CN113295385B - 一种镜头内部形变的弱相干光学检测方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镜头内部形变的弱相干光学检测方法与系统。利用OCT分别采集镜头形变前后各镜片表面的干涉光谱；提取获得深度域复数信号；基于深度域强度信号，对各个镜片表面进行微米精度的表面定位，获得每个镜片表面的像素位置及亚像素位置；基于深度域相位信号，检测纳米精度的镜头内部形变；基于深度域复数信号分析每个镜片表面的光谱域相位，以补偿深度域相位的包裹量，扩展量程至微米量级。本发明解决了传统方法中量程和精度不能同时兼顾的问题，实现了镜头内部形变的大量程、高精度无损检测，对伪像问题做了优化，提升了各镜片表面定位的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及镜头工业检测领域的一种镜头检测方法与系统，更具体地涉及与光学相干成像相关联的大量程高精度的镜头内部形变的测量系统和方法。
背景技术
随着社会和工业的进步，镜头的应用场景正在急速发展。作为成像系统，镜头需要在变化的外界环境(如机械力，温度，湿度，酸碱等)中保持足够的成像质量。极端环境会改变使镜头内部发生形变，进而引起镜头成像性能的变化，需要对镜头的内部形变做定量测量，以评估镜头的可靠性。
目前，已有多种技术应用于单镜片的表面形貌检测，例如以探针接触测量技术为代表的接触式测量法，以及以原子力显微镜测量法、计算全息法、干涉法、共聚焦显微镜法等技术为代表的非接触式测量法。这些技术大多已被广泛应用于生产实践，但都是针对单镜片的测量方法，无法对已装配的镜头做非侵入式检测。工业X射线CT是一种可行的非侵入式检测手段，可以得到镜头的横截面断层信息。但是镜头的内部形变通常在微米甚至纳米量级，工业X射线CT的分辨率难以达到，且工业X射线CT单次测量的数据量大，导致成像速度慢，因此并不适用于镜头的无损检测。
光学相干层析(OCT)是一种高分辨率，高信噪比，高速率的非侵入式成像技术，能对样品内部微结构进行二维横截面成像和三维体成像。OCT已在生物医学领域中广泛应用，其应用场景也扩展到工业检测领域，例如液晶屏幕，发光器件，触摸屏面板等工业产品的检测。
OCT在镜头测量场景中已有相关应用，例如镜头内部疵病的检查，镜头面型的测量等。现有的OCT镜头测量方法存在一些问题，一方面，由于镜片拥有光滑表面，扫描光束在穿过时会有明显的反射，这部分反射分量会形成镜片伪像，妨碍镜片表面的识别，这种问题在多镜片系统中尤为显著；另一方面，现有OCT装置的结构分辨率一般在1-20um，达不到分辨镜头内部形变的精度要求，而高精度的相位型OCT又因为相位的包裹效应，导致其量程被局限为扫描光中心波长的一半，形成了一个从1/2波长到结构分辨率的量程断档。
因此，需要新的方法来克服原理上的固有限制，来实现同时具有大量程和高精度特点的镜头内部形变检测。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种大量程高精度的镜头内部形变的弱相干光学检测方法与系统，本发明检测的镜头内部形变具体由各个镜片表面在OCT装置中沿扫描系统光轴方向的深度变化体现。通过光线追迹实现约束提取，提升了各镜片表面定位方法的稳定性，消除了镜片表面伪像带来的影响；另外，联合OCT成像的强度、深度域相位和光谱域相位信号，由强度分析定位各镜片表面，深度域相位分析实现高精度测量，光谱域相位分析解决背景中提出的量程断档问题，扩展了量程，从而实现了镜头内部形变的大量程，高精度无损检测。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一、一种大量程高精度的镜头内部形变的弱相干光学检测方法，包括以下步骤：
S1、利用OCT方法分别采集镜头形变前后(T1,T2)各镜片表面的干涉光谱；所述的镜头包括同光轴布置的多片镜片，每个镜片上下两侧的每侧表面均作为一个镜片表面，各个镜片上下两侧表面组成各个镜片表面；
镜头中，距离OCT装置的探头最近的镜片表面作为镜头的第一表面。镜头内部形变的体现形式是各个镜片表面在OCT装置中沿扫描系统光轴方向的深度变化。
S2、对镜头形变前和镜头形变后镜头的干涉光谱作傅里叶变换均提取获得各镜片表面的深度域复数信号，深度域复数信号分为强度分量和相位分量，以强度分量作为深度域强度信号，以相位分量作为深度域相位信号，从而获得镜头形变前和镜头形变后的干涉光谱各自的深度域强度信号和深度域相位信号；
S3、基于深度域强度信号，对各个镜片表面进行微米精度的表面定位，获得每个镜片表面的像素位置及亚像素位置；
S4、基于深度域相位信号，检测纳米精度的镜头内部形变；
S5、基于深度域复数信号和各镜片表面的像素位置，计算各镜片表面的光谱域相位；
