CN106645027A - 一种双通道谱域光学相干层析成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种双通道谱域光学相干层析成像方法，包括：相干光束通过第一光路入射至待测样品，经过待测样品内部同一截面反射产生第一反射光束以及第二反射光束；第一反射光束通过第一成像通道至第一分光镜的输入端，第二反射光束通过第二成像通道至第二分光镜的第一输入端，并经过第二分光镜的第一输出端输出至第一分光镜的输入端；从第一分光镜的输出端输出的第一反射光以及第二反射光均入射至第二光路；采集干涉光谱；当待测样品发生形变时，根据干涉光谱分别计算待测样品内部的面内位移和离面位移。经过待测样品内部同一截面同时层析成像，实现同时测量离面位移和面内位移。本申请公开了双通道谱域光学相干层析成像***，具有上述效果。

Description

一种双通道谱域光学相干层析成像方法及装置

技术领域

本发明涉及光学干涉测量技术领域，更具体地说，涉及一种双通道谱域光学相干层析成像方法，还涉及一种双通道谱域光学相干层析成像装置。

背景技术

高聚物及其复合材料被越来越多地应用于航空航天等高新工业领域，在固化成型的过程中，由于高聚物材料具有聚合收缩作用，一方面使得高聚物构件内部产生残余应力，另一方面也可能产生微米/亚微米级的气泡、裂缝等缺陷，从而对其力学特性产生影响，严重的还会造成安全隐患。高聚物构件的各项异性给其力学特性的理论分析带来了巨大的困难，因此，对高聚物的表征方法尤为重要。

目前，对材料力学内部特性的主要表征方法包括波长干涉扫描(WSI)和倾斜扫描干涉(TSI)，虽然能对材料内部的位移场进行层析测量，但对每个变形状态需要拍摄成百上千张的干涉光谱，无法用于热变形等连续变形过程的测量。在WSI方法基础上提出的光学干涉谱域相位对照B扫描技术，虽然实现了样件内部位移场的动态透视测量，但只能测量离面位移场，不能测量面内方向位移场。

因此，如何实现高聚物/高聚物复合材料构件内部离面位移和面内位移的同时测量，是本领域技术人员急需要解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种双通道谱域光学相干层析方法，实现高聚物/高聚物复合材料构件内部离面位移和面内位移的同时测量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双通道谱域光学相干层析成像方法，包括：

相干光束通过第一光路入射至待测样品，经过所述待测样品内部同一截面反射产生第一反射光束以及第二反射光束；

所述第一反射光束通过第一成像通道至第一分光镜的输入端，所述第二反射光束通过第二成像通道至所述第二分光镜的第一输入端，并经过所述第二分光镜的第一输出端输出至所述第一分光镜的输入端；

从所述第一分光镜的输出端输出的所述第一反射光以及所述第二反射光均入射至第二光路；

采集经过所述第二光路的所述第一反射光束以及所述第二反射光束形成的干涉光谱；

当所述待测样品发生形变时，根据所述干涉光谱分别计算所述待测样品内部的面内位移和离面位移。

优选的，在上述双通道谱域光学相干层析成像方法中，还包括：

经过第三光路输出至所述第二分光棱镜的第二输入端的参考光束，所述参考光束经过所述第二分光棱镜入射至所述第一分光棱镜的输入端，经过所述第一分光棱镜入射至所述第二光路。

优选的，在上述双通道谱域光学相干层析成像方法中，所述当所述待测样品发生形变时，根据所述干涉光谱分别计算所述待测样品内部的面内位移和离面位移，包括：

根据所述计算待测样品的截面轮廓：

其中，Λ为所述第一反射光与所述第二反射光的光程差，α为所述待测样品的散射角，f_c1为通过所述第一成像通道的所述第一反射光的频率，f_c2为通过所述第二成像通道的所述第二反射光的频率；

当所述待测样品发生形变时，所述待测样品内部的面内位移u和离面位移w分别为：

其中，Δφ为所述待测样品在形变前后的干涉光谱的相位变化量，λ_c为所述相干光束的中心波长，n₁为所述待测样品的折射率，n₀为空气的折射率，z为深度方向的坐标，Δn₁为所述待测样品折射率的变化量，fs为所述待测样品前表面。

