專利名稱：共路oct超大量程間距測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)相干測(cè)量，具體涉及一種共路OCT超大量程間距測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)透鏡的間距是決定光學(xué)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。因此人們提出了基于光學(xué)干涉的方法用來測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)透鏡的間距，如法國(guó)Fogale公司的LenScan鏡面定位儀所采用的時(shí)域光學(xué)相干層析技術(shù)(TimeDomain Optical Coherence Tomography, TD0CT),利用低相干光源和高 精度延遲光路獲得較為精確的光學(xué)間距測(cè)量結(jié)果，然而該系統(tǒng)測(cè)量速度和測(cè)量精度受限于高精度延遲光路中機(jī)械移動(dòng)的速度和精度，測(cè)量速度慢、且測(cè)量精度容易受到溫度變化、振動(dòng)等外界因素的影響。因此為了提高測(cè)量速度、盡量減少測(cè)量系統(tǒng)對(duì)機(jī)械移動(dòng)的依賴，傅立葉域光學(xué)相干層析技術(shù)(Fourier Domain Optical Coherence Tomography, FD0CT)被應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)透鏡之間間距的測(cè)量。傅立葉域光學(xué)相干層析技術(shù)(FDOCT)分為譜域光學(xué)相干層析技術(shù)(SpectralDomain OCT)和掃頻光學(xué)相干層析技術(shù)(Sw印t Source 0CT)兩類。SDOCT選用寬帶光源和快速多通道光譜儀，SSOCT選用快速掃頻激光光源和平衡探測(cè)器。當(dāng)探測(cè)器獲得干涉光譜信號(hào)后，通過傅立葉變換得到沿軸向的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部透鏡之間的間距測(cè)量結(jié)果。但由于色散的存在，通常的信號(hào)處理方法所得到的軸向距離存在測(cè)量誤差。為了提高軸向間距的測(cè)量精度，Zhongping Chen> Jun Zhang等提出了量化位相成像方法(Quantitative PhaseImaging), Eric D. Moore等提出了位相敏感的掃頻干涉方法,在干涉信號(hào)中提取位相信息，進(jìn)而得到亞微米量級(jí)的軸向間距測(cè)量結(jié)果。這些方法能夠有效提高FDOCT系統(tǒng)的間距測(cè)量精度，但最大量程在SDOCT中受限于多通道光譜儀的光譜分辨率或者在SSOCT中受限于掃頻光源的瞬時(shí)線寬。為了突破多通道光譜儀有限的光譜分辨率或者掃頻光源有限的瞬時(shí)線寬所限制的測(cè)量量程，Hui Wang等人提出在SDOCT系統(tǒng)中采用光開關(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，但是多參考臂的設(shè)置增加了系統(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，否則將對(duì)待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)透鏡間距的測(cè)量結(jié)果帶來較大的誤差；此外，多參考臂的干涉信號(hào)是通過多次測(cè)量獲得的，測(cè)量速度較慢；并且當(dāng)待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)在測(cè)量過程中發(fā)生由震動(dòng)導(dǎo)致的輕微軸向位移時(shí)，將產(chǎn)生間距測(cè)量的誤差。