CN102112865A - 利用光学相干断层成像技术测得多孔材料的折射率对多孔材料的密度进行非接触式测量的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用光学相干断层成像技术测得多孔材料的折射率对多孔材料的密度进行非接触式测量的方法。依据本发明，通过光学相干断层成像技术，测定这项技术中所使用的光束穿过由所述材料制成的一物体(20)所对应的光程；测定物体的厚度；由光程及厚度测定材料的折射率；及由折射率测定材料的密度。

Description

利用光学相干断层成像技术测得多孔材料的折射率对多孔材料的密度进行非接触式测量的方法

技术领域

本发明涉及一种非接触式测量多孔材料的密度的方法。

此方法使用了对这种材料的折射率的非接触式测量。

现在要指明的是材料折射率的测量是通过测量厚度范围在几微米到数毫米的透明或半透明层的厚度以及测量相关光程而得以实现的。

本发明适用于平面层以及球面层或圆柱形层，且同样适用于单层物体或透明的多层堆叠式结构。

此方法的独创性在于结合用一种高分辨率技术—光学相干断层成像技术(或称OCT)来获得信号及例如用X射线(XR)显微射线照相技术来实现的厚度测量。就多孔(porous)或蜂窝(cellular)材料或泡沫材料(foams)而言，利用此组合可以准确地测量材料的折射率并由此推断出局部密度。

因此，本发明能够实现对多孔材料的密度的非接触式且非破坏性的测量。为此，将光学相干断层成像测量与例如凭借X射线照相技术进行的厚度测量相结合，这能在第一阶段中准确地测量多孔材料的有效折射率，以最终估计出这种材料的密度。

背景技术

光学相干断层成像(OCT)技术早已是许多科学出版的主题，其原理在医学领域中(特别是在眼科及皮肤科中)被用于生物组织的横切面成像。

过去数十年来，仅仅少数成像技术对医学诊断而言是革命性的：X射线计算机断层成像技术或扫描照相技术、磁共振成像(MRI)及放射性同位素成像。这些技术能够进行三维观测；然而，在一般的临床实践中，它们的空间分辨率通常被限制到几毫米。

光学成像技术，诸如荧光或共聚焦显微镜检查，能使轴向及横向分辨率达1微米数量级，但是对生物组织的穿透性有限。

至于超声波检查(或回波描记技术)，则需要与要做分析的物体进行实体接触并提供约百微米以上的轴向分辨率。

在大约十年的时间中，和在新光源技术领域中一样，光学在光纤领域中的进步使得人们能够开发出一种新颖的无创、非接触式医用光学成像技术：光学相干断层成像。此项技术的两个主要特征，一个是干涉测量技术原理，另一个是使用发出部分相干光的一光源。

在传统的干涉测量技术中，光的波长为λ且相干性强的光源用于在长度大的一范围内产生干涉。OCT是干涉测量技术的一种形式，其使用相干性低的光源，即干涉仅在非常短的距离内出现。因此，利用OCT技术可获得测微轴向分辨率。

以上所有这些均在图1A及1B中绘示出，图中示出了在使用一强相干光源(参见图1A)或一部分或弱相干光源(参见图1B，其中l_c代表相干长度)的情况下，比对用来获得干涉的参考镜的位移ΔL，干涉信号的强度I的变化。

另一项称为《白光干涉光谱测定技术》或《白光频谱干涉测量技术》的技术能测量厚度范围从几微米到数百微米的透明层的厚度。其适用于平面层，也适用于球面层或圆柱形层，且同样适用于单层物体或透明的多层堆叠式结构。测量在不接触的情况下实施，准确性达到100nm。

然而，此项技术似乎不太适用于对多孔材料及具有低的折射率跳变的多层样本进行研究。

发明内容

本发明的目的在于找到一种弥补前述缺陷的方法。

就现有应用而言，为本发明标的的该方法具有以下独创性：

-涉及从小于10μm到数毫米的厚度范围，

-能分析非平面物体，

-将光程测量与例如利用X射线而实现的厚度测量相结合，用于估计出块体材料的折射率及多孔材料的有效折射率，且

-能计算泡沫材料的局部密度。

本发明主要关于一种能非接触式、非破坏性地测量沉积物或空心物体的折射率及空心物体的密度的方法。此方法使用光学相干断层成像技术并结合厚度的测量(例如通过X显微射线照相技术)，或外直径(针对球形物体而言)的测量(较佳地通过背光阴影成像技术)。

