CN109975246B - 大量程无接触光学间距测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大量程无接触光学间距测量系统及其测量方法，该系统包括：光源、与光源的输出端连接的第一光纤耦合器、与第一光纤耦合器的两个输出端口分别连接的第一环形器和第二环形器、与第一环形器的第二端口连接的参考臂、与第二环形器的第二端口连接的样品臂及与第一环形器的第三端口和第二环形器的第三端口均连接的信号探测与数据采集单元。本发明通过多次间隔测距，在大量程下实现了高精度的间距测量，该精度仅依赖于SS‑OCT系统，不会受到参考臂机械导轨精度影响，解决了现有光学间距测量技术量程与精度矛盾的问题。在系统搭建方面，多反射面结构无严格精度要求，SS‑OCT主体部分皆由光纤连接组成，搭建方便，可靠性较高。

Description

大量程无接触光学间距测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量领域，特别涉及一种大量程无接触光学间距测量系统及其测量方法。

背景技术

目前基于光学相干层析技术(OCT)的非接触式测量装置结构如图3所示，激光器发出的光经端口1进入光纤耦合器或分光器分为两路，由端口3,4分别进入到参考臂与样品臂；从样品臂平面镜与待测样品各端面反射的光经原路返回，并发生干涉；该干涉信息经过端口2被光电探测器转换为电信号，最终由采集卡与计算机进行采集与数据处理。

OCT核心器件包括激光器、迈克尔逊干涉仪和光电探测器，用于非接触式测量的光学相干层析技术的具体实现方式有两种，第一种是时域OCT，如专利：CN102494623A中公开的方案，采用宽带光源，由光的低相干干涉原理，只有相对于参考臂平面镜等光程位置附近的样品返回的光，才能样品臂返回的光发生干涉，其中等光程位置的干涉强度最大，因此一般只要依次移动参考臂或样品臂，并记录各干涉峰值对应的位置即可完成测量。但是大距离的测量需要引入机械移动导轨，降低了测量的精度。

第二种实现方式是频域OCT，如专利：CN108398098A中公开的方案，它采用扫频激光器，依次记录波长范围内单波长的强度，通过对其进行解编码就可以获取等光程位置附近较大区域的反射面，而无需改变参考臂的光程，从而使测量达到光学精度。然而目前常用扫频激光器多为生物组织成像设计，而且受限于数据采集卡的采样频率，扫频OCT系统成像范围为几十毫米。因此依然无法实现几百毫米级别光学精度的间距测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种大量程无接触光学间距测量系统及其测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种大量程无接触光学间距测量系统，包括：光源、与所述光源的输出端连接的第一光纤耦合器、与所述第一光纤耦合器的两个输出端口分别连接的第一环形器和第二环形器、与所述第一环形器的第二端口连接的参考臂、与所述第二环形器的第二端口连接的样品臂及与所述第一环形器的第三端口和第二环形器的第三端口均连接的信号探测与数据采集单元；

所述样品臂包括与所述第二环形器的第二端口连接的第二耦合器、沿入射光路依次设置在所述第二耦合器的第一输出端口上的第一准直器和多层反射面组件、沿入射光路依次设置在所述第二耦合器的第二输出端口上的第二准直器和待测样品。

优选的是，所述参考臂包括沿入射光路依次设置的偏振器、第三准直器、光阑、反射镜，所述反射镜设置于大量程导轨上。

优选的是，所述信号探测与数据采集单元包括与所述第一环形器的第三端口和第二环形器的第三端口均连接的第三耦合器、与所述第三耦合器连接的平衡探测器、与所述平衡探测器连接的数据采集设备及与所述数据采集设备连接的电子计算机。

优选的是，所述多层反射面组件包括多块透镜，其前端和后端面对应光程能覆盖所有样品区域，且相邻面之间间隔取较大值，且处于系统单次成像范围内。

优选的是，所述光源为扫频激光器。

优选的是，所述第一环形器和第二环形器均包括3个端口：第一端口、第二端口和第三端口；从第一端口进入的光只能从第二端口输出，从第二端口进入的光只能从第三端口输出，从第三端口进入的光只能从第一端口输出；