Adrian Bradu、Liviu Neagu等人提出了通過聲光調(diào)制器加載頻，同時(shí)在樣品臂和參考臂使用環(huán)腔產(chǎn)生零光程位置不同的多組干涉信號(hào)，從而得到大量程光學(xué)間距測(cè)量系統(tǒng)的方法。該方法由于樣品光和參考光的光循環(huán)相分離，因此外界環(huán)境變化諸如震動(dòng)，溫度等因素，均會(huì)給OCT信號(hào)帶來誤差；再者，由于光循環(huán)分離帶來的散射及偏振對(duì)OCT信號(hào)的干擾，從而需在OCT系統(tǒng)中需加入散射及偏振補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，對(duì)散射及偏振進(jìn)行補(bǔ)償。基于克服參考光和樣品光光路分離所帶來的影響，美國(guó)Southwest Sciences的Andrei B. Vakhtin, Johns Hopkins University 的 U. Sharma 以及英國(guó) University ofSt. Andrews的K. M. Tan等人提出了基于Fizeau干涉儀的共路FDOCT技術(shù)。由于參考光和樣品光共路，該系統(tǒng)在一定程度上自動(dòng)補(bǔ)償了由于光路中光學(xué)原件帶來的色散及偏振效應(yīng)，且該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)改變樣品光的有效光程時(shí)，參考光的有效光程也隨之改變，因而無需對(duì)另一路光的光程做有效補(bǔ)償。參考光與樣品光的共路也增加了干涉儀的穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境諸如震動(dòng)因素的影響。但該類共路系統(tǒng)最大量程仍然受到了 FDOCT系統(tǒng)量程的限制。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種共路OCT超大量程間距測(cè)量系統(tǒng)。共路OCT超大量程間距測(cè)量系統(tǒng)包括掃頻光源、偏振控制器、光纖連接器、增益補(bǔ)償型保偏光纖光循環(huán)腔、環(huán)形器、偏振分光器、樣品檢測(cè)單元、平衡探測(cè)器和帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)。耦合器、偏振無關(guān)型半導(dǎo)體光放大器和電光調(diào)制器組成增益補(bǔ)償型保偏光纖光循環(huán)腔；準(zhǔn)直鏡、四分之一波片、待測(cè)透鏡組構(gòu)成樣品檢測(cè)單元。 掃頻光源通過偏振控制器和光纖連接器與耦合器的一側(cè)的一個(gè)端口連接，耦合器另一側(cè)的一個(gè)端口通過電光調(diào)制器和偏振無光型半導(dǎo)體光放大器與稱合器一側(cè)的另一個(gè)端口連接，環(huán)形器的一個(gè)端口與耦合器的另一側(cè)的另一個(gè)端口連接，環(huán)形器的另一個(gè)端口與樣品檢測(cè)單元連接，環(huán)形器的又一個(gè)端口與偏振分光器的一個(gè)端口連接，偏振分光器的另一個(gè)端口與平衡探測(cè)器的一個(gè)端口連接，偏振分光器的又一個(gè)端口與平衡探測(cè)器的另一個(gè)端口連接，平衡探測(cè)器與帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)相連接。本實(shí)用新型具有的有益效果是I、提出了基于保偏光纖的雙折射效應(yīng)構(gòu)建增益補(bǔ)償型保偏光纖光循環(huán)腔的方法基于P通道光(偏振方向沿保偏光纖的慢軸方向)和S通道光(偏振方向沿保偏光纖的快軸方向)在特定長(zhǎng)度保偏光纖的傳輸，形成固定的光程差，構(gòu)建增益補(bǔ)償型保偏光纖光循環(huán)腔。2、提出干涉信號(hào)直流項(xiàng)消除的方法由于S通道光信號(hào)的零光程面沿光傳播相反地方向成步進(jìn)式移動(dòng)，因此當(dāng)樣品放置于四分之一波片的右端時(shí)，S通道信號(hào)將不存在干涉項(xiàng)，只保留直流項(xiàng)。