基于正交色散譜域干涉儀的高精度間距測量系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)相干測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于正交色散譜域干涉儀的高 精度間距測量系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)一般都是由多個透鏡組成的，在光學(xué)系統(tǒng)的安裝調(diào)試過程中，各個 透鏡定位是否準(zhǔn)確是決定光學(xué)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，這就需要一個快速、高精度、大量程的 間距測量系統(tǒng)來監(jiān)測和引導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)的安裝調(diào)試。為了實現(xiàn)無損檢測，人們提出了一種基 于光學(xué)干涉原理的間距監(jiān)測方法，如法國Fogale公司的鏡面定位儀，所采用的技術(shù)是時域 光學(xué)相干層析技術(shù)（TimeDomainOpticalCoherenceTomography,TD0CT)，利用寬帶低相 干光源和高精度延遲光路獲得較為精確的光學(xué)間距測量結(jié)果，然而該系統(tǒng)測量速度和測量 精度受限于高精度延遲光路中機(jī)械運(yùn)動的速度和精度，測量速度慢，且測量精度易受到溫 度、振動等外界因素的影響。為了提高測量速度、減少測量系統(tǒng)對機(jī)械運(yùn)動的依賴，人們將 傅立葉域光學(xué)相干層析技術(shù)（FourierDomainOpticalCoherenceTomography,FD0CT)應(yīng) 用于光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)透鏡之間間距的測量。FDOCT技術(shù)又分為譜域光學(xué)相干層析技術(shù)（Spectral DomainOCT,SD0CT)和掃頻光學(xué)相干層析技術(shù)（Sw印tSourceOCT,SS0CT)。SDOCT選用寬 帶光源和快速多通道光譜儀獲取干涉信號。SSOCT選用快速掃頻激光光源和單點探測器獲 取干涉光譜信號。通過對干涉信號進(jìn)行傅立葉變換即可得到沿軸向的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部透鏡之 間的間距信息。由于SSOCT系統(tǒng)的相位穩(wěn)定性較差，所以選取SDOCT技術(shù)實施高精度間距 測量更為合適。
[0003] 然而，SDOCT技術(shù)用于提高光學(xué)間距測量，在提高檢測速度的同時，也存在一些不 足。
[0004] 第一、測量結(jié)果存在鏡像。
[0005] 由于探測到的干涉光譜是實數(shù)，所以由傅立葉變換的厄米共軛性導(dǎo)致的鏡像會存 在，使得SDOCT系統(tǒng)損失了一半的量程，更為嚴(yán)重的是，鏡像信號的存在可能會導(dǎo)致測量時 的誤讀。
[0006] 為了克服由傅立葉變換的厄米共軛導(dǎo)致的鏡像，R.Leitgeb等人于1999年提出了 通過移相的方法在相干系統(tǒng)的參考臂引入載頻，從而得到復(fù)數(shù)形式的干涉信號，進(jìn)而區(qū)分 信號和其鏡像。由于該方法受快速位移裝置的精度、外界環(huán)境以及色差等因素的影響，所以 鏡像抑制比不尚。
[0007] 第二、測量量程有限。
[0008] 一般SDOCT系統(tǒng)中使用的多通道光譜儀是由光柵和線陣相機(jī)組成的，光譜分辨率 不夠高，所以SDOCT系統(tǒng)的量程一般在幾毫米左右。
[0009] 為了突破測量量程，HuiWang等人提出了一種光開關(guān)切換的雙參考臂，并通過位 相調(diào)制方法消除鏡像，進(jìn)而拓展SDOCT系統(tǒng)量程的方法。該方法雖然能夠起到增大SDOCT 系統(tǒng)的量程，但是量程提高有限，仍然不能滿足大間距測量的需要；多參考臂的設(shè)置也增加 了系統(tǒng)的復(fù)雜度，多參考臂之間的光學(xué)間距需要經(jīng)過復(fù)雜的標(biāo)定，否則測量結(jié)果會有較大 的誤差。
[0010] 第三、SDOCT系統(tǒng)的光學(xué)間距測量精度不足。