其中，所述第一环形器的第一端口与所述第一光纤耦合器连接，其第二端口与所述参考臂连接，其第三端口与所述第三耦合器连接；

其中，所述第二环形器的第一端口与所述第一光纤耦合器连接，其第二端口与所述样品臂连接，其第三端口与所述第三耦合器连接。

优选的是，所述扫频激光器1发出的光经过所述第一光纤耦合器后被分为两束，其中一束经所述第一环形器后进入样品臂，依次经所述偏振器、第三准直器和光阑后照射到反射镜上；另一束光经所述第二环形器后到达所述第二耦合器，被所述第二耦合器分出的两束光分别经过所述第一准直器和第二准直器后输出到所述多层反射面组件与待测样品上；

从所述反射面组件与待测样品反射的光由原路返回，进入所述第二环形器的第二端口，并通过所述第二环形器的第三端口进入所述第三耦合器；从所述反射镜反射的光由原路返回，进入所述第一环形器的第二端口，并通过所述第一环形器的第三端口进入所述第三耦合器；两束反射光输出至所述第三耦合器中后进行干涉，干涉信号再被分为两路后进入所述平衡探测器转为电信号，再由所述数据采集设备采集记录，最后传输至所述电子计算机保存数据。

优选的是，其测量方法包括以下步骤：

1)系统初始化，移动导轨使所述反射镜移动至所述第三准直器的近端处；

2)移动导轨，使SS-OCT窗口中同时含有样品第一个面F₁与所述多层反射面组件中的两个辅助镜面的峰值，并记录第一个面F₁和远处辅助峰值的相对间距d₁；其中，靠近0光程处称为近处辅助峰值，远离0光程处称为远处辅助峰值；

3)移动导轨，使下一个辅助峰值出现，原远处辅助峰值在现窗口内变为近处辅助峰值；

4)如果两辅助峰值间有样品反射面F₂，记录其与近处辅助峰值的间距d₃,此时样品的反射面F₁与F₂的间隔D＝d₁+d₃；

若两辅助峰值间无样品反射面，则记录两辅助峰值的间距d_2i，作为下次测量的间距增量，再重复步骤3)，直至两辅助峰值间出现样品反射面F₂，记录此时F₂与近处辅助峰值的间距d₃,此时样品的反射面F₁与F₂的间隔D＝d₁+d₂₁+d₂₂+…+d_2i+d₃,其中，d_2i表示第i次出现两辅助峰值间无样品反射面时，两辅助峰值的间距。

本发明的有益效果是：本发明的大量程无接触光学间距测量系统，在基于扫频光学相干层析(Swept source optical coherence tomography,SS-OCT)技术上实现了光学间隔非接触式测量，并在测量臂引入间隔不超过单次SS-OCT测量范围的多层反射面，配合参考臂移动进行分段式测试，通过多次间隔测距，在大量程下实现了高精度的间距测量，该精度仅依赖于SS-OCT系统，不会受到参考臂机械导轨精度的影响，解决了现有光学间距测量技术量程与精度矛盾的问题。同时在系统搭建方面，多反射面结构无严格精度要求，SS-OCT主体部分皆由光纤连接组成，搭建方便，可靠性较高。

附图说明

图1为本发明的大量程无接触光学间距测量系统的结构示意图；

图2为本发明的一种实施例中的样品两反射面间距测量的示意图；

图3为现有技术中常用的基于光学相干层析技术的非接触式测量装置的结构示意图。

附图标记说明：

1—光源；2—第一光纤耦合器；3—第一环形器；4—第二环形器；5—第二耦合器；6—偏振器；7—第三准直器；8—第一准直器；9—第二准直器；10—待测样品；11—多层反射面组件；12—光阑；13—反射镜；14—大量程导轨；15—第三耦合器；16—平衡探测器；17—数据采集设备；18—电子计算机；19—样品臂；20—参考臂。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本实施例的一种大量程无接触光学间距测量系统，包括：光源1、与光源1的输出端连接的第一光纤耦合器2、与第一光纤耦合器2的两个输出端口分别连接的第一环形器3和第二环形器4、与第一环形器3的第二端口连接的参考臂20、与第二环形器4的第二端口连接的样品臂19及与第一环形器3的第三端口和第二环形器4的第三端口均连接的信号探测与数据采集单元；

