CN102519375B - 基于光循环与谱域载频的超大量程间距测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光循环与谱域载频的超大量程间距测量方法和系统。在扫频光学相干系统的样品臂和参考臂中设置增益补偿型光程失配循环腔，基于参考光和样品光在光程失配循环腔中的光循环，形成一系列等间距的参考光程，实现超大量程范围内不同区域样品光与参考光的低相干干涉，并基于环腔中光栅色散型载频器的复用，实现超大量程范围内不同区域干涉信号的空间编码，便于系统的同步探测和解码。采用波数空间位相与峰值点相结合的界面定位方法，避免极值点定位法对轴向分辨率的依赖性和不确定性，并消除色散失配对定位精度的影响，实现超大量程间距的高精度测量。

Description

基于光循环与谱域载频的超大量程间距测量系统

技术领域

本发明属于光学相干测量技术领域，具体涉及一种基于光循环与谱域载频的超大量程间距测量系统及方法。 

背景技术

现代光学系统一般都是由多个透镜组成的，在光学系统的安装调试过程中，其内部各个透镜的间距是决定光学系统性能的关键指标，是影响光学系统成像质量的重要因素，这就需要有实时的大量程、高精度间距测量系统用来引导上述光学系统的安装调试。 

在通常的工业应用中，一般采用机械测量的方法对光学系统内各个透镜的间距进行测量，需要使用探针直接接触待测的透镜，容易损伤透镜表面的镀膜，测量精度受限于机械平移的精度，并且只能应用于光学系统安装的过程中，不能对已经安装在光学系统内部的透镜进行测量。为了解决这些问题，人们提出了基于光学干涉的方法用来测量光学系统内透镜的间距，如法国Fogale公司的LenScan镜面定位仪所采用的时域光学相干层析技术(Time Domain Optical Coherence Tomography, TDOCT)，利用低相干光源和高精度延迟光路获得较为精确的光学间距测量结果，其中高精度延迟光路的延迟控制是由机械移动实现的，因此这种方法的测量速度和测量精度受限于高精度延迟光路中机械移动的速度和精度，测量速度慢、测量精度容易受到温度变化、振动等外界因素的影响。为了提高测量速度、尽量减少测量系统对机械移动的依赖，人们将傅立叶域光学相干层析技术(Fourier Domain Optical Coherence Tomography, FDOCT)应用于光学系统内透镜之间间距的测量。与TDOCT的逐点扫描测量过程相比，FDOCT通过对轴向深度的光谱编码，并行测量深度区域内每个界面的轴向相对位置。傅立叶域光学相干层析技术又分为谱域光学相干层析技术(Spectral Domain OCT)和扫频光学相干层析技术(Swept Source OCT)。分别采用宽带光源或快速可调谐激光光源、快速多通道光谱仪或单点探测器获得干涉光谱信号，再通过傅立叶变换得到沿轴向的光学系统内部透镜之间的间距测量结果。 

FDOCT技术在提高光学间距测量速度的同时，也存在一些不足。 

第一、FDOCT系统的量程有限。 

对于FDOCT系统，其最大量程受限于多通道光谱仪的光谱分辨率(在SDOCT中) 或扫频光源的瞬时线宽(在SSOCT中)。此外，由傅立叶变换的厄米共轭导致的镜像也使得FDOCT系统损失了一半的量程。 

1、为了突破多通道光谱仪有限的光谱分辨率或者扫频光源有限的瞬时线宽所限制的测量量程，Hui Wang等人提出在SDOCT系统中采用通过光开关切换的双参考臂，同时通过位相调制方法消除镜像，进而拓展SDOCT系统量程的方法。这种方法虽然能够起到拓展SDOCT系统量程的作用，但是多参考臂的设置增加了系统的复杂度，多参考臂之间的光学间距需要经过复杂的标定，否则将对待测光学系统内透镜间距的测量结果带来较大的误差；此外，多参考臂的干涉信号是通过多次测量获得的，测量速度较慢；并且当待测光学系统在测量过程中发生由震动导致的轻微轴向位移时，将产生间距测量的误差。在SSOCT系统中，S. M. R. Motaghian Nezam提出了通过在多参考臂加不同载频的方式拓展量程的方法，Adrian Bradu、Liviu Neagu等人提出了通过声光调制器加载频，同时在样品臂和参考臂使用环腔产生零光程位置不同的多组干涉信号，从而得到大量程光学间距测量系统的方法。这种方法需要使用声光调制器作为调制器加载频，电路系统复杂、插入损耗较大，限制了光通过环腔的次数，也就限制了总的干涉信号最大的载频量，以及所能获得的最大量程；同时，系统的测量速度也受到声光调制器调制速度的限制；此外，由于样品臂的环腔和参考臂的环腔的长度不同，因此两个环腔内的声光调制器在每次循环过程中的同步需要采用较为复杂的机制才能实现。 

