增大频域低相干光干涉测量范围的装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及光学干设测量技术领域，特别设及一种增大频域低相干光干设测量范 围的装置及其方法。
【背景技术】
[0002] 在频域低相干光检测技术中，通常需要对线阵相机检测到的探测光和参考光的相 干光谱进行傅里叶变换，由其频率可计算得到待测目标的位置信息;但是在频域低相干光 检测系统中检测到的信号是实数，通过进行傅里叶变换后的幅度谱是关于零点左右对称的 偶函数:运样就只能确定待测样品和参考臂光程差大小的绝对值，而无法确定光程差的正 负，即无法确定样品是比参考臂更远还是更近，运样的检测实际上就失去了价值。目前常用 的方法是预先确定检测范围，即事先将样品置于探测臂的近端或远端，但是运种检测装置 只能利用一半的有效检测范围，同时，实际检测中，是很难预先确定待检测样品位置的，所 W运种装置并不实用。因此，亟需一种新的检测装置W解决上述问题。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种增大频域低相干光干设测量范围的装置及其方法，该 装置可W确定实际测量距离的正负情况，进而确定待测样品与等光程面的相对位置，能够 使频域低相干光干设测量的检测范围扩大一倍，使运种检测装置及其方法走向实用化。
[0004] 本发明所提出的技术解决方案是运样的： 一种增大频域低相干光干设测量范围的装置，所述增大频域低相干光干设测量范围的 装置由低相干光干设和信号处理部分A、参考臂B和探测臂C组成，低相干光干设和信号处理 部分A的第1光纤准直器5与参考臂B光连接，低相干光干设和信号处理部分A的第2光纤准直 器11与探测臂C光连接。
[0005] 所述低相干光干设和信号处理部分A由短相干光源1、第1光纤2、光纤禪合器3、第2 光纤4、第1光纤准直器5、第3光纤10、第2光纤准直器11、第4光纤14、第3光纤准直器15、光栅 16、第3透镜17,线阵CCD18、电缆线19和计算机20组成，短相干光源1通过第1光纤2与光纤禪 合器3连接，光纤禪合器3通过第2光纤4与第1光纤准直器5连接，光纤禪合器3通过第3光纤 10与第2光纤准直器11连接，光纤禪合器3通过第4光纤14依次按序与第3光纤准直器15、光 栅16、第3透镜17、线阵CCD18、电缆线19和计算机20作光、电串联连接。
[0006] 所述参考臂B由第1透镜8、反射镜9和带电机7的转盘6组成，所述第1光纤准直器5 依次与转盘6、第1透镜8和反射镜9作光连接;所述探测臂C由第2透镜12、待测样品13组成， 所述第2光纤准直器11依次与第2透镜12和待测样品13作光连接。
[0007] 也可W采用另一种连接结构:所述参考臂B由第1透镜8和反射镜9组成，所述第1光 纤准直器5依次与第1透镜8和反射镜9作光连接;所述探测臂C由带电机7的转盘6、第2透镜 12、待测样品13组成，所述第2光纤准直器11依次与转盘6、第2透镜12和待测样品13作光连 接。
[000引所述转盘6上对称于该转盘圆屯、0设有第I通孔6-1和第2通孔6-2,并在其中任一个 通孔处装有一片透明片，该透明片的两个表面相互接近平行。
[0009] 增大频域低相干光干设测量范围的方法步骤为： (1) 用增大频域低相干光干设测量范围的装置测量待测样品的探测面和等光程面的反 射光的干设光谱，经过高通滤波器，滤掉干设光谱的低频部分，再经傅里叶变换，干设光谱 幅度谱极大值对应的信号频率设为fi，待测样品的探测面相对于等光程面的垂直距离Cb的 绝对估责-
(4) 其中，n为光在等光程面和探测面之间的光程路径的折射率； (2) 在参考臂一侧加上透明片，用增大频域低相干光干设测量范围的装置测量待测样 品的探测面和等光程面的反射光的干设光谱，经过高通滤波器，滤掉干设光谱的低频部分， 再经傅里叶变换，干设光谱幅度谱极大值对应的信号频率设为f2,待测样品的探测面相对 于等光程面的垂直距离Cb的绝对值为：
巧） ① 如果!巧1!大于1111，表明待测样品探测面光程相对于等光程面光程为之差为正，据 此得出待测样品探测面位于等光程面的远端； ② 如果III小于!如!，表明待测样品探测面光程相对于等光程面光程之差为负，据此 得出待测样品探测面位于等光程面的近端。
[0010] 在探测臂一侧加上透明片，用增大频域低相干光干设测量范围的装置测量待测样 品探测面和等光程面的反射光的干设光谱，经过高通滤波器，滤掉干设光谱的低频部分，再 经傅里叶变换，干设光谱幅度谱极大值对应的信号频率为f3,待测样品探测面相对于等光 程面的垂直距离Cb的绝对值为：
(6) ① 如果Illl大于llll，表明待测样品探测面相对于等光程面光程之差为负，据此得出 待测样品探测面位于等光程面的近端； ② 如果Illl小于Mj!,表明待测样品探测面相对于等光程面光程之差为正，据此得出 待测样品探测面位于等光程面的远端。