S6、基于各镜片表面的光谱域相位，补偿镜头内部形变的包裹量，扩展量程至微米量级，纳米精度由深度域相位实现，光谱域相位是为了解包裹，最终效果是扩展深度域相位的量程，能扩展至一个像素分辨率的量程。
本发明的大量程是指弱相干光学检测方法的量程最大为一个像素分辨率的量程。
所述S1，利用OCT方法分别采集镜头形变前后(T1,T2)各镜片表面的干涉光谱，具体为：
基于OCT装置采集镜头形变前T1的各镜片表面的干涉光谱；
将镜头从OCT装置上取下，镜头形变后T2，将镜头形变后T2的镜头装夹上OCT装置，使镜头形变后T2的各镜片表面的位置与镜头形变前T1的各镜片表面的位置重合；
基于OCT装置采集镜头形变后T2的各镜片表面的干涉光谱。
本发明所针对的镜头形变通常发生在做可靠性测试前后，但不限于此。可靠性测试指镜头的高低温性能测试，高湿度性能测试，机械力测试等等
所述S3，基于深度域强度信号，进行微米精度的表面定位，具体是针对每个镜片表面均按照以下方式处理：
创建镜头中每个镜片表面的约束区域；
在所述约束区域内对深度域强度信号提取每个镜片表面的像素位置，具体是提取灰度大于灰度阈值的像素点连接成线，作为各镜片表面的像素位置，实际例如为图8中的单个像素构成的线；
用离散谱校正法，校正每个镜片表面的像素位置，获取每个镜片表面的亚像素位置。
本发明具体实施中，一个像素是十个微米，亚像素为一微米。
所述步骤——创建镜头中每个镜片表面的约束区域，具体为：
通过镜头的设计参数建模镜头模型；
多次模拟纵向深度扫描(A扫描)的扫描光束通过镜头模型，对每次扫描光束做光线追迹获得扫描光束轨迹，以及获得扫描光束与镜头模型各镜片表面的交点；
根据各次扫描的扫描光束轨迹，将扫描光束与镜头模型各镜片表面的交点，转换成镜头OCT光程模型中对应的点，转换后的点构成镜头OCT光程模型；
在镜头OCT光程模型上，将每个镜片表面向两侧垂直扩展预设像素宽度形成该镜片表面的约束区域，每个镜片表面扩展后的结果之间形成约束区域，从而创建了每个镜片表面的约束区域。
所述步骤——根据各次扫描的扫描光束轨迹，将扫描光束与镜头模型各表面的交点，转换成镜头OCT光程模型中对应的点，转换后的点构成镜头OCT光程模型，具体为：
扫描光束穿过镜头模型时会发生折射。在扫描物镜视野下，扫描光束穿过镜头OCT光程模型时默认不发生偏折，就好像扫描物镜的视野下看到的各镜片表面的虚像，因此，镜头OCT光程模型相对镜头模型会变形。
将扫描光束与镜头模型各镜片表面的交点在镜头OCT光程模型中对应的点绘制在扫描光束轨迹进入镜头模型前的初始传播方向上；
扫描光束与镜头模型每个镜片表面的交点在镜头OCT光程模型中对应的点到OCT装置零光程面的距离，等于镜头模型中扫描光束轨迹上从OCT装置的零光程面传播到交点的光程，交点指扫描光束与镜头模型中镜片表面的交点；
对各次扫描的扫描光束轨迹进行同样处理，得到扫描光束与镜头模型各镜片表面的所有交点在镜头OCT光程模型中对应的点，所述点构成了镜头OCT光程模型。
所述S4，基于深度域相位信号，检测纳米精度的镜头内部形变，具体为：
在每个镜片表面的像素位置处，计算镜头形变前后的深度域相位信号之差获得深度域相位差；具体是在镜片表面的像素位置的各个像素处，将镜头形变前和镜头形变后的深度域相位信号进行相减获得；
处理获得镜头形变前后的参考信号的相位之差作为参考信号的相位变化；具体是在参考信号的各个像素处，将镜头形变前和镜头形变后的相位进行相减获得；
所述的参考信号是指OCT装置的固有干涉信号。
利用参考信号的相位变化补偿所述镜片表面的深度域相位差，以克服系统的相位不稳定性；具体是，同一纵向方向上参考信号的相位变化中的值相加到同一纵向方向上的像素处的镜片表面的深度域相位差中的值上；
将补偿后的镜片表面的深度域相位差换算为纳米精度的镜头内部形变量。
所述S5，基于深度域复数信号和各镜片表面的像素位置，计算各镜片表面的光谱域相位，具体为：
针对每个镜片表面，以镜片表面的每个像素位置为窗的中心，在镜头形变前和镜头形变后的深度域复数信号中加窗截断；
将加窗截断的深度域复数信号傅里叶反变换为光谱域信号；
对光谱域信号求其相位并解包裹，获得镜头形变前和镜头形变后的镜片表面的光谱域相位。
所述S6，基于各镜片表面的光谱域相位，补偿镜头内部形变的包裹量，扩展量程至微米量级，具体为：
根据干涉光谱采集时的光谱采样点与解包裹后获得的光谱域相位，按照以下公式计算表面深度：
其中，
表示干涉光谱采集时第i个光谱采样点的光谱域相位；ki是第i个光谱采样点的波数，z0是OCT装置中参考臂的反射镜706和镜片表面之间的光程差，即为表面深度；
表示常数相位；
在步骤S1中进行镜头干涉光谱采集时，干涉光谱就是离散采样的，每次采集，每个采样点的波数都是相等的。这里的光谱离散采样点，等于干涉光谱采集时的采样点。
利用镜头形变前和镜头形变后的各个镜片表面的表面深度之差，与深度域相位计算得到的镜头内部形变量进行比较，计算镜头内部形变量的包裹量；
