基于正交色散谱域干涉仪的高精度间距测量系统和方法

摘要

本发明公开了一种基于全量程正交色散谱域干涉仪的高精度间距测量系统和方法。本发明基于谱域干涉仪布局，通过参考臂中设置的快速位移装置在多幅干涉光谱之间引入位相差，并利用实际检定的相位差来重建复干涉信号，基于复干涉信号的逆傅里叶变换获取高保真样品信息。在探测臂上使用基于虚像相控阵列和光栅的超高光谱分辨率的正交分光光谱仪进行探测，大幅提高测量量程。采用优化多通道光谱位相的光程测量方法，显著提高测量精度，并避免单通道测量可能导致的误差放大，实现快速高精度大量程的间距测量。

说明书

技术领域

本发明涉及光学相干测量技术领域，具体涉及一种基于正交色散谱域干涉仪的高精度间距测量系统和方法。

背景技术

现代光学系统一般都是由多个透镜组成的，在光学系统的安装调试过程中，各个透镜定位是否准确是决定光学系统性能的关键指标，这就需要一个快速、高精度、大量程的间距测量系统来监测和引导光学系统的安装调试。为了实现无损检测，人们提出了一种基于光学干涉原理的间距监测方法，如法国Fogale公司的镜面定位仪，所采用的技术是时域光学相干层析技术(Time Domain Optical Coherence Tomography,TDOCT)，利用宽带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运动的速度和精度，测量速度慢，且测量精度易受到温度、振动等外界因素的影响。为了提高测量速度、减少测量系统对机械运动的依赖，人们将傅立叶域光学相干层析技术(FourierDomain Optical Coherence Tomography,FDOCT)应用于光学系统内透镜之间间距的测量。FDOCT技术又分为谱域光学相干层析技术(Spectral DomainOCT,SDOCT)和扫频光学相干层析技术(Swept Source OCT,SSOCT)。SDOCT选用宽带光源和快速多通道光谱仪获取干涉信号。SSOCT选用快速扫频激光光源和单点探测器获取干涉光谱信号。通过对干涉信号进行傅立叶变换即可得到沿轴向的光学系统内部透镜之间的间距信息。由于SSOCT系统的相位稳定性较差，所以选取SDOCT技术实施高精度间距测量更为合适。

然而，SDOCT技术用于提高光学间距测量，在提高检测速度的同时，也存在一些不足。

第一、测量结果存在镜像。

由于探测到的干涉光谱是实数，所以由傅立叶变换的厄米共轭性导致的镜像会存在，使得SDOCT系统损失了一半的量程，更为严重的是，镜像信号的存在可能会导致测量时的误读。

为了克服由傅立叶变换的厄米共轭导致的镜像，R.Leitgeb等人于1999年提出了通过移相的方法在相干系统的参考臂引入载频，从而得到复数形式的干涉信号，进而区分信号和其镜像。由于该方法受快速位移装置的精度、外界环境以及色差等因素的影响，所以镜像抑制比不高。

第二、测量量程有限。

一般SDOCT系统中使用的多通道光谱仪是由光栅和线阵相机组成的，光谱分辨率不够高，所以SDOCT系统的量程一般在几毫米左右。

为了突破测量量程，Hui Wang等人提出了一种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，但是量程提高有限，仍然不能满足大间距测量的需要；多参考臂的设置也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，否则测量结果会有较大的误差。

第三、SDOCT系统的光学间距测量精度不足。

通常的信号处理方法所得到的轴向距离精度受光源带宽和采样点个数等因素影响。为了提高轴向间距的测量精度，Jun Zhang等提出了量化位相成像方法(Quantitative Phase Imaging)，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。但是，利用单点光谱信息计算间距时可能会因为选取到一些灵敏度较差的波长而使得测量误差放大。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了基于正交色散谱域干涉仪的高精度间距测量系统和方法。

