TW202024588A

TW202024588A - 自動校準光干涉裝置及光干涉裝置自動校準方法

Info

Publication number: TW202024588A
Application number: TW107147454A
Authority: TW
Inventors: 江鴻志; 張正宜; 張庭瑋; 張啟伸
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-07-01
Also published as: US10890429B2; CN111380453B; CN111380453A; TWI682150B; US20200208958A1

Abstract

一種自動校準光干涉裝置包括：光源，發出低同調光；干涉光路組件，將低同調光分為第一及第二入射光；取樣光路組件，具有一第一及第二端，其中第一端接收第一入射光；第二端朝向待測樣品，並有一部分反射窗鏡用以將第一入射光分為第一反射光及第一穿透光，其中第一穿透光射向待測樣品；參考光路組件，包括參考鏡及一致動器，參考光路組件將第二入射光射向參考鏡以產生第二反射光，致動器用以移動參考鏡；多色偵測器，用以根據第一及第二反射光的光程差變異輸出一位移訊號；以及一位移控制器根據位移訊號控制致動器。

Description

自動校準光干涉裝置及光干涉裝置自動校準方法

本發明涉及光干涉的技術領域，特別是一種可自動校準的光干涉裝置及光干涉裝置的自動校準方法。

在光干涉的技術領域中，由於光傳遞的速度極快，無法類似於超音波技術可直接由探頭量測到波前的延遲，因此需透過取樣光路與參考光路間固定的光程差產生干涉現象。傳統的麥克森干涉儀具有兩個光臂，該二光臂之間的光程差（Optical Path Difference，OPD）需保持穩定才能產生干涉現象。一般而言，光干涉裝置需被放置在穩定耐震的平面，如光學防震桌上。

然而，對於需要手持使用的干涉儀而言，由於光程差會因使用者操作或外在環境影響而有變異，導致量測結果不精確。

有鑑於此，為解決習知的麥克森干涉儀具有操作限制或易受外在環境影響的問題，本發明提出一種的自動校準光干涉裝置及其方法，所述的裝置及其方法作為手持式干涉儀使用對環境影響忍受度高，且可達到即時穩定光程差的效果。

依據本發明一實施例所敘述的一種自動校準光干涉裝置，包括：一光源，用以發出一低同調光；一干涉光路組件，耦接該光源，該干涉光路組件用以將該低同調光分為一第一入射光及一第二入射光；一取樣光路組件，耦接該干涉光路組件，該取樣光路組件具有一第一端及一第二端，其中該第一端耦接該干涉光路組件以接收該第一入射光；該第二端朝向一待測樣品，該第二端具有一部分反射窗鏡用以將該第一入射光分為一第一反射光及一第一穿透光，其中該第一穿透光射向該待測樣品；一參考光路組件，耦接該干涉光路組件，該參考光路組件包括一參考鏡及一致動器，該參考光路組件接收該第二入射光並將該第二入射光射向該參考鏡以產生一第二反射光，該致動器用以移動該參考鏡；一多色偵測器，耦接該干涉光路組件，該多色偵測器用以根據該第一反射光及該第二反射光的光程差變異輸出一位移訊號；以及一位移控制器，電性連接該多色偵測器，該位移控制器根據該位移訊號控制該致動器。

依據本發明一實施例所敘述的一種光干涉裝置的自動校準方法，包括：以一光源產生一低同調光；以一干涉光路組件將該低同調光分為一第一入射光及一第二入射光；以一取樣光路組件之一第一端接收該第一入射光；以設置於該取樣光路組件之一第二端的一部分反射窗鏡將該第一入射光分為一第一反射光及一第一穿透光，其中該第一穿透光射向該待測樣品；以一參考光路組件接收該第二入射光並將該第二入射光射向一參考鏡以產生一第二反射光；以及以一多色偵測器接收該第一反射光及該第二反射光，根據該二反射光的光程差變異輸出一位移訊號；以及以一位移控制器根據該位移訊號控制該參考光路組件之一致動器以移動該參考鏡。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參考圖1，其係依據本發明一實施例所繪示的自動校準光干涉裝置100及待測樣品SP的架構圖。所述的自動校準光干涉裝置100包括：光源10、干涉光路組件30、取樣光路組件50、參考光路組件70、多色偵測器（Polychromator）80以及位移控制器90。如圖1所示，干涉光路組件30耦接光源10、取樣光路組件50、參考光路組件70及多色偵測器80。