将所述包裹量补偿至镜头内部形变量。
二、大量程高精度的镜头内部形变的弱相干光学检测系统：
一套OCT扫描装置，包含光学相干层析扫描装置，采集镜头形变前后各表面的干涉光谱；
一个位移台，使镜头形变后T2的各镜片表面的位置与镜头形变前T1的各镜片表面的位置重合见步骤106和器件713；以及一个或多个信号处理器，耦连到OCT扫描装置和位移台：
对镜头形变前后各镜片表面的干涉光谱进行预处理；
基于深度域强度信号，对各个镜片表面进行微米精度的表面定位；
基于深度域相位信号，检测纳米精度的镜头内部形变；
基于深度域复数信号和各镜片表面的像素位置，计算各镜片表面的光谱域相位；
基于各镜片表面的光谱域相位，补偿镜头内部形变的包裹量，扩展量程至微米量级。
所述的一套OCT扫描装置是采用以下的一种：
包括低相干光源、干涉仪和光谱仪的光谱域OCT装置；
或者包括扫频宽光谱光源、干涉仪和探测器的扫频OCT装置。
本发明对比已有的镜头内部形变的检测方法有如下创新点和优点：
1、提出了一种基于光线追迹的约束方法，能够利用镜头设计稿作为先验知识，计算OCT成像时各镜片表面的理论位置，在所述位置附近生成约束区域以限定表面提取范围，在对镜头这种具有多个光滑反射面的样本成像时，能够避免伪像的影响，提高各镜片表面定位的稳定性；
2、提出了联合OCT成像的强度信号，深度域相位信号，和光谱域相位信号的镜头内部形变检测方法，其中强度信号能够准确定位表面位置至微米精度，深度域相位信号能反映纳米精度的镜头内部形变，光谱域相位信号能够解决由于深度域相位包裹导致的量程不足，综合来看，该方法同时具有大量程和高精度的优点。
附图说明
图1为本发明方法的示意图；
图2为镜头形变前后OCT采集干涉光谱的例示性方法的流程图。
图3为从干涉光谱中提取深度域复数信号，深度域强度信号，深度域相位信号，并基于深度域强度信号定位各镜片表面像素位置，计算亚像素位置的例示性方法的流程图；
图4为基于深度域相位信号计算纳米精度的镜头内部形变的例示性方法的流程图；
图5为通过深度域复数信号和各镜片表面像素位置计算各镜片表面的光谱域相位的例示性方法的流程图；
图6为基于各镜片表面光谱域相位信号补偿镜头内部形变的包裹量，得到微米量程的镜头内部形变的例示性方法的流程图；
图7为本发明装置的示意图；
图8为本发明示例性实施例的通过光线追迹生成约束区域的方法示意图；
图9为本发明示例性实施例的镜头的截面强度成像结果以及边界提取结果；
图10为本发明示例性实施例的镜头深度域相位成像结果图；
图11为本发明示例性实施例的镜头深度域相位精度验证实验结果图；
图12为本发明示例性实施例的镜头光谱域相位量程扩展实验结果图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，附图形成本文的一部分。需要注意的是，这些说明及示例仅仅为示例性的，不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
为了便于理解本发明的实施例，将各操作描述成多个离散的操作，但是描述的顺序不代表实施操作的顺序。
本发明方法实施情况如下：
本发明如图1所示，共包含几个步骤：镜头形变前后OCT采集干涉光谱1；从干涉光谱中提取深度域复数信号，深度域强度信号，深度域相位信号2；基于深度域强度信号，定位各镜片表面像素位置，并计算亚像素位置3；基于深度域相位信号，检测纳米精度的镜头内部形变4；通过深度域复数信号和各镜片表面像素位置计算各镜片表面的光谱域相位5；基于各镜片表面光谱域相位信号，补偿镜头内部形变的包裹量，得到微米量程的镜头内部形变6。其中，步骤1和2针对镜头整体操作，步骤3-6针对各个镜片表面依次操作。
接下来将提供例示性方法，对上述步骤作具体描述。
图2为步骤1(镜头形变前后OCT采集干涉光谱)的例示性方法。由于测量到的镜头内部形变＝实际的形变+两次装夹位姿不同引入的系统误差，故需要还原装夹导致的位姿差，在本发明的实施例中，针对性地提出了步骤1的例示性方法，采用镜头的第一表面(安装时最靠近扫描系统物镜的表面)作为基准对齐，具体方法介绍如下：
镜头形变前T1时刻，在101采集镜头的干涉光谱F1，之后在102计算第一表面的三维空间位置，以作为对齐基准；镜头形变后T2时刻，在103采集镜头的干涉光谱F2，之后在104计算第一表面的三维空间位置；在105计算T1和T2时刻镜头第一表面的三维空间位置的位姿差，若位姿差足够小，则直接进入步骤2，若位姿差较大，则在106利用位移台还原这部分位姿差，之后重复103，104，105，直到位姿差均小于预设阈值。