利用這一特征，在平衡探測(cè)器前設(shè)置偏振分光器，區(qū)分P通道和S通道，P通道光信號(hào)和S通道光信號(hào)分別進(jìn)入平衡探測(cè)器的兩個(gè)接收端，經(jīng)過平衡探測(cè)器后端電路相減的處理，能夠?qū)崿F(xiàn)P通道干涉信號(hào)中直流項(xiàng)的共模抑制，有效提高了干涉信號(hào)的量化精度和動(dòng)態(tài)范圍。3、與樣品光和參考光光循環(huán)相分離的SSOCT相比較,此方法樣品光和參考光共路，能較好的克服傳統(tǒng)OCT技術(shù)中由于樣品光和參考光光路相分離所帶來的誤差，減少外界環(huán)境諸如震動(dòng)，溫度等對(duì)系統(tǒng)的影響。另外只需設(shè)置一個(gè)固定的光循環(huán)腔，無需精確校正兩光循環(huán)腔間的間距，無需克服兩光路間色散、偏振等因素對(duì)OCT信號(hào)的影響。

圖I是本實(shí)用新型一種共路OCT超大量程間距測(cè)量系統(tǒng)和方法示意圖；圖2是本實(shí)用新型電光調(diào)制器加載頻原理不意圖；[0015]圖3是本實(shí)用新型干涉信號(hào)生成示意圖；圖4是本實(shí)用新型的空間編碼原理不意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。如圖I所示，本實(shí)用新型包括掃頻光源I、偏振控制器2、光纖連接器3、耦合器4、電光調(diào)制器5、偏振無關(guān)型半導(dǎo)體光放大器6、環(huán)形器7、樣品檢測(cè)單元8、偏振分光器9、平衡探測(cè)器10、帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)11、第一保偏光纖15、鈮酸鋰電光晶體16、第二保偏光纖17，稱合器4、電光調(diào)制器5和偏振無關(guān)型半導(dǎo)體光放大器6組成增益補(bǔ)償型保偏光纖光循環(huán)腔；準(zhǔn)直鏡12、四分之一波片13和待測(cè)透鏡組14組成樣品檢測(cè)單元8。掃頻光源I通過偏振控制器2和光纖連接器3與耦合器4的a端口連接，耦合器 4的c端口通過電光調(diào)制器5和偏振無光型半導(dǎo)體光放大器6與稱合器4自身的d端口連接，環(huán)形器7的a端口與耦合器的b端口連接，環(huán)形器的b端口與樣品檢測(cè)單元8連接，環(huán)形器7的c端口與偏振分光器9的a端口連接，偏振分光器9的b端口與平衡探測(cè)器10的a端口連接，偏振分光器9的c端口與平衡探測(cè)器10的b端口連接，平衡探測(cè)器10與帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)11相連接。掃頻光源I出來的光先進(jìn)入偏振控制器2，形成與保偏光纖快軸成45°角的線偏振光，該線偏振光經(jīng)過光纖連接線3由普通單模光纖耦合進(jìn)保偏光纖，等強(qiáng)度激發(fā)保偏光纖的特征軸形成P通道光和S通道光。第一次從耦合器4出來的部分光通過環(huán)行器7進(jìn)入樣品檢測(cè)單元8，經(jīng)樣品端面反射后，P通道光和S通道光再次經(jīng)過環(huán)行器7到達(dá)偏振分光器
9;另一部分光經(jīng)過電光調(diào)制器5和偏振無關(guān)型半導(dǎo)體光放大器6后返回耦合器4。第二次進(jìn)入耦合器4的光同樣被分成兩部分，分別沿著上述路徑到達(dá)偏振分光器9和第三次進(jìn)入耦合器4。第N-I次進(jìn)入耦合器4的光也沿上述路徑分別進(jìn)入偏振分光器9和第N次進(jìn)入耦合器4。上述所有進(jìn)入偏振分光器9的光，區(qū)分P通道和S通道，P通道光信號(hào)和S通道光信號(hào)分別進(jìn)入平衡探測(cè)器10的兩個(gè)接收端，由于此時(shí)的S通道信號(hào)只存在直流項(xiàng)，因此經(jīng)過平衡探測(cè)器10后端電路相減的處理，能夠?qū)崿F(xiàn)P通道干涉信號(hào)中直流項(xiàng)的共模抑制，有效提高了干涉信號(hào)的量化精度和動(dòng)態(tài)范圍。