專利名稱：一種基于光譜位相的高精度大量程間距測量方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于光學相干測量領域，具體涉及一種基于光譜位相的高精度大量程間距測量方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代光學系統(tǒng)內(nèi)部各個透鏡的間距是決定光學系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標，直接影響光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量。因此人們提出了基于光學干涉的方法用來測量光學系統(tǒng)內(nèi)透鏡的間距，如法國Fogale公司的LenScan鏡面定位儀所采用的時域光學相干層析技術(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械移動的速度和精度，測量速度慢、且測量精度容易受到溫度變化、振動等外界因素的影響。因此為了提高測量速度、盡量減少測量系統(tǒng)對機械移動的依賴，傅立葉域光學相干層析技術(shù)(Fourier Domain Optical Coherence Tomography, FD0CT)被應用于光學系統(tǒng)內(nèi)透鏡之間間距的測量。傅立葉域光學相干層析技術(shù)(FDOCT)分為譜域光學相干層析技術(shù)(SpectralDomain OCT)和掃頻光學相干層析技術(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器。在探測器獲得干涉光譜信號后，通過傅立葉變換得到沿軸向的光學系統(tǒng)內(nèi)部透鏡之間的間距測量結(jié)果。其最大測量范圍在SDOCT中主要受限于多通道光譜儀的光譜分辨率；在SSOCT中受限于掃頻光源的瞬時線寬。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線寬所限制的測量范圍，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，但由于多參考臂的設置增加了系統(tǒng)的復雜度，并且多參考臂之間的光學間距需要經(jīng)過復雜的標定，否則將對待測光學系統(tǒng)內(nèi)透鏡間距的測量結(jié)果帶來較大的誤差；此外，多參考臂的干涉信號是通過多次測量獲得的，測量速度較慢；并且當待測光學系統(tǒng)在測量過程中發(fā)生由震動導致的輕微軸向位移時，將產(chǎn)生間距測量的誤差。另外Adrian Bradu,Liviu Neagu等人提出通過聲光頻移器加載頻，同時在樣品臂和參考臂中使用環(huán)腔產(chǎn)生零光程位置不同的多組干涉信號，從而實現(xiàn)大量程光學間距測量的方法。該方法雖然有效拓展了 SSOCT的測量量程，拓展的范圍主要依賴于光信號在環(huán)腔中的循環(huán)次數(shù)，然而該方案只是考慮如何拓展SSOCT的干涉探測范圍，無法實現(xiàn)高精度的定量間距測量。為了實現(xiàn)高精度的定量間距測量需要采用相位敏感型OCT技術(shù)，該技術(shù)能夠同時測量干涉信號的幅度和相位，進而通過相位信息實現(xiàn)亞微米級的測量精度。然而掃頻干涉光譜k空間的非線性采樣以及初始波數(shù)的不確定性會對位相探測的精度和穩(wěn)定性造成極大的影響。因此為了提高相位敏感型掃頻OCT技術(shù)中相位探測的精度，國外有多個研究小組提出了改進方案:對于掃頻干涉光譜k空間的非線性采樣的改進主要有兩種:分別是基于MZI的實時均勻頻率時鐘方法以及基于MZI的干涉光譜相位標定方法；對于光源波數(shù)穩(wěn)定性的改進:美國麻省理工大學的J.G.Fujimoto研究小組采用新型的緩沖傅立葉域鎖模(buffered Fourier domain mode-locked, FDML)掃頻激光光源來提高光源的光譜穩(wěn)定性從而保證系統(tǒng)位相探測的穩(wěn)定性。