[0011] 与现有的技术相比，本发明具有如下显著效果： (1)由于本装置设有透明片，所W能够根据加透明片前后，干设光谱幅度的位置变化情 况判断出实际测量距离的正负情况，也就是说能确定待测样品位于探测臂的近端还是远 端，克服了现有测量方法上的不足。
[0012] (2)由于本装置在参考臂和探测臂均可W设置透明片，能确定实际测量距离的正 负情况，从而能确定待测样品位于探测臂的近端还是远端，而现有测量方法只能利用一半 的有效测量范围，所W，本发明的探测范围可增大一倍。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明的一种增大频域低相干光干设测量范围的装置结构示意图，图中在 参考臂一侧设有转盘(6)。
[0014] 图2是图1所示转盘(6)的结构示意图。
[0015] 图3(a)是从图1所示增大频域低相干光干设测量范围的装置获得的干设光谱示意 图。
[0016] 图3(b)是图3(a)所示干设光谱经傅里叶变换的变换结果示意图。
[0017] 图4(a)是图1所示增大频域低相干光干设测量范围的装置中，当测量距离为正时， 探测光通过第1通孔的幅度谱示意图。
[0018] 图4(b)是图1所示增大频域低相干光干设测量范围的装置中，当测量距离为正时， 探测光通过第2通孔的幅度谱示意图。
[0019] 图5(a)是图1所示装置中，当测量距离为负时，探测光通过第1通孔的幅度谱示意 图。
[0020] 图5(b)是图1所示装置中，当测量距离为负时，探测光通过第2通孔的幅度谱示意 图。
[0021] 图6是图1所示的一种增大频域低相干光干设测量范围的装置中，将转盘(6)设在 探测臂一侧的结构示意图。
[0022] 图7是图1所示的探测臂部分光路示意图，图中显示出待测样品的探测面相对于等 光程面处于位置21、近端位置22和远端位置23。
【具体实施方式】
[0023] 通过下面实施例对本发明作进一步详细阐述。
[0024] 参见图1-图7所示，一种增大频域低相干光干设测量范围的装置由低相干光干设 和信号处理部分A、参考臂B和探测臂C组成，低相干光干设和信号处理部分A的第1光纤准直 器5与参考臂B光连接，低相干光干设和信号处理部分A的第2光纤准直器11与探测臂C光连 接。
[0025] 低相干光干设和信号处理部分A由短相干光源1KLD)、第1光纤2、光纤禪合器3、第 2光纤4、第1光纤准直器5、第3光纤10、第2光纤准直器11、第4光纤14、第3光纤准直器15、光 栅16、第3透镜17,线阵CCD18、电缆线19和计算机20组成，短相干光源1通过第1光纤2与光纤 禪合器3连接，光纤禪合器3通过第2光纤4与第1光纤准直器5连接，光纤禪合器3通过第3光 纤10与第2光纤准直器11连接，光纤禪合器3通过第4光纤14依次按序与第3光纤准直器15、 光栅16、第3透镜17、线阵CCD18、电缆线19和计算机20作光、电串联连接。
[0026] 参考臂B由第1透镜8、反射镜9和带电机7的转盘6组成，第1光纤准直器5依次与带 电机7的转盘6、第1透镜8和反射镜9作光连接;探测臂C由第2透镜12、待测样品13组成，第2 光纤准直器11依次与第2透镜12和待测样品13作光连接。
[0027] 也可W采用另一种连接结构:参考臂B由第1透镜8和反射镜9组成，第1光纤准直器 5依次与第1透镜8和反射镜9作光连接;探测臂C由带电机7的转盘6、第2透镜12、待测样品13 组成，第2光纤准直器11依次与带电机7的转盘6、第2透镜12和待测样品13作光连接。
[0028] 转盘6上对称于该转盘圆屯、0设有第I通孔6-1和第2通孔6-2,并在其中任一个通孔 处装有一片透明片，该透明片的两个表面相互接近平行。
[0029] 短相干光源1输出的相干光经第1光纤2输出至光纤禪合器3,光纤禪合器3的两个 输出端通过第2光纤4、第3光纤10分别与第1光纤准直器5和第2光纤准直器11输入端连接， 第1光纤准直器5和第2光纤准直器11输出的两路平行光分别进入参考臂B和探测臂C。
[0030] 当进入参考臂B的光通过转盘6上的第1通孔6-1后，经第1透镜的C聚到反射镜9上， 反射光原路返回到第2光纤4中进入探测臂C的光经过第2透镜12汇聚到待测样品13,反射光 原路返回到第3光纤10中；上述两路返回光通过光纤禪合器3,经第4光纤14进入第2光纤准 直器15,变为平行光，照射到光栅16,由光栅16分光后经过第3透镜17,由此得到的干设光谱 成像于线阵CCD18,经线阵CCD18转换为电信号，该电信号经电缆19进入计算机20,最后经计 算机20处理进而得到待测样品13的位置信息。转盘6在电机7作用下旋转，当参考臂B的光通 过转盘6上第2通孔6-2时，后续步骤与上述通过第1通孔6-1时一致，再得到一组探测臂C和 参考臂B的干设光谱;第1通孔6-1为一自由空间通光孔，在