整體而言，光源10發出的光經干涉光路組件30分光至取樣光路組件50與參考光路組件70，兩光路組件各自回光，再耦合回干涉光路組件30，並由多色偵測器80接收。

如圖1所示，光源10耦接於干涉光路組件30。光源10可發出多種波長的低同調光（low coherence light）。

干涉光路組件30可將光源10發出的低同調光分為第一入射光T1及第二入射光T5。第一入射光T1循第一光路P1傳遞至取樣光路組件50。第二入射光T5循第二光路P2傳遞至參考光路組件70。所述的第一光路P1及第二光路P2例如以光纖實現，然而並不以此為限。

具有固定光程的取樣光路組件50具有第一端E1及第二端E2。第一端E1透過耦接至干涉光路組件30的第一光路P1接收第一入射光T1。第二端E2朝向待測樣品SP。待測樣品SP可為生物組織（例如受測者的皮膚）。如圖1所示，第一端E2及第二端E2之間具有第一準直透鏡52及第一遠心透鏡54，該二透鏡52、54用以將第一入射光T1聚焦至待測樣品SP的特定位置以量測該位置的光學資訊。

本發明在第二端E2設置部分反射窗鏡56。第一入射光T1經第一光路P1依序經過第一準直透鏡52、第一遠心透鏡54，部分反射窗鏡56可將第一入射光T1分為循原光路返回的第一反射光T2及射向待測樣品SP的第一穿透光T3，第一反射光T2依序經過第一遠心透鏡54、第一準直透鏡52再回到第一光路P1；第一穿透光T3進入待測樣品SP，經過待測樣品SP的吸收與反射後，產生取樣光T4，取樣光T4依序經過部分反射窗鏡56、第一遠心透鏡54、第一準直透鏡52再回到第一光路P1。第一反射光T2的光程如圖1的L1a所示。取樣光T4的光程如圖1的L1所示。干涉光路組件30回收第一反射光T2與取樣光T4，第一反射光T2的光程L1a係測量重點，光程L1a的光程變異ΔL1將作為參考光路組件70的位移補償。

在一實施例中，取樣光路組件50的第二端E2可以無間隙（gap）地接觸待測樣品SP的表面，從而使得來自部分反射窗鏡56的第一穿透光T3可射至待測樣品SP的表面之下的聚焦位置。然而，本發明並不受限於上述方式，例如當待測樣品SP的聚焦位置可被固定時，第二端E2亦可與該待測樣品SP保持一間隙。

在一實施例中，考慮待測樣品對於光線的反射狀況，第一反射光T2之能量小於第一穿透光T3之能量。例如第一反射光T2的能量比率為0.1~5%，第一穿透光T3之能量比率為95.0%~99.9%。

在一實施例中，部分反射窗鏡56係玻璃或半透光高分子材料。

在一實施例中，部分反射窗鏡56具有增透模（Anti-Reflective coating，AR coating），藉以改變部分反射窗鏡56部分反射與部分透射的能量比率，例如降低部分反射窗鏡56的反射率，讓第一反射光T2的強度適度地降低。

請參考圖1A，其係依據本發明一實施例所繪示的取樣光路組件50的第二端E2的切換裝置58的示意圖。在一實施例中，取樣光路組件50的第二端E2更具有一切換裝置58。所述的切換裝置58例如為轉盤，如圖1A所示。切換裝置58上設置部分反射窗鏡56、另一部分反射窗鏡56’及又一部分反射窗鏡56’’。這三個部分反射光鏡56、56’、56’’彼此具有相異的反射係數。切換裝置58用以從部分反射窗鏡56、另一部分反射窗鏡56’及又一部分反射窗鏡56’’中選擇一者以接收第一入射光T1。藉此，本發明一實施例的自動校準光干涉裝置100可達到依據待測樣品SP不同調整第一穿透光T3的強度比率的功效。

