專利名稱：帶內源性標尺光源的中空角錐棱鏡光學延遲線裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學儀器領域，具體涉及到光延遲線的眼科光學設備，特別是一種帶內源性標尺光源的中空角錐棱鏡光學延遲線裝置。
背景技術：
光學延遲線是一種改變光程或相位的光學裝置，在利用干涉原理工作的測量儀器中都需要光學延遲線改變光程或相位，以使測量光路的光程與參考光路光程符合干涉條件以便完成測量。近年來出現的光學干涉測量技術大多基于寬帶光干涉的原理，大致分為兩類一類采用部分相干干涉技術(Partial Coherence Interferometer, PCI),另一類采用弱相干反射計量技術(Low Coherence Refl ectometry, LCR)。采用PCI技術的測量儀器，如專利US5673096A提到的儀器中的延遲線采用兩塊 直角棱鏡實現，移動其中的一塊直角棱鏡實現光程的變化，當兩塊直角棱鏡反射光路的光程差等于透過被測物的光程時發生干涉，此時由直角棱鏡的移動距離即可算出被測物的深度。采用此種方法的儀器優點是干涉由角膜和眼底的反射光形成，可以消除延遲線的掃描速度和眼球的顫振對測量精度的影響。采用LCR技術的測量儀器，如專利US20090268209A提到的儀器中的延遲線采用旋轉四方棱鏡掃描，掃描范圍40mm,可以增加棱鏡的邊長獲取更大的掃描范圍。光源通過一次掃描可以獲得被測物的多層厚度信息，測量速度快，整體結構緊湊。但是延遲線長度變化由四方棱鏡旋轉引起，延遲長度和旋轉角度不是線性關系，需要標定，標定過程復雜，標定結果和四方棱鏡轉動的勻速性有很大關系。上述儀器中的延遲線技術，如專利US5673096A中的延遲線受直線運動速度的影響，需要啟動停止加減速處理，測量速度慢，一次只測一個參數，移動距離測量還需其他外部測量裝置；專利US20090268209A中提到的延遲線技術，入射光束進入旋轉四方棱鏡時，需要經過八次透反射，回光比(出射光與入射光功率之比)嚴重下降，降低了信噪比。上述兩種儀器中的延遲線技術，入射光均需在直角棱鏡或者四方棱鏡內部透反，由于棱鏡材料的折射率影響，加劇了色散效應，另外由于采用直角棱鏡反射，直角棱鏡與入射光的姿態不易保證，需要精密的裝調，而且延遲線長度越長，越難獲得回光比穩定的延遲信號。通過國內文獻檢索，我們還檢索到公開為CN101430422相關專利文獻，該發明公開了一種基于傾斜拋物型母線螺旋面反射鏡的周期掃描光學延遲線。該周期掃描光學延遲線包括傾斜拋物型母線螺旋面反射鏡、背向反射鏡、驅動電機。傾斜拋物型母線螺旋面反射鏡包括凸面型傾斜拋物型母線螺旋面反射鏡和凹面形傾斜拋物型母線螺旋面反射鏡，背向反射鏡用于控制光束被傾斜拋物型母線螺旋面反射鏡的周期掃描光學延遲線原路反射。檢索到公開號為CN101706597A的相關專利文獻，該發明涉及一種聯動式光學延遲線系統，它包括光纖準直器、二次反射鏡、光柵、聚焦裝置和光學振鏡，所述二次反射鏡固定連接在所述光纖準直器的調整架上，所述二次反射鏡與所述光纖準直器形成聯動式結構，且所述光纖準直器的出光方向與所述二次反射鏡的鏡面垂直；所述光柵的法線方向與所述光纖準直器的出光方向之間的夾角為所述光柵的一級衍射角；所述光柵和振鏡分別位于所述聚焦裝置的焦點處。通過對比上述公開文獻，公開文獻的技術內容與本發明有著本質的不同，無論在延遲線長度上，還是在穩定性上，本發明都具有更大的突破。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種帶內源性標尺光源的中空角錐棱鏡光學延遲線裝置。