（通信与信息系统专业论文）用于非接触眼压测量仪的激光干涉技术研究.pdf

摘要 青光眼是一种严重的眼病，在各年龄段人群中都有发生，而且致 盲率高，对视力造成的损害是不可逆的。早期诊断是防治青光眼的关 键，而青光眼的主要诊断依据是病理性高眼压。因此，眼压测量值能 否准确反映眼内压力的真实值，直接关系到青光眼的早期诊断水平。 目前，国内外采用的眼压测量方法主要是接触测量法。用这种方法测 量，病人痛苦，而且极易造成病人间的交叉感染。本文提出了一种新 的眼压测量技术激光干涉式非接触眼压测量方法。文中首先验证 了激光干涉的方法进行非接触眼压测量的可行性。实验中，由单片机 控制的步进电机及其传动部件的直线加速运动来产生脉冲气流，激发 眼角膜发生振动，利用空间干涉光路对振动进行测量，通过信息处理 得到眼压值。初步实验结果表明：用激光干涉的方法进行非接触眼压 测量这一方案是可行的。为实现激光干涉式眼压测量仪的产品化，本 文又设计了一种实用性很强的激光干涉光路。与空间干涉光路相比 较，新设计的干涉光路体积小，结构紧凑，抗干扰性强，具有光隔离 功能，适合应用于产品化的激光干涉眼压测量仪中。此干涉光路不同 于任何已有的干涉仪，是本论文的创新。通过对新测量方法可行性的 验证和新型激光干涉光路的设计，本文取得了激光干涉式非接触眼j 毛 测量技术研究的阶段性成果。 关键词非接触眼压测量激光干涉双折射干涉仪 a b s t r a c t g l a u c o m ai sas o r to fs e r i o u s e y e d i s e a s eo fh i g h p r o b a b i l i t y o f c a u s i n gb l i n d ，w h i c hm i g h te x i s t si na l la g e so fp e o p l e ，a n di t sd a m a g e c a nn o tb ec u r e d c o m p l e t e l y e a r l yd i a g n o s e s i st h e k e y t o p r e v e n t g l a u c o m a m a i nb a s i so f d i a g n o s e so f g l a u c o m ai st h ep a t h o l o g i c a lh i g h i n t r a o c u l a rp r e s s u r e ( i o p ) t h e r e f o r e ，w h e t h e rt h er e s u l t so f m e a s u r e m e n t o fi o pc a n t r u l yr e f l e c tt h et r u er e s u l to fi o pi si nd i r e c tc o n t a c tw i t ht h e l e v e lo f e a r l yd i a g n o s e so fg l a u c o m a n o w , t h ec o n t a c tm e a s u r e m e n t sa r e w i d e l ya d o p t e d ，b u t t h e s ek i n d so fm e a s u r e m e n tm a k et h e p a t i e n t u n c o m f o r t a b l ea n d p a i n f u l a tt h es t o n et i m ei tc a nb r i n gi n f e c t i o na m o n g t h ep a t i e n t s i nt h i s p a p e r , w eb r i n gf o r w a r dan e wm e a s u r e m e n t t h e n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n tb a s e do nt h ei n t e r f e r e n t i a l l a s e r i nt h en e w m e a s u r e m e n t ，b yu s i n gt h em e t h o do fm i c r o p r o c e s s o rc o n t r o l l i n gl i n e a r a c c e l e r a t i n gm o v e m e n to fs t e p p i n gm o t o r , p u l s ea i r f l o wi sp r o d u c e dt o e x c i t e dc o m e at ov i b r a t e t h e nw em e a s u r et h ev i b r a t i o no f c o m e a u s i n g t h em e t h o do fs p a t i a ll a s e ri n t e r f e r e n t