2、为了克服由傅立叶变换的厄米共轭导致的镜像，R. Leitgeb等人于1999年提出了通过移相的方法在相干系统的参考臂引入载频，从而得到复数形式的干涉信号，进而区分信号和其镜像。Y. Tao、A. Vakhtin等人的工作展示了正弦位相调制的方法在镜像消除上的应用。K. Lee、S. Zotter、M. Choma分别提出了采用分束镜、双参考臂、3×3光纤耦合器等方法得到复数形式的干涉信号的方法。S. Yun、Z. Chen等人分别提出了通过声光调制器、电光调制器等方法引入干涉信号的载频，进而消除镜像的方法。Hofer等人提出了采用色散材料提供色散并且用复杂的迭代算法消除复共轭像的方法，S. Witte等人对也采用色散材料进行色散编码并提出简化的消除尖峰算法去除复共轭像。上述消镜像方法虽然能够在一定程度上抑制镜像，但最多只能将量程拓展为有镜像时量程的两倍，无法突破由多通道光谱仪有限的光谱分辨率或者扫频光源有限的瞬时线宽所限制的测量量程。 

第二、FDOCT系统的光学间距测量精度不足。 

在FDOCT系统中，为了得到待测样品内部某一界面与零光程位置的轴向距离，需要对干涉信号实施傅立叶变换。但由于色散的存在，通常的信号处理方法所得到的轴向距离存在测量误差。为了提高轴向间距的测量精度，Zhongping Chen、Jun Zhang等提出了量化位相成像方法(Quantitative Phase Imaging)，Eric D. Moore等提出了位相敏感的扫频干涉方法，在干涉信号中提取位相信息，进而得到亚微米量级的轴向间距测量结果。这些方法虽然能够有效提高FDOCT系统的间距测量精度，但最大量程仍然受到了FDOCT系统量程的限制，不能用于测量具有较大轴向尺度的样品。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于光循环与谱域载频的超大量程间距测量系统及方法。 

基于光循环与谱域载频的超大量程间距测量系统包括宽带光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第一光放大器、第二光放大器、光栅色散型载频器、环行器、样品、平衡探测器和带有数据采集卡的计算机。 

宽带光源通过第一耦合器分别与第二耦合器的a端口和第三耦合器的b端口连接，第二耦合器的d端口与环形器的a端口连接，环形器的c端口与样品连接，环形器的b端口与第四耦合器的a端口连接，第四耦合器的d端口与平衡探测器的a端口连接，第二耦合器的c端口通过第一光放大器与光栅色散型载频器的d端口连接，光栅色散型载频器的a端口与第二耦合器b端口连接，第二耦合器、第一光放大器和光栅色散型载频器组成样品臂的环腔，第三耦合器的c端口与第四耦合器的b端口连接，第四耦合器的c端口与平衡探测器的b端口连接，第三耦合器的d端口通过第二光放大器与光栅色散型载频器的c端口连接，光栅色散型载频器的b端口与第二耦合器的a端口连接，第三耦合器、第二光放大器和光栅色散型载频器组成参考臂的环腔，平衡探测器与带有数据采集卡的计算机连接。参考臂的环腔的光程长度大于样品臂的环腔的光程长度，二者的光程差小于光源相干长度。 

所述光栅色散型载频器包括第一准直镜、第二准直镜、第三准直镜、第四准直镜、光栅、傅立叶变换透镜、反射镜。 

光栅位于傅立叶变换透镜的前焦面侧，且光栅的表面垂直于傅立叶变换透镜的光轴，反射镜位于傅立叶变换透镜的后焦面侧，调节准直镜一、准直镜三与光轴的夹角，使得光的中心波长沿傅立叶变换透镜的光轴方向衍射。同时通过使反射镜与光栅的垂轴面构成夹角，使经过光栅色散型载频器的光的各个光谱成分中引入一个随波数线性变化的相位量。 

