CN103090808A - 一种基于光谱位相的高精度大量程间距测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光谱位相的高精度大量程间距测量方法及系统。该系统能够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和不同区域干涉信号的空间编码，并结合相位敏感型OCT技术，通过增加MZI构成的标定单元，实现大量程高精度的间距测量。该系统由于采集卡同步采样两个单元的干涉光谱信号，因而确保了两个单元中扫频光源起始波数和非线性光谱采样的一致性。利用基于光谱位相的方法，不需对每个扫频周期的标定干涉光谱信号进行等波数间隔标定，缩短了数据处理时间，且能够大大降低扫频光源抖动对系统稳定性的影响。该方法简单，能实现实时处理，且不用添加额外的较复杂器件，易于实现。
Description
技术领域
本发明属于光学相干测量领域，具体涉及一种基于光谱位相的高精度大量程间距测量方法及系统。
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。在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。其最大测量范围在SDOCT中主要受限于多通道光谱仪的光谱分辨率；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范围，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，但由于多参考臂的设置增加了系统的复杂度，并且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。另外Adrian Bradu、Liviu Neagu等人提出通过声光频移器加载频，同时在样品臂和参考臂中使用环腔产生零光程位置不同的多组干涉信号，从而实现大量程光学间距测量的方法。该方法虽然有效拓展了SSOCT的测量量程，拓展的范围主要依赖于光信号在环腔中的循环次数，然而该方案只是考虑如何拓展SSOCT的干涉探测范围，无法实现高精度的定量间距测量。
为了实现高精度的定量间距测量需要采用相位敏感型OCT技术，该技术能够同时测量干涉信号的幅度和相位，进而通过相位信息实现亚微米级的测量精度。然而扫频干涉光谱k空间的非线性采样以及初始波数的不确定性会对位相探测的精度和稳定性造成极大的影响。因此为了提高相位敏感型扫频OCT技术中相位探测的精度，国外有多个研究小组提出了改进方案：对于扫频干涉光谱k空间的非线性采样的改进主要有两种：分别是基于MZI的实时均匀频率时钟方法以及基于MZI的干涉光谱相位标定方法；对于光源波数稳定性的改进：美国麻省理工大学的J. G. Fujimoto研究小组采用新型的缓冲傅立叶域锁模（buffered Fourier domain mode-locked, FDML）扫频激光光源来提高光源的光谱稳定性从而保证系统位相探测的稳定性。Houston大学的R. K. Manapuram等人利用窄带光纤布拉格光栅（fiber bragger grating, FBG）产生可调谐的TTL信号来动态触发数字采集卡，从而实现光源波数和数据采集的良好同步，减少采样时间延迟引起的相位跳变噪声。Colorado大学的E. D. Moore等人提出自参考的扫频相位灵敏干涉仪来衡量绝对距离，其利用附加干涉仪来检测扫频光源的瞬时频率从而实时的校准采样间距，附加干涉仪的频率监测精度需要通过高光谱精度（0.1pm量级）的气体吸收池来实现。上述这些方法虽然能够比较好的改进扫频光源初始波数的不确定性，但是都存在固有的缺点，需要引入较为复杂的器件。
发明内容