i a l m e a s u r e m e n t t h ev a l u eo f i n t r a o c u l a rp r e s s u r ec a nb ee x t r a c t e db yt h em e t h o do fp r o c e s s i n gt h e i n f o r m a t i o n p r i m a r ye x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r o j e c tu s i n g t h em e t h o do fn o n c o n t a c ti n t r a o c u l a rp r e s s u r e ( i o p ) m e a s u r e m e n tb a s e d o nl a s e ri n t e r f e r e n c et om e a s u r es h o u l db ef e a s i b l e i no r d e rt o c o n v e r t t h ee x p e r i m e n t a li n t r a o c u l a rp r e s s u r em e a s u r e m e n ts y s t e mt oa p r a c t i c a l p r o d u c t ，al a s e ri n t e r f e r o m e t e ro fm o s tu t i l i t yi sp r o p o s e di nt h i s p a p e r c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e ，i ti s o fs m a l lv o l u m e ，c o m p a c t s t r u c t u r ea n di s o l a t i o n f u n c t i o n ，a n d t h e r e f o r ei ti s a p p l i c a b l e t oa p r a c t i c a lp r o d u c t t h i s i n t e r f e r o m e t e rd i f f e r sf r o m a n y o t h e r i n t e r f e r o m e t e r , a n d i ti s o r i g i n a l b y t h ee f f o r ti nt h i s p a p e r ，s t a g e o u t c o m eo fr e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo fn o n c o n t a c ti o pm e a s u r e m e n t i so b t a i n e d k e y w o r d s ： n o n c o n t a c ti o pm e a s u r e m e n t b i r e f r i n g e n c e l a s e ri n t e r f e r e n c ei n t e r f e r o m e t e r 独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘芏或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：刑 签字日期： 口乒 年月卯日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解蠢注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向困家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：为p 太二 签字同期：z j 。审年尹月日 导师签名：艺形矿却 i 签字f 期：2 卢竹年z 月2 第一章概述 第一一章概述 1 1 眼压测量技术的发展概况 1 1 1 青光眼的危害及眼压测量的重要性 眼内压力简称“眼压”是指包括房水、晶体、玻璃体、血液在内 的眼球内容物对眼球壁产生的压力，其确切含义是指单位面积眼球壁 受到的眼内容物压力高于大气压力的部分。眼压的作用主要是维持眼 球形态、保持正常生理功能，因此必须保持在恒定范围内，彳i 能高也 不能低。f 常人的眼压在15 2 3 毫米汞柱( 1 7 26 千帕) 之间，过高 过低都是病态。眼压过低要考虑是否为视网膜脱离，眼压过高，达到 3 0 毫米汞柱( 39 干帕) ，则要考虑青光眼。青光眼是由于眼内压力升 高而引起的视乳头凹陷、视野缺损、视力损害，甚至导致失明的严重 眼病。全世界约有病因不明的原发性青光眼患者6o oo 多万人，我 国就占5oo 多万人，其中79 万人失明。从流行病学调查资料得知， 从儿童到老人，所有年龄段都可能发生青光眼。青光眼的患病率随着 年龄的增长而增长，4 0 岁以上人群患病率明显高于年轻人。