所述方法具有以下优点：

-利用此方法实施的测量可应用于一平面、圆柱形或球形物体，而不必使用与被分析物体的形状适配的照明几何，

-所述测量适用于单层或多层物体，

-所述测量在不接触的情况下实施，其工作距离从几毫米到数十厘米，这些距离依据可用于实施所述方法的准直仪而定，

-所述测量可在厚度从几微米到数毫米的物体上实施，

-利用所述方法可以测量光程，精确度约达百纳米，

-利用所述方法可以测量块体样本或多孔样本的折射率，且

-若一物体是多孔物体，则利用所述方法可以测量其密度。

本发明的主要特征在于使用光学相干断层成像技术，此项技术随后将被加以描述。光学相干断层成像技术与另一项辅助技术相结合以便能够测定所探测材料的厚度、折射率以及密度。

光学相干断层成像技术为一项能在几微米到数百毫米范围内实施光学厚度测量的技术，此范围取决于实施测量的参考镜的移动距离(参见上文)。

此项技术能进行非接触式的测量且适用于透明或半透明物体。其可用于非平面物体及多层堆叠式结构。测量可通过使用低光学功率(约百μW)来实施，光学功率低确保了这项技术不具有破坏性。此外，利用光学相干断层成像技术可以获得优于1μm的分辨率(细至100nm)。

光学相干断层成像测量法可通过使用准直仪而在数米的距离上实施。此远距离测量方法可用来在大尺寸真空室内通过让实施测量所需的光线穿过透明窗或手套箱来实施。

具体来说，本发明的目的在于多孔材料的密度测量的一非接触式的方法，此材料由以下步骤来表征：

-凭借光学相干断层成像技术来测定对应于用于实施所述技术的一光束穿过由多孔材料制成的一物体的光程，所述多孔材料对光束而言是半透明的或透明的，

-测定物体的厚度，

-根据已测定的光程及厚度来测定多孔材料在光束波长下的折射率，及

-根据已测定的折射率来测定多孔材料的密度。

较佳地，当多孔材料由含孔洞的块体材料组成时，多孔材料的密度ρ_p依据以下公式来测定：

${\mathrm{\ρ}}_p={\mathrm{\ρ}}_m\frac{n_p-1}{n_m-1}$

其中n_p代表多孔材料的折射率且ρ_m及n_m分别代表块体(非多孔)材料的密度及折射率。

较佳地，块体材料的折射率是凭借光学相干断层成像技术及对由块体材料制成的一物体的厚度测量来测定的。

所述物体的厚度可凭借例如X射线照相技术(X射线显微射线照相技术较佳)或光学背光阴影成像技术被测定。

依据本发明方法的一特定实施例，所述物体是空心球形，因此具有内径与外径，且内径及光程或光学厚度(介于在物体外壁上沿直径方向相反的两点之间)通过光学相干断层成像技术来测定，而外径凭借光学背光阴影成像技术来测定。通过计算出已测定的外径与内径之差的一半，可以获得所述物体的(几何)厚度。

依据本发明的一特定实施例，所述物体是空心球形，因此具有内径与外径，且所述物体被固定到一毛细管线的一端上，以便在同一点上测定所述物体的光程及厚度。

实际上，R.M.Almeida等人于1994年3月在International Journal of Optoelectronics第9卷第2期第135-142页上所发表的论文《Sol-gel silica films on silicon substrates》里记载了一种用于测量多孔材料的取决于材料孔隙率的折射率的方法。测量用椭圆偏振测量技术来实施，测量结果通过利用另一种方法进行验证而被估计出来。但是椭圆偏振测量技术提供所研究样本表面处的折射率值。因此，对孔隙率的估计也同样是在这个程度上进行。利用此文献中所描述的方法并不能知道样本厚度上的孔隙率。

反之，本发明使用光学相干断层成像技术，且凭借此项技术所具有的穿透力可以测量密度，因此可以测量所研究的多孔材料的厚度上的孔隙率。此外，利用本发明，通过提供密度对折射率(反之亦然)的一变化规律，可以精确地计算出密度而不是仅对其进行估计(能够计算出测量的不确定度)。