Houston大學的R.K.Manapuram等人利用窄帶光纖布拉格光柵(fiber bragger grating, FBG)產(chǎn)生可調(diào)諧的TTL信號來動態(tài)觸發(fā)數(shù)字采集卡，從而實現(xiàn)光源波數(shù)和數(shù)據(jù)采集的良好同步，減少采樣時間延遲引起的相位跳變噪聲。Colorado大學的E.D.Moore等人提出自參考的掃頻相位靈敏干涉儀來衡量絕對距離,其利用附加干涉儀來檢測掃頻光源的瞬時頻率從而實時的校準采樣間距，附加干涉儀的頻率監(jiān)測精度需要通過高光譜精度(0.1pm量級)的氣體吸收池來實現(xiàn)。上述這些方法雖然能夠比較好的改進掃頻光源初始波數(shù)的不確定性，但是都存在固有的缺點，需要引入較為復雜的器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了 一種基于光譜位相的高精度大量程間距測量方法及系統(tǒng)，該系統(tǒng)分別設置有間距測量單元和標定單元:間距測量單元用于實現(xiàn)大量程范圍內(nèi)不同區(qū)域樣品光與參考光的低相干干涉和不同區(qū)域干涉信號的空間編碼；標定單元用于產(chǎn)生具有固定光程差(optical path difference, OPD)的干涉光譜信號；采集卡同步采樣兩個單元的干涉光譜信號，確保兩個單元中掃頻光源起始波數(shù)和非線性光譜采樣的一致性，因而首先比較樣品待測界面干涉信號的解包裹相位與MZI標定干涉信號的解包裹相位，進而通過已知MZI的OPD值精確得到該界面的OPD值，最后通過空間解碼實現(xiàn)大量程間距的高精度測量。本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種基于光譜位相的高精度大量程間距測量方法，在通常的掃頻光學相干層析成像系統(tǒng)的間距測量單元中，設置不同載頻量，不同光程失配量的增益補償型循環(huán)腔；并增加馬赫曾德型干涉儀所構(gòu)成的標定單元。該標定單元能夠產(chǎn)生具有固定OPD的干涉光譜信號，首先比較樣品待測界面的解包裹相位與MZI標定干涉信號的解包裹相位，進而通過已知MZI的OPD值精確得到該界面的OPD值，最后通過空間解碼實現(xiàn)大量程間距的高精度測量。該方法的具體步驟如下:
I)在掃頻光學相干層析成像系統(tǒng)中，設置間距測量單元和標定單元，間距測量單元的樣品臂和參考臂中分別設置有不同載頻量的增益補償型光程失配循環(huán)腔，基于參考光和樣品光在光程失配循環(huán)腔中的極高速步進，實現(xiàn)大量程范圍內(nèi)不同區(qū)域樣品光和參考光的低相干干涉，并由于兩臂不同載頻量的作用，實現(xiàn)大量程范圍內(nèi)不同區(qū)域干涉信號的空間編碼，便于系統(tǒng)的同步探測和解碼。2)標定單元由馬赫曾德型干涉儀構(gòu)成，將掃頻光源發(fā)出的光分出一部分進入該標定單元，失配馬赫曾德型干涉儀中兩臂光纖的長度，產(chǎn)生具有固定光程差的干涉光譜信號，并且該光程差在樣品間距測量的過程中有著良好的穩(wěn)定性。3)通過高速數(shù)據(jù)采集卡同步采樣間距測量單元和標定單元的干涉光譜信號，并傳輸?shù)接嬎銠C的內(nèi)存中進行數(shù)據(jù)處理。4)對間距測量單元所測得的干涉光譜信號依照傅里葉變換、濾波、移除載頻、逆傅里葉變換的順序進行信號處理，能夠得到待測界面的干涉光譜信號。