本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的一種帶內源性標尺光源的中空角錐棱鏡光學延遲線裝置，包括標尺光源、光電傳感器、單模光纖、光纖耦合器、偏振控制器P1、偏振控制器P2、波分復用器、準直器Z1、準直器Z2、平面反射鏡F1、平面反射鏡F2、中空角錐棱鏡、轉盤及電機，本發明的創新點是所述標 尺光源及光電傳感器通過單模光纖分別連接光纖耦合器，該光纖耦合器分出兩路光信號，其中一路光信號對應一平面反射鏡F1,在該路光信號上設置有偏振控制器P1及準直器Z1,另一路光信號對應一平面反射鏡F2，在該路光信號上設置有偏振控制器P2、波分復用器及準直器Z2，該準直器Z2的光信號經過中空角錐棱鏡反射給平面反射鏡F2 ;所述中空角錐棱鏡均布間隔固裝在一轉盤上的平面邊緣，所述轉盤由固裝在其下底的電機驅動，轉盤的轉動方向為單方向旋轉。而且，所述標尺光源到達反射鏡F1的光程與到達反射鏡F2的光程之間的最大光程差絕對值在二分之一標尺光源相干長度之內。而且，所述中空角錐棱鏡包括三個相互垂直的平板玻璃反射平面及底座，平板玻璃的工作面均鍍有高反射率反射膜，并且三個平板玻璃反射面之間的垂直精度在2"之內，三個相互垂直的平板玻璃反射平面形成的中空角錐棱鏡固裝在底座上，中空角錐棱鏡設置有中空工作內腔，在準直器Z2發出的光線照到中空角錐棱鏡時，該中空工作內腔朝向準直器Z2方向。而且，所述中空角錐棱鏡為中空直角棱鏡。本發明的優點和積極效果是I、本發明使用旋轉的中空角錐棱鏡，信號光只在鍍膜面與空氣交界面發生反射，光束只在空氣中傳播，沒有透射現象，可以獲得極高的回光比，而且降低了光的色散效應，從而提高整個系統的信噪比和測量精度。2、本發明的中空角錐棱鏡可以相對轉盤任意姿態安裝，位置只需要考慮使延遲線加大，因此安裝工藝簡單，精度要求不高。3、本發明采用內源性標尺光源的干涉波形作為標尺，分辨率可以達到標尺光源波長的一半，應用時由于和信號光源使用同一個旋轉中空角錐棱鏡，不受轉動勻速性的影響，可以精確的測量延遲線光程的變化，從而提高測量精度。4、本發明使用旋轉的中空角錐棱鏡作為光延遲，一次可以掃描多層厚度信息，由于轉盤一直單向勻速旋轉，沒有啟動、停止，測量速度快。
圖I是本發明裝置的整體結構示意圖；圖2是本發明棱鏡立體結構示意圖；其中(a)是中空角錐棱鏡結構示意圖，(b)是直角棱鏡結構示意圖；圖3是本發明中空角錐棱鏡的工作過程原理圖，其中(a)是信號光照起始位置，(b)是信號光照終止位置；圖4是本發明標尺光源干涉波形，其中(a)是多個中空直角棱鏡形成干涉波的連續波形，(b)是單個中空直角棱鏡引起的光程變化的波形。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明實施例做進一步詳述；需要說明的是，本發明的實施例是描述性的，而不是限定性的，不能由此確定本發明的保護范圍。一種帶內源性標尺光源的中空角錐棱鏡光學延遲線裝置，如圖I所示，包括標尺光源I、光電傳感器2、單模光纖3、光纖稱合器4、偏振控制器P#、偏振控制器P25、波分復用器7、準直器Z#、準直器Z210、平面反射鏡F1L平面反射鏡F2IU中空角錐棱鏡12、轉盤13及電機14，所述標尺光源及光電傳感器通過單模光纖分別連接光纖耦合器，該光纖耦合器分出兩路光信號，其中一路光信號對應一平面反射鏡F1，在該路光信號上設置有偏振控制器P1及準直器Z1,另一路光信號對應一平面反射鏡F2,在該路光信號上設置有偏振控制器P2、波分復用器及準直器Z2，該準直器Z2的光信號經過中空角錐棱鏡反射給平面反射鏡F2 ;所述中空角錐棱鏡均布間隔固裝在一轉盤上平面邊緣，該轉盤由固裝在其下底的電機驅動，轉盤的轉動方向為單方向旋轉。所述轉盤由固裝在其下底的電機驅動，轉盤的轉動方向為單方向旋轉。所述標尺光源到達反射鏡F1的光程與到達反射鏡F2的光程之間的最大光程差絕對值在二分之一標尺光源相干長度之內，以確保反射波在到達光電傳感器時的光程相干條件。所述中空角錐棱鏡參見圖2 (a)及(b)，圖2 Ca)所示的中空角錐棱鏡包括三個相互垂直的平板玻璃反射平面15、16、17及底座18，平板玻璃的工作面均鍍有高反射率反射膜，并且三個平板玻璃反射面之間的垂直精度在2"之內，三個相互垂直的平板玻璃反射平面形成的中空角錐棱鏡固裝在底座上。