CN104848928A - 基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***及方法，该高速振动测量***包括：用于发出相干光的光源、用于将该相干光进行分束的光纤耦合器、用于根据分束后的第一光信号返回参考光的参考臂、用于根据分束后的第二光信号返回信号光的样品臂、以及用于对该参考光与信号光所形成的干涉信号进行解调的光谱解调器，其中，所述光谱解调器包括分光镜及二极管阵列，所述干涉信号经所述分光镜分光后，其中一部分反射至所述二极管阵列中用于样品振动参数的测量。该高速振动测量方法对应于该***可以测量出样品振动参数。本发明的该高速振动测量***及方法具有灵敏度高、精确度高等优点，尤其适用于精确地测量高速振动的样品的振动参数。

Description

基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***及方法

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像(OCT，Optical Coherence Tomography)领域，特别涉及一种基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***及方法。

背景技术

目前，基于宽谱光源特性的光学干涉传感技术在高精度测量中已得到了广泛的应用，其中，用于位置或者位移量或者其它可以转化为位移量的高精度测量已成为尤其热门的研究课题。

该基于宽谱光源特性的光学干涉传感技术通常被应用于高精度、分布式干涉性光纤传感器中。然而，在实际的应用中，往往需要准确地知道光源实际的相干特性，而电子耦合组件(CCD，Charge-Coupled Device)虽然可以实现成像与低速振动的测量，但是，由于CCD测量振动的灵敏度较低，无法实现对高速振动的样品的精确测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***及方法，用于解决现有技术中的CDD无法实现对高速振动的样品的精确测量的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***，包括：用于发出相干光的光源、用于将该相干光进行分束的光纤耦合器、用于根据分束后的第一光信号返回参考光的参考臂、用于根据分束后的第二光信号返回信号光的样品臂、以及用于对该参考光与信号光所形成的干涉信号进行解调的光谱解调器，其中，所述光谱解调器包括分光镜及二极管阵列，所述干涉信号经所述分光镜分光后，其中一部分反射至二极管阵列中用于样品振动参数的测量。

优选地，所述光谱解调器还包括：透镜光栅组件及电子耦合组件，所述干涉信号由所述透镜光栅组件输出至所述分光镜后，其中一部分反射至所述二极管阵列中用于样品振动参数的测量，另一部分透射至所述电子耦合组件中用于OCT成像以监测样品的测量面。

优选地，所述分光镜透射与反射所述干涉信号的百分比是90％～95％:5％～10％。

优选地，所述分光镜透射与反射所述干涉信号的百分比是95％:5％。

优选地，所述透镜光栅组件包括依次设置的第一透镜、光栅及第二透镜，其中，接收到的所述干涉信号由所述第二透镜输出至所述分光镜。

优选地，所述光源为宽谱光源，所述宽谱光源的中心波长为810nm–850nm。

优选地，所述参考臂包括依次设置的第三透镜及全反射镜，其中，所述参考光经所述全反射镜、第三透镜返回至所述光纤耦合器。

优选地，所述样品臂包括透镜共聚焦***，所述透镜共聚焦***包括依次设置的第四透镜、振镜及第五透镜，其中，所述信号光经所述第五透镜、振镜、第四透镜返回至所述光纤耦合器。

优选地，所述基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***还包括计算机，所述计算机与所述光谱解调器及样品臂连接，用于控制所述样品臂的振镜的速度以及进行后续的振动参数的计算。

一种基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量方法，包括：对光源发出的相干光进行分束；根据分束后的第一、第二光信号分别返回参考光与信号光；对所述参考光与信号光进行干涉，形成干涉信号；及在光谱解调器中设置分光镜及二极管阵列，所述干涉信号经所述分光镜分光后，其中一部分反射至所述二极管阵列中用于样品振动参数的测量。

由以上本发明所提供的技术方案可见，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过在光谱解调器中设置分光镜及二极管阵列，使得光谱解调器接收到的干涉信号经该分光镜分光后，其中一部分反射至二极管阵列中用于样品振动参数的测量。也就是说，本发明的基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***及方法利用分光镜与二极管阵列的相互配合，替代了现有的电子耦合组件的测试方式，使得对极微弱的干涉信号进行探测的灵敏度大为提高，进而实现了对高速振动的样品的振动参数的测量精度可以达到纳米级。

附图说明

为了更清楚地说明本发明各实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明各实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A为一实施例的基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***的结构框图。

图1B为另一实施例的基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***的结构框图。

图2为另一实施例的基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***的光谱解调器的结构框图。

图3为一实施例的基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量方法的流程图。

图4为一实施例的基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***的二极管阵列所探测得的第二光谱信息对应的波形图。