具有可變光程的參考光路組件70包括第二準直透鏡72及致動器74，致動器74包括第二遠心透鏡76及參考鏡78。參考光路組件70透過耦接至干涉光路組件30的第二光路P2接收第二入射光T5，並將第二入射光T5射向參考鏡78，參考鏡78因此產生第二反射光T6。致動器74用以同時移動第二遠心透鏡76及參考鏡78，藉此達到調整第二入射光T5射至參考鏡78的光程L2。承上所述，第二入射光T5經第二光路P2依序由第二準直透鏡72、第二遠心透鏡76、參考鏡78（反射第二入射光T5）、第二遠心透鏡76、第二準直透鏡72再回到第二光路P2，上述近似第一入射光T1在取樣光路組件50的光學延遲。

多色偵測器80根據第一反射光T2及第二反射光T6的光程差變異輸出一位移訊號。

位移控制器90電性連接多色偵測器80。位移控制器90根據位移訊號控制致動器74。透過致動器74移動參考鏡78的位置可調整參考光路組件70的光學延遲。

在本發明一實施例中，藉由取樣光路組件50的部分反射窗鏡56與參考光路組件透過致動器74移動參考鏡78的設計，多色偵測器80可即時接收因探頭產生的光程差（Optical Path Difference，OPD）變異ΔL。隨後，再基於訊號處理的方式，計算出作為補償的位移訊號，並將位移訊號發送至位移控制器90。藉此，可將參考鏡78相對於第二準直透鏡72進行移動，彌補前述的OPD變異，達到穩定光程差的功效。

本發明一實施例所敘述的自動校準光干涉裝置100設置部分反射窗鏡56於取樣光路組件50中。取樣光路組件50接收射至部分反射窗鏡56後的第一反射光T2及射至待測樣本SP後的取樣光T4。這兩道光束分別具有光程L1a（第一反射光T2）與L1（取樣光T4），第二端E2位於部分反射窗鏡56之右側，亦即部份反射塗層位於右側。另一方面，本發明一實施例所敘述的自動校準光干涉裝置100設置參考鏡78於參考光路組件70中，使得第二入射光T5被參考鏡78反射而產生第二反射光T6，第二反射光T6具有另一光程L2。多色偵測器80可取得L1a-L2的訊號（接收第一反射光T2與第二反射光T6的訊號）。當手持式取樣光路組件50因故（例如作為第一光路P1的光纖被拉扯，或是環境溫度改變使光纖長度改變）造成光程變異ΔL1時，可由多色偵測器80偵測到(L1a+ΔL1)-L2的訊號。另一方面，基於參考光路組件70的可變光程的機制，將參考光路組件70光程修正為L2’=L2+ΔL1。從而維持參考光路組件70的光程與取樣光路組件50的光程兩者間的關係仍為L1a-L2。

本發明一實施例採用部分反射窗鏡56的設計，即可彌補因環境或手持操作造成的光程變異，維持干涉現象穩定性，使得光干涉裝置提高手持操作的適應性且具有耐受環境溫度變化的效果。

請參考圖2，其係依據本發明一實施例所繪示的光干涉裝置的自動校準方法的流程圖。

請參考步驟S1，光源10產生低同調光。詳言之，如前述的自動校準光干涉裝置100透過可發出多波長的光源10發射光線。

請參考步驟S2，干涉光路組件30將低同調光分為第一入射光T1及第二入射光T5。該二入射光T1、T5分別沿第一光路P1及第二光路P2行進。

請參考步驟S3，取樣光路組件50的第一端E1接收第一入射光T1。即第一入射光T1從第一端E1射入取樣光路組件50。

在另一實施例中，在以取樣光路組件50之第一端E1接收第一入射光T1之前，更包括以一切換裝置58根據待測樣品SP之一反射率，從部分反射窗鏡56、另一部分反射窗鏡56’及又一部份反射窗鏡56’’中選擇一者以接收第一入射光T1。所述的另一部分反射窗鏡56’及又一部份反射窗鏡56’’與部分反射光鏡56兩者具有相異的反射係數。