對該待測界面的干涉光譜信號進行數(shù)字希爾伯特變換后，求取該待測界面干涉光譜信號的解包裹相位。由于采集卡同步采樣兩個單元的干涉光譜信號，確保了兩個單元中掃頻光源起始波數(shù)和非線性光譜采樣的一致性，因此通過比較該解包裹相位與MZI標定干涉信號的解包裹相位，能夠精確得到該待測界面的(PD值。5)最后對待測界面所得到的OPD值通過空間解碼實現(xiàn)大量程間距的高精度測量。一種基于光譜位相的高精度大量程間距測量系統(tǒng)，包括掃頻光源，第一寬帶光纖耦合器，第二寬帶光纖耦合器，第三寬帶光纖耦合器，第四寬帶光纖耦合器，第五寬帶光纖耦合器，第六寬帶光纖耦合器，第七寬帶光纖耦合器，第八寬帶光纖環(huán)形器，第九寬帶光纖環(huán)形器，第一聲光頻移器，第二聲光頻移器，第一半導體光放大器，第二半導體光放大器，第一光隔離器，第二光隔離器，第一偏振控制器，第二偏振控制器，第三偏振控制器，第四偏振控制器，光程延遲線，第一光纖準直器，第二光纖準直器，待測樣品，透鏡，反射鏡，產(chǎn)生固定光程差的光纖，第一高帶寬平衡光電探測器，第二高帶寬平衡光電探測器，高速數(shù)據(jù)采集卡，計算機。掃頻光源通過第一寬帶光纖耦合器分別與間距測量單元中的第二寬帶光纖耦合器輸入端、標定單元中的第三寬帶光纖耦合器的輸入端相連接。所述標定單元:第三寬帶光纖耦合器的兩個輸出端分別與產(chǎn)生固定光程差的光纖的輸入端和第四寬帶光纖耦合器的其中一個輸入端相連接，產(chǎn)生固定光程差的光纖的輸出端與第四寬帶光纖耦合器另一輸入端相連接，第四寬帶光纖耦合器的兩個輸出端分別連接第一高帶寬平衡光電探測器的兩個輸入端，第一高帶寬平衡光電探測器的電路輸出端與高速數(shù)據(jù)采集卡的其中一個輸入信號通道相連接。所述間距測量單元:第二寬帶光纖耦合器的兩個輸出端分別與第五寬帶光纖耦合器和第六寬帶光纖耦合器的其中一個輸入端相連接，第五寬帶光纖耦合器的其中一個輸出端連接第一聲光頻移器的輸入端，第一聲光頻移器的輸出端連接第一半導體光放大器的輸入端，第一半導體光放大器的輸出端連接第一光隔離器的輸入端，第一光隔離器的輸出端連接第一偏振控制器的輸入端，第一偏振控制器的輸出端與第五寬帶光纖耦合器的另一輸入端相連接，構(gòu)成樣品臂的增益補償型光程失配循環(huán)腔，第五寬帶光纖耦合器的另一輸出端連接第一寬帶光纖環(huán)形器的輸入端，第一寬帶光纖環(huán)形器的第一輸出端連接第一光纖準直器的輸入端，第一寬帶光纖環(huán)形器的第二輸出端連接第二偏振控制器的輸入端，第二偏振控制器的輸出端連接第七寬帶光纖耦合器的其中一個輸入端；第六寬帶光纖耦合器的其中一個輸出端連接第二聲光頻移器的輸入端，第二聲光頻移器的輸出端連接第二半導體光放大器的輸入端，第二半導體光放大器的輸出端連接第二光隔離器的輸入端，第二光隔離器的輸出端連接第三偏振控制器的輸入端，第三偏振控制器的輸出端連接光程延遲線的輸入端，光程延遲線的輸出端與第六寬帶光纖耦合器的另一輸入端相連接，構(gòu)成參考臂的增益補償型光程失配循環(huán)腔，第六寬帶光纖耦合器的另一輸出端連接第二寬帶光纖環(huán)形器的輸入端，第二寬帶光纖環(huán)形器的第一輸出端連接第二光纖準直器的輸入端，第二寬帶光纖環(huán)形器的第二輸出端連接第四偏振控制器的輸入端，第四偏振控制器的輸出端連接第七寬帶光纖耦合器的另一輸入端；第七寬帶光纖耦合器的兩個輸出端分別連接第二高帶寬平衡光電探測器的兩個輸入端，第二高帶寬寬帶平衡光電探測器的電路輸出端與高速數(shù)據(jù)采集卡的另一輸入信號通道相連接。掃頻光源的觸發(fā)信號輸出端與高速數(shù)據(jù)采集卡觸發(fā)信號輸入端相連接。掃頻光源發(fā)出的低相干光進入第一寬帶光纖耦合器后，一部分光進入標定單元，另一部分光進入間距測量單元。