附图说明

参照附图，通过阅读下面给出的示范实施例的描述可以更好地理解本发明，这些实施例仅仅用于说明而不是用于限制本发明，在附图中：

-已描述的图1A及1B显示在使用一强相干光源(图1A)及一部分相干光源(图1B)的情况下，一干涉信号的强度随着用于获得干涉的一参考镜的位移ΔL的变化，

-图2为可用于实施本发明的一OCT***的一示意图，

-图3显示一塑料微量***OCT特征波形，

-图4A显示一厚度薄的单层微量烧瓶，

-图4B显示图4A的微量***一OCT信号，

-图5显示一蜂窝聚合物材料或泡沫材料，

-图6显示安装在一毛细管线上的一泡沫制微量烧瓶，以及

-图7为用于光程的非接触式测量的一OCT装置的一示意图。

具体实施方式

首先，回顾光学相干断层成像测量。

在医学、生物及工业中应用相当广泛且用于本发明的光学相干断层成像技术(或称OCT)以迈克尔逊干涉仪的原理为依据。图2为可用于实施本发明的OCT***的一示意图。此***包括具有光纤的一迈克尔逊干涉仪。在图中，光纤附有标号2、4、6、8。此***还包含一个部分相干光源10，在此范例中的光源10由一个超辐射发光二极管(或称SLD)形成，SLD的发射范围集中在近红外光区，具有数十纳米的光谱峰值半高宽(或称FWHM)。

通过***的测量臂14与参考臂16之间的一耦合器12，将光源10发出的光波分路。

在形成一光学延迟线的参考臂中，光线被安装在一平移***(图未示)上的镜子18反射，此平移***包括用来准确控制其位置的一增量式光学编码器。镜子在几毫米到对应于被测样本20的最大探测深度的数百毫米的范围内移动。对1毫米数量级的移动距离而言，采样时间不足一秒。

在测量臂14中，光波被射入光纤6中，光纤6为一低色散单模式光纤。

测量臂14与参考臂16分别包括准直仪22及24。镜子18与准直仪24之间的距离被标注为A。

由参考镜18及由样本20的界面28及30中的一界面反射的光波在***的检测器26上重新组合，在这个范例中，检测器26为一光电二极管(连接到图中未示出的信号处理装置)，且在干涉仪这两臂的光程相等，到约相差相干长度lc时，产生一干涉信号。

此相干长度lc依据由光源10发出的光波的特征而定。可写成：

$l_c=\frac{2.\ln 2}{\mathrm{\π}}\·\frac{{{\mathrm{\λ}}_c}^2}{\mathrm{\Δ\λ}}$

其中λ_c对应于光发射的中心波长且Δλ对应于光谱峰值半高宽(FWHM)。

以下仅仅作为说明而非限制，使用的一***，其中λ_c的值为1,310nm且Δλ的值为60nm，使得l_c等于12.6μm。

由于相干长度为12.6μm，故不可能《看到》(及利用OCT技术来测量)光学厚度(几何厚度×光学指数)小于12.6μm的层体。对光学指数数量级为1.5的材料而言，此限度对应于8μm的(几何)厚度。然而，可以利用现有的具有宽发射带(较大的Δλ)的SLD光源技术将相干长度l_c减小到5μm，甚至通过使用飞秒固体激光源作为光源10使相干长度降至数量级为1μm的值。

OCT***的干涉信号I(δL)与下式成比例：

$1+R+2.\sqrt{R}.\exp (-4.\ln 2.\frac{\mathrm{\δ}{L}^2}{{l_c}^2}).\cos (\frac{4.\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c}.\mathrm{\δL})$

其中δL为干涉仪两臂之间的光程差且R为样本20的界面的反射系数。这由一信号来表示，光线每遇到一界面，该信号中就包括一波峰。此波峰最大值的位置对应于界面的位置。两个连续波峰的间距与两相关界面之间由光波所覆盖的光学距离相关联。在已知包含在这两个界面之间的介质的折射率的情况下，易于计算出所探测介质的厚度。

举例来说，图3显示一塑料微量***OCT特征波形(振幅A对位置X)，其外径及厚度值分别为2.23mm及166μm。可以看到标注为0、1、2、3的四个波峰，就此微量烧瓶而言，这四个波峰对应于与光线相遇的四个界面。

