CN1588000A - 测量三维折射率的微分干涉层析方法及其测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开的测量三维折射率的微分干涉层析方法及其测量仪是基于迈克耳孙干涉和光学共焦滤波方法的组合，即使用聚焦探测光束，利用共焦光学滤波提取被测介质内部“点”的逆向散射光，通过连续扫描和干涉比较，计量微米量级微小区间的光程变化，从而测定折射率的空间量值分布。本发明不仅解决了以往用积分干涉方法不能有效测量三维折射率的问题，而且所提供的微分干涉层析测量仪测量精度高、结构简单。由于物质的温度、浓度、密度等多种其它物理性质都同折射率密切相关，而微分干涉层析测量以物质的折射率作为原始测量物理量，因此，本发明可以通过测量折射率来间接测定与折射率有关的其它多种物理量，在科学研究和工程领域均具有广泛的应用潜力。

Description

测量三维折射率的微分干涉层析方法及其测量仪

技术领域

本发明涉及测量三维折射率的微分干涉层析方法及其测量仪器。

背景技术

折射率是表征光透明物质光学性质的基本物理量之一。各种光透明物质中，诸如密度、浓度、温度、应力等物理量以及物相、结构形态等的变化，均会引起折射率的变化。根据折射率的空间分布和时间变化，可以分析乃至确定其它多种物理“场量”。因此，对折射率的测量是具有基本意义的测量，并且有广泛的应用价值，是一种发展潜力很大的无损检测手段。在这类检测技术中，以经典干涉计量和全息干涉计量原理为基础的，占主导地位。然而现有的各种透射型干涉测量方法，一般只适合于测定二维场量。因为透射型干涉计量所观测的干涉现象，是光通过介质后的积分效应，所以必须假定介质沿某一方向(通常是观测方向)的折射率分布为常量，才能准确地进行定量分析。全息术虽然具有三维记录与再现的特性，但却不能以通常所用的简单方式测得三维折射率。近年来，国外对层析技术的研究十分活跃，国内这方面的研究还开展的比较少。利用光学层析方法，通过在多个投影方向获取光场数据，然后选择适当的算法，利用计算机进行场量重构，可以得到介质内若干剖面上的折射率分布，实现三维场测量。但是，由于多方向探测的物理过程，仍然是截获光的积分干涉效应，并且须借助复杂的算法完成场量重构，所以测量灵敏度和精度不高。采用多方向探测，还会不可避免地导致仪器装置复杂，测量及分析计算过程繁琐N.Reinecke，G.Petritsch，D.Schmitz，D.Mewes，Tomographic measurement techniques-visualization of multiphase flows，Chem.Eng.Technol.21(1998)1，7-18。

发明内容

本发明的目的是为三维物理场量的测量分析提供一种测量三维折射率的微分干涉层析方法及其结构简单且具有较高测量精度的测量仪。

本发明的测量三维折射率的微分干涉层析方法，是采用探测物镜、半反射镜和平面反射镜以及被测物组成迈克尔孙干涉光路；探测物镜、共焦透镜和针孔滤波器组成共焦滤波光路；迈克尔孙干涉光路与共焦滤波光路共同构成探测光组，利用半反射镜将光源发出的相干光分成两束，其中一束经探测物镜汇聚于共焦滤波光路的前焦点，使共焦滤波光路的前焦点处于被测物内部，共焦滤波光路前焦点的逆向散射形成物光，另一束由平面反射镜反射形成参考光，物光与参考光在针孔滤波器的光孔中心产生干涉信号，用光电转换器将干涉信号转换成电信号后送入模/数转换器，由模/数转换器实时将模拟信号转换为数字信号，该数字信号经数据采集器采集后输入计算机存储，并由计算机给出折射率计算结果，同时由计算机发出使共焦滤波光路的前焦点在被测物内移动的控制信号，控制精密机械调节装置带动探测光组作三维扫描位移。

用于实现上述测量三维折射率的微分干涉层析方法的测量仪，包括具有通光孔的箱体，箱体内同轴线依次装置有：探测物镜、45°斜置的半反射镜、共焦透镜、针孔滤波器和光电转换器，在半反射镜镜面的两侧分别装置有平面反射镜和相干光源，机箱安装在作三维移动的精密机械调节装置上，光电转换器的输出端与设置在箱体外的模/数转换器的输入端相连，模/数转换器的输出端与数据采集器的输入端连接，数据采集器的输出端与计算机的输入端连接，计算机输出的用于控制精密机械调节装置作三维运动的信号通过信号线与精密机械调节装置中的动作执行单元连接，精密机械调节装置中的位移传感器通过信号线与数据采集器的输入端连接。

