CN102645172B - 共路oct超大量程间距测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种共路OCT超大量程间距测量系统和方法。在扫频光学相干层析成像系统中设置增益补偿型保偏光纤光循环腔，并基于保偏光纤的双折射效应，实现P通道光和S通道光在同一保偏光纤中不同历经光程的光循环。基于P通道光与S通道光之间光程差的极高速步进式改变，实现超大量程范围内不同深度区域样品光与参考光的低相干干涉。基于保偏光纤光循环腔中电光调制器对P通道光与S通道光的不同载频，实现超大量程范围内不同深度区域干涉信号的编码。在样品表面前设置波片，实现参考光与样品光的共路，采用偏振分光的双通道平衡探测，实现干涉信号中直流项的共模抑制。本发明结构紧凑、稳定性高，有效提高了干涉信号的量化精度和动态范围。
Description
技术领域
本发明属于光学相干测量，具体涉及一种共路OCT超大量程间距测量系统和方法。
背景技术
现代光学系统内部各个透镜的间距是决定光学系统性能的关键指标，直接影响光学系统的成像质量。因此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，然而该系统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、且测量精度容易受到温度变化、振动等外界因素的影响。因此为了提高测量速度、尽量减少测量系统对机械移动的依赖，傅立叶域光学相干层析技术(Fourier Domain Optical Coherence Tomography, FDOCT)被应用于光学系统内透镜之间间距的测量。
傅立叶域光学相干层析技术(FDOCT)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)两类。SDOCT选用宽带光源和快速多通道光谱仪，SSOCT选用快速扫频激光光源和平衡探测器。当探测器获得干涉光谱信号后，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。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。这些方法能够有效提高FDOCT系统的间距测量精度，但最大量程在SDOCT中受限于多通道光谱仪的光谱分辨率或者在SSOCT中受限于扫频光源的瞬时线宽。
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系统中采用光开关切换的双参考臂，并通过位相调制方法消除镜像，进而拓展SDOCT系统量程的方法。该方法虽然能够起到增大SDOCT系统的量程，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。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。该方法由于样品光和参考光的光循环相分离， 因此外界环境变化诸如震动，温度等因素，均会给OCT信号带来误差；再者，由于光循环分离带来的散射及偏振对OCT信号的干扰，从而需在OCT系统中需加入散射及偏振补偿机构，对散射及偏振进行补偿。
基于克服参考光和样品光光路分离所带来的影响，美国Southwest Sciences的Andrei B. Vakhtin，Johns Hopkins University 的 U. Sharma以及英国 University of St. Andrews 的 K. M. Tan 等人提出了基于 Fizeau 干涉仪的共路FDOCT技术。由于参考光和样品光共路，该系统在一定程度上自动补偿了由于光路中光学原件带来的色散及偏振效应，且该系统结构简单，当改变样品光的有效光程时，参考光的有效光程也随之改变，因而无需对另一路光的光程做有效补偿。参考光与样品光的共路也增加了干涉仪的稳定性，降低了系统对外界环境诸如震动因素的影响。但该类共路系统最大量程仍然受到了FDOCT系统量程的限制。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种共路OCT超大量程间距测量系统和方法。