样品臂19包括与第二环形器4的第二端口连接的第二耦合器5、沿入射光路依次设置在第二耦合器5的第一输出端口上的第一准直器8和多层反射面组件11、沿入射光路依次设置在第二耦合器5的第二输出端口上的第二准直器9和待测样品10。

其中，参考臂20包括沿入射光路依次设置的偏振器6、第三准直器7、光阑12、反射镜13，反射镜13设置于大量程导轨14上。偏振器6用于调节光的偏振方向，以提高干涉效率；准直器将光纤中的光转化为宽度一致的空间光；光阑12用于控制光通量。

其中，信号探测与数据采集单元包括与第一环形器3的第三端口和第二环形器4的第三端口均连接的第三耦合器15、与第三耦合器15连接的平衡探测器16、与平衡探测器16连接的数据采集设备17及与数据采集设备17连接的电子计算机18。

在一种实施例中，多层反射面组件11能配合实现大间距的测量。多层反射面组件11包括多块透镜，其前端和后端面对应光程能覆盖所有样品区域，且相邻面之间间隔取较大值，且处于SS-OCT(Swept source optical coherence tomography：基于扫频光学相干层析)单次成像范围内。在下文中，单次成像范围内靠近0光程处称为近处峰值，远离0光程处称为远处峰值。

在一种实施例中，光源1为扫频激光器。

其中，第一环形器3和第二环形器4均包括3个端口：第一端口、第二端口和第三端口；从第一端口进入的光只能从第二端口输出，从第二端口进入的光只能从第三端口输出，从第三端口进入的光只能从第一端口输出；

其中，第一环形器3的第一端口与第一光纤耦合器连接，其第二端口与参考臂20连接，其第三端口与第三耦合器15连接；

其中，第二环形器4的第一端口与第一光纤耦合器连接，其第二端口与样品臂19连接，其第三端口与第三耦合器15连接。

其中，各组件通过光纤连接。

本发明的系统的光路与信号传播过程为：扫频激光器发出的光经过第一光纤耦合器后被分为两束，其中一束经第一环形器3后进入参考臂20，依次经偏振器6、第三准直器7和光阑12后照射到反射镜13上；另一束光经第二环形器4后到达第二耦合器5，被第二耦合器5分出的两束光分别经过第一准直器8和第二准直器9后输出到多层反射面组件11与待测样品10上；

从反射面组件与待测样品10反射的光由原路返回，进入第二环形器4的第二端口，并通过第二环形器4的第三端口进入第三耦合器15；从反射镜13反射的光由原路返回，进入第一环形器3的第二端口，并通过第一环形器3的第三端口进入第三耦合器15；两束反射光输出至第三耦合器15中后进行干涉，干涉信号再被分为两路后进入平衡探测器16转为电信号，再由数据采集设备17采集记录，最后传输至电子计算机18保存数据。

其中，耦合器比例为50:50，任意端口进入的光将被均分，从另外一方的两端输出。

以下对本发明的测量原理进行阐述：

设样品臂19不同深度的镜面的反射率为a(z),干涉信号可以表述为：

其中k为波数，与波长的关系为：k＝2π/λ，S(k)为光源1的功率谱，δ(z-z₀)为狄拉克函数，仅在参考光路长度z₀处有值且为1，a_r为反射镜13的反射率。式(1)可以进一步写成：