专家在北 京调查发现，5 0 岁以上人群每百人中至少有两人患有青光眼。4 0 岁以 上人群患病率为14 。因青光眼致宦的人数占令体盲人的53 2 l ，有的地区甚至高达3 0 。在全球范围内青光眼是视功能减退和 致宜的重要原因，很可能成为人类致旨的头号杀手。 青光眼对视力造成的损害是刁i 可逆的，但只要早发现早治疗，青 光眼是可以防治的。事实上，大多数慢性青光眼患者并不知道自己忠 有这种被称为“潜伏杀手”的致盲眼病，但只要定期测量眼压和检查 眼底，并将筛查青光眼列入体检项目，形成规范的眼保健制度，就町 对各类青光眼进行早期诊断。眼内压力大小是眼科医生判断眼睛健康 的重要标志，同时也是医生诊断和治疗青光眼的蕈要依据。冈此，眼 第一章概述 压测量值能否反映眼内压力的真实值，直接关系到青光眼的早期诊断 水平。因此。如何方便、快捷、精确地测量眼内压力对早期诊断治疗 青光眼具有重要意义。常用的眼压测量原理是通过加于角膜上的外力 使角膜变平或下陷，根据变平或下陷的程度与眼压的定量关系，换算 出被测的眼压值。世界各国正加紧研究，不断改进眼压测量技术，争 取早日造福于众多青光眼患者。 1 1 2 接触眼压测量技术在临床k 的应用 目前国内外采用的眼压测量技术普遍采用压平式或压陷式的接触 测量法，这两种方法的原理基本相同，都是使测压仪器与眼角膜直接 接触，通过机械外力将本身为弧度的眼角膜表面压出一定面积，根据 眼内压力来调整增加外力【1 。压平式和压陷式的不同之处仅在于机械 外力压迫眼角膜所呈现的表面形状不同：压平式是将角膜压成一定的 平面，通过外加压力重量来测定眼内压力；而压陷式是将角膜表面压 成一个往内凹陷的曲面，通过压陷角膜的深度和重量来测量眼压。如 我国国内安徽机电学院的马建国和徐德章设计的压平式眼压计是用一 个锥形棱镜来对眼角膜进行压平，棱镜的自身重量就是外加的机械力， 眼角膜被压平的面积通过光电信号来探测【2j 。瑞士的p e t e rw d e k k e r 、 y v e s c a r o b e r t 等发明的接触透镜眼压计也是采用的类似的方法j 。 另外还有一种气动眼压训介于压平式与压陷式之间，如d i g i l a b 1 1 3 o d e l3 0 r 气眼压计：它为一笔杆状装置，有一中空的活塞放嚣于多 孔的套筒里，活塞中间部分有一与其垂直的挡板，末端为金属管，连 接特制的测压头，测压头的顶端覆盖一硅胶膜。测量时，测压头的砖 胶膜接触角膜，从套筒一端流入的气体在测压器内形成气房，产7 卜1 。 定的压力，将活塞外推，当眼压大于测压器内压力时，测压头部的硅 胶膜凸向测压头侧，使喷气口与硅胶膜之问的间隙变窄从测压头排 气口外溢的气体受阻，测压器内气房的压力升高。升高的气压又把活 塞推向眼球，直至硅胶膜两侧，即眼内压和气房的压力相等，此h , j 记 录测压器内的气房的压力，就可测出眼压。这种气眼压计小同于一般 第一章概述 的压平式眼压计因为气压计测压头的硅胶膜并不成平面而是一曲面， 也不同于压陷式眼压计，因为它并不是以压陷角膜的深度和重量来测 量眼压的【“。 1 1 3 非接触眼压测量技术发展现状 虽然接触式眼压计有不同种类，测量技术也比较成熟，但是这种 眼压计因为需要与眼睛进行直接的接触并用外力压迫病人的眼膜，病 人非常痛苦，需要麻醉，而且极易因此带来病人之间的交叉感染，使 用不方便。19 7 1 年，b g r o l m a n 发明了一种非接触眼压测量系统”1 ， 其厉许多国家开始竞相研究非接触眼压测量技术。 同本东京的h i r o s h ii i j i m a 发明的一种非接触眼压计，这种眼压 计包括一套校准系统和一套测量系统，校准系统位于被测眼角膜的f 前方，它的作用是确保被测眼角膜位于测量的中一t l , 轴线上，个喷。e 脉管置于眼睛前方，对眼睛喷射一定的气流，利用气流使眼角膜发生 振动，振动的程度与眼内压力有关。测量系统的测量光束从眼睛( 以 测量中心的轴线方向为法线方向) 的一侧射向眼膜中心，从眼角膜反 射出的部分测量光已经携带有眼内压力的相关信息，并被位于另一侧 的接收系统接收，通过处理得到眼压信息j 。 美国俄亥俄大学的徐雄教授发明的眼压计原理是：用低频卢波( 或 卢脉冲) 撞击眼膜表面引发眼膜振动，用个高频l 超) 声波探测束 来测量这个振动。发射端放出高频超声波束，波束的少量反射部分被 接收掇测到接收信号的强度被眼膜表面的振动调制。反射波束的幅 度调制与振动的程度有关，进一步与眼压有关。然后调幅波被检测到 并解调，这样得到的接收信号幅度就会与眼内压力有关【7 + “。 我围国内由上海医科大学等研制的非接触眼压计的工作原理与压 平式眼压计类似，不同之处在于非接触眼压计是利用气流来压平角膜， 用，e 压来代替外加机械压力p 】。 以上的这些非接触眼压测量技术有的足根据压甲式原理而设计的 气z 力激光强度测量类型眼压计，如我国上海研制的眼压计：有的是通 过对从眼睛反射回来的光强进行测量从而判断眼压的大小，如h i r o s h i 第一章概述 i i j i m a 眼压计和徐雄眼压计。采用这些技术的眼压计在实际应用中都 具有一些条件的限制而无法普及使用。