CN110006356B - 基于ss-oct间距测量系统中的实时标定装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SS‑OCT间距测量系统中的实时标定装置和方法，该装置包括：光源、第一环形器、第二环形器和第三环形器、第二光纤耦合器、参考臂、第一探测光路、第二探测光路、计算机、样品臂以及标定臂。本发明通过增加一条标定臂用作实时标定，并对标定的值实时取均值的方法，可以平衡环境的扰动带来的测量结果的偏差与不稳定性，提高测量结果得到精度和稳定性。标定数据通过增加一个平衡探测器和数据采集卡采集，避免和采集信号混淆。并且修改系统参数时也无需重新标定，带来便捷性。本发明的装置搭建方便，可靠性较高。

Description

基于SS-OCT间距测量系统中的实时标定装置和方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种基于SS-OCT间距测量系统中的实时标定装置和方法。

背景技术

在光学镜头以及光学镜组中，镜面的间距是一项非常重要的性能指标，如果不能严格把控，将会带来光学系统球差，色差，焦距，倍率等偏离。并且直接接触式的测量会对光学表面带来磨损，以及带来误差。因此对光学镜头间距测量的要求表现为非接触式，高精度。在现有的非接触式测量仪器中，SS-OCT因为其灵敏度高，速度快，无损的特性被很好的应用在非接触式间距测量中。但是因为SS-OCT采集到的数据反应的是频率信息，是一个个离散的像素点，并不是实际的距离。而这离散的像素点对应于实际的距离，因此需要用标准量块作为参考，对应于测量到的像素点数来作比例换算，来标定像素点对应于实际的距离。

专利“镜头中光学表面中心间距的非接触式测量方法及测量装置”(中国专利CN102494623A)所描述非接触式测量装置只有一个测量臂，无法在标定的同时去测算样品的间距。专利“一种光学表面间距非接触式测量装置和方法”(中国专利CN108398098A)和该专利对应发表的文章“光学相干层析技术在光学表面间距测量中的应用”中提到，其OCT测距系统一个像素点对应的距离为2.645um。说明其标定值是在测量前已经标定好，作为一个系统的固有不变的参数去做计算，并不是实时标定的值。然而在实际运用的过程中，系统是无法做到绝对的稳定的。例如光源内部的抖动，系统机械结构的振动，测量台的偏移，都会带来其测量像素点在一定上下界内规律的波动，因此标定值无法做到实时性，会对测量结果带来一定的偏差。例如拿1.009mm的标准量块测得其对应的像素点为1030个，一个像素点对应的标定距离约为1um,如果系统是抖动的，那么即使一个像素点的偏离都会带来近1um的误差，对于高精度的非接触间距测量系统来说是无法接受的误差。并且对于SS-OCT来说，采样频率的改变会改变测量深度，也会改变其标定值，因此需要重新标定。传统的标定方法也会带来不便捷性等问题。

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，提供一种基于SS-OCT间距测量系统中的实时标定装置和方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于SS-OCT间距测量系统中的实时标定装置，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三个输出端口分别连接的第一环形器、第二环形器和第三环形器、与所述第一环形器分别连接的第二光纤耦合器和参考臂、与所述第二光纤耦合器的两个输出端口分别连接的第一探测光路和第二探测光路、与所述第一探测光路和第二探测光路的输出端均连接的计算机、与所述第二环形器连接的样品臂以及与所述第三环形器连接的标定臂；

所述第一环形器、第二环形器和第三环形器均包括3个端口：第一端口、第二端口和第三端口；且从所述第一端口进入的光只能从所述第二端口输出，从所述第二端口进入的光只能从所述第三端口输出，从所述第三端口进入的光只能从所述第一端口输出；

所述第一环形器的第一端口、第二端口和第三端口分别与所述第一光纤耦合器、参考臂和第二光纤耦合器连接；所述第二环形器的第一端口和第二端口分别与所述第一光纤耦合器和样品臂连接，所述第一探测光路的输入端还与所述第二环形器的第三端口连接；所述第三环形器的第一端口和第二端口分别与所述第一光纤耦合器和标定臂连接，所述第二探测光路的输入端还与所述第三环形器的第三端口连接。