基于正交色散谱域干涉仪的高精度间距测量系统，包括宽带光源、光环行器、宽带光纤耦合器、样品臂、参考臂和探测臂；

所述的样品臂包括第一光纤准直透镜、第一聚焦透镜、平面反射镜和快速位移装置；所述的参考臂包括第二光纤准直透镜、第二聚焦透镜和样品；所述的探测臂包括第三光纤准直透镜、柱面聚焦透镜、虚像相控阵列、光栅、第三聚焦透镜、面阵CCD或面阵CMOS；

宽带光源出来的低相干光，经光环行器到宽带光纤耦合器，其中一路光进入参考臂，另一路进入样品臂；进入参考臂部分：经宽带光纤耦合器分光后的光经第一光纤准直透镜后，经第一聚焦透镜照射到固定在快速位移装置上的平面反射镜，从平面反射镜反射回来的光经由原路返回至宽带光纤耦合器；进入样品臂部分：经宽带光纤耦合器分光后的光经第二光纤准直透镜入射到第二聚焦透镜后照射到样品，从样品反射回来的光经由原路返回至宽带光纤耦合器；

从样品臂和参考臂返回的两路光在宽带光纤耦合器中干涉后形成干涉光，经光环行器进入探测臂，由探测臂将干涉光分解为干涉光谱信号并探测；进入探测臂部分：干涉光经第三光纤准直透镜，入射到柱面聚焦透镜，出射光汇聚到虚像相控阵列前表面的入射窗，从虚像相控阵列的后表面出射，进行空间域上的第一级分光，再入射到光栅，在正交空间方向上进行第二级分光，经第三聚焦透镜成像，采用面阵CCD或面阵CMOS进行探测；最后这些光谱信号转变为电信号传入计算机，并在计算机中实施傅立叶变换等算法处理重建样品图像。

基于正交色散谱域干涉仪的高精度间距测量系统的测量方法，具体包括以下步骤：

步骤一：在参考臂中，把反射镜固定在一个快速位移装置上，在探测某一样品时，控制快速位移装置进行多次移动，从而获得不同光程差下的多个干涉信号；

步骤二：在探测臂中，使用虚像相控阵列和光栅对干涉光进行正交色散分光；先用虚像相控阵列对干涉光进行第一次色散分光；再由光栅在正交方向上进行第二次分光，两次分光后得到的高光谱分辨率的二维干涉光谱通过一个聚焦透镜后被面阵CCD或面阵CMOS探测得到；

步骤三：对面阵CCD或面阵CMOS探测得到的某样品的多个干涉光谱进行傅里叶变换，得到该样品的多个信号，对这些信号中强度最强的信号峰进行带通滤波处理并求取光谱相位，计算出这些干涉光谱之间的相位差，利用此相位差重构出复干涉光谱；对该复干涉光谱进行逆傅里叶变换即得到高保真的样品信号；

步骤四：得到样品信号后，提取出样品各个界面的信号峰，求得每个独立的信号峰光谱位相，对每个信号峰利用不同光谱通道的相位信息求得相应光程差，通过分析运算，对其进行最优平均以抑制系统噪声，实现高精度的间距测量。

本发明具有的有益效果是：

1.提出了基于光谱相位差的复信号重建方法，克服了快速位移装置的精度、外界环境以及色差等因素对复信号重建的影响。该方法不仅拓展了双倍量程，而且提高了样品重建的保真度。不受残余镜像的影响，避免了测量过程的误读。2.在探测臂上使用基于虚像相控阵列和光栅的正交分光光谱仪进行探测，实现了超高光谱分辨率的探测，大幅提高了测量量程。3.使用优化多通道光谱位相的间距测量方法，不仅提高了测量的精度，而且避免了单通道测量可能导致的误差放大。

附图说明

图1是本发明的系统结构原理示意图；

图2是本发明求取相位差的信号处理流程图；

图3本发明的基于位相的高精度间距测量原理示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明包括宽带光源1、光环行器2、宽带光纤耦合器3、样品臂17、参考臂18和探测臂19；