101和103中的信号采集可采用光谱域OCT装置或扫频OCT装置，在步骤102和104的实施例中，第一表面的三维位置提取可以优选地运用304中的表面亚像素位置换算得到的表面深度，相关方法在下文将会具体介绍。在步骤105的实施例中，优选地，可以利用表面的三维空间位置构造点云，之后用点云匹配算法获得两者的位姿差矩阵，位姿差矩阵中将包含3×3的旋转矩阵R，可以换算成欧拉角，以及1×3的平移矩阵T，可以换算成平移量，它们可以用来指导步骤106中的位移台进行位姿差归零。
图3为步骤2(从干涉光谱中提取深度域复数信号，深度域强度信号，深度域相位信号)及步骤3(基于深度域强度信号，定位各镜片表面像素位置，并计算亚像素位置)的例示性方法。
步骤2中，会对干涉光谱进行初步处理。具体而言，先对101干涉光谱F1做快速傅里叶变换(FFT)，得到201深度域复数信号C1，C1的幅值作为202深度域强度信号I1，幅角作为203深度域相位信号P1；同样地，对103干涉光谱F2做FFT，得到204深度域复数信号C2，C2的幅值作为205深度域强度信号I2，幅角作为206深度域相位信号P2。
读者可以根据以下数学过程理解OCT信号处理的过程。OCT干涉光谱(F1,F2)去除直流信号和自相关信号后，每个镜片表面在单次A扫描(纵向深度扫描)时的干涉光谱信号都可以由下面的方程描述：
其中，I(ki)是探测器采集到第i个光谱采样点的光谱强度；ki是第i个光谱采样点的波数(i＝1～N,N为光谱离散采样总数)；k0是中心波数；S(ki-k0)是光源功率谱；RR和RS分别是参考臂反射面和样品中任一表面的反射率；z0是OCT装置中参考臂的反射镜706和上述表面的光程差，即为OCT图像中的表面深度。
需要指出的是，进行镜头干涉光谱采集时，干涉光谱是离散采样的，每次采集，每个采样点与相邻采样点的波数间隔都是相等的，在扫频系统中，通常由K时钟来实现等波数间隔，而在谱域系统中，通常将光谱按等波数间隔做插值实现。
对方程(1)做快速傅里叶变换，会得到原项和复共轭项，它们位于中央直流项异侧，舍弃复共轭项，会得到该表面在深度域的复数信号
(C1,C2)：
其中zi为离散的空间深度位置；
是光源功率谱的快速傅里叶反变换在空间域的平移。
对方程(2)取幅值，得到深度域强度信号I(zi)(I1,I2)：
因为函数Γ(zi-z0)会在自变量为零时取得最大值，所以方程(3)说明强度信号会在zi接近z0的位置(即表面所在的位置)附近形成一个强度包络。
对方程(2)取幅角，得到深度域相位
(P1,P2)：
在强度信号的包络范围内，深度域相位也会形成一个包络。
步骤3中分析深度域强度信号，由于镜头本身具有的离散光滑反射面结构，扫描光束在样本内多次反射产生的伪像会影响分析的准确性，为了避免伪像的影响，可以对提取区域进行约束。由于镜头的生产是基于设计文稿的，产品和设计值仅会有微小的偏差(小于1um量级)，通常小于OCT装置的轴向分辨率(1um-10um量级)，于是可以用镜头的设计文稿来生成约束。
需要注意的是，OCT装置的扫描光束穿过镜头模型时会发生折射。但是由于OCT装置的原理，每次A扫描的信号会存成一个向量。信号处理时，这些向量会拼接成帧，于是单次A扫描的信号会出现在同一条竖直线上，这样的处理等价于扫描光束不发生偏折，从而使OCT装置探测到的镜头OCT光程模型相对镜头模型发生变形，此时的OCT图像中的各镜片表面，就好像扫描物镜的视野下看到的各镜片表面的虚像。
基于光线追迹的方法302可以预测上述变形并生成约束区域。具体地，首先根据镜头设计文稿301建模镜头模型，之后在多次模拟A扫描的扫描光束通过镜头模型，对每次A扫描的扫描光束进行光线追迹，获得该扫描光束与镜头模型各镜片表面的交点(下简称“镜头模型各交点”)，以及扫描光束从OCT装置中参考臂与样品臂的零光程差面(下简称“零光程面”)传播到镜头模型各交点的光程，接着将镜头模型各交点转化为镜头OCT光程模型中对应的点(下简称“光程模型各交点”)，更详细地，是将光程模型各交点绘制在扫描光束进入镜头模型前的初始传播方向上，光程模型各交点在镜头OCT光程模型中到零光程面的距离，等于镜头模型中扫描光束从零光程面传播到镜头模型各交点的光程，多次进行上述过程，将所有A扫描获得的光程模型各交点拼接组合，就能得到镜头OCT光程模型。读者可参考图8所描述的实施例以进一步理解该过程。进一步地，将OCT光程模型的各镜片表面沿垂直方向扩展预设像素宽度，形成约束区域掩膜M。
在303，将镜头形变前的202强度信号I1与302的约束区域掩膜M相乘，留下约束区域内的强度信号，在其中进行304各镜片表面的提取，提取的过程逐帧进行，即在一系列由方程(3)描述的A扫描信号组成的B扫描帧做镜片表面提取。在本发明实施例中，表面提取可利用图搜索算法实现(例如Stephanie J.Chiu,Xiao T.Li,Peter Nicholas,CynthiaA.Toth,Joseph A.Izatt,和Sina Farsiu的“Automatic segmentation of seven retinallayers in SDOCT images congruent with expert manual segmentation”Opt.Express18(18),19413-19428(2010)中所描述的方法，其中关于图搜索的Dikjistra算法可以从视网膜分层的应用场景移植到镜片边界提取的操作中)。表面提取可以获得各镜片表面所在的像素位置Z1。