本发明的针对现有技术的不足，提出了一种基于光谱位相的高精度大量程间距测量方法及系统，该系统分别设置有间距测量单元和标定单元：间距测量单元用于实现大量程范围内不同区域样品光与参考光的低相干干涉和不同区域干涉信号的空间编码；标定单元用于产生具有固定光程差（optical path difference, OPD）的干涉光谱信号；采集卡同步采样两个单元的干涉光谱信号，确保两个单元中扫频光源起始波数和非线性光谱采样的一致性，因而首先比较样品待测界面干涉信号的解包裹相位与MZI标定干涉信号的解包裹相位，进而通过已知MZI的OPD值精确得到该界面的OPD值，最后通过空间解码实现大量程间距的高精度测量。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种基于光谱位相的高精度大量程间距测量方法，在通常的扫频光学相干层析成像系统的间距测量单元中，设置不同载频量，不同光程失配量的增益补偿型循环腔；并增加马赫曾德型干涉仪所构成的标定单元。该标定单元能够产生具有固定OPD 的干涉光谱信号，首先比较样品待测界面的解包裹相位与MZI标定干涉信号的解包裹相位，进而通过已知MZI的OPD值精确得到该界面的OPD值，最后通过空间解码实现大量程间距的高精度测量。该方法的具体步骤如下：
1）在扫频光学相干层析成像系统中，设置间距测量单元和标定单元，间距测量单元的样品臂和参考臂中分别设置有不同载频量的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极高速步进，实现大量程范围内不同区域样品光和参考光的低相干干涉，并由于两臂不同载频量的作用，实现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。
2）标定单元由马赫曾德型干涉仪构成，将扫频光源发出的光分出一部分进入该标定单元，失配马赫曾德型干涉仪中两臂光纤的长度，产生具有固定光程差的干涉光谱信号，并且该光程差在样品间距测量的过程中有着良好的稳定性。
3）通过高速数据采集卡同步采样间距测量单元和标定单元的干涉光谱信号，并传输到计算机的内存中进行数据处理。
4）对间距测量单元所测得的干涉光谱信号依照傅里叶变换、滤波、移除载频、逆傅里叶变换的顺序进行信号处理，能够得到待测界面的干涉光谱信号。对该待测界面的干涉光谱信号进行数字希尔伯特变换后，求取该待测界面干涉光谱信号的解包裹相位。由于采集卡同步采样两个单元的干涉光谱信号，确保了两个单元中扫频光源起始波数和非线性光谱采样的一致性，因此通过比较该解包裹相位与MZI标定干涉信号的解包裹相位，能够精确得到该待测界面的OPD值。
5）最后对待测界面所得到的OPD值通过空间解码实现大量程间距的高精度测量。
一种基于光谱位相的高精度大量程间距测量系统，包括扫频光源,第一宽带光纤耦合器，第二宽带光纤耦合器，第三宽带光纤耦合器，第四宽带光纤耦合器，第五宽带光纤耦合器，第六宽带光纤耦合器，第七宽带光纤耦合器，第八宽带光纤环形器，第九宽带光纤环形器，第一声光频移器，第二声光频移器，第一半导体光放大器，第二半导体光放大器，第一光隔离器，第二光隔离器，第一偏振控制器，第二偏振控制器，第三偏振控制器，第四偏振控制器，光程延迟线，第一光纤准直器，第二光纤准直器，待测样品，透镜，反射镜，产生固定光程差的光纤，第一高带宽平衡光电探测器，第二高带宽平衡光电探测器，高速数据采集卡，计算机。
扫频光源通过第一宽带光纤耦合器分别与间距测量单元中的第二宽带光纤耦合器输入端、标定单元中的第三宽带光纤耦合器的输入端相连接。所述标定单元：第三宽带光纤耦合器的两个输出端分别与产生固定光程差的光纤的输入端和第四宽带光纤耦合器的其中一个输入端相连接，产生固定光程差的光纤的输出端与第四宽带光纤耦合器另一输入端相连接，第四宽带光纤耦合器的两个输出端分别连接第一高带宽平衡光电探测器的两个输入端，第一高带宽平衡光电探测器的电路输出端与高速数据采集卡的其中一个输入信号通道相连接。