專利名稱：測量三維折射率的微分干涉層析方法及其測量儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及測量三維折射率的微分干涉層析方法及其測量儀器。
背景技術：
折射率是表征光透明物質光學性質的基本物理量之一。各種光透明物質中，諸如密度、濃度、溫度、應力等物理量以及物相、結構形態等的變化，均會引起折射率的變化。根據折射率的空間分布和時間變化，可以分析乃至確定其它多種物理“場量”。因此，對折射率的測量是具有基本意義的測量，并且有廣泛的應用價值，是一種發展潛力很大的無損檢測手段。在這類檢測技術中，以經典干涉計量和全息干涉計量原理為基礎的，占主導地位。然而現有的各種透射型干涉測量方法，一般只適合于測定二維場量。因為透射型干涉計量所觀測的干涉現象，是光通過介質后的積分效應，所以必須假定介質沿某一方向(通常是觀測方向)的折射率分布為常量，才能準確地進行定量分析。全息術雖然具有三維記錄與再現的特性，但卻不能以通常所用的簡單方式測得三維折射率。近年來，國外對層析技術的研究十分活躍，國內這方面的研究還開展的比較少。利用光學層析方法，通過在多個投影方向獲取光場數據，然后選擇適當的算法，利用計算機進行場量重構，可以得到介質內若干剖面上的折射率分布，實現三維場測量。但是，由于多方向探測的物理過程，仍然是截獲光的積分干涉效應，并且須借助復雜的算法完成場量重構，所以測量靈敏度和精度不高。采用多方向探測，還會不可避免地導致儀器裝置復雜，測量及分析計算過程繁瑣N.Reinecke，G.Petritsch，D.Schmitz，D.Mewes，Tomographic measurement techniques-visualization of multiphase flows，Chem.Eng.Technol.21(1998)1，7-18。

發明內容
本發明的目的是為三維物理場量的測量分析提供一種測量三維折射率的微分干涉層析方法及其結構簡單且具有較高測量精度的測量儀。
本發明的測量三維折射率的微分干涉層析方法，是采用探測物鏡、半反射鏡和平面反射鏡以及被測物組成邁克爾孫干涉光路；探測物鏡、共焦透鏡和針孔濾波器組成共焦濾波光路；邁克爾孫干涉光路與共焦濾波光路共同構成探測光組，利用半反射鏡將光源發出的相干光分成兩束，其中一束經探測物鏡匯聚于共焦濾波光路的前焦點，使共焦濾波光路的前焦點處于被測物內部，共焦濾波光路前焦點的逆向散射形成物光，另一束由平面反射鏡反射形成參考光，物光與參考光在針孔濾波器的光孔中心產生干涉信號，用光電轉換器將干涉信號轉換成電信號后送入模/數轉換器，由模/數轉換器實時將模擬信號轉換為數字信號，該數字信號經數據采集器采集后輸入計算機存儲，并由計算機給出折射率計算結果，同時由計算機發出使共焦濾波光路的前焦點在被測物內移動的控制信號，控制精密機械調節裝置帶動探測光組作三維掃描位移。
用于實現上述測量三維折射率的微分干涉層析方法的測量儀，包括具有通光孔的箱體，箱體內同軸線依次裝置有探測物鏡、45°斜置的半反射鏡、共焦透鏡、針孔濾波器和光電轉換器，在半反射鏡鏡面的兩側分別裝置有平面反射鏡和相干光源，機箱安裝在作三維移動的精密機械調節裝置上，光電轉換器的輸出端與設置在箱體外的模/數轉換器的輸入端相連，模/數轉換器的輸出端與數據采集器的輸入端連接，數據采集器的輸出端與計算機的輸入端連接，計算機輸出的用于控制精密機械調節裝置作三維運動的信號通過信號線與精密機械調節裝置中的動作執行單元連接，精密機械調節裝置中的位移傳感器通過信號線與數據采集器的輸入端連接。
微分干涉層析測量儀的工作原理是基于邁克耳孫干涉和光學共焦濾波方法的組合，即使用聚焦探測光束，利用共焦光學濾波提取被測介質內部“點”(直徑為數個微米的區域)的逆向散射光，通過連續掃描和干涉比較，計量微小區間(微米量級)的光程變化，從而確定折射率的空間量值分布(絕對折射率)。
上述的相干光源是連續波激光器，例如He-Ne激光器，或者是其它單色光源。
本發明中，探測物鏡、半反射鏡和平面反射鏡以及被測物組成邁克爾孫干涉光路；探測物鏡、共焦透鏡和針孔濾波器組成共焦濾波光路，邁克爾孫干涉光路與共焦濾波光路結合在一起，構成探測光組。共焦濾波光路前焦點的逆向散射光(物光)與參考光在共焦濾波光路后焦點上產生干涉，針孔濾波器的通光中心剛好位于共焦透鏡的后焦點上；干涉信號通過針孔濾波器后被光電轉換器接收并轉換成電信號，模/數轉換器實時將光電轉換器輸出的模擬信號轉換為數字信號，該數字信號經數據采集器采集，然后被送入計算機存儲起來；計算機內裝有數據分析軟件和控制軟件，前者給出折射率及相關物理場量的分析計算結果(絕對折射率的空間分布以及根據折射率構建的物理圖象)，后者用于控制精密機械調節裝置，以帶動箱體作三維掃描位移。