需要指出，在强度信号中提取到的表面，其分辨率等于图像像素分辨率，在本发明实施例中，像素纵向分辨率可由光源的中心波长和带宽计算，约为10um，在305，通过离散谱校正的方法细化该边界，可以突破像素分辨率的限制。
具体来说，表面会在深度域图像中形成一个包络，包络的强度峰值位置即为表面的位置，但由于图像在深度域离散采样，搜索到的离散峰值位置(例如，zm)未必是表面的真实位置z0，利用离散谱校正方法，可以根据zm附近垂直方向的离散点的强度推断包络峰值的亚像素位置。在本发明实施例中，可以利用能量重心法来实现离散谱校正(例如：丁康,江利旗的“离散频谱的能量重心校正法”振动工程学报,14(3),354～358(2001)中所述的方法)，当识别到的表面包络峰值位于离散位置zm，包络中心的亚像素位置可以利用与zm在垂直方向相邻的n个点估计，表达式为：
其中，gm+k是zm附近像素点的灰度，zm+k是zm附近像素点的位置。在本发明实施例中，n优选地取为2。
同样地，在306对镜头形变后的205强度信号I2与约束区域掩膜M相乘，留下约束区域内的强度信号，在其中进行307各镜片表面的提取，得到各镜片表面所在的像素位置Z2，并进行308离散谱校正得到表面亚像素位置Z2’。
图4为步骤4(基于深度域相位信号计算纳米精度的镜头内部形变)的例示性方法。
首先，对步骤2中获得的203相位信号P1和206相位信号P2相减，获得401相位差信号ΔP。之后在402利用303表面像素位置Z1索引401ΔP，得到403表面的深度域相位差
还需要利用参考信号对相位差
做校正。具体而言，在基于深度域相位实现高精度检测时，光源状态的波动，外界环境的微小扰动，以及空气的流动均会对系统的相位产生影响，使相位缓慢地漂移，因此需要校正相位漂移以获得准确的位置差。已有多种方法被用于校正相位漂移，例如搭建共路干涉系统，或引入一个参考面。在本发明实施例中，OCT装置采用光纤干涉仪实现，各光纤组件中的光纤长度不严格相等，会在样品臂和参考臂中引入了一个固定的光程差，进而产生一个固有干涉信号，该固有干涉信号的相位也会随环境漂移，利用该信号作为参考，可以实现外界扰动对OCT装置影响的校正。
本发明实施例中采用系统固有干涉信号作为参考，先观察得到404参考信号位置，之后在405利用404索引401ΔP，得到406参考信号的相位变化
在407，用同一次A扫描的
补偿
得到校正后的相位，通过方程(4)可知相位与镜头内部形变量的关系：
其中，Δzw为利用深度域相位计算的表面深度位置z0的变化量。
在408，可将校正后的相位差换算成镜头内部形变量，换算公式可以根据方程(7)直接获得：
其中，λ0是中心波数k0对应的中心波长。
深度域相位差计算的镜头内部形变量能够达到纳米量级的精度，这将在下文提供的一个实施例(见图10和图11)中验证，虽然能达到高精度的要求，但其量程为OCT装置中心波长的一半。原因是，深度域复振幅的幅角有效范围是-π～π，实际深度域相位可能和所取深度域复振幅的幅角相差2Mπ(M为任意整数值)，即产生相位包裹。本发明采用了光谱域相位实现深度域的相位解包裹，扩展了方法的量程。
图5是步骤5(通过深度域复数信号和各镜片表面像素位置计算各镜片表面的光谱域相位)的例示性方法。先以303表面像素位置Z1为中心，在纵向扫描方向扩展预设像素，并在范围内生成501滤波窗W1(例如，高斯窗)，在502对201深度域复数信号C1加窗截断，得到503形变前表面的深度域复数信号，随后在504依次进行快速反傅里叶变换(IFFT)至光谱域，取幅角并解包裹，得到505光谱域相位H1。同样地，以307表面像素位置Z2为中心，生成506滤波窗W2，在507对204深度域复数信号C2加窗截断，得到508形变后表面的深度域复数信号，随后进行509的变换(与504相同)，得到510光谱域相位H2。
可以通过数学运算来揭示光谱域相位的物理意义，对于深度位置是z0的表面，其在光谱域的信号由方程(2)傅里叶逆变换而来，为如下形式：
其中
是复数形式的光谱域信号，该方程也是方程(1)的复解析形式。
通常，光谱域相位在一个周期内会有多个采样点(这是因为能被探测到的表面，在光谱域的干涉条纹空间频率都不会超过奈奎斯特频率)，变化比较缓慢，利用数字算法能够轻易解包裹。解包裹后的光谱域相位为：
其中，
表示第i个光谱采样点的光谱域相位，ki是第i个光谱采样点的波数，z0是OCT装置中参考臂的反射镜706和上述表面的光程差；