本发明还提供一种双通道谱域光学相干层析成像***，包括：

相干光源，用于产生相干光束；

第一光路，包括在所述相干光源输出端依次放置的第一凸透镜以及第一柱面镜；

第一成像通道，设置于所述相干光束经过所述待测样品内部同一截面反射产生第一反射光束光路上，包括依次放置的靠近所述待测样品设置的第二凸透镜、平板玻璃以及平面反射镜；

第二成像通道，设置于所述相干光经过所述待测样品内部同一截面反射产生第一反射光束光路上，包括第三凸透镜；

第一分光棱镜，所述第一分光镜的输入端用于接收通过所述第一成像通道的所述第一反射光束；

第二分光棱镜，所述第二分光镜的第一输入端用于接收通过所述第二成像通道的第二反射光束；

所述第一分光棱镜的输入端还用于接收经过所述第二分光镜的第一输出端输出的所述第二反射光束；

第二光路，包括在所述第一分光镜的输出端依次放置的衍射光栅和第四凸透镜；

图像采集装置，用于采集经过所述第二光路的所述第一反射光束以及所述第二反射光束形成的干涉光谱；

数据处理器，用于当所述待测样品发生形变时，根据所述干涉光谱分别计算所述待测样品内部的面内位移和离面位移。

优选的，在上述双通道谱域光学相干层析成像***中，还包括可见光光源，用于产生参考光束。

优选的，在上述双通道谱域光学相干层析成像***中，还包括：

所述参考光束经过的第三光路，包括在所述相干光源输出端依次放置的第五凸透镜以及第二柱面镜。

优选的，在上述双通道谱域光学相干层析成像***中，还包括：

光纤耦合器，用于将所述相干光束分配至所述第一光路的输入端，和将所述参考光束分配至所述第三光路的第二输入端。

优选的，在上述双通道谱域光学相干层析成像***中，所述光纤耦合器的分光比为90:10或者99:1。

优选的，在上述双通道谱域光学相干层析成像***中，所述相干光源为低相干宽带光源，其中心波长范围为750nm-840nm，带宽范围为20nm-100nm。

优选的，在上述双通道谱域光学相干层析成像***中，所述图像采集装置为CCD相机。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种双通道谱域光学相干层析成像方法，包括：相干光束通过第一光路入射至待测样品，经过所述待测样品内部同一截面反射产生第一反射光束以及第二反射光束；所述第一反射光束通过第一成像通道至第一分光镜的输入端，所述第二反射光束通过第二成像通道至所述第二分光镜的第一输入端，并经过所述第二分光镜的第一输出端输出至所述第一分光镜的输入端；从所述第一分光镜的输出端输出的所述第一反射光以及所述第二反射光均入射至第二光路；采集经过所述第二光路的所述第一反射光束以及所述第二反射光束形成的干涉光谱；当所述待测样品发生形变时，根据所述干涉光谱分别计算所述待测样品内部的面内位移和离面位移。

双通道谱域光学相干层析成像方法通过相干光束照射至待测样品，经过待测样品内部同一截面同时层析成像，即通过采集通过第一成像通道的第一反射光束与通过第二成像通道的第二反射光束，形成的干涉光谱进行层析成像分析，实现同时测量离面位移和面内位移，同时加快测量速度。

本发明提供的双通道谱域光学相干层析成像***，具有上述效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的双通道谱域光学相干层析成像方法示意图；

图2为本发明实施例提供的双通道谱域光学相干层析成像***示意图；

图3为本发明实施例提供的待测样品从30℃降温至27℃时的相位差测量结果以及离面位移场示意图；

图4为本发明实施例提供的待测样品从30℃降温至27℃时的相位差测量结果以及面内位移场示意图；

图5为本发明实施例提供的待测样品从30℃降温至24℃时的相位差测量结果以及离面位移场示意图；

图6为本发明实施例提供的待测样品从30℃降温至24℃时的相位差测量结果以及面内位移场示意图；

图7是本发明实施例提供的待测样品的温度-离面位移变化曲线；

图8是本发明实施例提供的待测样品的温度-面内位移变化曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的双通道谱域光学相干层析成像方法示意图。

在一种具体实施方式中，提供了一种双通道谱域光学相干层析成像方法，包括：

步骤S1：相干光束通过第一光路入射至待测样品，经过所述待测样品内部同一截面反射产生第一反射光束以及第二反射光束。

其中，相关光束在待测样品内部同一截面反射，产生的第一反射光束与第二反射光束分别从待测样品的两个具有一定夹角的方向出射，为待测样品内部某一截面同时层析成像做准备。

步骤S2：所述第一反射光束通过第一成像通道至第一分光镜的输入端，所述第二反射光束通过第二成像通道至所述第二分光镜的第一输入端，并经过所述第二分光镜的第一输出端输出至所述第一分光镜的输入端。