所述间距测量单元：第二宽带光纤耦合器的两个输出端分别与第五宽带光纤耦合器和第六宽带光纤耦合器的其中一个输入端相连接，第五宽带光纤耦合器的其中一个输出端连接第一声光频移器的输入端，第一声光频移器的输出端连接第一半导体光放大器的输入端，第一半导体光放大器的输出端连接第一光隔离器的输入端，第一光隔离器的输出端连接第一偏振控制器的输入端，第一偏振控制器的输出端与第五宽带光纤耦合器的另一输入端相连接，构成样品臂的增益补偿型光程失配循环腔，第五宽带光纤耦合器的另一输出端连接第一宽带光纤环形器的输入端，第一宽带光纤环形器的第一输出端连接第一光纤准直器的输入端，第一宽带光纤环形器的第二输出端连接第二偏振控制器的输入端，第二偏振控制器的输出端连接第七宽带光纤耦合器的其中一个输入端；第六宽带光纤耦合器的其中一个输出端连接第二声光频移器的输入端，第二声光频移器的输出端连接第二半导体光放大器的输入端，第二半导体光放大器的输出端连接第二光隔离器的输入端，第二光隔离器的输出端连接第三偏振控制器的输入端，第三偏振控制器的输出端连接光程延迟线的输入端，光程延迟线的输出端与第六宽带光纤耦合器的另一输入端相连接，构成参考臂的增益补偿型光程失配循环腔，第六宽带光纤耦合器的另一输出端连接第二宽带光纤环形器的输入端，第二宽带光纤环形器的第一输出端连接第二光纤准直器的输入端，第二宽带光纤环形器的第二输出端连接第四偏振控制器的输入端，第四偏振控制器的输出端连接第七宽带光纤耦合器的另一输入端；第七宽带光纤耦合器的两个输出端分别连接第二高带宽平衡光电探测器的两个输入端，第二高带宽宽带平衡光电探测器的电路输出端与高速数据采集卡的另一输入信号通道相连接。扫频光源的触发信号输出端与高速数据采集卡触发信号输入端相连接。
扫频光源发出的低相干光进入第一宽带光纤耦合器后，一部分光进入标定单元，另一部分光进入间距测量单元。进入标定单元的光经过第三宽带光纤耦合器后分成两路，其中一路光经过产生固定光程差的光纤后耦合回第四宽带光纤耦合器，另一路光直接耦合回第四宽带光纤耦合器，进入第四宽带光纤耦合器的两路光产生干涉并由第一高带宽平衡光电探测器进行探测；进入间距测量单元的光通过第二宽带光纤耦合器分成两路，其中一路光进入第五宽带光纤耦合器，另一路光进入第六宽带光纤耦合器：进入第五宽带光纤耦合器的光分出一部分光进入第一宽带光纤环形器的输入端，进入第一宽带光纤环形器的光通过第一输出端进入第一光纤准直器后射入待测样品，从待测样品反射回来的光在依次经过第一宽带光纤环形器的第一输出端、第二输出端和第二偏振控制器后，由第二偏振控制器进入第七宽带光纤耦合器。从第五宽带光纤耦合器输出的另一部分光通过第一声光频移器、第一半导体光放大器、第一光隔离器和第一偏振控制器后第二次进入第五宽带光纤耦合器，第二次进入第五宽带光纤耦合器的光同样被分成两部分，分别沿着上述路径到达第七宽带光纤耦合器和第三次进入第五宽带光纤耦合器，以此类推，第N-1进入第五宽带光纤耦合器的光也沿上诉路径到达第七宽带光纤耦合器和第N次进入第五宽带光纤耦合器；同样的进入第六宽带光纤耦合器的光也分出一部分光通过第二宽带光纤环形器输出端，进入第二宽带光纤环形器的光通过第一输出端进入第二光纤准直器后射入透镜和反射镜，反射回来的光在依次经过第二宽带光纤环形器的第一输出端、第二输出端和第四偏振控制器后，由第四偏振控制器进入第七宽带光纤耦合器。从第六宽带光纤耦合器输出的另一部分光通过第二声光频移器、第二半导体光放大器、第二光隔离器、第三偏振控制器和光程延迟线后第二次进入第六宽带光纤耦合器，第二次进入第六宽带光纤耦合器的光同样被分成两部分，分别沿着上述路径到达第七宽带光纤耦合器和第三次进入第六宽带光纤耦合器，以此类推，第N-1进入第六宽带光纤耦合器的光也沿上诉路径到达第七宽带光纤耦合器和第N次进入第六宽带光纤耦合器。上述所有进入第七宽带光纤耦合器的光发生干涉，干涉信号经第二高带宽平衡光电探测器探测，两路测量单元所测得的干涉信号被高速数据采集卡同步采集，采集到的信号传输到计算机的内存中进行数据处理，高速数据采集卡的触发信号由扫频光源产生，图中实线部分为光纤，点划线部分为电路连接线。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