优选的是，所述参考臂包括沿入射光路依次设置的偏振器、第一准直器、光阑和反射镜。

优选的是，所述样品臂包括沿入射光路依次设置的第二准直器和待测样品。

优选的是，所述标定臂包括沿入射光路依次设置的第三准直器和用于标定的标准量块。

优选的是，所述第一探测光路包括沿入射光路依次设置的第三光纤耦合器、第一平衡探测器和第一数据采集设备。

优选的是，所述第二探测光路包括沿入射光路依次设置的第四光纤耦合器、第二平衡探测器和第二数据采集设备。

优选的是，所述光源为扫频激光器，

优选的是，所述扫频激光器发出的光经过所述第一光纤耦合器后被均分为三路，分别进入所述第一环形器、第二环形器和第三环形器各自的第一端口；

进入所述第一环形器的第一端口的光由所述第一环形器的第二端口输出，依次经过所述偏振器、第一准直器、光阑后照后被所述反射镜反射，沿原路返回到所述第一环形器的第二端口，然后由所述第一环形器的第三端口输出到所述第二光纤耦合器，被均分为两路，分别到达所述第三光纤耦合器和第四光纤耦合器；

进入所述第二环形器的第一端口的光由所述第二环形器的第二端口输出，经过所述第二准直器后照射到样品，样品的反射光沿原路返回到所述第二环形器的第二端口，然后由所述第二环形器的第三端口输出到所述第三光纤耦合器，与所述参考臂返回的光束进行实时干涉；

进入所述第三环形器的第一端口的光由所述第三环形器的第二端口输出，经过所述第三准直器后照射到所述标准量块，所述标准量块的反射光原路返回到所述第三环形器的第二端口，然后由所述第三环形器的第三端口输出到所述第四光纤耦合器，与所述参考臂返回的光束进行实时干涉；

经过所述第三光纤耦合器和第四光纤耦合器的光分别经过所述第一平衡探测器和第二平衡探测器后转化为电信号，然后分别传输至所述第一数据采集设备和第二数据采集设备进行记录，最后均传输至所述计算机。

本发明还提供一种基于SS-OCT间距测量系统中的实时标定方法，该方法采用如上所述的基于SS-OCT间距测量系统中的实时标定装置进行实时标定，其包括以下步骤：

1)打开光源，将样品臂中的待测样品和标定臂中的标准量块均替换成平面镜，移动样品臂和标定臂，得到干涉信号，调节光阑，调整样品臂中的平面镜的位置，使得系统的信噪比最大；

2)分别将样品臂和标定臂上的平面镜换成上待测镜面和标准量块，移动样品臂和标定臂，使得第一个峰的光程在零频附近；

3)启动采集卡第二数据采集设备，记录标定窗口内标准量块对应的两个峰值之间的像素点，取样i组，通过标准量块的设计值取得标定值，计算平均后得到标定值

4)启动采集卡第一数据采集设备，记录j个待测镜面的两个峰值之间对应的像素点数，计算平均值

然后乘以

得到测量值

5)重复步骤2)、3)和4)，直到完成待测样品的测量。

优选的是，所述i＝100，j＝100。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于扫频光学相干层析(Swept sourceoptical coherence tomography,SS-OCT)技术实现光学间隔非接触式测量中的一种新的实时标定的装置和方法。本发明通过增加一条标定臂用作实时标定，并对标定的值实时取均值的方法，可以平衡环境的扰动带来的测量结果的偏差与不稳定性，提高测量结果得到精度和稳定性。标定数据通过增加一个平衡探测器和数据采集卡采集，避免和采集信号混淆。并且修改系统参数时也无需重新标定，带来便捷性。本发明的装置搭建方便，可靠性较高。

附图说明

图1为本发明的基于SS-OCT间距测量系统中的实时标定装置的结构示意图；

图2为本发明的一种实施例中的基于SS-OCT间距测量系统中的实时标定方法的流程图。

附图标记说明：

1—光源；2—第一光纤耦合器；3—第二环形器；4—第一环形器；5—第三环形器；6—偏振器；7—第一准直器；8—光阑；9—反射镜；10—第二光纤耦合器；11—第三准直器；12—标准量块；13—第四光纤耦合器；14—第三光纤耦合器；15—第二准直器；16—待测样品；17—第一平衡探测器；18—第一数据采集设备；19—第二平衡探测器；20—第二数据采集设备；21—计算机。

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，本实施例的一种基于SS-OCT间距测量系统中的实时标定装置，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的三个输出端口分别连接的第一环形器4、第二环形器3和第三环形器5、与第一环形器4分别连接的第二光纤耦合器10和参考臂、与第二光纤耦合器10的两个输出端口分别连接的第一探测光路和第二探测光路、与第一探测光路和第二探测光路的输出端均连接的计算机21、与第二环形器3连接的样品臂以及与第三环形器5连接的标定臂；

第一环形器4、第二环形器3和第三环形器5均包括3个端口：第一端口、第二端口和第三端口；且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；