其中，第一成像通道与第二成像通道分别设置于第一反射光束与第二反射光束的出射方向上，第一成像通道与第二成像通道分别对第一反射光与第二反射光进行汇聚，并分别将其导向第一分光镜的输入端以及第二分光镜的第一输入端，最终使得两路光均进入第一分光镜。

步骤S3：从所述第一分光镜的输出端输出的所述第一反射光以及所述第二反射光均入射至第二光路；

其中，第一反射光与第二反射光从第一分光镜的输出端输出后，通过第二光路，并将其发射干涉后的图像进行采集。

步骤S4：采集经过所述第二光路的所述第一反射光束以及所述第二反射光束形成的干涉光谱。

其中，采集干涉光谱后，为了能利用由第二光路以及图像采集装置组成的一套光谱仪对两个通道同时进行测量，需要将两个通道的测量结果得到的干涉光谱分别编码于低频段和高频段。

具体的，比较第一成像通道和第二成像通道，第一成像通道比第二成像通道多了平板玻璃08，利用了平板玻璃08的折射率大于空气的原理增大光程。再结合待测样品的第一反射光与第二反射光的光程和频率之间的公式可以看出，第一成像通道的干涉信号在高频段，第二成像通道的干涉型号在低频段。

步骤S5：当所述待测样品发生形变时，根据所述干涉光谱分别计算所述待测样品内部的面内位移和离面位移。

双通道谱域光学相干层析成像方法通过相干光束照射至待测样品，经过待测样品内部同一截面同时层析成像，即通过采集通过第一成像通道的第一反射光束与通过第二成像通道的第二反射光束，形成的干涉光谱进行层析成像分析，实现同时测量离面位移和面内位移，同时加快测量速度。

在上述双通道谱域光学相干层析成像方法的基础上，还包括：

经过第三光路输出至所述第二分光棱镜的第二输入端的参考光束，所述参考光束经过所述第二分光棱镜入射至所述第一分光棱镜的输入端，经过所述第一分光棱镜入射至所述第二光路。

其中，参考光束经过第三光路进行汇聚，汇聚后的参考光束通过第二分光棱镜进入至第一分光棱镜中与第一反射光以及第二反射光相混合，一方面起到照明作用，另一方面，由于在第一反射光以及第二反射光经过第一分光棱镜后光强减弱，不容易被采集，导致干涉光谱不清晰，为了避免上述情况的发生，通过参考光束补充光能，使最终得到的干涉光谱更加清晰准确。

在上述双通道谱域光学相干层析成像方法的基础上，所述当所述待测样品发生形变时，根据所述干涉光谱分别计算所述待测样品内部的面内位移和离面位移，包括：

根据所述计算待测样品的截面轮廓：

其中，Λ为所述第一反射光与所述第二反射光的光程差，α为所述待测样品的的散射角，f_c1为通过所述第一成像通道的所述第一反射光的频率，f_c2为通过所述第二成像通道的所述第二反射光的频率；

当所述待测样品发生形变时，所述待测样品内部的面内位移u和离面位移w分别为：

其中，Δφ为所述待测样品在形变前后的干涉光谱的相位变化量，λ_c为所述相干光束的中心波长，n₁为所述待测样品的折射率，n₀为空气的折射率，z为深度方向的坐标，Δn₁为所述待测样品折射率的变化量，fs为所述待测样品前表面。

需要指出的是，散射角α具体为第一光路与第一成像通道或第二成像通道之间的夹角。

具体的结果请参阅图3和图4，图3为本发明实施例提供的待测样品从30℃降温至27℃时的相位差测量结果以及面内位移场示意图，图4为本发明实施例提供的待测样品从30℃降温至27℃时的相位差测量结果以及离面位移场示意图。图3和图4表明待测样品的离面位移随深度增加而不断减小，待测样品在降温过程中处于收缩的状态。

请参阅图5和图6，图5为本发明实施例提供的待测样品从30℃降温至24℃时的相位差测量结果以及面内位移场示意图；图6为本发明实施例提供的待测样品从30℃降温至24℃时的相位差测量结果以及离面位移场示意图。图5和图6表明待测样品的离面位移随深度增加而不断减小，待测样品在降温过程中处于收缩的状态。