h i r o s h ii i i i m a 眼压计设备中需 要两套校准光接收系统，因此仪器设备复杂，价格昂贵；徐雄眼压计 由f 采用的是用眼膜受激后的振动幅度来作为信息光的调制信号，凼 此经过大量实验后发现只能准确测量眼压过高或过低的情况；而上海 眼压计在使用时会对病人的眼睛产生一个较大的瞬时空气脉冲冲击， 易使病人对气流冲击有紧张情绪，影响测量结果。从上述可知，接触 眼压测量技术由于有较多缺点必会被非接触眼压测量技术所替代，而 现有的非接触眼压测量技术仍不完善，需进一步研究精度高、造价低、 使用方便、便于普及的非接触眼压测量技术。 1 2 激光干涉式非接触眼压测量技术的提出 1 2 1 激光干涉测量技术的发展 19 6 0 年红宝石激光器的研制成功，开创了激光技术的先河。激光 的问世引起了现代光学技术的巨大变革，因其具有高亮度及良好的方 向性、单色性和相干性的优点，在现代工业、农业、医学、通信、国 防等方面得到了广泛应用，特别在测试技术中发挥r 前所未有的作用。 激光、光电探测技术和信号处理技术对于干涉测量技术的发展起着重 要的作用o l 。 干涉测量技术突出的优点是：它与自然基准一光波直接相联 系，能实现高精度测量；很容易做到光电转换与计算机联机，实现测 量数据自动分析与处理、自动显示与打印。 干涉测量技术大都是非接触测量，有很高的测量灵敏度和精度。 干涉测量应用范围f | 分广泛，可用于位移、长度、面形、介质折射率 的变化及振动等方面的测量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔 逊干涉仪、马赫一泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼一格林干涉仪等； 7 0 年代以后，抗环境干扰的外差干涉仪( 交流丁涉仪) 发展迅速，如 双频激光干涉仪等；近年来，光纤干涉仪的出现使干涉仪结构简单、 第一章概述 紧凑，干涉仪性能也更加稳定。 迈克尔逊干涉仪是18 8 1 年迈克尔逊设计制作的，首次将光谱线的 波长与标准米进行了比较，建立了以光波长为基准的标准长度。马赫 一泽德于涉仪也是一种分振幅干涉仪，与迈克尔逊干涉仪相比较，在 光通量的利用率上，大约要高出一倍。 利用外差技术设计的塞曼双频激光干涉仪在参考光路中引入一定 频率的载波，被测信号通过这一载波来传递，并被光电探测器接收， 前置放大可采用交流放大，这样就可以隔绝由于外界环境干扰引起的 直流电平漂移，使仪器在现场的环境下稳定工作。 光纤干涉仪利用被测物理量改变光纤内传导的光波的光学特性， 光波在光纤内干涉，将微小的光波位相、频率变化量转换成，盯直接探 测的强度变化，从而得出被测量的大小。与传统分立式干涉仪相比较， 光纤干涉仪抗环境干扰能力强，测量灵敏度高，实用性强i 。 1 2 2 激光干涉眼压测量技术的提出 为了设计研究出测量精度高、使用方便、体积小巧的眼压仪，本文 提出了激光干涉式非接触眼压测量方法。这种方法与目前国内外其它 类型的非接触测量方法相比较在原理上有很大的差别。它主要是利用 激光干涉这种精密的测量方法对眼压进行测量，由于这种方法是非接 触测量，因此病人无痛苦，不会产生交叉感染，同时又不需要眼角膜 有较大形变。激光干涉测量还具有精度高的优点。 激光干涉式非接触眼压测量技术的基本原理是：通过步进电机及 传动部件的直线加速运动产生脉冲气流，激发眼角膜使其产生微弱振 动，再利用激光干涉测量法测量角膜的振动。由于激光t 。涉是公认的 精密测量方法，该方法完全可以测量角膜的微弱受激振动，而角膜振 动与眼内压力有着内在的关系。从眼角膜反射回的探测光束将携带角 膜振动的多种参数，通过光电信息处理，提取相关信息参数，给出眼 压值【1 2 1 5 1 。 第一章概述 图1 1眼压测量系统整体框架示意图 眼压测量系统的整体框架示意图如图1 1 所示。整个系统由两部 分组成：光路部分和电路部分。光路部分完成的功能是：采用激光干 涉方法测量眼角膜受脉冲气流激发后的振动，并产生携带角膜振动参 数的干涉条纹；电路部分完成的功能是：对干涉后的条纹进行光电检 测和相应电信号的滤波、放大、整形处理，并对电脉冲进行计数。 1 3 本课题的实现目标、本论文的研究重点及实现方案 本课题的实现目标是验证用激光干涉技术进行非接触眼压测量的 可j 。一陛，并最终将这种新的测量技术转化为能够在临床应用的眼压仪 产：品。 由于入射到人眼睛的光强度不能超过卫生组织指定的安全标准， 光电检测器接收到的携带眼压信息的光波强度非常微弱，冈此必须发 计出能够对微弱光信号进行光电信息处理的电路系统，列入射强度为 3o n w 的光信号进行可靠计数，最后找出计数器的数值代表的电信息j 眼内压力的对应关系。 第一章概述 本论文研究的熏点是激光干涉式眼压测量系统的光学部分。由j 激光干涉式眼压测量是一种全新的测量方法，所以首先需要通过实验 检验测量方法的可行性，并在此基础上，设计出能够用于临床诊断的 眼压仪。空f b j 干涉光路相对简单，易于实现，因此从通过空间干涉光 路测量模拟眼球眼压入手，进行研究。具体方案是，采用氦- 氖激光器 作为相干光源，通过类似迈克尔逊干涉仪的空间光路获耿携带眼压信 息的光信号，再由弱光检测电路处理。