第一环形器4的第一端口、第二端口和第三端口分别与第一光纤耦合器2、参考臂和第二光纤耦合器10连接；第二环形器3的第一端口和第二端口分别与第一光纤耦合器2和样品臂连接，第一探测光路的输入端还与第二环形器3的第三端口连接；第三环形器5的第一端口和第二端口分别与第一光纤耦合器2和标定臂连接，第二探测光路的输入端还与第三环形器5的第三端口连接。

其中，参考臂包括沿入射光路依次设置的偏振器6、第一准直器7、光阑8和反射镜9。

其中，样品臂包括沿入射光路依次设置的第二准直器15和待测样品16。

其中，标定臂包括沿入射光路依次设置的第三准直器11和用于标定的标准量块12。

其中，第一探测光路包括沿入射光路依次设置的第三光纤耦合器14、第一平衡探测器17和第一数据采集设备18(DAQ)。

其中，第二探测光路包括沿入射光路依次设置的第四光纤耦合器13、第二平衡探测器19和第二数据采集设备20(DAQ)。

在优选的实施例中，光源1为扫频激光器。参照图1，第一光纤耦合器2比例为33:33:33，左侧进入的光从右侧被均分，分成3路输出。第二光纤耦合器10、第三光纤耦合器14、第四光纤耦合器13比例均为50:50，左右各两个端口，任意端口进入的光将被均分，从另外一方的两端输出。

其中，偏振器6用于调节光的偏振方向，以提高干涉效率；准直器用于将光纤中的光转化为宽度一致的空间光；光阑8用于控制光通量。

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2后被均分为三路，分别进入第一环形器4、第二环形器3和第三环形器5各自的第一端口；

进入第一环形器4的第一端口的光由第一环形器4的第二端口输出，依次经过偏振器6、第一准直器7、光阑8后照后被反射镜9反射，携带参考臂的信息沿原路返回到第一环形器4的第二端口，然后由第一环形器4的第三端口输出到第二光纤耦合器10，被均分为两路，分别到达第三光纤耦合器14和第四光纤耦合器13；

进入第二环形器3的第一端口的光由第二环形器3的第二端口输出，经过第二准直器15后照射到样品，携带样品信息的样品反射光沿原路返回到第二环形器3的第二端口，然后由第二环形器3的第三端口输出到第三光纤耦合器14，与参考臂返回的光束进行实时干涉；

进入第三环形器5的第一端口的光由第三环形器5的第二端口输出，经过第三准直器11后照射到标准量块12，携带标定信息的标准量块12的反射光原路返回到第三环形器5的第二端口，然后由第三环形器5的第三端口输出到第四光纤耦合器13，与参考臂返回的光束进行实时干涉；

经过第三光纤耦合器14和第四光纤耦合器13的光分别经过第一平衡探测器17和第二平衡探测器19后转化为电信号，然后分别传输至第一数据采集设备18和第二数据采集设备20进行记录，最后均传输至计算机21进行处理与保存。

以下对本发明的测量原理进行阐述：

设样品臂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11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9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)的傅立叶变换，只考虑第三项，对其进行逆向傅立叶变换后可以得到：

其中Γ(z)是光源11输出功率谱的逆向傅立叶变换。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。由于采样是离散的过程，所以对其傅里叶变化以后，数据是一个个离散的像素点。每个像素点对应于一定的距离，并且由于k是均匀化的，所以每个像素点对应的距离是不变的。因此测得标准量块12对应的像素点数，用量块的距离值除以对应的像素点数，就是标定值。但是由于实际的像素点在一定范围内跳动，所以对其实时的取均值来平衡，得到标定的平均值。由于环境带来的像素点的跳动是在一定的上下界内有规律的跳动，所以取平均后的测量值是一个相对趋于稳定的值，对待测样品16的像素点同样取均值后乘以标定的平均值，就能获得较平稳准确的测量值。在系统中，通过增加一条标定臂用作于标定，因此能够在测距的同时来实时标定。为了使测量信号和标定信号不混淆，通过增加数据采集设备来独立这两个信号。

在一种实施例中，本发明还公开一种基于SS-OCT间距测量系统中的实时标定方法，该方法采用上述的基于SS-OCT间距测量系统中的实时标定装置进行实时标定，其包括以下步骤：

1)打开光源1，将样品臂中的待测样品16和标定臂中的标准量块12均替换成平面镜，移动样品臂和标定臂，得到干涉信号，调节光阑8，调整样品臂中的平面镜的位置，使得系统的信噪比最大；

2)分别将样品臂和标定臂上的平面镜换成上待测镜面和标准量块12，移动样品臂和标定臂，使得第一个峰的光程在零频附近；

3)启动采集卡第二数据采集设备20，记录标定窗口内标准量块12对应的两个峰值之间的像素点，取样i组，通过标准量块12的设计值取得标定值，计算平均后得到标定值

4)启动采集卡第一数据采集设备18，记录j个待测镜面的两个峰值之间对应的像素点数，计算平均值

然后乘以

得到测量值

5)重复步骤2)、3)和4)，直到完成待测样品16的测量。

在一种优选的实施例中，i＝100，j＝100。参照图2，为该实时标定方法的流程图。

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 (3)