1.拓展了扫频光学相干层析成像系统的量程，并结合相位敏感型OCT技术，通过增加MZI构成的标定单元，实现了大量程高精度的间距测量。 2.基于光谱位相的方法，不需对每个扫频周期的标定干涉光谱信号进行等波数间隔标定，缩短了数据处理时间。3.基于光谱位相的方法能够大大降低扫频光源抖动对系统稳定性的影响。4.算法简单，能实现实时处理，且不用添加额外的较复杂器件，易于实现。
附图说明
图1是本发明的基于光谱位相的高精度大量程间距测量系统；
图2是本发明的信号处理流程图；
图3是本发明基于光谱位相方法求得样品间距的实际效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例子对本发明作进一步的说明。
本发明一种基于光谱位相的高精度大量程间距测量方法，在通常的扫频光学相干层析成像系统的间距测量单元中，设置不同载频量，不同光程失配量的增益补偿型循环腔；并增加马赫曾德型干涉仪所构成的标定单元。该标定单元能够产生具有固定OPD 的干涉光谱信号，首先比较样品待测界面的解包裹相位与MZI标定干涉信号的解包裹相位，进而通过已知MZI的OPD值精确得到该界面的OPD值，最后通过空间解码实现大量程间距的高精度测量。该方法的具体步骤如下：
1）在扫频光学相干层析成像系统中，设置间距测量单元和标定单元，间距测量单元的样品臂和参考臂中分别设置有不同载频量的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极高速步进，实现大量程范围内不同区域样品光和参考光的低相干干涉，并由于两臂不同载频量的作用，实现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。
2）标定单元由马赫曾德型干涉仪构成，将扫频光源发出的光分出一部分进入该标定单元，失配马赫曾德型干涉仪中两臂光纤的长度，产生具有固定光程差的干涉光谱信号，并且该光程差在样品间距测量的过程中有着良好的稳定性。
3）通过高速数据采集卡同步采样间距测量单元和标定单元的干涉光谱信号，并传输到计算机的内存中进行数据处理。
4）对间距测量单元所测得的干涉光谱信号依照傅里叶变换、滤波、移除载频、逆傅里叶变换的顺序进行信号处理，能够得到待测界面的干涉光谱信号。对该待测界面的干涉光谱信号进行数字希尔伯特变换后，求取该待测界面干涉光谱信号的解包裹相位。由于采集卡同步采样两个单元的干涉光谱信号，确保了两个单元中扫频光源起始波数和非线性光谱采样的一致性，因此通过比较该解包裹相位与MZI标定干涉信号的解包裹相位，能够精确得到该待测界面的OPD值。
5）最后对待测界面所得到的OPD值通过空间解码实现大量程间距的高精度测量。
如图1所示，本发明包括扫频光源1,宽带光纤耦合器2、标定单元，间距测量单元，高速数据采集卡30以及计算机31。所述的标定单元包括宽带光纤耦合器26，宽带光纤耦合器29，产生固定光程差的光纤27，高带宽平衡光电探测器29；所述间距测量单元包括宽带光纤耦合器3，宽带光纤耦合器4，宽带光纤耦合器9，宽带光纤耦合器24，宽带光纤环形器15，宽带光纤环形器18，声光频移器5，声光频移器10，半导体光放大器6，半导体光放大器11，光隔离器7，光隔离器12，偏振控制器8，偏振控制器13，偏振控制器22，偏振控制器23，光程延迟线14，光纤准直器16，光纤准直器19，待测样品17，透镜20，反射镜21以及高带宽平衡光电探测器25。