共路OCT超大量程间距测量系统包括扫频光源、偏振控制器、光纤连接器、增益补偿型保偏光纤光循环腔、环形器、偏振分光器、样品检测单元、平衡探测器和带有数据采集卡的计算机。耦合器、偏振无关型半导体光放大器和电光调制器组成增益补偿型保偏光纤光循环腔；准直镜、四分之一波片、待测透镜组构成样品检测单元。
扫频光源通过偏振控制器和光纤连接器与耦合器的一侧的一个端口连接，耦合器另一侧的一个端口通过电光调制器和偏振无光型半导体光放大器与耦合器一侧的另一个端口连接，环形器的一个端口与耦合器的另一侧的另一个端口连接，环形器的另一个端口与样品检测单元连接，环形器的又一个端口与偏振分光器的一个端口连接，偏振分光器的另一个端口与平衡探测器的一个端口连接，偏振分光器的又一个端口与平衡探测器的另一个端口连接，平衡探测器与带有数据采集卡的计算机相连接。
共路OCT超大量程间距测量方法包括如下步骤：
步骤（1）: 扫频光源出来的光首先进入偏振控制器，通过偏振控制器调整偏振态，形成与保偏光纤快轴成45o角的线偏振光。该线偏振光等强度激发保偏光纤的特征轴，在保偏光纤中形成P通道光和S通道光，P通道光偏振方向为慢轴方向和S通道光偏振方向为快轴方向；
步骤（2）：基于保偏光纤的双折射效应，在扫频光学相干系统中设置增益补偿型保偏光纤光循环腔，实现P通道光和S通道光在同一保偏光纤中不同历经光程的光循环。在增益补偿型保偏光纤光循环腔中，两通道光的历经光程差 
,式中
、
分别为保偏光纤慢轴和快轴的折射率，
为增益补偿型保偏光纤光循环腔中保偏光纤的长度。经过多次极高速的循环，P通道光与S通道光之间的光程差将产生步进式改变。实现超大量程范围内不同深度区域样品光和参考光的低相干干涉。并在增益补偿型保偏光纤光循环腔中设置电光调制器，基于保偏光纤光循环腔中电光调制器对P通道光和S通道光的不同载频，实现超大量程范围内不同深度区域干涉信号的空间编码，且在增益补偿型保偏光纤光循环腔中设置偏振无关型半导体光放大器补偿循环过程中的光能量损失；
步骤（3）：产生步进式光程差改变的P通道光和S通道光进入样品检测单元。准直镜和样品间设置四分之一波片，从保偏光纤出射的两种偏振态光，经准直镜准直后射入前表面镀有半透半反薄膜的四分之一波片后，P通道光和S通道光被分为前表面反射的参考光P1光和S1光以及透射的样品光P2光和S2光，P2光和S2光射入待测透镜组，各个透镜端面反射回来的P2光和S2光沿原光路再次依次经过四分之一波片和准直镜后返回保偏光纤。由于P2光和S2光两次经过四分之一波片，因此P2光变为偏振方向沿快轴的S3光，而S2光变为偏振方向沿慢轴的P3光。此时参考光P1光和样品光P3光都在P通道，参考光S1光和样品光S3光都在S通道。由于S通道光信号的零光程面沿光传播相反方向成步进式移动，因此S通道信号将不存在干涉信号，只保留直流信号。而P通道光信号的零光程面沿光传播方向成步进式移动，P通道参考光P1光和样品光P3光将产生干涉，P通道将存在干涉信号和直流信号。
步骤（4）：在平衡探测器前设置偏振分光器，区分样品检测单元反射回来的光信号为P通道和S通道，P通道光信号和S通道光信号分别进入平衡探测器的两个接收端，由于此时S通道光只存在直流项，经过平衡探测器后端电路相减的处理，实现P通道干涉信号中直流项的共模抑制，能够有效提高干涉信号的量化精度和动态范围。
步骤（5）：对偏振分光双通道平衡探测后得到的不同载频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。
本发明具有的有益效果是：
1、提出了基于保偏光纤的双折射效应构建增益补偿型保偏光纤光循环腔的方法：基于P通道光（偏振方向沿保偏光纤的慢轴方向）和S通道光（偏振方向沿保偏光纤的快轴方向）在特定长度保偏光纤的传输，形成固定的光程差，构建增益补偿型保偏光纤光循环腔。