中空角錐棱鏡設置有中空工作內腔，在準直器Z2發出的光線照到中空角錐棱鏡時，該中空工作內腔朝向準直器Z2方向。圖2(b)所示的中空角錐棱鏡為中空直角棱鏡。本發明的工作原理是第一路光信號沿單模光纖通過偏振控制器P1、準直器Z1垂直照射到平面反射鏡F1上，光信號被反射后原路返回，并再經光纖耦合器后由光電傳感器接收；第二路光信號沿單模光纖通過偏振控制器P2、波分復用器、準直器Z2發出，照射到中空角錐棱鏡上，光信號經中空角錐棱鏡三個面的三次反射后180°導向射出，垂直照射到平面反射鏡匕上，光信號經F2反射后原路返回，返回信號再經光纖耦合器后由光電傳感器接收，并與第一路信號發生干涉。實例I :標尺光源采用窄線光源，選擇波長1310nm,帶寬IOMHz的DFB (Distributed FeedBack)激光器，當然，其他符合相干長度大于延遲線光程變化量要求的窄線光源均可選擇，標尺光源經過單模光纖以及2X2光纖耦合器分成兩路光纖，其中第一路經過偏振控制器？工調整為線偏光后進入光學準直器Z1,變為準直光后垂直射向平面反射鏡FX，經平面反射鏡F1反射后原路返回，經過2X2光纖耦合器后，進入光電傳感器。第二路經過偏振控制器P2調整為線偏光后進入波分復用器，準直器、經準直器準直后的光束照射到中空角錐棱鏡上，經過中空角錐棱鏡的三次反射后垂直射向平面反射鏡F2，經平面反射鏡F2反射后經原光路返回。經過2X2光纖耦合器后，這路光信號也進入光電傳感器，和第一路光信號發生干涉，我們可以在光電傳感器上檢測到干涉信號。如圖3 Ca)所示，從準直器射出的光束與轉盤中心的中垂線距離為h，中空角錐棱鏡三個工作面的交點0在轉盤上的投影0’與轉盤中心的距離為r，轉盤逆時針旋轉，由于逆時針方向上前一個中空角錐棱鏡的遮擋，當投影點0’與旋轉中心的連線與轉盤中垂線的夾角為e工時，光束才能射到平面反射鏡F2，這個角度是固定在轉盤上的一個中空角錐棱鏡延遲線工作的起點，轉盤繼續旋轉，如圖3 (b)所示當投影點0’與旋轉中心的連線與轉盤中垂線的夾角為92時，由于中空角錐棱鏡邊長的限制，光束脫離中空角錐棱鏡，這個角度是固定在轉盤上的一個中空角錐棱鏡延遲線工作的終點。隨著轉盤的繼續旋轉，下一個 中空角錐棱鏡重復上述一個中空角錐棱鏡的工作過程，一個中空角錐棱鏡引起的光程變化為ai+bi+Ci+di-ag-bg-Cg-dg o中空角錐棱鏡的構造如圖2(a)所示，當中空角錐棱鏡的中空工作內腔接收到準直器Z2發出的光線時，三塊相互垂直的高精度平板玻璃可以使任意角度入射的光束反轉180°后平行射出，中空角錐棱鏡與入射光的相對姿態不會影響出射光與入射光的共面平行關系，中空角錐棱鏡可以相對轉盤的任意姿態安裝，位置只需要考慮工作距離最大。由上述的工作過程可以看到，采用中空角錐棱鏡的延遲線技術，安裝調試簡便，光束在空氣中傳輸，沒有透射現象，減少了光的色散效應，而且提高了回光效率。標尺光源光束，比如本實例中的1310nm的DBF窄線光源，經過轉盤上中空直角棱鏡，方向發生了 180°的轉折，垂直射向平面反射鏡后，經平面反射鏡反射后原路返回，和另一路標尺光源發生干涉，由于相干長度大于中空直角棱鏡旋轉產生的光程變化，(延遲線長度)，在光電傳感器上可以檢測到對應于圖3 (a)中Q1位置的起始干涉信號，如圖4 (a)中示波器顯示屏上標示的信號位置W1，對應于圖3 (b)中e2位置的終止干涉信號，如圖4(a)中示波器上顯示屏標示的信號位置W2。從圖4 (a)中可以看到，在轉盤周而復始的旋轉過程中，轉盤上的每個中空棱鏡都會經過91和02的位置，在光電傳感器上就會檢測到如圖4 Ca)的連續波形，頻率和轉盤旋轉的速度有關。如圖4 (b)所示，對于位置Wl和位置W2中間的波形，在示波器界面上按時間軸展開后可以看到一系列波峰波谷，此波形在空間上對應每個中空直角棱鏡的引起的光程變化(延遲線長度)，轉盤單向運轉，1310nm光相干產生的波形個數即是延遲線延遲的長度，延遲線延遲的長度Ld為Ld=lXn)n為光電探測器上探測到的波形個數，I為1310nm標尺光源的中心波長。1310nmDFB標尺光源中心波長的準確度能控制在O.Olnm以下，所以用該標尺光源作為標尺，可以達到IOppm的測量精度。在未對干涉波形細分時，標尺的分辨率即可達到0. 65um。該內源性標尺與轉盤旋轉速度、旋轉的勻速性無關，準確地保證了測量精度。