扫频光源1通过第一宽带光纤耦合器2分别与间距测量单元中的第二宽带光纤耦合器3输入端、标定单元中的第三宽带光纤耦合器26的输入端相连接。所述标定单元：第三宽带光纤耦合器26的两个输出端分别与产生固定光程差的光纤27的输入端和第四宽带光纤耦合器28的其中一个输入端相连接，产生固定光程差的光纤27的输出端与第四宽带光纤耦合器28另一输入端相连接，第四宽带光纤耦合器28的两个输出端分别连接第一高带宽平衡光电探测器29的两个输入端，第一高带宽平衡光电探测器29的电路输出端与高速数据采集卡30的其中一个输入信号通道相连接。所述间距测量单元：第二宽带光纤耦合器3的两个输出端分别与第五宽带光纤耦合器4和第六宽带光纤耦合器9的其中一个输入端相连接，第五宽带光纤耦合器4的其中一个输出端连接第一声光频移器5的输入端，第一声光频移器5的输出端连接第一半导体光放大器6的输入端，第一半导体光放大器6的输出端连接第一光隔离器7的输入端，第一光隔离器7的输出端连接第一偏振控制器8的输入端，第一偏振控制器8的输出端与第五宽带光纤耦合器4的另一输入端相连接，构成样品臂的增益补偿型光程失配循环腔，第五宽带光纤耦合器4的另一输出端连接第一宽带光纤环形器15的输入端，第一宽带光纤环形器15的第一输出端连接第一光纤准直器16的输入端，第一宽带光纤环形器15的第二输出端连接第二偏振控制器22的输入端，第二偏振控制器22的输出端连接第七宽带光纤耦合器24的其中一个输入端；第六宽带光纤耦合器9的其中一个输出端连接第二声光频移器10的输入端，第二声光频移器10的输出端连接第二半导体光放大器11的输入端，第二半导体光放大器11的输出端连接第二光隔离器12的输入端，第二光隔离器12的输出端连接第三偏振控制器13的输入端，第三偏振控制器13的输出端连接光程延迟线14的输入端，光程延迟线14的输出端与第六宽带光纤耦合器9的另一输入端相连接，构成参考臂的增益补偿型光程失配循环腔，第六宽带光纤耦合器9的另一输出端连接第二宽带光纤环形器18的输入端，第二宽带光纤环形器18的第一输出端连接第二光纤准直器19的输入端，第二宽带光纤环形器18的第二输出端连接第四偏振控制器23的输入端，第四偏振控制器23的输出端连接第七宽带光纤耦合器24的另一输入端；第七宽带光纤耦合器24的两个输出端分别连接第二高带宽平衡光电探测器25的两个输入端，第二高带宽宽带平衡光电探测器25的电路输出端与高速数据采集卡30的另一输入信号通道相连接。扫频光源1的触发信号输出端与高速数据采集卡30触发信号输入端相连接。图中实线部分为光纤，点划线部分为电路连接线。
扫频光源1发出的低相干光进入第一宽带光纤耦合器2后，一部分光进入标定单元，另一部分光进入间距测量单元。进入标定单元的光经过第三宽带光纤耦合器26后分成两路，其中一路光经过产生固定光程差的光纤27后耦合回第四宽带光纤耦合器28，另一路光直接耦合回第四宽带光纤耦合器28，进入第四宽带光纤耦合器28的两路光产生干涉并由第一高带宽平衡光电探测器29进行探测；进入间距测量单元的光通过第二宽带光纤耦合器3分成两路，其中一路光进入第五宽带光纤耦合器4，另一路光进入第六宽带光纤耦合器9：进入第五宽带光纤耦合器4的光分出一部分光进入第一宽带光纤环形器15的输入端，进入第一宽带光纤环形器15的光通过第一输出端进入第一光纤准直器16后射入待测样品17，从待测样品17反射回来的光在依次经过第一宽带光纤环形器15的第一输出端、第二输出端和第二偏振控制器22后，由第二偏振控制器22进入第七宽带光纤耦合器24。从第五宽带光纤耦合器4输出的另一部分光通过第一声光频移器5、第一半导体光放大器6、第一光隔离器7和第一偏振控制器8后第二次进入第五宽带光纤耦合器4，第二次进入第五宽带光纤耦合器4的光同样被分成两部分，分别沿着上述路径到达第七宽带光纤耦合器24和第三次进入第五宽带光纤耦合器4，以此类推，第N-1进入第五宽带光纤耦合器4的光也沿上诉路径到达第七宽带光纤耦合器24和第N次进入第五宽带光纤耦合器4；同样的进入第六宽带光纤耦合器9的光也分出一部分光通过第二宽带光纤环形器18输出端，进入第二宽带光纤环形器18的光通过第一输出端进入第二光纤准直器19后射入透镜20和反射镜21，反射回来的光在依次经过第二宽带光纤环形器18的第一输出端、第二输出端和第四偏振控制器23后，由第四偏振控制器23进入第七宽带光纤耦合器24。