图5为另一实施例的基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***的二极管阵列的其中一个二极管的光强度随时间变化的波形图。

图6为一实施例的基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***的CCD所探测得的第一光谱信息对应的波形图。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员更好地理解本发明中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的各实施例中的技术方案予以进一步地详尽说明。

请参阅图1A，在一实施例中，一种基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***1包括：用于发出相干光的光源10、用于将该相干光进行分束的光纤耦合器11、用于根据分束后的第一光信号返回参考光的参考臂12、用于根据分束后的第二光信号返回信号光的样品臂13、以及用于对该参考光与信号光所形成的干涉信号进行解调的光谱解调器14。

其中，光谱解调器14包括分光镜142及二极管阵列144，干涉信号经分光镜142分光后，其中一部分反射至二极管阵列144中用于样品振动参数的测量。分光镜142可以是半透半反射镜，可以是立方体型，也可以是平面型等。

进一步地，二极管阵列144包括至少一个二极管，该二极管的探测面极小，有利于测量，尤其适用于样品高速振动的精确测量。同时，通过采用二极管阵列144，使得即使是对极微弱的干涉信号进行探测的灵敏度也大为提高，从而解决了现有技术中CCD对高速振动的样品所产生的干涉信号灵敏度不够的问题。

请参阅图1B，在一实施例中，一种基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***1的光谱解调器14还包括：透镜光栅组件141、及电子耦合组件143(CCD，Charge-Coupled Device)。透镜光栅组件141接收到的干涉信号传输至分光镜142后，其中一部分反射至二极管阵列144中用于样品振动参数的测量，另一部分透射至电子耦合组件143中用于OCT成像以监测样品的测量面。本实施例中，一种基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***1中的其余结构均与图1A中一致，在此不再一一赘述。

其中，分光镜142透射与反射干涉信号的百分比是90％～95％:5％～10％，即90％～95％的干涉信号透射至电子耦合组件143中，5％～10％的干涉信号发射至二极管阵列144中。也就是说，5％～10％的干涉信号用于实现对高速振动的样品振动参数的精确测量，90％～95％的干涉信号用于OCT成像以监测样品的测量面，通过对样品测量面的监测，可以获知光干涉的大致情况，以便后续样品振动参数的精确测量时所需。

优选地，分光镜142透射与反射干涉信号的百分比为95％:5％时，此时，基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***1对高速振动的样品振动参数的测量精度最高。

如图1B所示，在一实施例中，基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***1还包括计算机15。计算机15与光谱解调器14及样品臂13连接，用于控制样品臂13的振镜的速度以及进行后续的振动参数的计算。

其中，当计算机15控制样品臂13的振镜的速度为0，此时，样品相对静止，才能够实现该***对样品臂13光路与样品之间的振动进行测量。计算机15对二极管阵列144探测干涉信号所得到的光谱信息进行相关光强度的提取及计算，从而得到样品振动参数。例如，该振动参数包括振动相位、振动位移及振动频率等。

需要说明的是，本实施例中，上述相关数据处理均是通过计算机15内部的信号处理单元(图中未示出)完成的，在其他实施例中，该信号处理单元也可以设置于嵌入式硬件***中以实现上述相关数据处理，本发明并不以此为限。

请参阅图1A至图1B，在一实施例中，光源10为宽谱光源，该宽谱光源的中心波长的范围在810nm–850nm之间。通过该光源10发出相干光并输出至光纤耦合器11。本实施例中，通过采用宽谱光源，不仅避免了使用价格昂贵的激光器做光源，而且使得光源发出的相干光不是单谱光，性能较稳定。优选地，该宽谱光源的中心波长为830nm。

光纤耦合器11的输入端与光源10连接，其三个输出端分别与参考臂12的输入端、样品臂13的输入端及光谱解调器14的输入端连接。光纤耦合器11的作用不仅在于将光源10发出的相干光进行分束形成第一、第二光信号，并将该第一、第二光信号分别发送至参考臂12的输入端与样品臂13的输入端，还在于对从参考臂12返回的参考光与从样品臂13返回的信号光进行干涉，以形成干涉信号并输出至光谱解调器14的输入端。

参考臂12连接于光纤耦合器11的第一输出端，其包括依次设置的第三透镜及全反射镜，以使接收到的光信号经该第三透镜扩束投射在该全反射镜上后发生反射形成参考光。同时，该参考光经全反射镜、第三透镜返回至光纤耦合器11。当然，在其他实施例中，参考臂的组成还可以有其他方式，但本实施例中第三透镜和全反射镜的组成方式所得到的稳定性效果最佳。

