用于光学相干层析的旁轴物光共焦滤波方法及探测镜组技术

本发明专利技术公开了用于光学相干层析的旁轴物光共焦滤波方法及探测镜组。探测镜组由光学共焦滤波光路与旁轴光学干涉光路组合而成，其中旁轴干涉光路由两块部分反射镜和三块全反射镜构成。该方法的特点是探测物光只在共焦滤波光路的旁轴区域内以单一轨迹行进，因此当探测物镜的前焦点位于被测物内部时，只有前焦点的逆向散射光能够达到系统的后焦点，而前焦点以外各点的逆向散射光和被测物表面的反射光均被系统滤除，由此可以消除层析测量的主要噪声来源，使干涉信号的信噪比得到大幅度的提高，测量分辨率和探测深度也得到提高。以该方法及探测镜组装置为核心，可以制成高性能层析干涉测量仪。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学检测技术中层析测量的滤波方法及探测镜组装置。
技术介绍
光学相干层析是光学检测领域正在发展的一类新型测量技术。对于各种光学相干层析方法来讲，探测光路系统的设计是其核心技术，因为每一种光学相干层析技术的测量对象、测量方法以及测量效果主要是取决于探测光路系统的结构和工作原理。信噪比是影响光学相干层析测量效果的一个主要因素，而信噪比的大小与探测光路的设计密切相关。现有的大多数光学相干层析技术，是在光学低相干层析(OCT)技术的基础上发展起来的，所采用的探测光路一般是光学共焦滤波系统与迈克尔孙干涉系统的组合。这种探测光路虽然能够检测到被测点的干涉信号，但是不能滤除探测光束中由被测物内测点以外各点的逆向散射光和被测物表面反射光构成的噪声，因此系统的信噪比低，测量分辨率和探测深度也受到很大的限制。
技术实现思路
本专利技术的目的是为光学相干层析提供一种能够有效提高信噪比的旁轴物光共焦滤波方法及探测镜组，以提高光学相干层析的测量精度和探测深度。本专利技术的用于光学相干层析的旁轴物光共焦滤波方法，采用探测物镜、共焦透镜和针孔滤波器组成共焦滤波光路；共焦滤波光路中的探测物镜、共焦透镜、针孔滤波器以及分别位于探测物镜与共焦透镜之间的共焦滤波光路主光轴两侧的第一平面反射镜、第一部分反射镜、第二平面反射镜、第二部分反射镜、第三平面反射镜和被测物组成旁轴干涉光路；利用第一部分反射镜将光源发出的垂直于共焦滤波光路主光轴的平行相干光分成两束，其中一束光为物光，另一束光为参考光；参考光依次经第一部分反射镜反射、第二平面反射镜反射、第二部分反射镜透射、第三平面反射镜反射和第二部分反射镜反射射向共焦透镜，通过共焦透镜后会聚于针孔滤波器的通光孔；物光透过第一部分反射镜射向第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射射向探测物镜，被探测物镜汇聚于探测物镜的前焦点，使探测物镜的前焦点处于箱体通光孔外侧的被测物的内部，由前焦点逆向散射的光再次通过探测物镜成为与共焦滤波光路主光轴平行的平行光束，此平行光束中的一部分光按原入射路径返回，被第一平面反射镜遮挡，此平行光束中的其余部分光射向共焦透镜，被共焦透镜会聚于针孔滤波器的通光孔，形成有效物光；有效物光与参考光会聚于针孔滤波器的通光孔中心，并发生干涉，形成干涉信号；用光电转换器将干涉信号转换成电信号后送入计算机数字采集分析系统；计算机数字采集分析系统控制三维机械位移调节机构带动探测镜组对被测物作三维连续扫描，得到连续变化的逆散射光干涉信号。用于实现上述旁轴物光共焦滤波方法的探测镜组，包括带有通光孔的箱体，箱体内沿通光孔的中心线(即主光轴)，同轴线依次安装有探测物镜、共焦透镜、针孔滤波器和光电转换器，探测物镜、共焦透镜和针孔滤波器组成共焦滤波光路；在探测物镜与共焦透镜之间的共焦滤波光路主光轴的一侧设有45°斜置且相互平行的第一平面反射镜和第二部分反射镜，以及与共焦滤波光路主光轴平行的第三平面反射镜，其中，第一平面反射镜的一端与共焦滤波光路的主光轴相割，共焦滤波光路主光轴的另一侧设有45°斜置且相互平行的第一部分反射镜和第二平面反射镜，以及发出垂直于共焦滤波光路主光轴的平行相干光的光源；光电转换器的输入端接收针孔滤波器通光孔的干涉信号，光电转换器的输出端与设置在箱体外部，控制三维机械位移调节机构带动探测镜组对被测物作三维连续扫描的计算机数字采集分析系统相连。本专利技术中所说的光源可以是高相干光源、低相干光源或准相干光源。采用何种光源，取决于测量类型和测量目的。旁轴物光共焦滤波的工作原理是，来自光源的平行光被45°角设置的第一部分反射镜透射和反射，分成两束光，其中透射光物光，反射光为参考光。