2、提出干涉信号直流项消除的方法：由于S通道光信号的零光程面沿光传播相反地方向成步进式移动，因此当样品放置于四分之一波片的右端时，S通道信号将不存在干涉项，只保留直流项。利用这一特征，在平衡探测器前设置偏振分光器，区分P通道和S通道，P通道光信号和S通道光信号分别进入平衡探测器的两个接收端，经过平衡探测器后端电路相减的处理，能够实现P通道干涉信号中直流项的共模抑制，有效提高了干涉信号的量化精度和动态范围。
3、与样品光和参考光光循环相分离的SSOCT相比较，此方法样品光和参考光共路，能较好的克服传统 OCT 技术中由于样品光和参考光光路相分离所带来的误差，减少外界环境诸如震动，温度等对系统的影响。另外只需设置一个固定的光循环腔，无需精确校正两光循环腔间的间距，无需克服两光路间色散、偏振等因素对OCT信号的影响。
附图说明
图1是本发明一种共路OCT超大量程间距测量系统和方法示意图；
图2是本发明电光调制器加载频原理示意图；
图3是本发明干涉信号生成示意图；
图4是本发明的空间编码原理示意图。
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，本发明包括扫频光源1、偏振控制器2、光纤连接器3、耦合器4、电光调制器5、偏振无关型半导体光放大器6、环形器7、样品检测单元8、偏振分光器9、平衡探测器10、带有数据采集卡的计算机11、第一保偏光纤15、铌酸锂电光晶体16、第二保偏光纤17，耦合器4、电光调制器5和偏振无关型半导体光放大器6组成增益补偿型保偏光纤光循环腔；准直镜12、四分之一波片13和待测透镜组14组成样品检测单元8。
扫频光源1通过偏振控制器2和光纤连接器3与耦合器4的a端口连接，耦合器4的c端口通过电光调制器5和偏振无光型半导体光放大器6与耦合器4自身的d端口连接，环形器7的a端口与耦合器的b端口连接，环形器的b端口与样品检测单元8连接，环形器7的c端口与偏振分光器9的a端口连接，偏振分光器9的b端口与平衡探测器10的a端口连接，偏振分光器9的c端口与平衡探测器10的b端口连接，平衡探测器10与带有数据采集卡的计算机11相连接。
扫频光源1出来的光先进入偏振控制器2，形成与保偏光纤快轴成45o角的线偏振光，该线偏振光经过光纤连接线3由普通单模光纤耦合进保偏光纤，等强度激发保偏光纤的特征轴形成P通道光和S通道光。第一次从耦合器4出来的部分光通过环行器7进入样品检测单元8，经样品端面反射后，P通道光和S通道光再次经过环行器7到达偏振分光器9；另一部分光经过电光调制器5和偏振无关型半导体光放大器6后返回耦合器4。第二次进入耦合器4的光同样被分成两部分，分别沿着上述路径到达偏振分光器9和第三次进入耦合器4。第N-1次进入耦合器4的光也沿上述路径分别进入偏振分光器9和第N次进入耦合器4。上述所有进入偏振分光器9的光，区分P通道和S通道，P通道光信号和S通道光信号分别进入平衡探测器10的两个接收端，由于此时的S通道信号只存在直流项，因此经过平衡探测器10后端电路相减的处理，能够实现P通道干涉信号中直流项的共模抑制，有效提高了干涉信号的量化精度和动态范围。通过带有数据采集卡的计算机11的处理，得到高精度大量程样品结构信息。图1中实线为光纤连接线，虚线为电路连接线，其中带有三角箭头的实线为保偏光纤，没有箭头的实线为普通单模光纤。
如图2所示为电光调制器加载频的原理示意图。第一保偏光纤15的慢轴、铌酸锂电光晶体16的Z轴即
的方向、以及第二保偏光纤17的慢轴两两平行，根据电光相位调制原理并结合组合调制器的方法，P通道光和S通道光之间的相位差
，
、分别为电光晶体的长度和厚度，
为外加电压振幅，
、
分别为电光晶体e光和o光的折射率，
为光波长，
、
为电光晶体的非线性系数。若输入光场
，
为光场振幅，
为光场角频率。外加电压
为外加电压的角频率，则输出光场
，
为相位调制系数。