是一个常数相位。通过方程(10)发现，光谱域相位是一条以扫描波数为横坐标，2z0为斜率的直线，可以优选地通过求解直线的斜率，可以求出表面深度，该深度值不受相位包裹的影响。
图6是步骤6(基于各镜片表面光谱域相位信号补偿镜头内部形变的包裹量，得到微米量程的镜头内部形变)的例示性方法。在步骤6中，将利用上述不受包裹影响的表面深度对镜头内部形变量进行量程扩展。
在602，以601光谱采样波数作为自变量，503光谱域相位H1作为应变量，做线性拟合，按照方程(10)，取斜率的1/2作为604表面深度D1；同样地，对601光谱采样波数和503光谱域相位H2作为应变量，进行604线性拟合得到605表面深度D2，两者作差得到不受相位包裹影响的606表面深度之差ΔD。
在607，利用ΔD补偿ΔZw的包裹量，一个相位包裹对应的深度为λ0/2，形变量包裹量为整数M，校正后的表面深度差为ΔZw+Mλ0/2，一个合适的包裹量值M使得ΔZw+Mλ0/2-ΔD的值最小。
在608，用607形变量的包裹量M对405镜头内部形变量ΔZW解包裹，得到609解包裹的镜头内部形变量ΔZ，该过程用方程描述为：
通过步骤5和步骤6，由深度域相位计算出的镜头内部形变量的量程能够被有效扩展至系统轴向像素分辨率的数量级，不受相位包裹限制，从而完整实现了本发明方法大量程高精度的特征。这将在下文提供的一个实施例中验证(见图12)。
本发明装置介绍如下：
图7示意性地描绘了大量程高精度镜头内部形变的弱相干光学检测系统。光源701发出的光被光纤耦合器702分成两部分：一部分光进入参考臂环形器703的入口，光从环形器703的第一出口进入光纤准直器704准直，然后被聚焦透镜705聚焦到反射镜706上，反射镜使光原路返回至环形器703，之后从环形器703的第二出口出射至分光比为50:50的耦合器714；另一部分光进入样品臂环形器708的入口，光从环形器708的第一出口进入光纤准直器709，准直后由二维振镜710反射，反射后的光通过扫描物镜711照射样品712，来自样品712的背向散射光重新被扫描物镜711收集，之后经原路返回环形器708，然后从环形器708的第二出口出射至耦合器714。样品712由多轴位移台713承载，多轴位移台713可以实现镜头重新装夹时的位姿差还原。二维振镜710可以通过转动实现样品表面的二维扫描。
光路中有偏振控制器707，其作用是调整参考臂光的偏振态，使得干涉强度最大。由参考臂环形器703和样品臂环形器708的第二出口出射的光在耦合器714处发生干涉，干涉产生的条纹通过干涉信号探测装置715采集，然后传输至信号处理模块和计算单元716，经过数据处理后可求解样品在镜头形变前后两次装夹的位姿差，并指导位移台713消除这部分位姿差；也可以依次进行强度信号分析，深度域相位分析和光谱域相位分析，从而求解样品的内部形变。
依据OCT的不同实现方式，图7所示的系统装置具体包括：
1)光谱域OCT装置。光源701采用宽带光源(例如，超发光二极管SLD)，干涉信号探测装置715采用光谱仪。由光谱仪中的线阵相机记录干涉光谱。
2)扫频OCT装置。光源701采用扫频光源，干涉信号探测装置715采用单像素光电探测器。光电探测器分时记录每个扫频周期的干涉光谱。
为了对本发明进行更深入，清楚的阐述，现将各个实施例介绍如下：
A.本发明装置的实施例
本发明装置的示例性实施例采用扫频OCT装置，光源701采用的是中心波长1300nm，带宽100nm的扫频光源，内含K时钟以实现等波数间隔的频率扫描，耦合器702优选分光比为80:20的耦合器(其中80％的能量进入样品臂，20％的能量进入参考臂)，干涉信号探测装置715采用平衡探测器。
B.光线追迹生成约束的方法的实施例
图8为通过光线追迹生成约束区域的方法示意图，展示了步骤302的示例性实施例。800是本发明示例性实施例用到的4片式镜头，均采用非球面设计。用OCT扫描镜头时，各表面的位置由扫描光束到达该表面时与参考臂的光程差所决定，故OCT扫描物镜视野下的探测到的镜头模型800会形变为镜头OCT光程模型810，810的具体形状可以用302光线追迹的方法由800计算而来。
801是某一次A扫描的扫描光束，在镜头OCT光程模型中对应811，801在镜头模型内部会发生折射，通过光线追迹可以计算出扫描光束轨迹和镜头模型各交点：801与镜头的8个表面分别交于点802，点803，……，点809。第一个交点802对应镜头OCT光程模型中的点812，该点的位置与802相同；第二交点803对应镜头OCT光程模型中的点813，813位于812的正下方，与812的距离为802到803的光程(即802到803的直线距离，乘以802到803之间材料的折射率)；第三交点804对应OCT光程结构中的点814，814位于813的正下方，与813的距离为803到804的光程；以此类推，得到点815，点816，……，点819的位置，至此完成了镜头模型交点到光程模型交点的转换。针对每次A扫描都做上述运算，将所有转换后的点拼接，即可将镜头模型800变换为镜头OCT光程模型810。在紧接着的表面结构提取步骤204中，可以将光程结构810在竖直方向拓展若干个像素，约束表面结构的提取区域。