然而，对比图3和图5可以认为待测样品随温度的不断减小，收缩程度不断加剧。对比图4和图6同样可以认为，随着温度不断降低，待测样品的变形情况不断加剧。

在上述图中分别取A、B、C、D四点，图7是本发明实施例提供的待测样品的温度-离面位移变化曲线；图8是本发明实施例提供的待测样品的温度-面内位移变化曲线。图7和图8表明待测样品内部每一点的位移情况和温度之间呈近似线性关系，且深度相同两点之间的位移情况相近。

下面对本发明实施例提供的双通道谱域光学相干层析成像***进行介绍，下文描述的一种双通道谱域光学相干层析成像***与方法可相互对应参照。

请参考图2，图2为本发明实施例提供的双通道谱域光学相干层析成像***示意图。

一种双通道谱域光学相干层析成像***，包括：

相干光源01，用于产生相干光束；

第一光路，包括在所述相干光源输出端依次放置的第一凸透镜04以及第一柱面镜05；

第一成像通道，设置于所述相干光束经过所述待测样品内部同一截面反射产生第一反射光束光路上，包括依次放置的靠近所述待测样品设置的第二凸透镜07、平板玻璃08以及平面反射镜09；

第二成像通道，设置于所述相干光经过所述待测样品内部同一截面反射产生第一反射光束光路上，包括第三凸透镜10；

第一分光棱镜14，所述第一分光镜的输入端用于接收通过所述第一成像通道的所述第一反射光束；

第二分光棱镜13，所述第二分光镜的第一输入端用于接收通过所述第二成像通道的第二反射光束；

所述第一分光棱镜14的输入端还用于接收经过所述第二分光镜13的第一输出端输出的所述第二反射光束；

第二光路，包括在所述第一分光镜的输出端依次放置的衍射光栅15和第四凸透镜16；

图像采集装置17，用于采集经过所述第二光路的所述第一反射光束以及所述第二反射光束形成的干涉光谱；

数据处理器18，用于当所述待测样品发生形变时，根据所述干涉光谱分别计算所述待测样品内部的面内位移和离面位移。

在上述双通道谱域光学相干层析成像***的基础上，还包括可见光光源02，用于产生参考光束。

进一步的，在上述双通道谱域光学相干层析成像***中，还包括：

所述参考光束经过的第三光路，包括在所述相干光源输出端依次放置的第五凸透镜11以及第二柱面镜12。

其中，参考光束从相干光源出射，通过凸透镜以及柱面镜，将参考光束进行汇聚。

进一步的，在上述双通道谱域光学相干层析成像***中，还包括：

光纤耦合器03，用于将所述相干光束分配至所述第一光路的输入端，和将所述参考光束分配至所述第三光路的第二输入端。

进一步的，在上述双通道谱域光学相干层析成像***中，所述光纤耦合器的分光比为90:10或者99:1

其中，分光比范围包括但不限于上述范围，根据需要对分光进行设置，均在保护范围之内。

进一步的，在上述双通道谱域光学相干层析成像***中，所述相干光源为低相干宽带光源，其中心波长范围为750nm-840nm，带宽范围为20nm-100nm。

其中，相干光源还可以为其它类型的相干光源，其中心波长范围以及贷款范围包括但不限于上述范围，可以根据需求或者相干光源的种类进行确定，均在保护范围之内。

进一步的，在上述双通道谱域光学相干层析成像***中，所述图像采集装置为CCD相机。

其中，CCD相机为电耦合相机，具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击等特性，需要指出的是所述图像采集装置包括但不限于CCD相机，还可以为其它图像获取装置，例如摄像机、CMOS相机等，均在保护范围之内。

本发明提供的双通道谱域光学相干层析成像***，具有上述效果，在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种双通道谱域光学相干层析成像方法，其特征在于，包括：

相干光束通过第一光路入射至待测样品，经过所述待测样品内部同一截面反射产生第一反射光束以及第二反射光束；

所述第一反射光束通过第一成像通道至第一分光镜的输入端，所述第二反射光束通过第二成像通道至所述第二分光镜的第一输入端，并经过所述第二分光镜的第一输出端输出至所述第一分光镜的输入端；

从所述第一分光镜的输出端输出的所述第一反射光以及所述第二反射光均入射至第二光路；

采集经过所述第二光路的所述第一反射光束以及所述第二反射光束形成的干涉光谱；

当所述待测样品发生形变时，根据所述干涉光谱分别计算所述待测样品内部的面内位移和离面位移。

2.如权利要求1所述的双通道谱域光学相干层析成像方法，其特征在于，还包括：

经过第三光路输出至所述第二分光棱镜的第二输入端的参考光束，所述参考光束经过所述第二分光棱镜入射至所述第一分光棱镜的输入端，经过所述第一分光棱镜入射至所述第二光路。