但是，以氦一氖激光器作为相干 光源的空间干涉光路体积较大，测量时易受环境干扰，不适合应用于 临床眼压测量。为克服上述缺点，设计出一种具有隔离功能的激光十 涉光路，它结构紧凑，体积小，以半导体激光器为相干光源，而且能 与光纤相连接。将此干涉光路应用到激光干涉眼压仪中，能够实现眼 压仪的小型化，改善眼压仪的抗环境干扰性能，提高测量的准确性。 第二章干涉测量的基本理论 第_ 二章干涉钡4 量的基本理论 非接触眼压测量系统的光学部分主要涉及光学干涉原理、干涉测 量以及干涉仪测长原理等知识，下面分别加以介绍。 2 1 光的干涉理论 当两束或多束光波在空间叠加时，叠加区域内出现的稳定的强度 重新分布，叫光的干涉现象。光是电磁波，可用麦克斯韦方程组来描 述。由于仅仅电场强度矢量f 引起人眼视觉效应，使各种光电器件反 应，因此在研究光学问题时，通常只考虑厉并称之为光矢量。由于 在各向同性介质中占的振动方向总是与光波的传播方向垂直，因此光 波多呈现横波性。光的干涉理论实质上是建立在电磁场线性叠加原理 的基础上的，按照线性叠加原理，由几个不同电磁波源在真空中一点 上所产生的电场强度矢量 e = e l + e 2 + e 3 + ( 2 一t ) 式中，! ，日是不同的波源独立地在该点上产生的电场强度矢量。 2 1 1 光的干涉原理 干涉是光的波动性的最严格证明。这个现象是由 二两束或多束光 重叠，使能量密度在空问f i 上再分布的结果。 干涉现象首先是在l7 世纪被包伊尔、格莱马尔蒂、和胡克所描述， 随后杨氏根据光振动叠加现象提出光干涉的基本原理。 以双光束干涉为例，设二相干波面场强u ，( x ，y ) 和u ，( x ，y ) 分别为： u i ( x ，y ) = a le x p 一j 【i f + p 1 ( x ，y ) 】 r 11 、 u 2 ( 上，y ) = a 2e x p 一， 出2 t + 妒2 ( x ，y ) j 第二章干涉测龄的基本理论 式中，口，、d ：为光波的振幅；甜，、0 3 ，为角频率；、妒：为初始相位。 当它们合成时，所形成干涉条纹的强度分布，( z ，y ) 可表示成： 7 ( x ，y ) 2 口? + 盯2 2 + 2 a l a 2c o s a c o t + 妒( x ，y ) 】 ( 2 3 ) = a ( x ，) 1 + y ( x ，y ) c o s c o t + 妒( x ，y ) ) 式中，a ( x ，y ) = a ? + a ；是条纹的光强直流分量；r ( x ，y ) = 2 a ，“。( n 卜口；) 是 条纹的对比度； a c o = , 5 - 0 j 一珊：是光频差；妒( r ，y ) = 妒。( x ，y ) 一妒2 ( x ，y ) 是相位 差。 当二光束光频相同即单频光相干时，有0 9 ，= 脚：或a c o = 0 ，此时干涉 条纹不随时间改变，呈稳定的空间分布，( 2 - 3 ) 式变成： l ( x ，y ) = a ( x ，y ) 1 + y ( x ，y ) c o s e ( x ，y ) 】) ( 2 - 4 ) 这表明单一频率双光束干涉时，随着相位差变化，干涉条纹强度的分 竹i 表现为有偏置的正弦分布，如图2 1 所示。以此为基础的干涉测量 形成了干涉条纹检测技术。 i m a z 图2 一l单频双光束干涉条纹的强度分粕 条纹干涉强度取决了二相干光的相位差，而后者又取决于光传输介 质的折射率”对光的传播距离凼的线积分，即 第二章 干涉测量的基本理论 妒2 2 x l a o j n d s( 2 5 ) 式中，厶为真空中光波波长；为光程。对均匀介质，( 2 - 5 ) 式可简 化为 妒= 2 a n l 豫n 对( 26 ) 式中的变量和n 做全微分可得到相位变化量口 a 妒= 等o ( l k n + n 址) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 这表明光传播介质折射率和光程长度的变化都将导致相干光相位的变 化，从而引起干涉强度的改变。这一性质被用于改变光载波的特征参 量，以形成各种光学信息。实际上有许多参量能造成光程差的改变， 例如几何距离、位移、速度、温度引起的热膨胀等会引起传播距离的 改变：介质的成份、密度、影响密度的温度、压力以及电场、磁场、 介质的电光和磁光效应、应力引起的光弹效应等都能引起折射率的变 化。因此，从这个意义上讲光学于涉技术是一种能检测非光学参量的 传感技术【l 6 j 。本文就是利用光学二f 二涉技术来检测日醍压信息的。 2 1 2 ，“，- 干涉的基本条件 菲涅尔进一步发展了杨氏光干涉原理，提出干涉的必要条件：只 有当两波是从针孔发出的同一原始波时才能干涉。产生二f 涉现象4 个 基本条件为 ，。 0 时，条纹对比度1 0 ，则为部分相干。 条纹对比度主要与三个因素有关：光源的大小，光源的单色性和 两相干光波的振幅比。 2 2 3 干涉仪原理 能形成千涉现象的装置是干涉仪，它的主要机能是将光束分割成 两个不同的支路，由外界引入光程差后再重新合成借以观测干涉现象。 在使用窄光束单频光波相位调制的i 二涉测量中，干涉条纹的形成 和检测是在光束重叠的较小空间范围内进行的，通常采用单元光电器 件检测局部位置上的干涉条纹波数或相位随时蚓的变化。