从第六宽带光纤耦合器9输出的另一部分光通过第二声光频移器10、第二半导体光放大器11、第二光隔离器12、第三偏振控制器13和光程延迟线14后第二次进入第六宽带光纤耦合器9，第二次进入第六宽带光纤耦合器9的光同样被分成两部分，分别沿着上述路径到达第七宽带光纤耦合器24和第三次进入第六宽带光纤耦合器9，以此类推，第N-1进入第六宽带光纤耦合器9的光也沿上诉路径到达第七宽带光纤耦合器24和第N次进入第六宽带光纤耦合器9。上述所有进入第七宽带光纤耦合器24的光发生干涉，干涉信号经第二高带宽平衡光电探测器25探测，两路测量单元所测得的干涉信号被高速数据采集卡30同步采集，采集到的信号传输到计算机31的内存中进行数据处理，高速数据采集卡30的触发信号由扫频光源1产生，图中实线部分为光纤，点划线部分为电路连接线。
如图2所示为本发明的信号处理流程图，下面对图2中的信号处理过程进行说明。
采集卡同步采集间距测量单元和标定单元的干涉光谱信号，分别为 和
，对两个单元所采集到的干涉光谱信号进行快速傅里叶变换后得到 
和。首先提取
待测界面的干涉光谱信号，通过开窗滤波和移除载频，去除声光频移器所加载的频率，保留实际样品空间的干涉信号
，对该信号进行逆傅里叶变换以及数字希尔伯特变换后求取复数形式的干涉光谱信号
,对该信号求取解包裹相位得到；其次对
信号开窗滤除直流项后，逆傅里叶变换求得
；同样解包裹相位得到;当得到两组干涉信号的解包裹相位后，以
为横坐标，
为纵坐标作线性拟合得到该直线的斜率即为
，利用公式
，用已知MZI的OPD值求得该待测界面的OPD值
，最后通过补偿环腔的光程差求得该界面的实际间距值。
如图3所示为本发明基于光谱位相方法求得样品间距的实际效果图，下面结合图3对整个干涉光谱信号如何从编码空间还原为样品空间进行说明。
间距测量单元的两臂中分别设置有不同载频量的增益补偿型光程失配循环腔，利用参考光和样品光在光程失配循环腔中的极高速步进，形成一系列等间距的参考光程，其具体原理参见专利“基于光循环与谱域载频的超大量程间距测量系统及方法（公开（公告）号: CN102519375A）”;此处样品以两个玻璃平板为例说明：如图3a所示，厚度分别为
和，如图3a、3b所示，第一块玻璃平板的第一面位于零环和一环的交叠处,由于载频量大于环腔的光程失配量，因此将会在编码空间中出现两组干涉信号，两组干涉信号频率差即为载频量与环腔光程失配量之间的差；由于第二面位于第二环内，第二块玻璃的第一面和第二面位于第三环内，因此其余三面在编码空间中将只有一组干涉信号。采用图2所示的信号处理流程，将能够精确计算出各个干涉信号的OPD值。最后如图3c所示，利用第一组和第二组干涉信号的OPD值，精确求出 载频量与环腔失配量之间的差
，以此为标准，其余的干涉信号所求的OPD值分别减去
，
为环腔次数，最终空间解码求得样品空间的实际OPD值，此时样品空间与样品的界面相一致，存在四个干涉信号位置，其OPD值都能够精确计算得到，从而实现大量程高精度的间距测量，如图3d所示。
Claims (2)
1. 一种基于光谱位相的高精度大量程间距测量方法，在通常的扫频光学相干层析成像系统的间距测量单元中，设置不同载频量，不同光程失配量的增益补偿型循环腔；并增加马赫曾德型干涉仪所构成的标定单元；该标定单元能够产生具有固定OPD 的干涉光谱信号，首先比较样品待测界面的解包裹相位与MZI标定干涉信号的解包裹相位，进而通过已知MZI的OPD值精确得到该界面的OPD值，最后通过空间解码实现大量程间距的高精度测量；其特征在于，该方法的具体步骤如下：
1）在扫频光学相干层析成像系统中，设置间距测量单元和标定单元，间距测量单元的样品臂和参考臂中分别设置有不同载频量的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极高速步进，实现大量程范围内不同区域样品光和参考光的低相干干涉，并由于两臂不同载频量的作用，实现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；