進入標定單元的光經(jīng)過第三寬帶光纖耦合器后分成兩路，其中一路光經(jīng)過產(chǎn)生固定光程差的光纖后耦合回第四寬帶光纖耦合器，另一路光直接耦合回第四寬帶光纖耦合器，進入第四寬帶光纖耦合器的兩路光產(chǎn)生干涉并由第一高帶寬平衡光電探測器進行探測；進入間距測量單元的光通過第二寬帶光纖耦合器分成兩路，其中一路光進入第五寬帶光纖耦合器，另一路光進入第六寬帶光纖耦合器:進入第五寬帶光纖耦合器的光分出一部分光進入第一寬帶光纖環(huán)形器的輸入端，進入第一寬帶光纖環(huán)形器的光通過第一輸出端進入第一光纖準直器后射入待測樣品，從待測樣品反射回來的光在依次經(jīng)過第一寬帶光纖環(huán)形器的第一輸出端、第二輸出端和第二偏振控制器后，由第二偏振控制器進入第七寬帶光纖耦合器。從第五寬帶光纖耦合器輸出的另一部分光通過第一聲光頻移器、第一半導體光放大器、第一光隔離器和第一偏振控制器后第二次進入第五寬帶光纖率禹合器，第二次進入第五寬帶光纖耦合器的光同樣被分成兩部分，分別沿著上述路徑到達第七寬帶光纖耦合器和第三次進入第五寬帶光纖耦合器，以此類推，第N-1進入第五寬帶光纖耦合器的光也沿上訴路徑到達第七寬帶光纖耦合器和第N次進入第五寬帶光纖耦合器；同樣的進入第六寬帶光纖耦合器的光也分出一部分光通過第二寬帶光纖環(huán)形器輸出端，進入第二寬帶光纖環(huán)形器的光通過第一輸出端進入第二光纖準直器后射入透鏡和反射鏡，反射回來的光在依次經(jīng)過第二寬帶光纖環(huán)形器的第一輸出端、第二輸出端和第四偏振控制器后，由第四偏振控制器進入第七寬帶光纖耦合器。從第六寬帶光纖耦合器輸出的另一部分光通過第二聲光頻移器、第二半導體光放大器、第二光隔離器、第三偏振控制器和光程延遲線后第二次進入第六寬帶光纖耦合器，第二次進入第六寬帶光纖耦合器的光同樣被分成兩部分，分別沿著上述路徑到達第七寬帶光纖耦合器和第三次進入第六寬帶光纖耦合器，以此類推，第N-1進入第六寬帶光纖耦合器的光也沿上訴路徑到達第七寬帶光纖耦合器和第N次進入第六寬帶光纖耦合器。上述所有進入第七寬帶光纖耦合器的光發(fā)生干涉，干涉信號經(jīng)第二高帶寬平衡光電探測器探測，兩路測量單元所測得的干涉信號被高速數(shù)據(jù)采集卡同步采集，采集到的信號傳輸?shù)接嬎銠C的內(nèi)存中進行數(shù)據(jù)處理，高速數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)信號由掃頻光源產(chǎn)生，圖中實線部分為光纖，點劃線部分為電路連接線。與背景技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是:
1.拓展了掃頻光學相干層析成像系統(tǒng)的量程，并結(jié)合相位敏感型OCT技術(shù)，通過增加MZI構(gòu)成的標定單元，實現(xiàn)了大量程高精度的間距測量。2.基于光譜位相的方法，不需對每個掃頻周期的標定干涉光譜信號進行等波數(shù)間隔標定，縮短了數(shù)據(jù)處理時間。3.基于光譜位相的方法能夠大大降低掃頻光源抖動對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。4.算法簡單，能實現(xiàn)實時處理，且不用添加額外的較復雜器件，易于實現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明的基于光譜位相的高精度大量程間距測量系統(tǒng)；