一种基于光循环与谱域载频的超大量程光学干涉测量方法为：在具有增益补偿型光程失配循环腔的扫频光学相干系统中，光源发出的光分别进入样品臂和参考臂，并分别在其中多次循环。由于光程的失配，每次循环的参考光和样品光发生干涉时，干涉的零光程位置不同，从而在超大量程范围内，获得不同区域样品光与参考光的低相干干涉。当扫频光学相干系统的参考光和样品光分别在光程失配循环腔中循环时，基于环腔中光栅色散型载频器的复用，在每次循环经过光程失配循环腔的样品光和参考光的各个光谱成分中引入附加相位量，这种附加相位量随循环次数的增加而依次叠加，从而使得经过不同次数循环的样品光和参考光的干涉信号具有依次放大的载频。这些具有不同载频的干涉信号被探测器同步探测，通过对信号的傅里叶变换，即可通过不同的载频，分辨循环次数不同的干涉信号，由于这些干涉信号对应样品不同的深度区域，就实现了基于光栅色散型载频器的空间编码，采用波数空间位相与峰值点相结合的界面定位方法，通过带通滤波，将样品在整个测量范围内的每个界面所单独对应的干涉信号提取出来，对提取出的干涉信号，将其在编码空间平移到零点附近，并提取其相位信息，再通过对相位信息的测量获得该界面准确的轴向位置。避免常规的极值点定位法对轴向分辨率的依赖性和不确定性，并消除色散失配对定位精度的影响，实现超大量程间距的高精度测量。 

本发明具有的有益效果是： 

1、提出了基于空间编码的具有超大量程和超高精度的光学干涉测距方法，使得光学干涉测量方法的量程克服了光源瞬时线宽的直接限制，仅受到数据采集卡采样率的限制；在传统扫频光学相干系统中，测量量程由光源的瞬时线宽和数据采集卡的采样率共同决定，但由于数据采集卡的采样率远远高于需要，因此我们通常认为光源的瞬时线宽限定了光学干涉测距的量程，最大只能达到十几毫米；而采用本发明的扫频光学相干测量系统的测量量程，不再受到光源瞬时线宽的限制，仅受到数据采集卡采样率的限制，与传统扫频光学相干系统相比较，获得了超大量程。同时，本发明将位相测量方法通过空间编码应用到大量程测量系统中，在获得大量程的同时能够获得亚微米量级的测量精度。

2、与TDOCT系统相比较，将逐点扫描的测量过程改进为空间编码的并行测量过程，无需机械扫描，测量速度快，不易受到温度变化和振动的影响。 

3、与具有多个参考臂的FDOCT系统相比较，只需设置一个固定的参考臂，不需校正多个参考臂之间的间距，不需分多次测量获得对应不同参考臂的干涉信号，不需光开关等控制器件。 

4、与采用声光调制器和环腔的SSOCT系统相比较，在载频方式上，由于不引入任何电控制或机械控制的位相调制器，如压电陶瓷微位移台、电光位相调制器或声光频移器，只需设定不同的反射镜偏转角即可引入特定群延迟以及相应的等效偏移量，因而不受任何位相调制控制器时间响应的限制，同时避免了声光调制器的插入损耗对系统测量量程的限制；光栅型延迟线引入的群延迟在对称复用的情况下得到了加倍，同时实现了参考臂和样品臂的色散匹配。在系统设置上，提出了空间编码以及后续处理方法，大幅提高了间距测量的精度。 

5、与位相敏感的扫频干涉方法相比，采用了波数空间位相与峰值点相结合的界面定位方法，但在编码空间的平移量减少，解决了这种方法遇到对称分布的测量信号时，对相位信号的不确定性。 

6、与量化位相成像方法相比，通过在编码空间平移，降低了波数空间的信号频率和相速度，使得相位信号的提取过程中减少了2π 跃变的影响，同时降低了这种方法定位时对波数空间校准的高度依赖。 

附图说明

图1是本发明的基于光栅色散型载频器空间编码的超大量程干涉测距系统示意图； 

图2是本发明的光栅色散型载频器示意图；

图3是本发明的空间编码原理示意图；

图4是本发明的基于位相的高精度间距测量方法示意图；

图5是 

通过带通滤波器得到的对应一个光学界面的信号的横向放大图；

图6是本发明的基于位相的高精度间距测量原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 

如图1所示，本发明包括宽带光源1、第一耦合器2、第二耦合器3、第三耦合器4、第四耦合器10、第一光放大器6、第二光放大器7、光栅色散型载频器5、环行器8、样品9、平衡探测器11和带有数据采集卡的计算机12。 