所述的样品臂17包括第一光纤准直透镜4、第一聚焦透镜5、平面反射镜6和快速位移装置7；所述的参考臂18包括第二光纤准直透镜8、第二聚焦透镜9和样品10；所述的探测臂19包括第三光纤准直透镜11、柱面聚焦透镜12、虚像相控阵列13、光栅14、第三聚焦透镜15、面阵CCD或面阵CMOS 16；

宽带光源1出来的低相干光，经光环行器2到宽带光纤耦合器3，其中一路光进入参考臂17，另一路进入样品臂18；进入参考臂17部分：经宽带光纤耦合器分光后的光经第一光纤准直透镜4后，经第一聚焦透镜5照射到固定在快速位移装置7上的平面反射镜6，从平面反射镜反射回来的光经由原路返回至宽带光纤耦合器3；进入样品臂18部分：经宽带光纤耦合器分光后的光经第二光纤准直透镜8入射到第二聚焦透镜9后照射到样品10，从样品反射回来的光经由原路返回至宽带光纤耦合器；

从样品臂和参考臂返回的两路光在宽带光纤耦合器中干涉经光环行器进入探测臂19，由探测臂将干涉光分解为干涉光谱信号并探测；进入探测臂19部分：干涉光经第三光纤准直透镜11，入射到柱面聚焦透镜12，出射光汇聚到虚像相控阵列13前表面的入射窗，从虚像相控阵列的后表面出射，进行空间域上的第一级分光，再入射到光栅14，在正交空间方向上进行第二级分光，经第三聚焦透镜15成像，采用面阵CCD或面阵CMOS 16进行探测；最后这些光谱信号转变为电信号传入计算机，并在计算机中实施傅立叶变换等算法处理重建样品图像。

基于正交色散谱域干涉仪的高精度间距测量方法包括以下步骤：

步骤一：在参考臂中，把反射镜固定在一个快速位移装置上(如压电换能器)，在探测某一样品时，控制快速位移装置进行多次移动，从而获得不同光程差下的多个干涉信号。

步骤二：在探测臂中，使用虚像相控阵列和光栅对干涉光进行正交色散分光。先用自由光谱范围小、光谱分辨率高的虚像相控阵列对干涉光进行第一次色散分光；再由相对光谱分辨率较低、自由光谱范围较宽的光栅在正交方向上进行第二次分光，两次分光后得到的高光谱分辨率的二维干涉光谱通过一个聚焦透镜后被面阵CCD或面阵CMOS探测得到。

步骤三：对探测得到的某样品的多个干涉光谱进行傅里叶变换，得到该样品的多个信号，对这些信号中强度最强的信号峰进行带通滤波处理并求取光谱相位，计算出这些干涉光谱之间的相位差。图2为本发明中计算测量得到的两个干涉光谱之间的相位差方法的流程图。两个干涉光谱可以表示为：

其中k为波数，I₀(k)代表直流信号和自相关信号之和，S(k)是光源功率谱函数，R_R和Z_R分别是参考臂上反射镜的反射率和其距离宽带光纤耦合器的距离，R_Sn和Z_Sn为样品第n个界面的反射率和其距离宽带光纤耦合器的距离(假设样品一共有N个界面)，为初始相位，为快速位移装置和外界环境等引入的相位差。对两个干涉光谱进行傅里叶变换后得到带有镜像的样品信息I(z,1)和I(z,2)，使用带通滤波器选取代表样品一个界面的峰值信号(假设为第j个面)，对其进行逆傅里叶变换后求取相位并解包裹，得到：

求得的两个相位相减即可求出这两个干涉光谱的相位差：

计算多个干涉光谱之间的相位差方法与计算两个干涉光谱之间的相位差的方法相同，利用此相位差即可重构出复干涉光谱。对该复干涉光谱进行逆傅里叶变换即得到高保真的样品信号。

步骤四：得到样品信号后，提取出样品各个界面的信号峰，求得各信号峰的光谱相位解包裹后对光谱进行直线拟合得到拟合相位如图3所示，利用不同光谱通道的相位信息分别求得相应光程差通过阈值法选择M个灵敏度较高波数所对应的OPD进行平均以抑制系统噪声，求得高精度的光程差，最终实现高精度的间距测量。