本發明將光學干涉和光學共焦相結合，提供逆散射微分測量方法和微分干涉層析測量儀。本發明不僅解決了以往用積分干涉方法不能有效測量三維折射率的問題，而且所提供的微分干涉層析測量儀測量精度高、結構簡單。由于物質的溫度、濃度、密度等多種其它物理性質都同折射率密切相關，而微分干涉層析測量以物質的折射率作為原始測量物理量，因此，本發明可以通過測量折射率來間接測定與折射率有關的其它多種物理量，在科學研究和工程領域均具有廣泛的應用潛力，可以廣泛應用于物理、化學、化工、材料、制藥、生物、醫學、環境等領域折射率及相關物理量的測量。


圖1是微分干涉層析測量儀的結構示意圖，圖2是折射率計算及測點定位示意圖。
具體實施例方式
參照圖1，本發明的微分干涉層析測量儀包括具有通光孔16的箱體15，箱體內自左向右同軸線依次裝置有探測物鏡1、45°斜置的半反射鏡2、共焦透鏡3、針孔濾波器4和光電轉換器6，在半反射鏡2鏡面的兩側分別裝置有平面反射鏡5和相干光源7，機箱15通過燕尾槽安裝在作三維移動的精密機械調節裝置14上，三維精密機械調節裝置14上設有測量位移的位移傳感器13和動作執行單元12，位移傳感器的分辨率為0.01～0.1微米，可以采用Heidenhain公司的PP 281 R編碼器；執行單元12包括高精度步進電機和驅動器，例如可以采用BergerLahr公司的步進電機VRDM364LH及驅動器D921。光電轉換器6的輸出端與設置在箱體外的模/數轉換器9的輸入端相連，模/數轉換器9的輸出端與數據采集器10的輸入端連接，數據采集器10的輸出端與計算機11的輸入端連接，計算機11輸出的用于控制精密機械調節裝置14作三維運動的信號，通過信號線與精密機械調節裝置14中的動作執行單元12連接，精密機械調節裝置14中的位移傳感器13通過信號線與數據采集器10的輸入端連接。數據采集器10也可以置于計算機11中。
上述的光電轉換器6可采用光電倍增管，例如Hamamatsu公司的R7400U-20；模/數轉換器9可以采用Maxim/Dallas公司的ADC MAX1072或MAX1075；數據采集器10可以是數據采集卡，例如四川拓普公司的PXI模塊。相干光源7為氦氖激光器或其它單色光源，其安裝定位應保證入射半反射鏡2的光束軸線與共焦濾波系統的主光軸及平面反射鏡5垂直。
測量時，將被測物8置于機箱通光孔16的前方。這里，探測物鏡1、半反射鏡2、平面反射鏡5組成邁克耳孫干涉光路；探測物鏡1、共焦透鏡3、針孔濾波器4組成共焦濾波光路；邁克耳孫干涉光路與共焦濾波光路結合在一起，構成探測光組。由相干光源7發出相干平行光束，以45°角射入半反射鏡2。光束經半反射鏡2作用分成兩路，一路被半反射鏡2反射沿物鏡1的光軸向左傳播，形成探測物光；另一路透過半反射鏡2，然后正入射平面反射鏡5，被平面反射鏡5反射形成參考光。探測物光經過探測物鏡1聚焦，形成錐形探測光束射入被測物8，在被測物8內的光束匯聚點上，探測物光被散射到各個方向上，其中處在入射光錐范圍內的逆向散射光按原路返回，通過探測物鏡1后成為平行光，這束光有一部分透過半反射鏡2繼續向后(圖中的右方)傳播；參考光先后經平面反射鏡5和半反射鏡2反射，與物光匯合并一起向后傳播。物光和參考光通過共焦透鏡3，在其后焦點即針孔濾波器4的通光中心匯聚，并發生干涉。當探測物鏡1的前焦點處在被測物8的內部時，使探測光組相對于被測物8沿光的入射方向移動，即作縱向掃描，如圖1中的雙向箭頭所示，則物光的聚焦點在被測物內連續移動。于是，聚焦點到干涉場的光程連續變化，而參考光的光程保持不變，因此二者間的光程差會隨著掃描過程的進行而連續變化，干涉強度也隨之變化。由此可以實現三維折射率的測量。