宽带光源通过第一耦合器2分别与第二耦合器3的a端口和第三耦合器4的b端口连接，第二耦合器3的d端口与环形器8的a端口连接，环形器8的c端口与样品9连接，环形器8的b端口与第四耦合器10的a端口连接，第四耦合器10的d端口与平衡探测器11的a端口连接，第二耦合器3的c端口通过第一光放大器6与光栅色散型载频器5的d端口连接，光栅色散型载频器的a端口与第二耦合器b端口连接，第二耦合器3、第一光放大器6和光栅色散型载频器5组成样品臂的环腔，第三耦合器4的c端口与第四耦合器10的b端口连接，第四耦合器10的c端口与平衡探测器11的b端口连接，第三耦合器4的d端口通过第二光放大器7与光栅色散型载频器5的c端口连接，光栅色散型载频器5的b端口与第二耦合器的a端口连接，第三耦合器4、第二光放大器7和光栅色散型载频器5组成参考臂的环腔，平衡探测器11与带有数据采集卡的计算机12连接。 

宽带光源1出来的光进入第一耦合器2，经分光后分别第一次进入第二耦合器3和第三耦合器4。第二耦合器3出来的一部分光通过环行器8、样品9，从样品反射后经过环行器8，到达耦合器四10，另一部分光经过第一光放大器6和光栅色散型载频器5第二次进入第二耦合器3。第二次进入第二耦合器3的光同样被分成两部分，分别沿着上述路径到达第四耦合器10或第三次进入第二耦合器3。第N-1次进入第二耦合器3的光也沿上述路径达第四耦合器10或第N次进入第二耦合器3。第三耦合器4出来的一部分光直接进入第四耦合器10，另一部分光经过第二光放大器7和光栅色散型载频器5第二次进入第三耦合器4。第二次进入第三耦合器4的光被分成两部分，分别沿着上述路径到达第四耦合器10或第三次进入第三耦合器4。第N-1次进入第三耦合器4的光也沿上述路径达第四耦合器10或第N次进入第三耦合器4。上述所有进入第四耦合器10的光发生干涉，干涉信号经平衡探测器11探测，通过带有数据采集卡的计算机的处理12，得到高精度大量程样品结构信息。 

如图2所示，所述光栅色散型载频器5包括第一准直镜13、第二准直镜14、第三准直镜16、第四准直镜17、光栅15、傅立叶变换透镜18、反射镜19。 

光栅15位于傅立叶变换透镜18的前焦面侧，且光栅15的表面垂直于傅立叶变换透镜18的光轴，反射镜19位于傅立叶变换透镜18的后焦面侧，调节第一准直镜13、第三准直镜16与光轴的夹角，使得光的中心波长沿傅立叶变换透镜18的光轴方向衍射。同时通过使反射镜19与光栅15的垂轴面构成夹角，使经过光栅色散型载频器的光的各个光谱成分中引入一个随波数线性变化的相位量。 

从第三耦合器3出来的光进入第一准直镜13，经过光栅15、傅立叶变换透镜18、反射镜19，被反射镜19反射后，经傅立叶变换透镜18、光栅15、返回第二准直镜14。从第三耦合器4出来的光进入第三准直镜16，经过光栅15、傅立叶变换透镜18、反射镜19，被反射镜19反射后，经傅立叶变换透镜18、光栅15、返回第四准直镜17。 

如图3所示，扫频OCT系统通过单点探测器测量经过时间编码的光谱信息来获得沿轴向的样品结构信息，因此通常扫频光源的瞬时线宽决定了扫频OCT系统的测量量程。z为样品空间的光程坐标，z=0对应于样品光和参考光不经过各自环腔时的零光程面，设扫频OCT系统由扫频光源的瞬时线宽决定的测量量程为2a，深度区域分布在-a到a之间，如图中z轴上实线所示。z'为干涉光谱信号经傅立叶变换后得到的编码空间的坐标，由于不通过环腔的参考光和样品光未经过光栅色散型载频器的载频。对于不通过环腔的参考光和样品光，其干涉信号中的干涉项与通常的扫频OCT系统相同，为： 

其中，

为波数，

为干涉光谱强度，

为光源功率谱密度函数，

为参考臂反射率，

光程差为

处的样品反射率，

为光程差为

处的位相，

为光谱线宽。

由于样品臂的环腔和参考臂的环腔的光程不相等，因此对于经过各自环腔一次的样品光和参考光，零光程位置沿z轴方向平移，平移的距离等于环腔之间光程差的一半（），因此深度区域也相应地发生了平移，如图中z轴上虚线所示。在距离零光程位置较远的深度区域，由于测量得到的信号强度太微弱，因此在实际测量中，距离零光程位置较远的信号强度过低的部分，取中间一部分作为有效信号，这一部分占深度区域的比例为