样品臂13连接于光纤耦合器11的第二输出端，其包括透镜共聚焦***，该透镜共聚焦***包括依次设置的第四透镜、振镜及第五透镜，以将接收到的光信号同时通过透镜共聚焦***后形成信号光。同时，该信号光经第五透镜、振镜、第四透镜返回至光纤耦合器11。当然，在其他实施例中，样品臂的组成还可以有其他方式，但本实施例中的第四、第五透镜和一振镜的组成方式不会导致像场的畸变，成像效果最佳。

进一步地，本实施例中，参考臂12与样品臂13将组装于同一机箱中，并且参考臂12的臂长与样品臂13的臂长均为13cm，以避免样品臂13与参考臂12处于不同环境时(例如，样品臂13位于机箱外部，而参考臂12位于机箱内部)，样品臂13的臂长对样品振动所造成的影响。

请参阅图2，在一实施例中，光谱解调器14的输入端连接于光纤耦合器11的第三输出端，光谱解调器14的输出端连接于计算机。

其中，透镜光栅组件141包括依次设置的第一透镜1411、光栅1412及第二透镜1413。优选地，第一透镜1411与第二透镜1413均为聚焦透镜。干涉信号由光纤耦合器11的第三输出端输出，经第一透镜1411聚焦，经光栅1412干涉衍射，再经第二透镜1413聚焦后输出。

第二透镜1413将光纤耦合器11输出的干涉信号输出至分光镜142，经分光镜142分光后，其中一部分干涉信号(本实施例中为5％干涉信号)反射至二极管阵列144中，另一部分干涉信号(本实施例中为95％干涉信号)透射至电子耦合组件143中。电子耦合组件143将探测95％干涉信号所得到的第一光谱信息传输至计算机，二极管阵列144也将探测5％干涉信号所得到的第二光谱信息传输至计算机，以便于计算机进行后续的数据处理。例如，对二极管阵列144输出的第二光谱信息进行样品振动参数的计算。

进一步地，二极管阵列144包括16个紧密排列的二极管。该些二极管可以分时开启与关闭。

当仅开启一个二极管时，基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***1可以针对该开启的二极管进行光强度随时间变化的测量，所得到的波形如图4所示，利用该波形可以实现对高速振动的样品振动参数的测量。

当开启多个不同二极管时，基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***1可以针对该些开启的二极管分别进行光强度随时间变化的测量，所得到的波形如图4所示，利用各波形均可以实现对高速振动的样品振动参数的测量，而通过对该些二极管分别测量得到的样品振动参数求平均值，有利于提高高速振动测量的精度。或者，针对该些开启的二极管进行光强度幅度变化的统计测量，所得到的波形如图3所示，其中，X轴表示不同的像素点(即不同二极管的所在位置)，Y轴表示光强度。由于该波形与CCD探测到的干涉信号所得到的波形(如图5所示)类似，故而，二极管阵列144也同时可以用于OCT成像以监测样品的测量面。

值得一提的是，基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***1利用CCD或者二极管阵列还可以实现传统OCT***的相关测量。例如应用于生物领域中，进行眼科、皮肤烧伤检查、血液微循环测定、口腔牙齿组织成像、动物组织器官的检测、诊断等；应用于材料领域中，在工业生产线上对材料进行实时监测、无损检测等；应用于文物领域中，对贵重的珠宝、珍珠、古董进行检测等。

也就是说，本实施例中，基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***1不仅可以实现对高速振动的样品振动参数的精确测量，还可以实现传统OCT***的相关测量，使得基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***1的应用场景得到了进一步的扩展。

请参阅图3，在一实施例中，一种基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量方法2包括以下步骤：

步骤21，对光源发出的相干光进行分束。

步骤22，根据分束后的第一、第二光信号分别返回参考光与信号光。

步骤23，对参考光与信号光进行干涉，形成干涉信号。

步骤24，在光谱解调器中设置分光镜及二极管阵列，干涉信号经分光镜分光后，其中一部分反射至二极管阵列用于样品振动参数的测量。

现结合图1至图2，对本发明一具体实施例中基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***1的工作原理加以详细的说明如下。

在步骤21中，由中心波长为830nm的宽谱光源10发出的低相干光经过光纤耦合器1*2,50:50分束后，形成两束光信号，即第一、第二光信号。该两束光信号被分别发送至参考臂12的输入端与样品臂13的输入端。

在步骤22中，第一光信号传输至参考臂12的输入端，经第三透镜扩束投射在全反射镜上后发生反射，形成参考光后，该参考光按照原路返回至光纤耦合器11。第二光信号传输至样品臂13的输入端，经样品臂13的透镜共聚焦***聚焦到样品的测量面，形成信号光后，该信号光按照原路返回至光纤耦合器11。