在单频率 相干光路中，被测量使相干光波的相位发生变化，同时通过干涉作用 把波相位的变化变换为振幅的变化，这个过程称单频光波的相位调制 或称相幅变换。由式( 2 7 ) 可知，能引起相位变化的参量是光路长l 和 介质折射率”。因此相位调制通常是利用不同形式的干涉仪，借助机 械的、光学的、光电子学等变换器件将被测量的变化转换为光路长l 和 第一，章干涉删昔的基本理论 介质折射率 的变化。前者用来检测几何和机械运动参量，后者用于 分析物质的理化特性。 为了定量描述被测参量对相位调制的影响，采用归一化相位响应 表示在单位长度的光路内由被测参量引起的相位变化： 1 d ( o 2 7 r ? d nnd l l d f 一3 0o 面+ z 面 ( 29 ) 式中，睾为归一化相位响应：l 为干涉光路长度；f 为被铡参量。 la p ( 2 - 9 ) 式右端两项分别表示折射率变化和光路长度引起的相位响应。 ( 2 9 ) 式呵用来衡量相位调制的各种类型光学干涉仪的：i 作特，件。 通常作为相位调制用的光学干涉仪有迈克尔逊干涉仪、吉曼干涉 仪、马赫一泽德干涉仪、萨纳克干涉仪和法布理一波罗干涉仪等。 2 2 4 迈克尔逊干涉仪测量长度原理 眼压测量实验中采用的光路类似于迈克尔逊干涉仪，因此对迈克 尔逊干涉仪测量原理作简要介绍。边克尔逊干涉仪属于双光束_ _ j _ _ 涉。 f 涉强度分布满足式( 2 - 3 ) 。迈克尔逊干涉仪的特点是结构简单，条 纹对比度好，信噪比高。迈克尔逊干涉仪的原理示意图见图2 2 所示。 迈克尔逊干涉仪的测量灵敏度达1 0 - ix i n 的数量级。它的缺点是输出光 束能够经分束镜返回激光器，这将使激光器工作性能不稳定，但这 缺陷可通过设置隔离器来防止。 图2 2 中，m 与m ，是两个精密磨光的平面反射镜。其中m ，用螺旋 控制，可作前后移动。m ，是固定的。只，只是两块材料相同，厚薄均 匀而且相等的平行玻璃板。只的一个表面上镀有半透明的薄银膜，它 能使光一半反射，一半透射。鼻、只与、膨，都倾斜成4 5 。角。只称 分光板，只称补偿板。 从面光源发出的光射到只上，被分为反射光( 1 ) 与透射光( 2 ) 。 两条光的光强近乎相等。光线( 1 ) 照到m ，上被反射回来又透过只而 第一章 干涉测龋的基本理论 到达观察者的目艮睛。光线( 2 ) 通过只后，继续前进，在m ，上被反劓 回来，又通过只在只上被反射而到达观察者的眼睛。这样，光线( 1 ) 与光线( 2 ) 便在观察者的眼睛里发生干涉而出现了于涉条纹。山图中 可以看出，光线( 1 ) 先后两次通过玻璃板只，如果没有玻璃板只，光 线( 2 ) 没有通过玻璃板，这样就会使光线( 1 ) 与( 2 ) 有额外的光程 差，影响干涉绦纹。加上玻璃板只后，光线( 2 ) 也在b 内通过两次， p 与只的材料、厚度完全一样，这样就消除了这段额外的光程差。所 以只称为补偿板。 图2 2 迈克尔逊干涉仪的构造图 定 为了便于分析干涉图样，我们可以作这样种等效的看法：只上 的半透膜好象一个反射镜，能使时，成一个虚像在m ，。处。因此边克尔 逊干涉仪的干涉条纹可以看作是由厚度f = o m ：一o m i 的空气层所产牛 的。显然两相干光的光程差为a = 2 t c o s i 式中i 。就是光线在反射镜 膨、肘，j _ = 的入射角或反射角。 如果m 与m ，垂直，则m ，与m ，平行，我们就可以在迈克尔逊干 涉仪中看到等倾干涉条纹( 一组明暗交替的同心圆环) 。如果m i 与m ， 不垂直，则m ，与肼，不平行，我们就可以在边克尔逊干涉仪中看到等 第章干涉测量的基本理论 厚千涉条纹( 一组明暗相削的直条纹) 。这时，当m 移动时，十涉条 纹也就在视场中移动。干涉条纹移动一个条纹相当于m ，移动了拿的 距离，因此，如果干涉条纹移动k 个条纹，那么m 移动距离就为 f ：鱼，从此式中可以看出，如果a t 和k ( m 移动距离a t 时， j 涉 z 条纹移动过的条纹数目) 就可以测出光波的波长 ，反之，如果实验 用的光波波长l 已知，那么数出k 值就可测出a t 值。用这种方法测量 长度非常精确，相当于光波波长十分之一的微小长度( 约为万分之二 毫米) 也能精确测定。 第二章空间光路激光干涉眼压测蛙仪的设i 第三章空间光路激光干涉h 艮压测量仪的设计 用激光干涉的方法测量眼压不仅精度高，而且属于非接触测量， 病人无痛苦，操作简单。但是将激光干涉技术应用于非接触眼压测量 在国内外属首创，其可行性有待验证。本章采用相对简单易于实现的 空间光路，测量了人工模拟眼球的眼压，并从理论分析和实验结果两 方面验证了这种方法的可行性，为将激光干涉技术应用于非接触眼压 测量打下了基础。 3 1 空间干涉眼压测量光路的设计 3 1 1 空间干涉眼压测量光路的结构 眼压测量系统的光路示意图如图3 1 所示。 图3 1 眼压测量系统的光路示意图 眼膜 第二章空间光路激光干涉眼压测量仪的改计 图3 1 中，激光器采用的是波长为6 3 2 8 n m 的氦一氖激光器，其 腔体较大，受反射光的影响较小，采用隔离器进行隔离后性能1 分稳 定：分束镜是一个半透半反镜，可使入射的光束一半反射一半透过。 