微分干涉层析测量仪的工作原理是基于迈克耳孙干涉和光学共焦滤波方法的组合，即使用聚焦探测光束，利用共焦光学滤波提取被测介质内部“点”(直径为数个微米的区域)的逆向散射光，通过连续扫描和干涉比较，计量微小区间(微米量级)的光程变化，从而确定折射率的空间量值分布(绝对折射率)。

上述的相干光源是连续波激光器，例如He-Ne激光器，或者是其它单色光源。

本发明中，探测物镜、半反射镜和平面反射镜以及被测物组成迈克尔孙干涉光路；探测物镜、共焦透镜和针孔滤波器组成共焦滤波光路，迈克尔孙干涉光路与共焦滤波光路结合在一起，构成探测光组。共焦滤波光路前焦点的逆向散射光(物光)与参考光在共焦滤波光路后焦点上产生干涉，针孔滤波器的通光中心刚好位于共焦透镜的后焦点上；干涉信号通过针孔滤波器后被光电转换器接收并转换成电信号，模/数转换器实时将光电转换器输出的模拟信号转换为数字信号，该数字信号经数据采集器采集，然后被送入计算机存储起来；计算机内装有数据分析软件和控制软件，前者给出折射率及相关物理场量的分析计算结果(绝对折射率的空间分布以及根据折射率构建的物理图象)，后者用于控制精密机械调节装置，以带动箱体作三维扫描位移。

本发明将光学干涉和光学共焦相结合，提供逆散射微分测量方法和微分干涉层析测量仪。本发明不仅解决了以往用积分干涉方法不能有效测量三维折射率的问题，而且所提供的微分干涉层析测量仪测量精度高、结构简单。由于物质的温度、浓度、密度等多种其它物理性质都同折射率密切相关，而微分干涉层析测量以物质的折射率作为原始测量物理量，因此，本发明可以通过测量折射率来间接测定与折射率有关的其它多种物理量，在科学研究和工程领域均具有广泛的应用潜力，可以广泛应用于物理、化学、化工、材料、制药、生物、医学、环境等领域折射率及相关物理量的测量。

附图说明

图1是微分干涉层析测量仪的结构示意图，

图2是折射率计算及测点定位示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明的微分干涉层析测量仪包括具有通光孔16的箱体15，箱体内自左向右同轴线依次装置有：探测物镜1、45°斜置的半反射镜2、共焦透镜3、针孔滤波器4和光电转换器6，在半反射镜2镜面的两侧分别装置有平面反射镜5和相干光源7，机箱15通过燕尾槽安装在作三维移动的精密机械调节装置14上，三维精密机械调节装置14上设有测量位移的位移传感器13和动作执行单元12，位移传感器的分辨率为0.01～0.1微米，可以采用Heidenhain公司的PP 281 R编码器；执行单元12包括高精度步进电机和驱动器，例如可以采用BergerLahr公司的步进电机VRDM364LH及驱动器D921。光电转换器6的输出端与设置在箱体外的模/数转换器9的输入端相连，模/数转换器9的输出端与数据采集器10的输入端连接，数据采集器10的输出端与计算机11的输入端连接，计算机11输出的用于控制精密机械调节装置14作三维运动的信号，通过信号线与精密机械调节装置14中的动作执行单元12连接，精密机械调节装置14中的位移传感器13通过信号线与数据采集器10的输入端连接。数据采集器10也可以置于计算机11中。

上述的光电转换器6可采用光电倍增管，例如Hamamatsu公司的R7400U-20；模/数转换器9可以采用Maxim/Dallas公司的ADC MAX1072或MAX1075；数据采集器10可以是数据采集卡，例如四川拓普公司的PXI模块。相干光源7为氦氖激光器或其它单色光源，其安装定位应保证入射半反射镜2的光束轴线与共焦滤波系统的主光轴及平面反射镜5垂直。

测量时，将被测物8置于机箱通光孔16的前方。这里，探测物镜1、半反射镜2、平面反射镜5组成迈克耳孙干涉光路；探测物镜1、共焦透镜3、针孔滤波器4组成共焦滤波光路；迈克耳孙干涉光路与共焦滤波光路结合在一起，构成探测光组。由相干光源7发出相干平行光束，以45°角射入半反射镜2。光束经半反射镜2作用分成两路，一路被半反射镜2反射沿物镜1的光轴向左传播，形成探测物光；另一路透过半反射镜2，然后正入射平面反射镜5，被平面反射镜5反射形成参考光。探测物光经过探测物镜1聚焦，形成锥形探测光束射入被测物8，在被测物8内的光束汇聚点上，探测物光被散射到各个方向上，其中处在入射光锥范围内的逆向散射光按原路返回，通过探测物镜1后成为平行光，这束光有一部分透过半反射镜2继续向后(图中的右方)传播；参考光先后经平面反射镜5和半反射镜2反射，与物光汇合并一起向后传播。物光和参考光通过共焦透镜3，在其后焦点即针孔滤波器4的通光中心汇聚，并发生干涉。当探测物镜1的前焦点处在被测物8的内部时，使探测光组相对于被测物8沿光的入射方向移动，即作纵向扫描，如图1中的双向箭头所示，则物光的聚焦点在被测物内连续移动。于是，聚焦点到干涉场的光程连续变化，而参考光的光程保持不变，因此二者间的光程差会随着扫描过程的进行而连续变化，干涉强度也随之变化。由此可以实现三维折射率的测量。