在步骤23中，在光纤耦合器11中对该参考臂12的参考光与样品臂13的信号光进行干涉，形成干涉信号，并发送至光谱解调器14的输入端。

在步骤24中，该干涉信号传输至光谱解调器14，由透镜光栅组合141进行接收，接收到的干涉信号经分光镜142分光后，95％干涉信号被透射至电子耦合组件143中，5％干涉信号被反射至具有16个紧密排列的二极管的二极管阵列144中。

具体地，电子耦合组件143探测95％干涉信号所得到的光谱信息为第一光谱信息，二极管阵列144探测5％干涉信号所得到的光谱信息为第二光谱信息。其中，该第一光谱信息对应95％干涉信号的光强度幅度变化图，如图6所示，该第二光谱信息对应5％干涉信号的光强度幅度变化图，如图4所示。

进一步地，二极管阵列144所得到的上述第二光谱信息被传输至计算机，经过计算机进行二维或三维的图像构建，得到与之对应的光强度幅度变化图，亦即样品振动幅度变化图，如图4所示。如图4所示，在样品振动时，二极管阵列144中的各二极管探测的位置不变，使得同一探测点仅是光强度幅度发生了改变，即在该光强度幅度变化图中，波形沿Y轴上下波动。在得到与第二光谱信息对应的光强度幅度变化图后，将关闭二极管阵列144中的其中几个二极管，针对保留的二极管再分别进行光强度随时间变化的测量，对该光强度随时间变化图进行光强度提取，即得到如图5所示的波形。如图5所示，由于样品振动的位移与光强度的振幅呈正比，经过进一步地解绕卷运算即可得出该样品的振动位移、振动相位、振动频率等。

待完成上述步骤，使得基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***及方法能够精确地测量出高速振动的样品的振动参数。

上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量***，包括：用于发出相干光的光源、用于将该相干光进行分束的光纤耦合器、用于根据分束后的第一光信号返回参考光的参考臂、用于根据分束后的第二光信号返回信号光的样品臂、以及用于对该参考光与信号光所形成的干涉信号进行解调的光谱解调器，其特征在于，所述光谱解调器包括分光镜及二极管阵列，所述干涉信号经所述分光镜分光后，其中一部分反射至所述二极管阵列中用于样品振动参数的测量。

2.如权利要求1所述的高速振动测量***，其特征在于，所述光谱解调器还包括：透镜光栅组件及电子耦合组件，所述干涉信号由所述透镜光栅组件输出至所述分光镜后，其中一部分反射至所述二极管阵列中用于样品振动参数的测量，另一部分透射至所述电子耦合组件中用于OCT成像以监测样品的测量面。

3.如权利要求2所述的高速振动测量***，其特征在于，所述分光镜透射与反射所述干涉信号的百分比是90％～95％:5％～10％。

4.如权利要求2所述的高速振动测量***，其特征在于，所述分光镜透射与反射所述干涉信号的百分比是95％:5％。

5.如权利要求2所述的高速振动测量***，其特征在于，所述透镜光栅组件包括依次设置的第一透镜、光栅及第二透镜，其中，所述干涉信号由所述第二透镜输出至所述分光镜。

6.如权利要求1至5任一所述的高速振动测量***，其特征在于，所述光源为宽谱光源，所述宽谱光源的中心波长为810nm–850nm。

7.如权利要求6所述的高速振动测量***，其特征在于，所述参考臂包括依次设置的第三透镜及全反射镜，其中，所述参考光经所述全反射镜、第三透镜返回至所述光纤耦合器。

8.如权利要求6所述的高速振动测量***，其特征在于，所述样品臂包括透镜共聚焦***，所述透镜共聚焦***包括依次设置的第四透镜、振镜及第五透镜，其中，所述信号光经所述第五透镜、振镜、第四透镜返回至所述光纤耦合器。

9.如权利要求6所述的高速振动测量***，其特征在于，还包括计算机，所述计算机与所述光谱解调器及样品臂连接，用于控制所述样品臂的振镜的速度以及进行后续的振动参数的计算。

10.一种基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量方法，其特征在于，包括：

对光源发出的相干光进行分束；

根据分束后的第一、第二光信号分别返回参考光与信号光；

对所述参考光与信号光进行干涉，形成干涉信号；及

在光谱解调器中设置分光镜及二极管阵列，所述干涉信号经所述分光镜分光后，其中一部分反射至所述二极管阵列中用于样品振动参数的测量。