光程差的测量准确度连同参考镜位置的准确度量小于300nm(这个数据来自于***制造商，与所使用平台的技术及检测波峰的方法有关)。

因此OCT信号具有一系列波峰，其中每一个波峰对应于光束在被测样本的一界面上的反射。每一个波峰依据其在光束路径上的位置而被准确界定。因此，可以推导出对应于样本的两个间隔界面的两个位置差的光程。此光程与包含在这两个界面之间的材料的厚度和以中心波长λc的光源测得的材料的折射率的乘积成正比。

通过与一种厚度测量方法相结合，光程差的OCT测量值可估计出被测样本(例如图3的微量烧瓶)的材料的折射率。

由平均厚度值(例如通过X射线显微射线照相技术所获得)，及通过OCT知道对应于穿过这些厚度的光程，可以估计出每一个被研究的微量***折射率。

将折射率为n的一种材料的厚度Ep与对应于光线穿过此材料的光程L联系在一起的公式为：

L＝n×Ep因此

与n的测量相关联的不确定度Δn被写成：

$\mathrm{\Δn}=\frac{\mathrm{\ΔL}.\mathrm{Ep}+L.\mathrm{\ΔEp}}{{\mathrm{Ep}}^2}$

测量诸如蜂窝材料或泡沫材料之类的一种多孔材料的折射率可以算出材料的测量点处的局部密度特征。实际上，对密度不是很大的一物体(诸如微量烧瓶)而言，折射率将接近于1，1即空气的折射率的值。在进一步知道块体材料指数的情况下，可以估计出在微量***一极点上，所探测材料相对于穿过的空气量的比例，因此计算出在此极点上微量***密度。

通过OCT光学及XR显微射线照相技术对由一单层塑胶材料(CH聚合物)形成的一微量烧瓶32(图4A)进行分析。此微量烧瓶由等离子体沉积(GDP)而合成；其外径的数量级为2mm，厚度的数量级为几十微米。

图4B显示对应于针对此微量***20份采样的平均值的OCT信号，探测深度达40mm。所述信号包括被标注为0、1、2、3的四个波峰。左边这对波峰0-1对应于测量光束38在第一极点PI处所遇到的第一壁的外界面及内界面34-36上的R0-R1反射(图4A)。右边这对波峰2-3对应于在第二极点PII处微量***第二壁的外界面及内界面40-42上的反射R2-R3。

表I中给出测量微量***两个极点处的光学厚度及其内径所获得的结果。

表I

同一微量烧瓶利用X辐射来进行显微射线成像。根据显微射线照相技术表列的曝光参数为：

-曝光时间：45分钟，

-铬管，

-电压：15kV，

-强度：20mA。

接着利用一光学数字化***来使已显影的射线照相底板数字化，光学数字化***包含配有高分辨率CCD照相机，倍率为×20的尼康显微镜。使用这个数字化***的组件，需要大约8幅影像来覆盖一微量***整个周长。

接下来，利用适当的软件，从每一幅影像中提取出一径向强度剖面且能通过将光标定位在剖面上来人工测量厚度。类赤道处的圆的平均值(8幅快照及剖面)提供微量***厚度。

然而，需指出的是微量***厚度也可凭借X射线照相技术以外的技术来测量，例如凭借光学背光阴影成像技术或借助于机械探测器来测量。

对已经由OCT来分析的这个微量烧瓶而言，通过X辐射测量出来的平均厚度的值为：

Ep＝(39.8±0.9)μm

因此，可以估计出构成微量***塑料材料的折射率。在1,310nm的波长下，此折射率的值为：

n＝1.55±0.04

折射率的不确定度0.04实质上是由X辐射所作的厚度测量的不确定度(0.9μm)及所分析的层体厚度相当薄的事实所致。

还可以利用两项光学技术来计算球形样本的折射率，通过将OCT与用单视角背光阴影成像技术(或简称背光阴影成像技术)来执行的微量烧瓶外径测量相结合。实际上，此外径φ_ext(由背光阴影成像技术的远心物镜测量出来)与借助于OCT所获得的内径φ_int之差可以估计出样本壁的厚度