C.有关联合强度信号，深度域相位信号，和光谱域相位信号的镜头内部形变测量方法的一些实施例
图9为一枚4片式镜头的截面强度成像结果以及边界提取结果，展示了步骤3的示例性实施例。将待测镜头置于OCT装置的样品臂，扫描后按照步骤3的例示性方法分析强度信号，得到图示结果，图中只保留了各镜片表面和系统固有干涉附近的信号，对剩余区域做了置零处理。其中900是本发明实施例用到的4片式镜头的强度成像和边界提取结果，901,902,903,…,908分别是镜头内的8个表面，表面附近形成了强度包络，909是一个系统固有干涉信号，用图搜索算法在图中提取了表面。可以发现，由于对搜索区域进行了约束，即使图像中存在许多高反射区域和镜片伪像，算法仍然能搜索到正确的边界。910是表面908的局部放大图，显示了镜片表面的像素位置，911为910中表面像素位置的离散谱校正结果，即表面亚像素位置。该实验结果证实了强度信号分析步骤3的准确性和有效性。
图10是一枚4片式镜头的深度域相位成像结果图，展示了步骤4的示例性实施例。将待测镜头安装在压电位移台上，放置在样品臂上，对截面进行OCT信号采集，随后通过压电位移台将镜头整体沿z方向平移100nm以后，再进行OCT信号采集，通过步骤4的例示性方法分析深度域相位，其中两组数据深度域相位的差值在图10中列出。其中1001,1002,1003,…,1008所指的是镜头内8个表面的相位差包络，1009是参考信号的相位差包络。获得深度域相位图后，在表面像素位置Z1处，可以提取每个镜片表面的相位差(例如，在表面901处可以提取包络1001的相位，在表面902处可以提取包络1002的相位,等等)，提取到表面和参考信号的相位差以后，用方程(8)换算成位置差，通过分析每个镜片表面位置差的统计规律，可以评估深度域相位分析方法的测量精度。
在图11中绘制了由每个镜片表面相位差换算而来的位置差统计图。横坐标为4片式镜头中每个镜片表面的序号，序号越小的表面越接近扫描系统的物镜，纵坐标为深度域相位计算出的变形量。图中虚线是100nm理论值基准，对表面上每个像素计算位置差，每个表面上所有像素点位置差的均值被绘制成散点图，标准差被绘制成误差棒。从图中可以发现，计算出的位置差均值和理论值偏差很小，且位置差的分布宽度小，说明表面位置差的测量准确度和稳定性都很高，位置差测量精度小于100nm，满足镜头内部形变检测的高精度要求。
图12是光谱域相位量程扩展实验结果图，展示了步骤6的示例性实施例。将待测镜头安装在压电位移台上，放置在样品臂上，进行OCT信号采集，随后通过压电位移台将镜头整体沿z方向平移5000nm以后，再进行OCT信号采集，之后通过步骤2-步骤6的例示性方法分析强度和相位，1201是通过深度域相位求出的表面深度差值，均值为-207.7nm，因为相位包裹效应，与理论值相差甚远；1202是该表面的光谱域相位，通过线性拟合计算出的表面深度差为4874.5nm，从而计算出包裹量为8；1203是校正包裹量以后的表面深度差值，均值为-207.7+650×8＝4992.31nm，与理论值吻合。
以上所有实施例能够充分说明，本发明方法中联合OCT成像的强度信号，深度域相位信号，和光谱域相位信号的检测方法能够实现大量程，高精度的镜头内部形变检测；另外，基于光线追迹的约束方法，能够有效提高多反射面系统中各镜片表面定位的稳定性。
Claims (8)
1.一种镜头内部形变的弱相干光学检测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、利用OCT方法分别采集镜头形变前后各镜片表面的干涉光谱；所述的镜头包括同光轴布置的多片镜片，每个镜片上下两侧的每侧表面均作为一个镜片表面，各个镜片上下两侧表面组成各个镜片表面；
S2、对镜头形变前和镜头形变后镜头的干涉光谱均提取获得各镜片表面的深度域复数信号，深度域复数信号分为强度分量和相位分量，以强度分量作为深度域强度信号，以相位分量作为深度域相位信号；
S3、基于深度域强度信号，对各个镜片表面进行微米精度的表面定位，获得每个镜片表面的像素位置及亚像素位置；
S4、基于深度域相位信号，检测纳米精度的镜头内部形变；
S5、基于深度域复数信号和各镜片表面的像素位置，计算各镜片表面的光谱域相位；
S6、基于各镜片表面的光谱域相位，补偿镜头内部形变的包裹量，扩展量程至微米量级；
所述S3，基于深度域强度信号，进行微米精度的表面定位，具体是针对每个镜片表面均按照以下方式处理：