1.一种基于SS-OCT间距测量系统中的实时标定装置，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三个输出端口分别连接的第一环形器、第二环形器和第三环形器、与所述第一环形器分别连接的第二光纤耦合器和参考臂、与所述第二光纤耦合器的两个输出端口分别连接的第一探测光路和第二探测光路、与所述第一探测光路和第二探测光路的输出端均连接的计算机、与所述第二环形器连接的样品臂以及与所述第三环形器连接的标定臂；

所述第一环形器、第二环形器和第三环形器均包括3个端口：第一端口、第二端口和第三端口；且从所述第一端口进入的光只能从所述第二端口输出，从所述第二端口进入的光只能从所述第三端口输出，从所述第三端口进入的光只能从所述第一端口输出；

所述第一环形器的第一端口、第二端口和第三端口分别与所述第一光纤耦合器、参考臂和第二光纤耦合器连接；所述第二环形器的第一端口和第二端口分别与所述第一光纤耦合器和样品臂连接，所述第一探测光路的输入端还与所述第二环形器的第三端口连接；所述第三环形器的第一端口和第二端口分别与所述第一光纤耦合器和标定臂连接，所述第二探测光路的输入端还与所述第三环形器的第三端口连接；

所述参考臂包括沿入射光路依次设置的偏振器、第一准直器、光阑和反射镜；

所述样品臂包括沿入射光路依次设置的第二准直器和待测样品；

所述标定臂包括沿入射光路依次设置的第三准直器和用于标定的标准量块；

所述第一探测光路包括沿入射光路依次设置的第三光纤耦合器、第一平衡探测器和第一数据采集设备；

所述第二探测光路包括沿入射光路依次设置的第四光纤耦合器、第二平衡探测器和第二数据采集设备；

所述光源为扫频激光器；

所述扫频激光器发出的光经过所述第一光纤耦合器后被均分为三路，分别进入所述第一环形器、第二环形器和第三环形器各自的第一端口；

进入所述第一环形器的第一端口的光由所述第一环形器的第二端口输出，依次经过所述偏振器、第一准直器、光阑后照后被所述反射镜反射，沿原路返回到所述第一环形器的第二端口，然后由所述第一环形器的第三端口输出到所述第二光纤耦合器，被均分为两路，分别到达所述第三光纤耦合器和第四光纤耦合器；

进入所述第二环形器的第一端口的光由所述第二环形器的第二端口输出，经过所述第二准直器后照射到样品，样品的反射光沿原路返回到所述第二环形器的第二端口，然后由所述第二环形器的第三端口输出到所述第三光纤耦合器，与所述参考臂返回的光束进行实时干涉；

进入所述第三环形器的第一端口的光由所述第三环形器的第二端口输出，经过所述第三准直器后照射到所述标准量块，所述标准量块的反射光原路返回到所述第三环形器的第二端口，然后由所述第三环形器的第三端口输出到所述第四光纤耦合器，与所述参考臂返回的光束进行实时干涉；

经过所述第三光纤耦合器和第四光纤耦合器的光分别经过所述第一平衡探测器和第二平衡探测器后转化为电信号，然后分别传输至所述第一数据采集设备和第二数据采集设备进行记录，最后均传输至所述计算机。

2.一种基于SS-OCT间距测量系统中的实时标定方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1所述的基于SS-OCT间距测量系统中的实时标定装置进行实时标定，其包括以下步骤：

1)打开光源，将样品臂中的待测样品和标定臂中的标准量块均替换成平面镜，移动样品臂和标定臂，得到干涉信号，调节光阑，调整样品臂中的平面镜的位置，使得系统的信噪比最大；

2)分别将样品臂和标定臂上的平面镜换成上待测镜面和标准量块，移动样品臂和标定臂，使得第一个峰的光程在零频附近；

3)启动采集卡第二数据采集设备，记录标定窗口内标准量块对应的两个峰值之间的像素点，取样i组，通过标准量块的设计值取得标定值，计算平均后得到标定值

4)启动采集卡第一数据采集设备，记录j个待测镜面的两个峰值之间对应的像素点数，计算平均值

然后乘以

得到测量值

5)重复步骤2)、3)和4)，直到完成待测样品的测量。

3.根据权利要求2所述的基于SS-OCT间距测量系统中的实时标定方法，其特征在于，所述i＝100，j＝100。

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