且，如前所述，光程L(也通过OCT获得)与厚度Ep之比给出制作微量烧瓶所用材料的折射率n(＝L/Ep)。

关于背光阴影成像技术，请着重参考以下文献：

[1]于2004年9月30日公开的国际申请WO2004/083772 A，《Method for measurement of three-dimensional objects by single-view backlit shadowgraphy》

[2]于2006年3月23日公开的国际申请WO2006/030149 A，《Method for measuring three-dimensional objects by a single-view backlit shadowgraphy using optical laws of light propagation》

[3]于2008年2月28日公开的国际申请WO2008/023024 A，《Method for the contactless measurement of two-layered three-dimensional objects by single-view backlitshadowgraphy》。

上述光学测量法的组合似乎是非常有效的，而且与OCT与X射线照相技术的组合相比更加易于使用，特别是因为背光阴影成像***在体积上比X辐射表征***要小。

就如同由块体材料(参见上文)制成的一微量***折射率可被估计出来一样，多孔材料的折射率也可类似地被估计出来：两项表征技术的联合也可应用于由多孔聚合物或泡沫材料制成的微量***厚度测量。利用与前述方式相同的方式，测量值可估计出一样本的有效折射率，该样本由内含气体孔洞的块体聚合物构成。

根据有效折射率的值，在已知块体聚合物的折射率及密度的情况下，可以估计出泡沫材料的局部密度，即测量位置处的密度。

所研究的泡沫微量***外径约2mm，厚度约100μm，密度在50到250mg/cm²之间且球形度及同心度在99％以上。

图5显示由聚合多孔材料或聚合泡沫材料制成的厚度为Ep的一层体44，材料的有效折射率n_M是已知的。块体聚合物在同一研究波长下的折射率n_CHx的值及此块体聚合物的密度ρ_CHx的值也是已知的。

在层体44中体积为V_T的一部分46中，材料的密度ρ_M为所述部分的总质量m_T与此部分所占体积V_T之比：

${\mathrm{\ρ}}_M=\frac{m_T}{V_T}$

构成泡沫材料所占体积的两成份，即块体聚合物及包含在孔洞内的空气，各自的质量m_CHx及m_A具有以下关系：

m_T＝m_CHx+m_A

也可以写成：

m_T＝ρ_CHx.V_CHx+ρ_A.V_A及V_T＝V_CHx+V_A

其中ρ_CHx与ρ_A分别为块体聚合物及空气的密度，且V_CHx与V_A分别为块体聚合物及空气的体积，其总和相当于V_T。

因此，泡沫材料的密度被写成：

${\mathrm{\ρ}}_M=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{CHx}}.V_{\mathrm{CHx}}+{\mathrm{\ρ}}_A.V_A}{V_{\mathrm{CHx}}+V_A}$

在此我们认为每一被探测材料(块体CHx或空气)的体积相当于光束探测的泡沫材料部分的截面S与相关材料厚度的乘积，块体CHx的厚度被标注为l_CHx，空气的厚度被标注为l_A。因此，

V_CHx＝S.l_CHx且V_A＝S.l_A

${\mathrm{\ρ}}_M=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{CHx}}.l_{\mathrm{CHx}}+{\mathrm{\ρ}}_A.l_A}{l_{\mathrm{CHx}}+l_A}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{CHx}}.l_{\mathrm{CHx}}+{\mathrm{\ρ}}_A.l_A}{\mathrm{Ep}}---\left(1\right)$

现在我们应该用泡沫材料、块体聚合物及空气的折射率n_M、n_CHx及n_A的函数来表示每一厚度l_CHx及l_A。

我们首先可以用「部分」厚度l_CHx与l_A的函数及用总光程D的函数以及「部分」光程d_CHx及d_A的函数来表示泡沫材料的总厚度Ep：

Ep＝l_CHx+l_A

且 $\mathrm{Ep}=\frac{D}{n_M}=\frac{d_{\mathrm{CHx}}+d_A}{n_M}=\frac{1}{n_M}.(n_{\mathrm{CHx}}.l_{\mathrm{CHx}}+n_A.l_A)$