請參考步驟S4，取樣光路組件50的第二端E2的部分反射窗鏡56將第一入射光T1分為第一反射光T2及第一穿透光T3，其中第一穿透光T3射向待測樣品SP。

在一實施例中，在第一穿透光T3射向待測樣品SP之後，更包括：以多色偵測器80接收由待測樣品SP反射的一取樣光T4，其中取樣光T4經過部分反射窗鏡56且循取樣光路組件50射回多色偵測器80。透過計算該取樣光T4的強度，可得知待測樣品SP對於光線的反射比率，從而透過切換裝置58選擇更適合的部分反射窗鏡56。

請參考步驟S5，參考光路組件70接收第二入射光T5並將其射向參考鏡58以產生第二反射光T6。換個角度而言，第二入射光T5進入參考光路組件70後，通過第二準直透鏡72與第二遠心鏡74以聚焦於參考鏡78，再循原路徑返回到第二光路P2。

請參考步驟S6，多色偵測器80接收第一反射光T2及第二反射光T6並據以輸出位移訊號。詳言之，多色偵測器80根據二反射光T2、T6的光程差變異ΔL輸出一位移訊號。當光程L1因故增加了光程差變異ΔL時，透過位移訊號可補償此光程差變異ΔL，位移訊號係根據光程差變異ΔL所產生，其形式為一電訊號或命令（command）傳送給位移控制器90。步驟S6的具體步驟詳述如下：

請一併參考圖2及圖2A。圖2A係依據本發明一實施例所繪示的光干涉裝置的自動校準方法的流程圖中的步驟S6的細部流程圖。

請參考步驟S61，取得第一反射光T2及第二反射光T6的強度訊號。即在步驟S6所述及的多色偵測器80接收第一反射光T2及第二反射光T6後，進一步取得該二反射光T2、T6各自的強度值。請一併參考步驟S62、S63及S64，分別為執行訊號內插（interpolation）法、執行快速傅立葉轉換（Fast Fourier Transform）及執行峰值之光程差偵測（Peak’s OPD Detection），上述步驟將步驟S61取得的二強度值轉換為二峰值之光程差訊號。請繼續參考步驟S65，比對當前峰值之光程差與初始峰值之光程差之差值是否小於一範圍。若該差值小於一範圍（相當於當前峰值之光程差與初始峰值之光程差相等），則代表當前峰值之光程差相對於初始峰值之光程差的誤差在可容許範圍內，因此執行步驟S66，輸出當前峰值之光程差（或初始峰值之光程差）。反之，若當前峰值之光程差與初始峰值之光程差之差值大於或等於一範圍（相當於當前峰值之光程差與初始峰值之光程差兩者不相等）。則執行步驟S67，計算當前峰值之光程差與初始峰值之光程差兩者的光程差變異ΔL（峰值的橫向偏移等於光程差變異ΔL）。在計算得到此光程差變異ΔL之後，請參考步驟S68及步驟S69，將峰值的光程差變異ΔL轉換為位移訊號並輸出至位移控制器90。詳言之，圖3A的峰值訊號A1代表L1a及L2的光程差（A1=L1a-L2，接收第一反射光T2與第二反射光T6訊號所得到），當光程L1因故增加了光程差變異ΔL，圖3B的峰值訊號A1’代表L1a及L2的光程差增加光程差變異ΔL （A1’=L1a’-L2= (L1a+ΔL)-L2）。峰值訊號A1和峰值訊號A1’之間的橫向偏移代表光程差變異ΔL，橫向偏移訊號再轉換為位移訊號並輸出至位移控制器90。