通過帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)11的處理，得到高精度大量程樣品結(jié)構(gòu)信息。圖I中實(shí)線為光纖連接線，虛線為電路連接線，其中帶有三角箭頭的實(shí)線為保偏光纖，沒有箭頭的實(shí)線為普通單模光纖。如圖2所示為電光調(diào)制器加載頻的原理示意圖。第一保偏光纖15的慢軸、鈮酸鋰電光晶體16的Z軸即y33的方向、以及第二保偏光纖17的慢軸兩兩平行，根據(jù)電光相位調(diào)制原理并結(jié)合組合調(diào)制器的方法，P通道光和S通道光之間的相位差
A# = ^ ^rss -4ylS), r、J分別為電光晶體的長(zhǎng)度和厚度，p為外加電壓振A aL aV
幅，Jit、Jia分別為電光晶體e光和。光的折射家^力光波長(zhǎng)，J33、^13為電光晶體的
非線性系數(shù)。若輸入光場(chǎng)= A cos mct，』為光場(chǎng)振幅，％為光場(chǎng)角頻率。外加
電壓Fsin mmt, %為外加電壓的角頻率，則輸出光場(chǎng)Boaf = A cos (mct + m sin mmt), Ojr I ￥
^ — (4r,3 - 4r15), 為相位調(diào)制系數(shù)。
A d' IB如圖3所示為本實(shí)用新型的干涉信號(hào)生成示意圖，結(jié)合圖I共路OCT超大量程間距測(cè)量系統(tǒng)和方法示意圖中的樣品檢測(cè)單元說明干涉信號(hào)的產(chǎn)生。當(dāng)待測(cè)透鏡組放置于四分之一波片的右半邊時(shí)，從保偏光纖出射的兩種偏振態(tài)光，經(jīng)準(zhǔn)直鏡12準(zhǔn)直后射入前表面鍍有半透半反薄膜的四分之一波片13，P通道光和S通道光此時(shí)被分為前表面反射的參考光P1光和S1光以及透射的樣品光P2光和S2光，P2光和S2光射入待測(cè)透鏡組14，各個(gè)透鏡端面反射回來的P2光和S2光沿原光路再次依次經(jīng)過四分之一波片13和準(zhǔn)直鏡12后返回保偏光纖。由于P2光和S2光兩次經(jīng)過四分之一波片13,因此P2光變?yōu)槠穹较蜓乜燧S的S3光，而S2光變?yōu)槠穹较蜓芈S的P3光。此時(shí)參考光P1光和樣品光P3光都在P通道，參考光S1光和樣品光S3光都在S通道，在有效干涉范圍內(nèi)，P通道參考光P1光和樣品光P3光 產(chǎn)生干涉，P通道將存在干涉信號(hào)和直流信號(hào)；相反參考光S1光和樣品光S3光不會(huì)產(chǎn)生干涉，S通道將只有直流信號(hào)。具體原理將結(jié)合圖4在下面說明。圖3中的各光路實(shí)際上是重合的，這里為了說明方便，特意把它們區(qū)分開。如圖4所示是本實(shí)用新型的空間編碼原理示意圖，結(jié)合圖I共路OCT超大量程間距測(cè)量系統(tǒng)和方法示意圖以及圖3干涉信號(hào)生成示意圖說明P通道信號(hào)包涵干涉項(xiàng)和直流
項(xiàng)，S通道信號(hào)只包涵直流項(xiàng)的原理。如圖1，設(shè)主光路上保偏光纖的長(zhǎng)度為、，增益補(bǔ)償型保偏光纖光循環(huán)腔中保偏光纖的長(zhǎng)度h，此時(shí)主光路上P通道光和S通道光的光程差為A^c = CfTsr - Uj.-JL1，增益補(bǔ)償型保偏光纖光循環(huán)腔中光程差為= (Jis — nf)L2，式中4分別為保偏光纖慢軸和快軸的折射率。以波長(zhǎng)木=IdOOnm，拍長(zhǎng)Zj3 = 4廁的
熊貓型保偏光纖為例，其折射率差為A/3 = ^ = 3. 25 X ICT4,則需要光程差8 mm時(shí)，
需要的保偏光纖光纖的特定長(zhǎng)度約為24. 6 m。設(shè)光傳播方向?yàn)檎?，?dāng)以P1光為參考光時(shí)，
主光路零光程面距離四分之一波片的前表面距離為^ ;經(jīng)過增益補(bǔ)償型保偏光纖光循環(huán)
2