如图3所示为本发明的干涉信号生成示意图，结合图1共路OCT超大量程间距测量系统和方法示意图中的样品检测单元说明干涉信号的产生。当待测透镜组放置于四分之一波片的右半边时，从保偏光纤出射的两种偏振态光，经准直镜12准直后射入前表面镀有半透半反薄膜的四分之一波片13，P通道光和S通道光此时被分为前表面反射的参考光P1光和S1光以及透射的样品光P2光和S2光，P2光和S2光射入待测透镜组14，各个透镜端面反射回来的P2光和S2光沿原光路再次依次经过四分之一波片13和准直镜12后返回保偏光纤。由于P2光和S2光两次经过四分之一波片13，因此P2光变为偏振方向沿快轴的S3光，而S2光变为偏振方向沿慢轴的P3光。此时参考光P1光和样品光P3光都在P通道，参考光S1光和样品光S3光都在S通道，在有效干涉范围内，P通道参考光P1光和样品光P3光产生干涉，P通道将存在干涉信号和直流信号；相反参考光S1光和样品光S3光不会产生干涉，S通道将只有直流信号。具体原理将结合图4在下面说明。图3中的各光路实际上是重合的，这里为了说明方便，特意把它们区分开。
如图4所示是本发明的空间编码原理示意图，结合图1共路OCT超大量程间距测量系统和方法示意图以及图3干涉信号生成示意图说明P通道信号包涵干涉项和直流项，S通道信号只包涵直流项的原理。如图1，设主光路上保偏光纤的长度为
，增益补偿型保偏光纤光循环腔中保偏光纤的长度
，此时主光路上P通道光和S通道光的光程差为,增益补偿型保偏光纤光循环腔中光程差为
,式中
、
分别为保偏光纤慢轴和快轴的折射率。以波长
, 拍长
的熊猫型保偏光纤为例，其折射率差为
，则需要光程差8 mm时，需要的保偏光纤光纤的特定长度约为24.6 m。设光传播方向为正向，当以P1光为参考光时，主光路零光程面距离四分之一波片的前表面距离为；经过增益补偿型保偏光纤光循环腔一次，该零光程位置沿z轴方向平移；因此深度区域也相应地发生了平移。以此类推，当经过增益补偿型保偏光纤光循环腔N次后，零光程位置沿z轴平移
；相反当以S1光为参考光时，主光路零光程面距离四分之一波片的前表面距离为
；经过增益补偿型保偏光纤光循环腔一次，该零光程位置沿-z轴方向平移
；因此深度区域也相应地发生了平移。以此类推，当经过增益补偿型保偏光纤光循环腔N次后，零光程位置沿-z轴平移
。实际应用中，由于待测透镜组如图1所示将位于波片的右半边，因此参考光应为P1光。图4虚线框中S通道的干涉信号以及图3虚线框中S1光和S3光的干涉将不存在，因此S通道信号将只保留有直流项， P通道存在干涉项和直流项。利用偏振分光器区分P通道和S通道，加上平衡探测器电路的后端相减处理，能够实现P通道检测信号直流项的共模抑制，有效提高了干涉信号的量化精度和动态范围。图中实际只有一个四分之一波片，为了说明方便分成两个。
如图4所示是本发明的空间编码原理示意图，扫频OCT系统通过单点探测仪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。另外设扫频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P通道样品空间z轴上实线所示。z'为干涉光谱信号编码空间的坐标，由于不通过增益补偿型保偏光纤光循环腔，参考光P通道光和样品光S通道光将未经过电光调制器的载频，因此其干涉信号中的干涉项与通常的扫频OCT系统相同，干涉光谱信号即为：
其中，
为波数，
为干涉光谱强度，
为光源功率谱密度函数，
为四分之一波片前表面反射率，
为样品深度
处的反射率，
为样品深度
处的位相，
为光源的瞬时光谱线宽，
代表光源归一化的瞬时相关函数。
如图中P通道样品空间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
。实际测量中，取
，如图中z轴上虚线所示。对于一次通过增益补偿型保偏光纤光循环腔的参考光P通道光和样品光S通道光，由于通过了一次电光调制器的载频，因此在干涉信号中叠加了载频
。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，为了说明的简便，对于线性扫频光源：例如
，
为扫频光源的初始波数，
为扫频光源t时刻的波数，为扫频光源单位时刻的波数改变量。此时干涉光谱信号中的干涉项可以表示为：