3.如权利要求1所述的双通道谱域光学相干层析成像方法，其特征在于，所述当所述待测样品发生形变时，根据所述干涉光谱分别计算所述待测样品内部的面内位移和离面位移，包括：

根据所述计算待测样品的截面轮廓：

${\mathrm{\Λ}}_{C1}=\frac{2\mathrm{\π}}{1+\cos \mathrm{\α}}{f}_{C1}$

${\mathrm{\Λ}}_{C2}=\frac{2\mathrm{\π}}{1+\cos \mathrm{\α}}{f}_{C2},$

其中，Λ为所述第一反射光与所述第二反射光的光程差，α为所述待测样品的散射角，f_c1为通过所述第一成像通道的所述第一反射光的频率，f_c2为通过所述第二成像通道的所述第二反射光的频率；

当所述待测样品发生形变时，所述待测样品内部的面内位移u和离面位移w分别为：

$u=\frac{({\mathrm{\Δ\φ}}_{C1}-{\mathrm{\Δ\φ}}_{C2})\·{\mathrm{\λ}}_c}{4\mathrm{\π}\·n_1\·\sin \mathrm{\α}}$

$w=\frac{\{{\mathrm{\Δ\φ}}_{C1}+{\mathrm{\Δ\φ}}_{C2}+2\[w_{fs}(n_0-n_1)+z\·{\mathrm{\Δn}}_1\]\}\·{\mathrm{\λ}}_c}{4\mathrm{\π}\·n_1\·(1+\cos \mathrm{\α})},$

其中，Δφ为所述待测样品在形变前后的干涉光谱的相位变化量，λ_c为所述相干光束的中心波长，n₁为所述待测样品的折射率，n₀为空气的折射率，z为深度方向的坐标，Δn₁为所述待测样品折射率的变化量，fs为所述待测样品前表面。

4.一种双通道谱域光学相干层析成像***，其特征在于，包括：

相干光源，用于产生相干光束；

第一光路，包括在所述相干光源输出端依次放置的第一凸透镜以及第一柱面镜；

第一成像通道，设置于所述相干光束经过所述待测样品内部同一截面反射产生第一反射光束光路上，包括依次放置的靠近所述待测样品设置的第二凸透镜、平板玻璃以及平面反射镜；

第二成像通道，设置于所述相干光经过所述待测样品内部同一截面反射产生第一反射光束光路上，包括第三凸透镜；

第一分光棱镜，所述第一分光镜的输入端用于接收通过所述第一成像通道的所述第一反射光束；

第二分光棱镜，所述第二分光镜的第一输入端用于接收通过所述第二成像通道的第二反射光束；

所述第一分光棱镜的输入端还用于接收经过所述第二分光镜的第一输出端输出的所述第二反射光束；

第二光路，包括在所述第一分光镜的输出端依次放置的衍射光栅和第四凸透镜；

图像采集装置，用于采集经过所述第二光路的所述第一反射光束以及所述第二反射光束形成的干涉光谱；

数据处理器，用于当所述待测样品发生形变时，根据所述干涉光谱分别计算所述待测样品内部的面内位移和离面位移。

5.如权利要求4所述的双通道谱域光学相干层析成像***，其特征在于，还包括可见光光源，用于产生参考光束。

6.如权利要求5所述的双通道谱域光学相干层析成像***，其特征在于，还包括：

所述参考光束经过的第三光路，包括在所述相干光源输出端依次放置的第五凸透镜以及第二柱面镜。

7.如权利要求6所述的双通道谱域光学相干层析成像***，其特征在于，还包括：

光纤耦合器，用于将所述相干光束分配至所述第一光路的输入端，和将所述参考光束分配至所述第三光路的第二输入端。

8.如权利要求7所述的双通道谱域光学相干层析成像***，其特征在于，所述光纤耦合器的分光比为90:10或者99:1。

9.如权利要求8所述的高聚物复合材料的固化程度检测***，其特征在于，所述相干光源为低相干宽带光源，其中心波长范围为750nm-840nm，带宽范围为20nm-100nm。

10.如权利要求9所述的高聚物复合材料的固化程度检测***，其特征在于，所述图像采集装置为CCD相机。