腔一次，該零光程位置沿Z軸方向平移& ;。因此深度區(qū)域也相應(yīng)地發(fā)生了平移。以此類
2
WA ^
推，當(dāng)經(jīng)過增益補(bǔ)償型保偏光纖光循環(huán)腔N次后，零光程位置沿Z軸平移二 ；相反當(dāng)以S1
2
A 7
光為參考光時(shí)，主光路零光程面距離四分之一波片的前表面距離為-二I ;經(jīng)過增益補(bǔ)償型
2
/\ z
保偏光纖光循環(huán)腔一次，該零光程位置沿-Z軸方向平移-—;。因此深度區(qū)域也相應(yīng)地發(fā)
2
生了平移。以此類推，當(dāng)經(jīng)過增益補(bǔ)償型保偏光纖光循環(huán)腔N次后，零光程位置沿-Z軸平移
權(quán)利要求1.共路OCT超大量程間距測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于包括掃頻光源、偏振控制器、光纖連接器、增益補(bǔ)償型保偏光纖光循環(huán)腔、環(huán)形器、偏振分光器、樣品檢測(cè)單元、平衡探測(cè)器和帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)，耦合器、偏振無關(guān)型半導(dǎo)體光放大器和電光調(diào)制器組成增益補(bǔ)償型保偏光纖光循環(huán)腔；準(zhǔn)直鏡、四分之一波片、待測(cè)透鏡組構(gòu)成樣品檢測(cè)單元； 掃頻光源通過偏振控制器和光纖連接器與耦合器的一側(cè)的一個(gè)端口連接，耦合器另一側(cè)的一個(gè)端口通過電光調(diào)制器和偏振無光型半導(dǎo)體光放大器與稱合器一側(cè)的另一個(gè)端口連接，環(huán)形器的一個(gè)端口與耦合器的另一側(cè)的另一個(gè)端口連接，環(huán)形器的另一個(gè)端口與樣品檢測(cè)單元連接，環(huán)形器的又一個(gè)端口與偏振分光器的一個(gè)端口連接，偏振分光器的另一個(gè)端口與平衡探測(cè)器的一個(gè)端口連接，偏振分光器的又一個(gè)端口與平衡探測(cè)器的另一個(gè)端口連接，平衡探測(cè)器與帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)相連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種共路OCT超大量程間距測(cè)量系統(tǒng)。在掃頻光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)中設(shè)置增益補(bǔ)償型保偏光纖光循環(huán)腔，并基于保偏光纖的雙折射效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)P通道光和S通道光在同一保偏光纖中不同歷經(jīng)光程的光循環(huán)。基于P通道光與S通道光之間光程差的極高速步進(jìn)式改變，實(shí)現(xiàn)超大量程范圍內(nèi)不同深度區(qū)域樣品光與參考光的低相干干涉。基于保偏光纖光循環(huán)腔中電光調(diào)制器對(duì)P通道光與S通道光的不同載頻，實(shí)現(xiàn)超大量程范圍內(nèi)不同深度區(qū)域干涉信號(hào)的編碼。在樣品表面前設(shè)置波片，實(shí)現(xiàn)參考光與樣品光的共路，采用偏振分光的雙通道平衡探測(cè)，實(shí)現(xiàn)干涉信號(hào)中直流項(xiàng)的共模抑制。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高，有效提高了干涉信號(hào)的量化精度和動(dòng)態(tài)范圍。
文檔編號(hào)G01B11/14GK202547607SQ201220199578
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月7日
發(fā)明者丁志華, 張雨東, 沈毅, 洪威, 王川, 顏揚(yáng)治 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)