参看图2，由干涉计量理论，对于扫描线上的任意一点O₁，只要测出其邻近一点O₂到点O₁的光程差和探测光组的扫描移动量，就可以根据光程差、折射率和几何路程三者之间的关系，计算出点O₂的折射率，并确定点O₂的位置。在图2中，设初始状态下，探测物镜1的前焦点刚好位于被测物8的表面点O，以点O为原点建立坐标系O-xyz。当探测物镜1随探测光组移动一段距离d₁后，探测光束因被测介质的偏折作用而聚焦在点O₁处。如果被测物的折射率是均匀的，或者当点O与点O₁的间距很小，因而可以认为这两点之间的折射率为常量时，由折射定律和光程差分析，可以得到以下两个计算公式：

$n_1=\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\Δ}}_1}{2d_1}}--\left(1\right)$

            δ₁＝n₁d₁                (2)

由式(1)可以计算出点O和O₁的之间的折射率n₁，而式(2)给出点O和点O₁之间的距离δ₁。式(1)中的Δ₁是探测物镜1沿z轴移动距离d₁后所测得的光程差，其具体数值由探测光波的波长和干涉强度的变化周次(干涉级)来确定，干涉强度每出现一次峰值，表示产生了λ/2的光程差，λ为光波的波长。点O₁的位置和折射率确定后，继续沿z轴向前扫描，可以利用公式

$n_N=\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\Δ}}_N}{2d_N}}--\left(3\right)$

                                  (N＝1，2，3，...，是测点序号)

         δ_N＝n_Nd_N          (4)

依次计算出扫描线上一系列点的位置和折射率。完成一条纵向线的扫描后，横向移动探测光组，即改变扫描线的x，y坐标，又可以沿另一条纵向线扫描。这样，按照一定的扫描方案，就可以对被测物进行三维测量，得到空间区域的折射率分布。公式(1)，(2)，(3)，(4)是在近轴条件下推导出来的，因此实际测量系统的设计，探测物光不能采用宽光束，而必须是细光束，即近轴光。

Claims (4)

1.测量三维折射率的微分干涉层析方法，其特征是该方法采用探测物镜(1)、半反射镜(2)和平面反射镜(5)以及被测物(8)组成迈克尔孙干涉光路；探测物镜(1)、共焦透镜(3)和针孔滤波器(4)组成共焦滤波光路；迈克尔孙干涉光路与共焦滤波光路共同构成探测光组，利用半反射镜(2)将光源发出的相干光分成两束，其中一束经探测物镜(1)汇聚于共焦滤波光路的前焦点，使共焦滤波光路的前焦点处于被测物内部，共焦滤波光路前焦点的逆向散射形成物光，另一束由平面反射镜(5)反射形成参考光，物光与参考光在针孔滤波器的光孔中心产生干涉信号，用光电转换器将干涉信号转换成电信号后送入模/数转换器，由模/数转换器实时将模拟信号转换为数字信号，该数字信号经数据采集器采集后输入计算机存储，并由计算机给出折射率计算结果，同时由计算机发出使共焦滤波光路的前焦点在被测物内移动的控制信号，控制精密机械调节装置带动探测光组作三维扫描位移。

2.用于实现权利要求1所述测量三维折射率的微分干涉层析方法的测量仪，其特征是该测量仪包括带有通光孔(16)的箱体(15)，箱体内同轴线依次装置有：探测物镜(1)、45°斜置的半反射镜(2)、共焦透镜(3)、针孔滤波器(4)和光电转换器(6)，在半反射镜(2)镜面的两侧分别装置有平面反射镜(5)和相干光源(7)，机箱(15)安装在作三维移动的精密机械调节装置(14)上，光电转换器(6)的输出端与设置在箱体外的模/数转换器(9)的输入端相连，模/数转换器(9)的输出端与数据采集器(10)的输入端连接，数据采集器(10)的输出端与计算机(11)的输入端连接，计算机(11)输出的用于控制精密机械调节装置(14)作三维运动的信号通过信号线与精密机械调节装置(14)中的动作执行单元(12)连接，精密机械调节装置(14)中的位移传感器(13)通过信号线与数据采集器(10)的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的微分干涉层析测量仪，其特征是数据采集器(10)内置于计算机(11)中或外置于计算机。

4.根据权利要求2所述的微分干涉层析测量仪，其特征是所说的相干光源(7)是具有良好相干性的连续波激光器。