圖2是本發(fā)明的信號處理流程 圖3是本發(fā)明基于光譜位相方法求得樣品間距的實際效果圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例子對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明一種基于光譜位相的高精度大量程間距測量方法，在通常的掃頻光學相干層析成像系統(tǒng)的間距測量單元中，設置不同載頻量，不同光程失配量的增益補償型循環(huán)腔；并增加馬赫曾德型干涉儀所構(gòu)成的標定單元。該標定單元能夠產(chǎn)生具有固定OPD的干涉光譜信號，首先比較樣品待測界面的解包裹相位與MZI標定干涉信號的解包裹相位，進而通過已知MZI的OPD值精確得到該界面的OPD值，最后通過空間解碼實現(xiàn)大量程間距的高精度測量。該方法的具體步驟如下:
I)在掃頻光學相干層析成像系統(tǒng)中，設置間距測量單元和標定單元，間距測量單元的樣品臂和參考臂中分別設置有不同載頻量的增益補償型光程失配循環(huán)腔，基于參考光和樣品光在光程失配循環(huán)腔中的極高速步進，實現(xiàn)大量程范圍內(nèi)不同區(qū)域樣品光和參考光的低相干干涉，并由于兩臂不同載頻量的作用，實現(xiàn)大量程范圍內(nèi)不同區(qū)域干涉信號的空間編碼，便于系統(tǒng)的同步探測和解碼。2)標定單元由馬赫曾德型干涉儀構(gòu)成，將掃頻光源發(fā)出的光分出一部分進入該標定單元，失配馬赫曾德型干涉儀中兩臂光纖的長度，產(chǎn)生具有固定光程差的干涉光譜信號，并且該光程差在樣品間距測量的過程中有著良好的穩(wěn)定性。3)通過高速數(shù)據(jù)采集卡同步采樣間距測量單元和標定單元的干涉光譜信號，并傳輸?shù)接嬎銠C的內(nèi)存中進行數(shù)據(jù)處理。4)對間距測量單元所測得的干涉光譜信號依照傅里葉變換、濾波、移除載頻、逆傅里葉變換的順序進行信號處理，能夠得到待測界面的干涉光譜信號。對該待測界面的干涉光譜信號進行數(shù)字希爾伯特變換后，求取該待測界面干涉光譜信號的解包裹相位。由于采集卡同步采樣兩個單元的干涉光譜信號，確保了兩個單元中掃頻光源起始波數(shù)和非線性光譜采樣的一致性，因此通過比較該解包裹相位與MZI標定干涉信號的解包裹相位，能夠精確得到該待測界面的(PD值。5)最后對待測界面所得到的OPD值通過空間解碼實現(xiàn)大量程間距的高精度測量。如圖1所示，本發(fā)明包括掃頻光源1，寬帶光纖耦合器2、標定單元，間距測量單元，高速數(shù)據(jù)采集卡30以及計算機31。所述的標定單元包括寬帶光纖耦合器26，寬帶光纖耦合器29，產(chǎn)生固定光程差的光纖27，高帶寬平衡光電探測器29 ;所述間距測量單元包括寬帶光纖耦合器3，寬帶光纖耦合器4，寬帶光纖耦合器9，寬帶光纖耦合器24，寬帶光纖環(huán)形器15,寬帶光纖環(huán)形器18,聲光頻移器5,聲光頻移器10,半導體光放大器6,半導體光放大器11，光隔離器7，光隔離器12，偏振控制器8，偏振控制器13，偏振控制器22，偏振控制器23，光程延遲線14，光纖準直器16，光纖準直器19，待測樣品17，透鏡20，反射鏡21以及高帶寬平衡光電探測器25。掃頻光源I通過第一寬帶光纖耦合器2分別與間距測量單元中的第二寬帶光纖耦合器3輸入端、標定單元中的第三寬帶光纖耦合器26的輸入端相連接。所述標定單元:第三寬帶光纖耦合器26的兩個輸出端分別與產(chǎn)生固定光程差的光纖27的輸入端和第四寬帶光纖耦合器28的其中一個輸入端相連接，產(chǎn)生固定光程差的光纖27的輸出端與第四寬帶光纖I禹合器28另一輸入端相連接,第四寬帶光纖I禹合器28的兩個輸出端分別連接第一高帶寬平衡光電探測器29的兩個輸入端，第一高帶寬平衡光電探測器29的電路輸出端與高速數(shù)據(jù)采集卡30的其中一個輸入信號通道相連接。