請一併參考圖2、圖3A及圖3B，圖3A繪示待測樣品SP在多色偵測器80的模擬波形圖，圖3B繪示經光程差變異ΔL後待測樣品SP在多色偵測器80的模擬波形圖。

請參考圖3A。第一反射光T2及第二反射光T6於多色偵測器80上偵測到的訊號如圖3A所示。訊號A1展示出L1a及L2的光程差（A1=L1a-L2）位於10微米（micrometer）處（接收第一反射光T2與第二反射光T6訊號，用於後續測量光程差變異ΔL）。訊號A2展示出L1及L2的光程差（A2=L1-L2）位於50微米的位置（接收取樣光T4與第二反射光T6訊號，反映待測樣品SP的資訊）。

當取樣光路組件30因故導致光程差變異ΔL時，取樣光路組件50的光程L1a、L1皆增加光程差變異ΔL（ΔL來自取樣光路組件50內部光程變動，非待測樣品SP或間隙所導致），多色偵測器80上測到的訊號如圖3B所示，圖3B訊號A1’和圖3A訊號A1的橫向偏移代表光程差變異ΔL。訊號A1’展示出L1a’和L2的光程差（A1’=L1a’-L2= (L1a+ΔL)-L2）改為20微米處。A2’展示出L1’和L2的光程差（A2’=L1’-L2=(L1+ΔL)-L2）亦改為60微米處。L1和L1’的光程差變異係ΔL（L1’=L1+ΔL）。同樣地，L1a及L1a’的光程差亦係ΔL（L1a’=L1a+ΔL）。

請參考步驟S7，位移控制器90根據位移訊號控制參考光路組件70之致動器74移動參考鏡78。詳言之，透過前述具有固定光程的L2及L1a可修正得到L2’=L2+ΔL以達到補償光程差變異ΔL的效果。在步驟S6中的多色偵測器80根據上述輸出的位移訊號由位移控制器90接收後，位移控制器90據以控制參考光路組件70的致動器74調整參考鏡78以修正光程為L2’=L2+ΔL，維持參考光路組件70的光程與取樣光路組件50的光程兩者間的關係仍為L1a-L2（經過光程差變異ΔL的位移補償，消去光程差變異ΔL）。從而使訊號再度從圖3B回到圖3A的狀態，以保持干涉訊號的穩定。

綜合以上所述，本發明透過部分反射窗鏡的設計，彌補了因為環境溫度改變或手持操作導致的光程差變異，維持干涉現象的穩定性，進一步讓光干涉裝置提高環境耐受度即減輕手持操作的影響。另外，透過切換裝置的設計，更可達到依據待測樣品反射光線比率的不同，適應性地選用具有不同透射率的部分反射窗鏡。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

100:自動校準光干涉裝置 10:光源 30:干涉光路組件 50:取樣光路組件 E1:第一端 E2:第二端 52:第一準直透鏡 54:第一遠心透鏡 56:部分反射窗鏡 56’:另一部分反射窗鏡 56’’:又一部分反射窗鏡 58:切換裝置 70:參考光路組件 72:第二準直透鏡 74:致動器 76:第二遠心透鏡 78:參考鏡 80:多色偵測器 90:位移控制器 P1:第一光路 P2:第二光路 SP:待測樣品 S1~S7:步驟 S61~S69:步驟 A1、A1’:多色偵測器上的訊號 A2、A2’:多色偵測器上的訊號 L1:取樣光路組件之光程（至待測樣品） L1a:取樣光路組件之光程（至部分反射窗鏡） L2:參考光路組件之光程 ΔL:光程差變異 T1:第一入射光 T2:第一反射光 T3:第一穿透光 T4:取樣光 T5:第二入射光 T6:第二反射光

圖1係依據本發明一實施例所繪示的自動校準光干涉裝置及待測樣品的架構圖。圖1A係依據本發明一實施例所繪示的取樣光路組件的第二端的切換裝置的示意圖。圖2係依據本發明一實施例所繪示的光干涉裝置的自動校準方法的流程圖。圖2A係依據本發明一實施例所繪示的光干涉裝置的自動校準方法的流程圖中的步驟S6的細部流程圖。圖3A繪示待測樣品在多色偵測器的模擬波形圖。圖3B繪示經光程差變異後待測樣品在多色偵測器的模擬波形圖。