2）标定单元由马赫曾德型干涉仪构成，将扫频光源发出的光分出一部分进入该标定单元，失配马赫曾德型干涉仪中两臂光纤的长度，产生具有固定光程差的干涉光谱信号，并且该光程差在样品间距测量的过程中有着良好的稳定性；
3）通过高速数据采集卡同步采样间距测量单元和标定单元的干涉光谱信号，并传输到计算机的内存中进行数据处理；
4）对间距测量单元所测得的干涉光谱信号依照傅里叶变换、滤波、移除载频、逆傅里叶变换的顺序进行信号处理，能够得到待测界面的干涉光谱信号；对该待测界面的干涉光谱信号进行数字希尔伯特变换后，求取该待测界面干涉光谱信号的解包裹相位；由于采集卡同步采样两个单元的干涉光谱信号，确保了两个单元中扫频光源起始波数和非线性光谱采样的一致性，因此通过比较该解包裹相位与MZI标定干涉信号的解包裹相位，能够精确得到该待测界面的OPD值；
5）最后对待测界面所得到的OPD值通过空间解码实现大量程间距的高精度测量。
2.一种基于光谱位相的高精度大量程间距测量系统， 包括扫频光源,第一宽带光纤耦合器，第二宽带光纤耦合器，第三宽带光纤耦合器，第四宽带光纤耦合器，第五宽带光纤耦合器，第六宽带光纤耦合器，第七宽带光纤耦合器，第八宽带光纤环形器，第九宽带光纤环形器，第一声光频移器，第二声光频移器，第一半导体光放大器，第二半导体光放大器，第一光隔离器，第二光隔离器，第一偏振控制器，第二偏振控制器，第三偏振控制器，第四偏振控制器，光程延迟线，第一光纤准直器，第二光纤准直器，待测样品，透镜，反射镜，产生固定光程差的光纤，第一高带宽平衡光电探测器，第二高带宽平衡光电探测器，高速数据采集卡，计算机；
其特征在于：扫频光源通过第一宽带光纤耦合器分别与间距测量单元中的第二宽带光纤耦合器输入端、标定单元中的第三宽带光纤耦合器的输入端相连接；所述标定单元：第三宽带光纤耦合器的两个输出端分别与产生固定光程差的光纤的输入端和第四宽带光纤耦合器的其中一个输入端相连接，产生固定光程差的光纤的输出端与第四宽带光纤耦合器另一输入端相连接，第四宽带光纤耦合器的两个输出端分别连接第一高带宽平衡光电探测器的两个输入端，第一高带宽平衡光电探测器的电路输出端与高速数据采集卡的其中一个输入信号通道相连接；所述间距测量单元：第二宽带光纤耦合器的两个输出端分别与第五宽带光纤耦合器和第六宽带光纤耦合器的其中一个输入端相连接，第五宽带光纤耦合器的其中一个输出端连接第一声光频移器的输入端，第一声光频移器的输出端连接第一半导体光放大器的输入端，第一半导体光放大器的输出端连接第一光隔离器的输入端，第一光隔离器的输出端连接第一偏振控制器的输入端，第一偏振控制器的输出端与第五宽带光纤耦合器的另一输入端相连接，构成样品臂的增益补偿型光程失配循环腔，第五宽带光纤耦合器的另一输出端连接第一宽带光纤环形器的输入端，第一宽带光纤环形器的第一输出端连接第一光纤准直器的输入端，第一宽带光纤环形器的第二输出端连接第二偏振控制器的输入端，第二偏振控制器的输出端连接第七宽带光纤耦合器的其中一个输入端；第六宽带光纤耦合器的其中一个输出端连接第二声光频移器的输入端，第二声光频移器的输出端连接第二半导体光放大器的输入端，第二半导体光放大器的输出端连接第二光隔离器的输入端，第二光隔离器的输出端连接第三偏振控制器的输入端，第三偏振控制器的输出端连接光程延迟线的输入端，光程延迟线的输出端与第六宽带光纤耦合器的另一输入端相连接，构成参考臂的增益补偿型光程失配循环腔，第六宽带光纤耦合器的另一输出端连接第二宽带光纤环形器的输入端，第二宽带光纤环形器的第一输出端连接第二光纤准直器的输入端，第二宽带光纤环形器的第二输出端连接第四偏振控制器的输入端，第四偏振控制器的输出端连接第七宽带光纤耦合器的另一输入端；第七宽带光纤耦合器的两个输出端分别连接第二高带宽平衡光电探测器的两个输入端，第二高带宽宽带平衡光电探测器的电路输出端与高速数据采集卡的另一输入信号通道相连接；扫频光源的触发信号输出端与高速数据采集卡触发信号输入端相连接。
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