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：
即为用于空间编码的载频量。
特别的，当
时，
因此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。
Claims (2)
1.共路OCT超大量程间距测量系统，其特征在于：包括扫频光源、偏振控制器、光纤连接器、增益补偿型保偏光纤光循环腔、环形器、偏振分光器、样品检测单元、平衡探测器和带有数据采集卡的计算机，耦合器、偏振无关型半导体光放大器和电光调制器组成增益补偿型保偏光纤光循环腔；准直镜、四分之一波片、待测透镜组构成样品检测单元；
扫频光源通过偏振控制器和光纤连接器与耦合器的一侧的一个端口连接，耦合器另一侧的一个端口通过电光调制器和偏振无光型半导体光放大器与耦合器一侧的另一个端口连接，环形器的一个端口与耦合器的另一侧的另一个端口连接，环形器的另一个端口与样品检测单元连接，环形器的又一个端口与偏振分光器的一个端口连接，偏振分光器的另一个端口与平衡探测器的一个端口连接，偏振分光器的又一个端口与平衡探测器的另一个端口连接，平衡探测器与带有数据采集卡的计算机相连接。
2.共路OCT超大量程间距测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤（1）:扫频光源出来的光首先进入偏振控制器，通过偏振控制器调整偏振态，形成与保偏光纤快轴成45°角的线偏振光，该线偏振光等强度激发保偏光纤的特征轴，在保偏光纤中形成P通道光和S通道光，P通道光偏振方向为慢轴方向和S通道光偏振方向为快轴方向；
步骤（2）：基于保偏光纤的双折射效应，在扫频光学相干系统中设置增益补偿型保偏光纤光循环腔，实现P通道光和S通道光在同一保偏光纤中不同历经光程的光循环，在增益补偿型保偏光纤光循环腔中，两通道光的历经光程差Δz＝(ns-nf)L,式中ns、nf分别为保偏光纤慢轴和快轴的折射率，L为增益补偿型保偏光纤光循环腔中保偏光纤的长度，经过多次极高速的循环，P通道光与S通道光之间的光程差将产生步进式改变，实现超大量程范围内不同深度区域样品光和参考光的低相干干涉，并在增益补偿型保偏光纤光循环腔中设置电光调制器，基于保偏光纤光循环腔中电光调制器对P通道光和S通道光的不同载频，实现超大量程范围内不同深度区域干涉信号的空间编码，且在增益补偿型保偏光纤光循环腔中设置偏振无关型半导体光放大器补偿循环过程中的光能量损失；
步骤（3）：产生步进式光程差改变的P通道光和S通道光进入样品检测单元，准直镜和样品间设置四分之一波片，从保偏光纤出射的两种偏振态光，经准直镜准直后射入前表面镀有半透半反薄膜的四分之一波片后，P通道光和S通道光被分为前表面反射的参考光P1光和S1光以及透射的样品光P2光和S2光，P2光和S2光射入待测透镜组，各个透镜端面反射回来的P2光和S2光沿原光路再次依次经过四分之一波片和准直镜后返回保偏光纤，由于P2光和S2光两次经过四分之一波片，因此P2光变为偏振方向沿快轴的S3光，而S2光变为偏振方向沿慢轴的P3光，此时参考光P1光和样品光P3光都在P通道，参考光S1光和样品光S3光都在S通道，由于S通道光信号的零光程面沿光传播相反方向成步进式移动，因此S通道信号将不存在干涉信号，只保留直流信号，而P通道光信号的零光程面沿光传播方向成步进式移动，P通道参考光P1光和样品光P3光将产生干涉，P通道将存在干涉信号和直流信号；
步骤（4）：在平衡探测器前设置偏振分光器，区分样品检测单元反射回来的光信号为P通道和S通道，P通道光信号和S通道光信号分别进入平衡探测器的两个接收端，由于此时S通道光只存在直流项，经过平衡探测器后端电路相减的处理，实现P通道干涉信号中直流项的共模抑制，能够有效提高干涉信号的量化精度和动态范围；
步骤（5）：对偏振分光双通道平衡探测后得到的不同载频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。
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