结构108，支撑结构108被布置成机械地支撑源101和接收器102，使得图1a中所示的上述角α是可变的。这使得系统的用户能够选择角α，使得信号的第二部分进入膜107的点A和信号的第二部分离开膜107的点C之间的距离基本上为在膜中/上出现的波的长度。
在根据示例性和非限制性实施例的系统中，处理装置103被配置成估计所测量的干涉的变化率。变化率可以表示为例如Hz。在一些示例性情况下，变化率可以例如高于1kHz。
在根据示例性和非限制性实施例的系统中，处理装置103被配置成基于所测量的干涉的变化率和指示波的长度的预存储数据来估计波的行进速度。还可能在膜上同时存在两个彼此相距已知距离的测量点，并且基于已知距离和针对两个测量点测量的干涉中出现的对应变化之间的时间差来估计行进速度。
在根据示例性和非限制性实施例的系统中，处理装置103被配置成控制源101，以改变信号的波长并基于用信号的不同波长所测量的干涉来估计膜107的厚度。厚度在图1b至图1d中用T表示。在该示例性情况下，源101可以包括例如用于实现信号的波长扫描的垂直腔面发射激光器“VCSEL”。VCSEL发出的信号的波长可以通过改变VCSEL的电流来改变。因而，可以在直接强度调制中用斜坡电流脉冲来驱动VCSEL，并且VCSEL的固有特性通过自热效应产生波长扫描输出。VCSEL发出的信号具有长相干长度，这使得可能测量其厚度为几毫米的膜的厚度，而通过改变VCSEL的电流获得的波长扫描使得可能检测相干宽度为几百微米的白光干涉。系统可以包括用作厚度确定参考的气隙。可以借助于所测量的干涉信号的傅立叶变换来获得指示正在确定的厚度的数据。由于不是垂直而是倾斜地执行测量，因此在厚度估计中有利地补偿了倾斜度的影响，即余弦误差。又例如，厚度估计可以基于例如通过用具有预定厚度的参考膜执行的实验获得的预存参考模型，其中，参考模型指示根据信号的波长以及根据膜的厚度的干涉的行为，即，干涉＝f(λ,T)，λ为信号的波长，T为膜的厚度。参考模型可以用例如二维查找表实现。膜材料的折射率的影响可以被包含在参考模型中。可以通过在参考模型中找到厚度值来估计膜的厚度，以便参考模型指示的根据波长的干涉的行为尽可能接近根据波长的所测量的干涉的行为。也可能使用基于波动光学理论的数学模型来估计膜的厚度。当指示根据波长的所测量的干涉的行为的参数作为输入数据被给出时，数学模型给出厚度估计。
处理装置103可以用一个或多个处理器电路来实现，每个处理器电路可以是配备有适当软件的可编程处理器电路，专用硬件处理器，诸如专用集成电路“ASIC”，或可配置的硬件处理器，诸如现场可编程门阵列“FPGA”。此外，处理装置103可以包括一个或多个存储器电路，每个存储器电路例如可以是随机存取存储器“RAM”电路。
图2示出了根据示例性和非限制性实施例的用于检测膜中/膜上出现的波的方法的流程图。该方法包括下列动作：
-动作201：将信号倾斜地指向膜，以及
-动作202：测量从膜的前表面反射的信号的第一部分和从膜的后表面反射的信号的第二部分之间的干涉，以及
-动作203：基于所测量的干涉的变化来检测波。
在根据示例性和非限制性实施例的方法中，信号被倾斜地指向膜，使得信号到达膜的方向与膜的几何垂线之间的角β在7度至60度的范围内。在图1b至图1d中示出了角β。在根据示例性和非限制性实施例的方法中，上述角β在从22度到45度的范围内。
在根据示例性和非限制性实施例的方法中，选择上述角β，使得信号的第二部分进入膜的点与信号的第二部分离开膜的另一点之间的距离基本上是波的长度。
根据示例性和非限制性实施例的方法包括估计所测量的干涉的变化率。
根据示例性和非限制性实施例的方法包括基于所测量的干涉的变化率和指示波的长度的预存数据来估计波的行进速度。
根据示例性和非限制性实施例的方法包括改变信号的波长并基于对应于信号的不同波长的所测量的干涉来估计膜的厚度。
在根据示例性和非限制性实施例的方法中，信号是利用例如，垂直腔面发射激光器的激光源产生的。
在根据示例性和非限制性实施例的方法中，利用传感器元件阵列测量干涉。
上文给出的说明中提供的非限制性、具体示例不应被解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。此外，除非另有明确说明，否则本文件中呈现的任何示例列表或示例组都不是详尽无遗的。

Claims (15)

1.一种用于检测在膜中/膜上出现的波的系统，所述系统包括：
-源(101)，所述源(101)将信号指向所述膜，以及
-接收器(102)，所述接收器(102)测量从所述膜的前表面反射的信号的第一部分和从所述膜的后表面反射的信号的第二部分之间的干涉，
其特征在于，所述源和所述接收器被关于彼此倾斜定位，使得当所述接收器接收到所述信号的反射的第一和第二部分时，所述信号被倾斜地指向所述膜，并且所述系统包括处理装置(103)，所述处理装置(103)基于所测量的干涉的变化来检测所述波。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述源和所述接收器被关于彼此倾斜定位，使得所述源的发射方向和所述接收器的接收方向之间的角(α)在15度至120度的范围内。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述源和所述接收器被关于彼此倾斜定位，使得所述角(α)在45度至90度的范围内。
4.根据权利要求1至3中的任意项所述的系统，其中，所述系统包括支撑结构(108)，所述支撑结构(108)被布置成机械地支撑所述源(101)和所述接收器(102)，使得所述源的发射方向和所述接收器的接收方向之间的角(α)可变。
5.根据权利要求1至4中的任意项所述的系统，其中，所述处理装置被配置成控制所述源，以改变所述信号的波长并且基于通过所述信号的不同波长测量的干涉来估计所述膜的厚度(T)。
6.根据权利要求1至5中的任意项所述的系统，其中，所述源(101)包括激光源。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述激光源是垂直腔面发射激光器。
8.根据权利要求1至7中的任意项所述的系统，其中，所述接收器包括传感器元件(105)阵列。
9.一种检测在膜(107)中/上出现的波的方法，所述方法包括：
-将信号指向(201)所述膜，以及
-测量(202)从所述膜的前表面反射的信号的第一部分和从所述膜的后表面反射的信号的第二部分之间的干涉，
其特征在于，所述信号被倾斜地指向(201)所述膜，并且所述方法包括基于所测量的干涉的变化来检测(203)所述波。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述信号被倾斜地指向所述膜，使得所述信号到达所述膜的方向与所述膜的几何垂线之间的角(β)在7度至60度的范围内。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述角(β)在22度至45度的范围内。
12.根据权利要求9至11中的任意项所述的方法，其中，所述方法包括选择所述信号到达所述膜的方向与所述膜的几何垂线之间的角(β)，使得所述信号的第二部分进入所述膜的点(A)与所述信号的第二部分离开所述膜的另一点(C)之间的距离基本为所述波的长度。
13.根据权利要求9至12中的任意项所述的方法，其中，所述方法包括改变所述信号的波长以及基于对应于所述信号的不同波长的所测量的干涉来估计所述膜的厚度。
14.根据权利要求9至13中的任意项所述的方法，其中，利用激光源产生所述信号。
15.根据权利要求9至14中的任意项所述的方法，其中，利用传感器元件阵列测量所述干涉。
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