我们实验时，眼角膜采用人工模拟跟球，通过改变眼内压力的大小， 来实现不同眼压时的眼压测量。系统工作时，由脉冲气流产生器产生 的脉冲气流去激发眼角膜使其产生微弱的振动。激光器射出的激光束 射入分束镜后，一部分光透过分束镜射向反射镜形成参考光束，另一 部分反射到眼角膜上形成测量光束，由于从反射镜反射回的参考光束 的光强比从眼角膜反射回的测量光束的光强大，因此在反射镜前加一 个衰减器以对参考光光强进行衰减，使两条光束的光强近似相等便 于发生干涉。测试光束携带着眼角膜受激振动后的位移信息沿光路返 回，一部分透过分束镜，与经过反射镜和分束镜反射的参考光束发生 干涉，干涉光束由光电检测器检测。经过光电转换、信号处理，眼角 膜受激振动位移通过计数器读数得到。 本系统是通过对受脉冲气流激发产生振动后的眼角膜的位移改变 程度进行检测来获得相应眼压信息的，而眼角膜的振动位移非常微小， 属于小位移检测。用干涉仪测量小曲率半径物体表面的位移必须用物 镜把光束会聚到被测物体表面一个很小的点上，对于这样 个很小的 点，其表面可以近似地看作是平面【”j 。激光的单色性很好，很窄的探 测光束照射到眼角膜表面，近似于照射到平面h 3 j 2 干涉光源的选择 激光器的研制成功，使我们获得了准完全相干光源。激光具有良 好的单色性、方向性、光亮度和高强度。激光不但使相干长度从几十 毫米增加到几百公旱，而且为光电信号的自动检测提供了条件。在现 代f 涉测量中，常用的激光器有氦一氖激光器、二氯化碳激光器、半导 体激光器等。 氦一氖激光器、二氧化碳激光器同属f 气体激光器，其特点足种 类多，波长分布区域宽，应用广，频率稳定性好，是良好的相二f 一光源， 第二章空间光路激光干涉眼压测量仪的设i 可实现最大功率连续输出，结构简单，造价低，转换效；簪高。特别是 氦一氖激光器波长为6 3 28 n m ，它的频率稳定度可以达到1 0 一1 0 。2 之间， 被广泛地应用在计量和测试领域。 半导体激光器优点是体积小，稳定可靠，运行方式简单，能量转 换效率高，波长范围广，寿命大于百万小时，易于调制。半导体激光器 的发散角大，功率较小( 一般在1 1 0 0 m w ) ，单色性差即谱宽大于气体 激光器。 氦一氖激光器和半导体激光器都可作为干涉测量的相干光源，实 验中拟采用氦一氖激光器。但是因其体积较大，功耗大，不适合应用在 实际眼压仪中，而在实验阶段氦氖激光器不失为良好的相干光源。半 导体激光器有着氦一氖激光器不可替代的优点，它最大的优点是功率体 积比大。尽管在通常情况下，其相干性还难于和氦氖激光器相比，但 其功率数十毫瓦时，体积只有晶体管大小，且调制非常方便。这些优 点使半导体激光器适合应用在实际眼压仪中。随着新型半导体激光器 的开发，新技术的应用，其相干性不断提高，德国联邦物理研究院利 用铷吸收峰值稳频，已经使半导体激光器的频率稳定度达到1 0 。1 1 的水 平【1 8 】。采用半导体激光器作为相干光源是激光干涉式眼压仪从实验阶 段转向实用阶段的必然选择。但是在现阶段，满足试验要求的半导体 激光器价格过于昂贵，而氦氖激光器完全可满足验证激光干涉式眼压 测量方法可行性实验的要求。 3 1 3 脉冲气流生成器介绍 脉冲气流生成器的作用是通过步进电机及传动部件的直线加速 运动产生激发眼角膜振动的脉冲气流。对步进电机的控制是该眼压计 中一项重要的单元技术。控制加速过程一般用离散办法逼近理想的升 速直线，将转速分档，然后将单片机定时器装载值固化在程序存储器 中，但由于本系统要求升速时问非常短，而步进电机最大静转矩非常 大，所以惰性较大，停止脉冲输入后电机就马j j 停止运转，鉴_ j j 这个 原因直接采用直线加速。 第二章空间光路激光干涉眼压洲鼙仪的设计 眼压计脉冲气流产生系统如图3 2 所示。该系统主要分为以下几 个部分：l ，可编程控制器；2 ，功率驱动器： ，步进电机；4 ，机械 传动部分：5 ，脉冲气流产生器。工作时，可编程控制器( 单片机和 c p l d ) 输出逻辑脉冲，然后馈送给功率驱动器，驱动步进电机按照要 求转动，冉由传动装置压缩空气从而产生工作气流。 图3 2 脉冲气流生成器系统原理图 3 i 4 光学器件的选择 3 i 4 i 光隔离器的选择 光隔离器是。种非互易光学元件。它使正方向传输的光以很小的 损耗通过，这一损耗称为插入损耗；而使反方询传输的光以巨大的衰 减被阻止这一反方向的衰减称为隔离度。 入射光 - - i 尹 一 ， ， 一反芽 p l f rp 2 图3 3 光隔离器原理示意陶 光 第二三章空间光路激光干涉眼压测量仪的设i 光隔离器是利用光的偏振原理和法拉第效应制成的，其原理如 图33 所示。图3 3 中，只，p 1 为偏振器，它们的透射方向成4 5 。角， f r 为磁光晶体。偏振器和磁光晶体在以后设计中还会用到，这q ! 不多 做介绍。 入射光经过只后成为线偏振光，线偏振光经过f r 其振动面旋转 4 5 。，与只的透射方向一致，刚好能通过只，实现正向传输。反射光的 振动面与只的透射方向一致，透过只后，又被f r 旋转4 5 。此时偏振 光的振动面与只的透射方向垂直，因此不能通过鼻到达光源，实现了 对反射光的隔离。 