后面的两个方程式可使厚度l_CHx及l_A以折射率的函数表示：

$l_{\mathrm{CHx}}=\frac{n_M-n_A}{n_{\mathrm{CHx}}-n_A}.\mathrm{Ep}$

$l_A=\frac{n_{\mathrm{CHx}}-n_M}{n_{\mathrm{CHx}}-n_A}.\mathrm{Ep}$

将这些值代入方程式(1)，得出：

${\mathrm{\ρ}}_M=\frac{n_M-n_A}{n_{\mathrm{CHx}}-n_A}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{CHx}}+\frac{n_{\mathrm{CHx}}-n_M}{n_{\mathrm{CHx}}-n_A}.{\mathrm{\ρ}}_A$

${\mathrm{\ρ}}_M=\frac{{\mathrm{\ρ}}_A.n_{\mathrm{CHx}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{CHx}}.n_A}{n_{\mathrm{CHx}}-n_A}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{CHx}}-{\mathrm{\ρ}}_A}{n_{\mathrm{CHx}}-n_A}\·n_M---\left(2\right)$

与块体聚合物的密度相比较，空气的密度(ρ_A的数量级为10^-3ρ_CHx)可忽略且令空气折射率的值为1，则方程式(2)变为：

${\mathrm{\ρ}}_M={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{CHx}}.\frac{n_M-1}{n_{\mathrm{CHx}}-1}---\left(3\right)$

假如形成泡沫材料的块体材料(即块体聚合物)的密度及折射率的值是已知的，则方程式(3)可以通过简单测量聚合泡沫材料的有效折射率来测定其密度。

用X光显微射线照相技术对厚度进行局部测量及用OCT对相关光程进行局部测量可以测定泡沫样本的有效折射率(这也可应用于块体聚合物)，从而测定其局部密度。

现在给出估计一泡沫微量***局部密度的范例。

考虑由聚合物泡沫材料CHx制成的一微量烧瓶，其以下列参数为目标合成：

-外径为2mm，

-厚度为100μm，及

-密度为250mg/cm³。

此微量烧瓶被安装在一组合件上以使X射线及OCT在泡沫材料的同一位置进行表征。图6绘示出此组合件，它包含一毛细管线48及一毛细管线托架50，以利用X射线照相技术来进行测量。微量烧瓶52通过一黏合点54被固定到毛细管线48的一端上。毛细管线的另一端被固定到托架50上。

第一阶段中，对块体聚合物CHx的折射率的测量是在CHx制成的一样本上实施，该样本通过在紫外光辐射下的聚合作用所形成。此样本经过机械加工以使其厚度更加均匀。这样块体CHx制成的样本看起来为直径11mm、厚度约2mm的一圆盘。

分别用接触探测***(触针)及OCT来表征块体CHx制成的这个圆盘，以分别获得厚度及相关光程。根据这些结果，可在OCT工作波长1,310nm下估计出样本的折射率。

由这些测量值推断出块体聚合物CHx的折射率为以下数值：

在波长1,310nm下，n_CHx＝1.511±0.001

借助于位于毛细管线托架50上的一平面56，CHx泡沫微量烧瓶在它的两个特定区域58及60用X射线显微射线照相技术来分析厚度。可以看出这两个区域在直径方向上相对且界定出垂直于毛细管线的一直径。继续用OCT测量对应于穿过这两个相同区域58及60的光程。

所获得的不同结果能测定在1,310nm下CHx制成的泡沫材料的有效折射率n_M：

平均厚度          101.9μm

平均光程        113.9μm

折射率n_M        1.117

因此，已知块体聚合物的折射率值及其密度值后，现在可以知道泡沫样本的折射率：

ρ_CHx＝1,188kg/m³

在波长1,310nm下，n_CHx＝1.511

在波长1,310nm下，n_M＝1.117。

通过将这些数据代入方程式(3)可以计算出聚合物泡沫材料CHx的密度。对于相关样本，密度为以下值：

ρ_CHx＝272kg/m³(或mg/cm³)

通过在微量级上测量重量，得到微量***质量m_μb：

m_μb＝317μg±1μg

通过用背光阴影成像技术，利用远心物镜来测量外径φ_ext，结合用X射线照相技术来测量厚度，可以计算出形成微量***材料的体积V_μb。得出：

φ_ext＝2,027μm±1μm且Ep＝101.4μm±0.9μm

这些测量值给出CHx聚合物泡沫材料的平均密度值：

${{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{CHx}}}^{\′}=\frac{m_{\mathrm{\μb}}}{V_{\mathrm{\μb}}}$