创建镜头中每个镜片表面的约束区域；
在所述约束区域内对深度域强度信号提取每个镜片表面的像素位置；
用离散谱校正法，校正每个镜片表面的像素位置，获取每个镜片表面的亚像素位置；
所述的创建镜头中每个镜片表面的约束区域，具体为：
通过镜头的设计参数建模镜头模型；
多次模拟纵向深度扫描的扫描光束通过镜头模型，对每次扫描光束做光线追迹获得扫描光束轨迹，以及获得扫描光束与镜头模型各镜片表面的交点；
根据各次扫描的扫描光束轨迹，将扫描光束与镜头模型各镜片表面的交点，转换成镜头OCT光程模型中对应的点，转换后的点构成镜头OCT光程模型；
在镜头OCT光程模型上，将每个镜片表面向两侧垂直扩展预设像素宽度形成该镜片表面的约束区域，从而创建了每个镜片表面的约束区域。
2.根据权利要求1所述的一种镜头内部形变的弱相干光学检测方法，其特征在于：所述S1，利用OCT方法分别采集镜头形变前后各镜片表面的干涉光谱，具体为：
基于OCT装置采集镜头形变前T1的各镜片表面的干涉光谱；
将镜头取下，将镜头形变后T2的镜头装夹上，使镜头形变后T2的各镜片表面的位置与镜头形变前T1的各镜片表面的位置重合；
基于OCT装置采集镜头形变后T2的各镜片表面的干涉光谱。
3.根据权利要求1所述的一种镜头内部形变的弱相干光学检测方法，其特征在于：根据各次扫描的扫描光束轨迹，将扫描光束与镜头模型各表面的交点，转换成镜头OCT光程模型中对应的点，转换后的点构成镜头OCT光程模型，具体为：
将扫描光束与镜头模型各镜片表面的交点在镜头OCT光程模型中对应的点绘制在扫描光束轨迹进入镜头模型前的初始传播方向上；
扫描光束与镜头模型每个镜片表面的交点在镜头OCT光程模型中对应的点到OCT装置零光程面的距离，等于镜头模型中扫描光束轨迹上从OCT装置的零光程面传播到交点的光程；
对各次扫描的轨迹进行同样处理，得到扫描光束与镜头模型各镜片表面的所有交点在镜头OCT光程模型中对应的点，所述点构成了镜头OCT光程模型。
4.根据权利要求1所述的一种镜头内部形变的弱相干光学检测方法，其特征在于：所述S4，基于深度域相位信号，检测纳米精度的镜头内部形变，具体为：
在每个镜片表面的像素位置处，计算镜头形变前后的深度域相位信号之差获得镜片表面的深度域相位差；
处理获得镜头形变前后的参考信号的相位之差作为参考信号的相位变化；
利用参考信号的相位变化补偿所述镜片表面的深度域相位差；
将补偿后的镜片表面的深度域相位差换算为镜头内部形变量。
5.根据权利要求1所述的一种镜头内部形变的弱相干光学检测方法，其特征在于：所述S5，基于深度域复数信号和各镜片表面的像素位置，计算各镜片表面的光谱域相位，具体为：
针对每个镜片表面，以镜片表面的每个像素位置为窗的中心，在镜头形变前和镜头形变后的深度域复数信号中加窗截断；
将加窗截断的深度域复数信号傅里叶反变换为光谱域信号；
对光谱域信号求其相位并解包裹，获得镜头形变前和镜头形变后的镜片表面的光谱域相位。
6.根据权利要求1所述的一种镜头内部形变的弱相干光学检测方法，其特征在于：所述S6，基于各镜片表面的光谱域相位，补偿镜头内部形变的包裹量，扩展量程至微米量级，具体为：
根据干涉光谱采集时的光谱采样点与解包裹后获得的光谱域相位，按照以下公式计算表面深度：
其中，
表示干涉光谱采集时第i个光谱采样点的光谱域相位；ki是第i个光谱采样点的波数，z0是OCT装置中参考臂的反射镜和镜片表面之间的光程差，即为表面深度；
表示常数相位；
利用镜头形变前和镜头形变后的各个镜片表面的表面深度之差，与深度域相位计算得到的镜头内部形变量进行比较，计算镜头内部形变量的包裹量；
将所述包裹量补偿至镜头内部形变量。
7.用于实施权利要求1～6任一所述方法的镜头内部形变的弱相干光学检测系统，包括：
一套OCT扫描装置，采集镜头形变前后各表面的干涉光谱；
一个位移台，使镜头形变后T2的各镜片表面的位置与镜头形变前T1的各镜片表面的位置重合；
以及一个或多个信号处理器，耦连到OCT扫描装置和位移台：
对镜头形变前后各镜片表面的干涉光谱进行预处理；
基于深度域强度信号，对各个镜片表面进行微米精度的表面定位；
基于深度域相位信号，检测纳米精度的镜头内部形变；
基于深度域复数信号和各镜片表面的像素位置，计算各镜片表面的光谱域相位；
基于各镜片表面的光谱域相位，补偿镜头内部形变的包裹量，扩展量程至微米量级。
8.根据权利要求7所述的镜头内部形变的弱相干光学检测系统，其特征在于：所述的一套OCT扫描装置是采用以下的一种：
包括低相干光源、干涉仪和光谱仪的光谱域OCT装置；
或者包括扫频宽光谱光源、干涉仪和探测器的扫频OCT装置。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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