实验中选用的光隔离器中的磁光晶体为含铋的钇铁石榴石单晶 ( y i g ) ，在波长1 5 5 0 n 以f 隔离度为3 5 d b 。 3 1 4 2 分束镜的选择 为产生相干光，要将同一原子或分子发出的光波分成两束。存f 涉仪中将- 一束光分为两束或几束相干光的方法主要有分波前法和分振 幅法：第一种方法是把光波的波前分割出两个不同的部分，这种方法 也叫分波阵面法；第二种方法是利用光学元件表面的反射和透射，或 利用双折射元件、衍射元件，将波前的同一部分分割成两部分，这种 方法也叫振幅分割法。分振幅法可以通过半透半反射镜实现。根据光 学系统对反射率和透射率的不同要求，在平整玻璃基片表面涂敷不同 的透明介质薄膜，做成不同反射率和透射率的分束镜。 实验中选用半透半反射镜做分束镜，它是一侧有镀银的玻璃基片。 氦氖激光器发出的激光束照射到半透半反射镜的金属薄膜上时，分成 光强相等的两束光：参考光束和测量光束。 3 1 4 3 反射镜的选择 干涉仪中常用的反射镜有四种：平面反射镜，角锥棱镜反射镜， 直角棱镜反射镜和“猫眼”反射器。平面反射镜的偏转将产生附加的 光程差，在采用多次反射以提高测量精度的系统或k 光程干涉仪一+ 1 此项误差不可忽略；角锥棱镜反射镜如图3 4 ( a ) 所示，它具有抗偏 摆和俯仰的性能，可以消除偏转带来的误差，是二f 涉仪中常用的器件。 第三章空间光路激光干涉跟压测量仪的设订 直角棱镜反射镜如图3 4 ( b ) 所示，它的三个角分别为4 5 0 、4 5 。、9 0 ， 光入射在斜面上。它只有两个反射面，加工起来比较容易，并只对一 个方向的偏转敏感，对于垂直入射面的平面偏振光不受干扰；“猫眼” 反射器如图3 4 ( c ) 所示，它由一个透镜和一个凹面反射镜组成。 反射镜放在透镜的主焦点上，从左边来的入射光束聚焦在反射镜上， 反射又把光束反射到透镜，并沿与入射光平行的方向射出( 与反射镜 的曲率无关) 。若反射镜的曲率中心c 和透镜中心c 重合，那么当透镜 和反射镜一起绕c 点旋转时，光程保持不变。“猫眼”反射器的优点是 容易加工和不影响偏振光的传输。在光程不长的情况下也可考虑用平 面反射镜代替凹面反射镜，这样更容易加工和调整。 l ( b ) 图3 - 4 干涉仪中常用的反射镜 ( a ) 角锥棱镜：( b ) 直角棱镜：( c ) “猫眼”反射器 实验光路中要求反射光按原路返四i ，剧平两反射镜较容易实现。 第二= 章空间光路激光干涉眼压测量仪的设计 但是，在测量过程中，平面反射镜容易受到环境干扰而偏转，产一t 1 - 附 加的光程差，影响测量结果的稳定性和准确性。所以，光路中平面反 射镜的固定十分重要。 3 1 4 4 衰减器的选择 两束相干光的光强相等时，发生干涉后干涉条纹的对比度最大， 便于检测。实验光路中，从反射镜反射的参考光光强远大于从模拟眼 球反射的测量光光强，所以有必要在反射镜前加一个衰减器，以减弱 参考光的光强。实验中选用偏振器做衰减器，改变偏振器的透射方向 与反射偏振光偏振方向的夹角，可以方便连续地根据反射的测量光光 强调节反射的参考光强度。 3 2 空间干涉眼压测量原理分析 用激光干涉的方法测量眼压，实际上是测量眼角膜受激振动的位 移，属于位移长度的测量。激光干涉眼压测量采用的是“增量法”，它 足以眼角膜为被测对象，参考光束反射镜固定不动，当眼角膜受激振 动时，两路光束的光程差即发生变化，干涉条纹也将发生明暗交替变 化。若用光电探测器接收，当被测对象移动一定距离时，条纹亮暗交 替变化一次，光电探测器输出信号将变化一个周期。记录下信号变化 的周期数，便确定了被测长度。 为了便于分析，将图3l 简化为图3 5 光路，眼角膜对应嗣标反 射镜m ，为眼角膜受激振动产生的位移。由于衰减器和隔离器与光 程差改变无关，简化光路中将其省略。 设在测量开始时，一束激光被分束镜口分成两束，它们经参考反 射镜m ，和目标反射镜m ，反射后沿原路返回，并在分光点0 处重新相 遇，孤束光的光程差为 ( 31 ) 式中，月为空7 i 的折射率，。，为目标反射镜m ：到分光点0 的距离，f c 2 3 第三章空间光路激光干涉眼压测量仪的殴计 为参考反射镜m 到分光点0 的距离。 图3 - 5 眼压测量光路原理图 m ； 测量结束时，目标反射镜m ：移过被测长度后，处于m ：的位置。 此时两光束的光程差为 a 2 = 2 n ( l 。+ l l ( ) = 2 n l + l ( 32 ) 在测量开始和结束这段时问里，光程差的变化量 d = 2 一a i = 2 n l ( 33 ) 光程差每变化一个波长，干涉条纹主明暗交替变化一次，则测量 过程中与d a 相应的干涉条纹变化次数 ：d a ：2 n l 五o2 0 ( 34 ) 第三章空间光路激光干涉眼压测鼙仪的设计 式中， 。为激光光波中心波长。 测得干涉条纹的变化次数之后，即可求得被测陈度，可把式 ( 34 ) 改写为 ( 35 ) 式中， = 以n ，丑是激光光波在空气中的波长。 由于干涉条纹变化计数与眼角膜受激振动位移成正比，在实际 测量眼压过程中通过计数表示眼压信息更方便，所以不需要再将 计数转换为位移。 3 3 实验结果及误差分析 3 3 1 实验结果 通过对图3 一l 中的实验装置进行测试，得出如表3 1 中所示的实 验数据。表3 l 给出了眼