[0011] 通常的信號處理方法所得到的軸向距離精度受光源帶寬和采樣點個數(shù)等因素影 響。為了提高軸向間距的測量精度，JunZhang等提出了量化位相成像方法（Quantitative PhaseImaging)，在干涉信號中提取位相信息，進(jìn)而得到亞微米量級的軸向間距測量結(jié)果。 但是，利用單點光譜信息計算間距時可能會因為選取到一些靈敏度較差的波長而使得測量 誤差放大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了基于正交色散譜域干涉儀的高精度間距測量 系統(tǒng)和方法。
[0013] 基于正交色散譜域干涉儀的高精度間距測量系統(tǒng)，包括寬帶光源、光環(huán)行器、寬帶 光纖耦合器、樣品臂、參考臂和探測臂；
[0014] 所述的樣品臂包括第一光纖準(zhǔn)直透鏡、第一聚焦透鏡、平面反射鏡和快速位移裝 置；所述的參考臂包括第二光纖準(zhǔn)直透鏡、第二聚焦透鏡和樣品；所述的探測臂包括第三 光纖準(zhǔn)直透鏡、柱面聚焦透鏡、虛像相控陣列、光柵、第三聚焦透鏡、面陣CCD或面陣CMOS;
[0015] 寬帶光源出來的低相干光，經(jīng)光環(huán)行器到寬帶光纖耦合器，其中一路光進(jìn)入?yún)⒖?臂，另一路進(jìn)入樣品臂；進(jìn)入?yún)⒖急鄄糠郑航?jīng)寬帶光纖耦合器分光后的光經(jīng)第一光纖準(zhǔn)直 透鏡后，經(jīng)第一聚焦透鏡照射到固定在快速位移裝置上的平面反射鏡，從平面反射鏡反射 回來的光經(jīng)由原路返回至寬帶光纖耦合器；進(jìn)入樣品臂部分：經(jīng)寬帶光纖耦合器分光后的 光經(jīng)第二光纖準(zhǔn)直透鏡入射到第二聚焦透鏡后照射到樣品，從樣品反射回來的光經(jīng)由原路 返回至寬帶光纖耦合器；
[0016] 從樣品臂和參考臂返回的兩路光在寬帶光纖耦合器中干涉后形成干涉光，經(jīng)光環(huán) 行器進(jìn)入探測臂，由探測臂將干涉光分解為干涉光譜信號并探測；進(jìn)入探測臂部分：干涉 光經(jīng)第三光纖準(zhǔn)直透鏡，入射到柱面聚焦透鏡，出射光匯聚到虛像相控陣列前表面的入射 窗，從虛像相控陣列的后表面出射，進(jìn)行空間域上的第一級分光，再入射到光柵，在正交空 間方向上進(jìn)行第二級分光，經(jīng)第三聚焦透鏡成像，采用面陣CCD或面陣CMOS進(jìn)行探測；最后 這些光譜信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺魅胗嬎銠C(jī)，并在計算機(jī)中實施傅立葉變換等算法處理重建樣 品圖像。
[0017] 基于正交色散譜域干涉儀的高精度間距測量系統(tǒng)的測量方法，具體包括以下步 驟：
[0018] 步驟一：在參考臂中，把反射鏡固定在一個快速位移裝置上，在探測某一樣品時， 控制快速位移裝置進(jìn)行多次移動，從而獲得不同光程差下的多個干涉信號；
[0019] 步驟二：在探測臂中，使用虛像相控陣列和光柵對干涉光進(jìn)行正交色散分光；先 用虛像相控陣列對干涉光進(jìn)行第一次色散分光；再由光柵在正交方向上進(jìn)行第二次分光， 兩次分光后得到的高光譜分辨率的二維干涉光譜通過一個聚焦透鏡后被面陣CCD或面陣 CMOS探測得到；
[0020] 步驟三：對面陣CCD或面陣CMOS探測得到的某樣品的多個干涉光譜進(jìn)行傅里葉變 換，得到該樣品的多個信號，對這些信號中強(qiáng)度最強(qiáng)的信號峰進(jìn)行帶通濾波處理并求取光 譜相位，計算出這些干涉光譜之間的相位差，利用此相位差重構(gòu)出復(fù)干涉光譜；對該復(fù)干涉 光譜進(jìn)行逆傅里葉變換即得到高保真的樣品信號；
[0021] 步驟四：得到樣品信號后，提取出樣品各個界面的信號峰，求得每個獨立的信號峰 光譜位相，對每個信號峰利用不同光譜通道的相位信息求得相應(yīng)光程差，通過分析運(yùn)算，對 其進(jìn)行最優(yōu)平均以抑制系統(tǒng)噪聲，實現(xiàn)高精度的間距測量。
[0022] 本發(fā)明具有的有益效果是：
[0023] 1.提出了基于光譜相位差的復(fù)信號重建方法，克服了快速位移裝置的精度、外界 環(huán)境以及色差等因素對復(fù)信號重建的影響。該方法不僅拓展了雙倍量程，而且提高了樣品 重建的保真度。不受殘余鏡像的影響，避免了測量過程的誤讀。2.在探測臂上使用基于虛 像