物光射向第一平面反射镜，被该反射镜反射后成为处在主光轴一侧且与主光轴平行的平行光束，这束平行光射向探测物镜，通过探测物镜后汇聚于探测物镜的前焦点；使探测物镜的前焦点进入被测物的内部，由前焦点逆向散射的光再次通过探测物镜成为平行光束，此光束中按原入射路径返回的光以及沿主光轴传播的光被第一平面反射镜遮挡，从而被系统滤除，而其余不受第一平面反射镜遮挡的光射向共焦透镜，通过共焦透镜后会聚于针孔滤波器的通光孔，形成有效物光；参考光依次经45°角设置的第二平面反射镜反射、45°角设置的第二部分反射镜透射、平行于共焦滤波光路主光轴设置的第三平面反射镜反射、第二部分反射镜反射后射向共焦透镜，被共焦透镜聚焦于针孔滤波器的通光孔；有效物光与参考光在针孔滤波器的通光孔发生干涉，形成干涉信号；有效物光自第一反射镜反射后直至到达针孔滤波器之前，除了在探测物镜的前焦点发生汇聚外，始终是处在主光轴的侧翼，这种传播特点称为旁轴性质，因此有效物光也可以叫做旁轴物光；由于有效物光自光源发出后，是按无重复路径传播到达针孔滤波器通光孔的，并且具有旁轴性质，因此当探测物镜的前焦点处于被测物的内部时，在有效物光中既不含被测物内前焦点之外的点发出的逆向散射光，也不含被测物表面的反射光和漫射光；无效物光中虽然含有被测物内前焦点之外一些点发出的逆向散射光以及被测物表面的漫射光，但无效物光全部被第一平面反射镜遮挡，不能到达针孔滤波器；由于含高量噪声的无效物光不能越过第一平面反射镜，只有含低量噪声的有效物光能够与参考光干涉，形成干涉信号，因此旁轴物光共焦滤波探测镜组具有很高的信噪比。当探测物镜的前焦点正好处在被测物的表面时，有一部分表面反射光透过探测物镜后不受第一反射镜的遮挡，直接射向共焦透镜，被共焦透镜聚焦于针孔滤波器的通光孔，形成有效物光；被测物表面反射光的强度一般远大于内部散射光的强度，利用这个性质可以确定探测物镜与被测物的相对位置。对于旁轴物光共焦干涉探测镜组来讲，由于有效物光具有旁轴性质，只有当探测物镜的前焦点严格处于被测物的表面时，才会有表面反射光到达针孔滤波器的通光孔，而当探测物镜的前焦点离开被测物的表面时，针孔滤波器接受到的表面反射光立刻消失，因此利用表面反射光可以获得很高的定位精度。本专利技术的有益效果在于与现有各种光学相干层析方法所采用的探测光路相比，旁轴物光共焦滤波方法及探测镜组的主要特点是第一，能够有效滤除探测光束中由被测物内测点以外各点的逆向散射光构成的噪声和被测物表面反射光及漫射光构成的噪声，因此可以获得高信噪比，测量分辨率和探测深度也得到提高；第二，能够适合不同类型的层析测量对光源相干性的不同要求，因此既可以用于低相干层析，也可以用于高相干层析；第三，能够利用物光的旁轴性质确定探测物镜与被测物的相对位置，并且容易获得较高的定位精度。附图说明图1是旁轴物光共焦滤波探测镜组构成及光路示意图；图2是测定被测物厚度和折射率的示意图。具体实施例方式参照图1，用于光学相干层析的旁轴物光共焦滤波探测镜组包括带有通光孔13的箱体12，箱体12内沿通光孔13的中心线，即主光轴14，同轴线依次安装有探测物镜1、共焦透镜4、针孔滤波器5和光电转换器11，探测物镜1、共焦透镜4和针孔滤波器5组成共焦滤波光路；在探测物镜1与共焦透镜4之间的共焦滤波光路主光轴14的一侧设有45°斜置且相互平行的第一平面反射镜2和第二部分反射镜3，以及与共焦滤波光路主光轴平行的第三平面反射镜6，其中，第一平面反射镜2的一端与共焦滤波光路的主光轴相割，共焦滤波光路主光轴的另一侧设有45本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于光学相干层析的旁轴物光共焦滤波方法，其特征是：该方法采用探测物镜（１）、共焦透镜（４）和针孔滤波器（５）组成共焦滤波光路；共焦滤波光路中的探测物镜（１）、共焦透镜（４）、针孔滤波器（５）以及分别位于探测物镜（１）与共焦透镜（４）之间的共焦滤波光路主光轴两侧的第一平面反射镜（２）、第一部分反射镜（７）、第二平面反射镜（８）、第二部分反射镜（３）、第三平面反射镜（６）和被测物（９）组成旁轴干涉光路；利用第一部分反射镜（７）将光源（１０）发出的垂直于共焦滤波光路主光轴的平行相干光分成两束，其中一束光为物光，另一束光为参考光；参考光依次经第一部分反射镜（７）反射、第二平面反射镜（８）反射、第二部分反射镜（３）透射、第三平面反射镜（６）反射和第二部分反射镜（３）反射射向共焦透镜（４），通过共焦透镜（４）后会聚于针孔滤波器（５）的通光孔；物光透过第一部分反射镜（７）射向第一平面反射镜（２），经第一平面反射镜（２）反射射向探测物镜（１），被探测物镜（１）汇聚于探测物镜（１）的前焦点，使探测物镜（１）的前焦点处于箱体通光孔外侧的被测物（９）的内部，由前焦点逆向散射的光再次通过探测物镜（１）成为与共焦滤波光路主光轴平行的平行光束，此平行光束中的一部分光按原入射路径返回，被第一平面反射镜（２）遮挡，此平行光束中的其余部分光射向共焦透镜（４），被共焦透镜（４）会聚于针孔滤波器（５）的通光孔，形成有效物光；有效物光与参考光会聚于针孔滤波器（５）通光孔中心，并发生干涉，形成干涉信号；用光电转换器（１１）将干涉信号转换成电信号后送入计算机数字采集分析系统（１６）；计算机数字采集分析系统（１６）控制三维机械位移调节机构（１５）带动探测镜组对被测物（９）作三维连续扫描，得到连续变化的逆散射光干涉信号。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁阳，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]