，因此有效测量量程为

，在实际测量中，取

，0＜ 

＜1，如图中z轴上虚线所示。对于一次通过环腔的参考光和样品光，由于通过了一次光栅色散型载频器，因此在干涉信号中叠加了波数载频。波数载频的原理在专利“基于群延迟波数载频的镜像分离方法及系统（公开（公告）号: CN102028454A）”中已有说明，此时光栅色散型载频器引入的群延迟为

。与上述专利不同的是，本发明所述的光栅色散型载频器中，参考光和样品光为对称设置，因此参考光和样品光的群延迟是对称分布的，一方面实现了参考光和样品光的色散匹配，另一方面通过对称群延迟实现了载频的加倍；此时光栅色散型载频器引入的载频为

。由于光栅色散型载频器中的反射镜偏转角度

使干涉项信号产生了群延迟波数载频

，所以干涉信号在傅立叶变换之后在z'轴上的位置向高频方向平移，平移的距离为

。此时干涉光谱信号中的干涉项可以表示为： 

调节样品臂环腔和参考臂环腔的光程差，以及光栅色散型载频器引入的对称群延迟，使得

，则上述干涉信号可以表示为：

同理，对于第二次、第三次、第N次通过环腔的样品光和参考光，得到的干涉信号中的干涉项为：

其中，

，即为用于空间编码的载频量。历次通过环腔的样品光与参考光最后叠加在一起，获得具有空间编码的大量程干涉信号

。再对得到的干涉信号进行波数空间均匀化标定、傅立叶变换的算法处理以及空间解码，即可得到大量程的光学相干测量结果。

如图4所示，上图表示样品空间，下图表示编码空间。其中，编码空间对应了干涉信号的傅立叶变换，即

，编码空间中每个尖峰的位置都代表了光学系统内一个光学界面的轴向位置。在编码空间通过一个窗口提取一段信号，相当于对干涉信号实施带通滤波，即可得到对应一个光学界面的信号。 

如图5所示，

是通过带通滤波器得到的对应一个光学界面的信号的横向放大图，其中，是未知的真实的轴向位置，是编码空间内信号峰值起始的位置，图中的“◇”代表数据采样点。将向左平移到0频附近，得到，再做傅立叶反变换之后，即可得到单个界面所对应的干涉光谱信号

。 

如图6所示，

的位相可以表示为

，对其解包络后可以得到

。通过拟合的斜率，即可得到

与

的差值，从而依据

得到。同时依据以及

进行空间解码，就可以得到样品界面真实的轴向位置。 

Claims (2)

1.基于光循环与谱域载频的超大量程间距测量系统，其特征在于：该系统包括宽带光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第一光放大器、第二光放大器、光栅色散型载频器、环行器、样品、平衡探测器和带有数据采集卡的计算机；

宽带光源通过第一耦合器分别与第二耦合器的a端口和第三耦合器的b端口连接，第二耦合器的d端口与环形器的a端口连接，环形器的c端口与样品连接，环形器的b端口与第四耦合器的a端口连接，第四耦合器的d端口与平衡探测器的a端口连接，第二耦合器的c端口通过第一光放大器与光栅色散型载频器的d端口连接，光栅色散型载频器的a端口与第二耦合器b端口连接，第二耦合器、第一光放大器和光栅色散型载频器组成样品臂的环腔，第三耦合器的c端口与第四耦合器的b端口连接，第四耦合器的c端口与平衡探测器的b端口连接，第三耦合器的d端口通过第二光放大器与光栅色散型载频器的c端口连接，光栅色散型载频器的b端口与第二耦合器的a端口连接，第三耦合器、第二光放大器和光栅色散型载频器组成参考臂的环腔，平衡探测器与带有数据采集卡的计算机连接；参考臂的环腔的光程长度大于样品臂的环腔的光程长度，二者的光程差小于光源相干长度。

2.根据权利要求1所述的基于光循环与谱域载频的超大量程间距测量系统，其特征在于：所述的光栅色散型载频器包括第一准直镜、第二准直镜、第三准直镜、第四准直镜、光栅、傅立叶变换透镜、反射镜；

光栅位于傅立叶变换透镜的前焦面侧，且光栅的表面垂直于傅立叶变换透镜的光轴，反射镜位于傅立叶变换透镜的后焦面侧，第一准直镜、第三准直镜与光轴的夹角，使得光的中心波长沿傅立叶变换透镜的光轴方向衍射；同时通过使反射镜与光栅的垂轴面构成夹角，使经过光栅色散型载频器的光的各个光谱成分中引入一个随波数线性变化的相位量。

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