其中 $V_{\mathrm{\μb}}=\frac{4.\mathrm{\π}}{3}.[{\left(\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ext}}}{2}\right)}^3-{(\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ext}}}{2}-\mathrm{Ep})}^3]$

微量烧瓶整体密度的数值(与上文已建立的值相比较的一值)为：

ρ_CHx’＝267mg/cm³±6mg/cm³

在微量烧瓶上某一点处的局部密度测量值可能与整体密度测量值不同；根据泡沫材料的折射率而测定的局部密度测量值仍然包括在计算出来的整体密度的不确定度范围内。

图7为用于对光程进行非接触式测量的一光学相干断层成像装置的一示意图。用来为将要表征的物体62照明的光源为发射红外线的一超辐射发光二极管。此光源、干涉仪的参考臂与分析电子器件集成在一个盒子64里；仅一条光纤66从盒子中伸出，形成干涉仪64的测量臂的一部分。

此光纤的末端是一准直仪，准直仪用来为待分析的物体照明及收集反射光。其性质可使光纤出口与待表征物体之间的工作距离适用于从几毫米到数十厘米。

被分析的干涉信号通过一采集卡72被传送到电脑70，采集卡72是用来获得表征所研究物体的光程。电脑70配有用于显示获得结果的一装置74。

互补表征装置76(针对厚度的X射线显微射线照相***或针对外径的背光阴影成像***)能计算物体为一多孔样本时的有效折射率及密度。通过此互补表征装置获得的结果也被电脑70加以利用。

光学相干断层成像技术可用于非接触式、非破坏性地测量诸如用于包装工业的那些聚合膜的光程。这项技术与厚度测量的结合能够测定由多孔材料，特别是多孔绝热材料制成的一样本的折射率及密度。

OCT技术还可用于表征沉积在另一种材料上的涂层，特别是在生产线上的检验。实际上，利用此项技术可以区分一多层样本的特定光程。

光学相干断层成像技术用于表征由不同种类的聚合物制成的直径为2mm的空心烧瓶。也可在厚度介于10μm与180μm之间的烧瓶上实施测量。就折射率测量而言，这些结果显示出这项技术宽广的应用领域。

所述技术还可应用于测量沉积在由聚合物制成的烧瓶内的一层半透明或透明材料的厚度。例如，可以是在低温下固化的一层氢同位素。

此外，光学相干断层成像技术还用于由聚合泡沫材料制成的外径为2mm、厚度约100μm的空心球体。它们的有效折射率能够被计算出来。通过测量块体聚合物的折射率可以计算出聚合泡沫材料的局部密度。

Claims (7)

1.一种对多孔材料的密度进行非接触式测量的方法，此方法的特征在于：

-凭借一光学相干断层成像技术来测定用于实施所述技术的一光束穿过由所述多孔材料制成的一物体(20，32，44，52，62)所对应的光程，所述多孔材料对所述光束而言是半透明的或透明的，

-测定所述物体的厚度，

-由已测定的光程及厚度来测定所述多孔材料在所述光束的波长下的折射率，及

-由已测定的折射率来测定所述多孔材料的密度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多孔材料由包含孔洞的一块体材料组成且根据以下公式来测定所述多孔材料的密度ρ_p：

${\mathrm{\ρ}}_p={\mathrm{\ρ}}_m\frac{n_p-1}{n_m-1}$

其中n_p代表所述多孔材料的折射率且ρ_m及n_m分别代表所述块体材料的密度及折射率。

3.根据权利要求2所述的方法，其中凭借光学相干断层成像技术及由所述块体材料制成的一物体的厚度测量，来测定所述块体材料的折射率。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其中凭借X射线照相技术来测定所述物体(20，32，44，52，62)的厚度。

5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其中凭借背光阴影成像技术来测定所述物体(20，32，44，52，62)的厚度。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其中所述物体(32，52，62)是空心球形，因此具有外径与内径，所述内径及光程由光学相干断层成像技术测定，所述外径由背光阴影成像技术测定，所述物体的厚度通过计算已测定的外径与内径之差的一半来测定。

7.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其中所述物体(52)是空心球形，因此具有外径与内径，所述物体被固定到一毛细管线(48)的一端上，以在同一点上测定所述物体的光程及厚度。

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