參看圖2，由干涉計量理論，對于掃描線上的任意一點O1，只要測出其鄰近一點O2到點O1的光程差和探測光組的掃描移動量，就可以根據光程差、折射率和幾何路程三者之間的關系，計算出點O2的折射率，并確定點O2的位置。在圖2中，設初始狀態下，探測物鏡1的前焦點剛好位于被測物8的表面點O，以點O為原點建立坐標系O-xyz。當探測物鏡1隨探測光組移動一段距離d1后，探測光束因被測介質的偏折作用而聚焦在點O1處。如果被測物的折射率是均勻的，或者當點O與點O1的間距很小，因而可以認為這兩點之間的折射率為常量時，由折射定律和光程差分析，可以得到以下兩個計算公式n1=1+Δ12d1--(1)]]>δ1＝n1d1(2)由式(1)可以計算出點O和O1的之間的折射率n1，而式(2)給出點O和點O1之間的距離δ1。式(1)中的Δ1是探測物鏡1沿z軸移動距離d1后所測得的光程差，其具體數值由探測光波的波長和干涉強度的變化周次(干涉級)來確定，干涉強度每出現一次峰值，表示產生了λ/2的光程差，λ為光波的波長。點O1的位置和折射率確定后，繼續沿z軸向前掃描，可以利用公式
nN=1+ΔN2dN--(3)]]>(N＝1，2，3，...，是測點序號)δN＝nNdN(4)依次計算出掃描線上一系列點的位置和折射率。完成一條縱向線的掃描后，橫向移動探測光組，即改變掃描線的x，y坐標，又可以沿另一條縱向線掃描。這樣，按照一定的掃描方案，就可以對被測物進行三維測量，得到空間區域的折射率分布。公式(1)，(2)，(3)，(4)是在近軸條件下推導出來的，因此實際測量系統的設計，探測物光不能采用寬光束，而必須是細光束，即近軸光。
權利要求
1.測量三維折射率的微分干涉層析方法，其特征是該方法采用探測物鏡(1)、半反射鏡(2)和平面反射鏡(5)以及被測物(8)組成邁克爾孫干涉光路；探測物鏡(1)、共焦透鏡(3)和針孔濾波器(4)組成共焦濾波光路；邁克爾孫干涉光路與共焦濾波光路共同構成探測光組，利用半反射鏡(2)將光源發出的相干光分成兩束，其中一束經探測物鏡(1)匯聚于共焦濾波光路的前焦點，使共焦濾波光路的前焦點處于被測物內部，共焦濾波光路前焦點的逆向散射形成物光，另一束由平面反射鏡(5)反射形成參考光，物光與參考光在針孔濾波器的光孔中心產生干涉信號，用光電轉換器將干涉信號轉換成電信號后送入模/數轉換器，由模/數轉換器實時將模擬信號轉換為數字信號，該數字信號經數據采集器采集后輸入計算機存儲，并由計算機給出折射率計算結果，同時由計算機發出使共焦濾波光路的前焦點在被測物內移動的控制信號，控制精密機械調節裝置帶動探測光組作三維掃描位移。
2.用于實現權利要求1所述測量三維折射率的微分干涉層析方法的測量儀，其特征是該測量儀包括帶有通光孔(16)的箱體(15)，箱體內同軸線依次裝置有探測物鏡(1)、45°斜置的半反射鏡(2)、共焦透鏡(3)、針孔濾波器(4)和光電轉換器(6)，在半反射鏡(2)鏡面的兩側分別裝置有平面反射鏡(5)和相干光源(7)，機箱(15)安裝在作三維移動的精密機械調節裝置(14)上，光電轉換器(6)的輸出端與設置在箱體外的模/數轉換器(9)的輸入端相連，模/數轉換器(9)的輸出端與數據采集器(10)的輸入端連接，數據采集器(10)的輸出端與計算機(11)的輸入端連接，計算機(11)輸出的用于控制精密機械調節裝置(14)作三維運動的信號通過信號線與精密機械調節裝置(14)中的動作執行單元(12)連接，精密機械調節裝置(14)中的位移傳感器(13)通過信號線與數據采集器(10)的輸入端連接。
3.根據權利要求2所述的微分干涉層析測量儀，其特征是數據采集器(10)內置于計算機(11)中或外置于計算機。
4.根據權利要求2所述的微分干涉層析測量儀，其特征是所說的相干光源(7)是具有良好相干性的連續波激光器。
全文摘要
本發明公開的測量三維折射率的微分干涉層析方法及其測量儀是基于邁克耳孫干涉和光學共焦濾波方法的組合，即使用聚焦探測光束，利用共焦光學濾波提取被測介質內部“點”的逆向散射光，通過連續掃描和干涉比較，計量微米量級微小區間的光程變化，從而測定折射率的空間量值分布。本發明不僅解決了以往用積分干涉方法不能有效測量三維折射率的問題，而且所提供的微分干涉層析測量儀測量精度高、結構簡單。由于物質的溫度、濃度、密度等多種其它物理性質都同折射率密切相關，而微分干涉層析測量以物質的折射率作為原始測量物理量，因此，本發明可以通過測量折射率來間接測定與折射率有關的其它多種物理量，在科學研究和工程領域均具有廣泛的應用潛力。
文檔編號G01N21/45GK1588000SQ20041005419
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月30日 優先權日2004年8月30日
發明者魯陽 申請人:浙江大學