上式中的第一项为直流项，第四项为样品后向散射光之间发生干涉的自相干项，是无用信号，需要忽略。第二、三项包含了样品反射率信息，且分别对应a(z)与a(-z)的傅里叶变换，只考虑第三项，对其进行逆向傅里叶变换后可以得到：

其中Γ(z)是光源1输出功率谱的逆向傅里叶变换。因此，只要对波数k编码的干涉信号进行逆傅里叶变换即可获得一定范围内的样品反射面位置信息。其成像范围取决于激光器的瞬时线宽(相干长度)，同时受限于采集时的波数变化Δk，即采集设备的采样率，以目前扫频激光器和数据采集技术，SS-OCT单次成像范围可达90mm(空气中，折射率约为1)。通过补零插值的方法，精度可达到亚微米级。

在本系统中，从参考臂20平面镜返回的光功率远大于样品臂19各层返回的光功率，因此样品臂19的自相干项峰值小于其与参考臂20发生干涉的峰值，可以通过设置阈值去除/忽略该自相干项。同时公式(2)第二、三项互为镜像，负光程样品反射面峰值也会在窗口中显示，影响样品反射面识别，但是在样品光程改变方向相同时，处于参考臂20平面镜等光程两侧的样品反射峰值位置在傅里叶半平面中将会以相反的方向移动，因此在导轨移动时，可以以此区分并忽略负光程处的样品反射面。若样品待测两面间非空，则其实际距离d＝n*l，其中n为介质折射率，l为SS-OCT测量距离。

本发明的大量程无接触光学间距测量系统的测量方法包括以下步骤：

1)系统初始化，移动导轨使反射镜13移动至第三准直器7的近端处；

2)移动导轨，使SS-OCT窗口中同时含有待测样品10第一个面F₁与多层反射面组件11中的两个辅助镜面的峰值，并记录第一个面F₁和远处辅助峰值的相对间距d₁；其中，靠近0光程处称为近处辅助峰值，远离0光程处称为远处辅助峰值；

3)移动导轨，使下一个辅助峰值出现，原远处辅助峰值在现窗口内变为近处辅助峰值；

4)如果两辅助峰值间有待测样品10反射面F₂，记录其与近处辅助峰值的间距d₃,此时待测样品10的反射面F₁与F₂的间隔D＝d₁+d₃；

若两辅助峰值间无样品反射面，则记录两辅助峰值的间距d_2i，作为下次测量的间距增量，再重复步骤3)，直至两辅助峰值间出现待测样品10反射面F₂，记录此时F₂与近处辅助峰值的间距d₃,此时待测样品10的反射面F₁与F₂的间隔D＝d₁+d₂₁+d₂₂+…+d_2i+d₃,其中，d_2i表示第i次出现两辅助峰值间无样品反射面时，两辅助峰值的间距。

参照图2，给出了一种实施例中样品两反射面间距测量的示意图，其中i＝1，即重复第1次步骤3)时，两辅助峰L3、L4之间出现了样品反射面F₂，多层反射面组件11中对应的4个辅助镜面为L1、L2、L3、L4。

其步骤1-3)与上述相同，步骤4)为：两辅助峰值间无样品反射面，记录两辅助峰值的间距d₂₁，作为下次测量的间距增量，再重复步骤3)，两辅助峰值间出现待测样品10反射面F₂，记录此时F₂与近处辅助峰值的间距d₃,此时待测样品10的反射面F₁与F₂的间隔D＝d₁+d₂₁+d₃。(图中没有画出无用信号，如样品臂19互相干信号、负光程峰值的镜像、背景噪声等)。图中1、2、3表示依次获得的三个窗口。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (5)

1.一种大量程无接触光学间距测量系统，其特征在于，包括：光源、与所述光源的输出端连接的第一光纤耦合器、与所述第一光纤耦合器的两个输出端口分别连接的第一环形器和第二环形器、与所述第一环形器的第二端口连接的参考臂、与所述第二环形器的第二端口连接的样品臂及与所述第一环形器的第三端口和第二环形器的第三端口均连接的信号探测与数据采集单元；