實例2 相對于中空角錐棱鏡，如圖2(b)所示，一個很容易想到的簡化例子就是中空直角棱鏡，它由兩塊平板玻璃或其他有高精度工作面的材料制成，相互垂直度精度很高2"既可，對于一個固定角度的入射光，中空直角棱鏡繞z軸的旋轉并不會影響出射光與入射光的共面平行關系，但是中空直角棱鏡繞I軸和繞X軸的旋轉會影響出射光與入射光的共面平行關系。在使用本裝置時，信號光源沿單模光纖通過偏振控制器P2、波分復用器、準直器Z2 一起射向中空直角棱鏡，我們可以在單模光纖上加一光纖耦合器，擴展光纖的數目，以便連接光電傳感器以及分出射向被測物的光束，同樣可以在光電傳感器上檢測到信號光源經延遲返回后和經被測物反射后返回的光束的干涉信號，這是延遲線在測量儀器中的具體應 用。
權利要求
1.一種帶內源性標尺光源的中空角錐棱鏡光學延遲線裝置，包括標尺光源、光電傳感器、單模光纖、光纖耦合器、偏振控制器P1、偏振控制器P2、波分復用器、準直器Z1、準直器z2、平面反射鏡F1、平面反射鏡F2、中空角錐棱鏡、轉盤及電機，其特征在干所述標尺光源及光電傳感器通過單模光纖分別連接光纖耦合器，該光纖耦合器分出兩路光信號，其中一路光信號對應一平面反射鏡F1,在該路光信號上設置有偏振控制器P1及準直器另一路光信號對應一平面反射鏡F2,在該路光信號上設置有偏振控制器P2、波分復用器及準直器Z2,該準直器Z2的光信號經過中空角錐棱鏡反射給平面反射鏡F2 ;所述中空角錐棱鏡均布間隔固裝在一轉盤上的平面邊緣，所述轉盤由固裝在其下底的電機驅動，轉盤的轉動方向為單方向旋轉。
2.根據權利要求I所述的帶內源性標尺光源的中空角錐棱鏡光學延遲線裝置，其特征在于所述標尺光源到達反射鏡F1的光程與到達反射鏡匕的光程之間的最大光程差絕對值在二分之ー標尺光源相干長度之內。
3.根據權利要求I所述的帶內源性標尺光源的中空角錐棱鏡光學延遲線裝置，其特征在于所述中空角錐棱鏡包括三個相互垂直的平板玻璃反射平面及底座，平板玻璃的工作面均鍍有高反射率反射膜，并且三個平板玻璃反射面之間的垂直精度在2"之內，三個相互垂直的平板玻璃反射平面形成的中空角錐棱鏡固裝在底座上，中空角錐棱鏡設置有中空エ作內腔，在準直器Z2發出的光線照到中空角錐棱鏡時，該中空工作內腔朝向準直器Z2方向。
4.根據權利要求I所述的帶內源性標尺光源的中空角錐棱鏡光學延遲線裝置，其特征在于所述中空角錐棱鏡為中空直角棱鏡。
全文摘要
本發明涉及一種帶內源性標尺光源的中空角錐棱鏡光學延遲線裝置，包括標尺光源、光電傳感器、光纖耦合器、波分復用器、準直器Z1、Z2、平面反射鏡F1、F2、偏振控制器P1、P2、單模光纖、轉盤、中空角錐棱鏡及電機，標尺光源信號通過光纖耦合器生成兩路光信號，第一路通過偏振控制器P1、準直器Z1垂直照射到平面反射鏡F1上后原路返回，并由光電傳感器接收，第二路通過偏振控制器P2、波分復用器、準直器Z2照射到按圓周均布安裝在轉盤上的中空角錐棱鏡上，180°導向后再照射到平面反射鏡F2上后原路返回，返回信號由光電傳感器接收，并與第一路信號發生干涉；本發明裝置安裝工藝簡單，測量速度快，提高了信噪比和測量精度。
文檔編號G02B17/08GK102736234SQ201210202439
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月19日 優先權日2012年6月19日
發明者王建發, 王雪喬, 石俊山 申請人:天津市索維電子技術有限公司