100:自動校準光干涉裝置

10:光源

30:干涉光路組件

50:取樣光路組件

E1:第一端

E2:第二端

52:第一準直透鏡

54:第一遠心透鏡

56:部分反射窗鏡

70:參考光路組件

72:第二準直透鏡

74:致動器

76:第二遠心透鏡

78:參考鏡

80:多色偵測器

90:位移控制器

P1:第一光路

P2:第二光路

SP:待測樣品

Claims

一種自動校準光干涉裝置，包括：一光源，用以發出一低同調光；一干涉光路組件，耦接該光源，該干涉光路組件用以將該低同調光分為一第一入射光及一第二入射光；一取樣光路組件，耦接該干涉光路組件，該取樣光路組件具有一第一端及一第二端，其中該第一端耦接該干涉光路組件以接收該第一入射光；該第二端朝向一待測樣品，該第二端具有一部分反射窗鏡用以將該第一入射光分為一第一反射光及一第一穿透光，其中該第一穿透光射向該待測樣品；一參考光路組件，耦接該干涉光路組件，該參考光路組件包括一參考鏡及一致動器，該參考光路組件接收該第二入射光並將該第二入射光射向該參考鏡以產生一第二反射光，該致動器用以移動該參考鏡；一多色偵測器，耦接該干涉光路組件，該多色偵測器用以根據該第一反射光及該第二反射光之光程差變異輸出一位移訊號；以及一位移控制器，電性連接該多色偵測器，該位移控制器根據該位移訊號控制該致動器。
如請求項1所述的自動校準光干涉裝置，其中該部分反射窗鏡係玻璃或半透光高分子材料。
如請求項1所述的自動校準光干涉裝置，其中該第一反射光之能量小於該第一穿透光之能量。
如請求項1所述的自動校準光干涉裝置，其中該部分反射窗鏡具有增透模（Anti-Reflective coating，AR coating）。
如請求項1所述的自動校準光干涉裝置，其中該取樣光路組件的該第二端更具有一切換裝置，該部分反射窗鏡及另一部分反射窗鏡被設置於該切換裝置，該二部分反射光鏡具有相異的反射係數，該切換裝置用以從該部分反射窗鏡及該另一部分反射窗鏡中選擇一者以接收該第一入射光。
如請求項1所述的自動校準光干涉裝置，其中該第一反射光的能量比率為0.1~5%，該第一穿透光之能量比率為95.0%~99.9%。
一種光干涉裝置自動校準方法，包括：以一光源產生一低同調光；以一干涉光路組件將該低同調光分為一第一入射光及一第二入射光；以一取樣光路組件之一第一端接收該第一入射光；以設置於該取樣光路組件之一第二端的一部分反射窗鏡將該第一入射光分為一第一反射光及一第一穿透光，其中該第一穿透光射向該待測樣品；以一參考光路組件接收該第二入射光並將該第二入射光射向一參考鏡以產生一第二反射光；以一多色偵測器接收該第一反射光及該第二反射光，根據該二反射光的光程差變異輸出一位移訊號；以及以一位移控制器根據該位移訊號控制該參考光路組件之一致動器以移動該參考鏡。
如請求項7所述的光干涉裝置自動校準方法，更包括：在該第一穿透光射向該待測樣品之後，以該多色偵測器接收由該待測樣品反射的一取樣光，其中該取樣光經過該部分反射窗鏡且循該取樣光路組件射回該多色偵測器。
如請求項7所述的光干涉裝置自動校準方法，更包括：在以該取樣光路組件之該第一端接收該第一入射光之前，以一切換裝置根據該待測樣品之一反射率從該部分反射窗鏡及另一部分反射窗鏡中選擇一者以接收該第一入射光，其中，該二部分反射光鏡具有相異的反射係數。