所述样品臂包括与所述第二环形器的第二端口连接的第二耦合器、沿入射光路依次设置在所述第二耦合器的第一输出端口上的第一准直器和多层反射面组件、沿入射光路依次设置在所述第二耦合器的第二输出端口上的第二准直器和待测样品；

所述多层反射面组件包括多块透镜，其前端和后端面对应光程能覆盖所有样品区域，且处于系统单次成像范围内；所述第一环形器和第二环形器均包括3个端口：第一端口、第二端口和第三端口；从第一端口进入的光只能从第二端口输出，从第二端口进入的光只能从第三端口输出，从第三端口进入的光只能从第一端口输出；

所述信号探测与数据采集单元包括与所述第一环形器的第三端口和第二环形器的第三端口均连接的第三耦合器、与所述第三耦合器连接的平衡探测器、与所述平衡探测器连接的数据采集设备及与所述数据采集设备连接的电子计算机；

其中，所述第一环形器的第一端口与所述第一光纤耦合器连接，其第二端口与所述参考臂连接，其第三端口与所述第三耦合器连接；

其中，所述第二环形器的第一端口与所述第一光纤耦合器连接，其第二端口与所述样品臂连接，其第三端口与所述第三耦合器连接。

2.根据权利要求1所述的大量程无接触光学间距测量系统，其特征在于，所述参考臂包括沿入射光路依次设置的偏振器、第三准直器、光阑、反射镜，所述反射镜设置于大量程导轨上。

3.根据权利要求2所述的大量程无接触光学间距测量系统，其特征在于，所述光源为扫频激光器。

4.根据权利要求3所述的大量程无接触光学间距测量系统，其特征在于，所述扫频激光器发出的光经过所述第一光纤耦合器后被分为两束，其中一束经所述第一环形器后进入样品臂，依次经所述偏振器、第三准直器和光阑后照射到反射镜上；另一束光经所述第二环形器后到达所述第二耦合器，被所述第二耦合器分出的两束光分别经过所述第一准直器和第二准直器后输出到所述多层反射面组件与待测样品上；

从所述反射面组件与待测样品反射的光由原路返回，进入所述第二环形器的第二端口，并通过所述第二环形器的第三端口进入所述第三耦合器；从所述反射镜反射的光由原路返回，进入所述第一环形器的第二端口，并通过所述第一环形器的第三端口进入所述第三耦合器；两束反射光输出至所述第三耦合器中后进行干涉，干涉信号再被分为两路后进入所述平衡探测器转为电信号，再由所述数据采集设备采集记录，最后传输至所述电子计算机保存数据。

5.根据权利要求4所述的大量程无接触光学间距测量系统，其特征在于，其测量方法包括以下步骤：

1)系统初始化，移动导轨使所述反射镜移动至所述第三准直器的近端处；

2)移动导轨，使SS-OCT窗口中同时含有样品第一个面F₁与所述多层反射面组件中的两个透镜镜面的峰值，并记录第一个面F₁和远处辅助峰值的相对间距d₁；其中，靠近0光程处称为近处辅助峰值，远离0光程处称为远处辅助峰值；

3)移动导轨，使下一个辅助峰值出现，原远处辅助峰值在现窗口内变为近处辅助峰值；

4)如果两辅助峰值间有样品反射面F₂，记录其与近处辅助峰值的间距d₃,此时样品的反射面F₁与F₂的间隔D＝d₁+d₃；

若两辅助峰值间无样品反射面，则记录两辅助峰值的间距d_2i，作为下次测量的间距增量，再重复步骤3)，直至两辅助峰值间出现样品反射面F₂，记录此时F₂与近处辅助峰值的间距d₃,此时样品的反射面F₁与F₂的间隔D＝d₁+d₂₁+d₂₂+…+d_2i+d₃,其中，d_2i表示第i次出现两辅助峰值间无样品反射面时，两辅助峰值的间距。

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