所述間距測量單元:第二寬帶光纖耦合器3的兩個輸出端分別與第五寬帶光纖稱合器4和第六寬帶光纖稱合器9的其中一個輸入端相連接，第五寬帶光纖耦合器4的其中一個輸出端連接第一聲光頻移器5的輸入端，第一聲光頻移器5的輸出端連接第一半導體光放大器6的輸入端,第一半導體光放大器6的輸出端連接第一光隔離器7的輸入端,第一光隔離器7的輸出端連接第一偏振控制器8的輸入端，第一偏振控制器8的輸出端與第五寬帶光纖耦合器4的另一輸入端相連接，構(gòu)成樣品臂的增益補償型光程失配循環(huán)腔，第五寬帶光纖耦合器4的另一輸出端連接第一寬帶光纖環(huán)形器15的輸入端,第一寬帶光纖環(huán)形器15的第一輸出端連接第一光纖準直器16的輸入端，第一寬帶光纖環(huán)形器15的第二輸出端連接第二偏振控制器22的輸入端,第二偏振控制器22的輸出端連接第七寬帶光纖耦合器24的其中一個輸入端；第六寬帶光纖耦合器9的其中一個輸出端連接第二聲光頻移器10的輸入端，第二聲光頻移器10的輸出端連接第二半導體光放大器11的輸入端，第二半導體光放大器11的輸出端連接第二光隔離器12的輸入端，第二光隔離器12的輸出端連接第三偏振控制器13的輸入端，第三偏振控制器13的輸出端連接光程延遲線14的輸入端，光程延遲線14的輸出端與第六寬帶光纖耦合器9的另一輸入端相連接，構(gòu)成參考臂的增益補償型光程失配循環(huán)腔，第六寬帶光纖耦合器9的另一輸出端連接第二寬帶光纖環(huán)形器18的輸入端，第二寬帶光纖環(huán)形器18的第一輸出端連接第二光纖準直器19的輸入端，第二寬帶光纖環(huán)形器18的第二輸出端連接第四偏振控制器23的輸入端，第四偏振控制器23的輸出端連接第七寬帶光纖耦合器24的另一輸入端；第七寬帶光纖耦合器24的兩個輸出端分別連接第二高帶寬平衡光電探測器25的兩個輸入端，第二高帶寬寬帶平衡光電探測器25的電路輸出端與高速數(shù)據(jù)采集卡30的另一輸入信號通道相連接。掃頻光源I的觸發(fā)信號輸出端與高速數(shù)據(jù)采集卡30觸發(fā)信號輸入端相連接。圖中實線部分為光纖，點劃線部分為電路連接線。掃頻光源I發(fā)出的低相干光進入第一寬帶光纖耦合器2后，一部分光進入標定單元，另一部分光進入間距測量單元。進入標定單元的光經(jīng)過第三寬帶光纖耦合器26后分成兩路，其中一路光經(jīng)過產(chǎn)生固定光程差的光纖27后耦合回第四寬帶光纖耦合器28，另一路光直接耦合回第四寬帶光纖耦合器28，進入第四寬帶光纖耦合器28的兩路光產(chǎn)生干涉并由第一高帶寬平衡光電探測器29進行探測；進入間距測量單元的光通過第二寬帶光纖耦合器3分成兩路，其中一路光進入第五寬帶光纖耦合器4，另一路光進入第六寬帶光纖耦合器9:進入第五寬帶光纖稱合器4的光分出一部分光進入第一寬帶光纖環(huán)形器15的輸入端，進入第一寬帶光纖環(huán)形器15的光通過第一輸出端進入第一光纖準直器16后射入待測樣品17，從待測樣品17反射回來的光在依次經(jīng)過第一寬帶光纖環(huán)形器15的第一輸出端、第二輸出端和第二偏振控制器22后，由第二偏振控制器22進入第七寬帶光纖耦合器24。從第五寬帶光纖稱合器4輸出的另一部分光通過第一聲光頻移器5、第一半導體光放大器6、第一光隔離器7和第一偏振控制器8后第二次進入第五寬帶光纖耦合器4，第二次進入第五寬帶光纖耦合器4的光同樣被分成兩部分，分別沿著上述路徑到達第七寬帶光纖耦合器24和第三次進入第五寬帶光纖耦合器4，以此類推，第N-1進入第五寬帶光纖耦合器4的光也沿上訴路徑到達第七寬帶光纖耦合器24和第N次進入第五寬帶光纖耦合器4 ；同樣的進入第六寬帶光纖I禹合器9的光也分出一部分光通過第二寬帶光纖環(huán)形器18輸出端,進入第二寬帶光纖環(huán)形器18的光通過第一輸出端進入第二光纖準直器19后射入透鏡20和反射鏡21，反射回來的光在依次經(jīng)過第二寬帶光纖環(huán)形器18的第一輸出端、第二輸出端和第四偏振控制器23后，由第四偏振控制器23進入第七寬帶光纖耦合器24。從第六寬帶光纖耦合器9輸出的另一部分光通過第二聲光頻移器10、第二半導體光放大器11、第二光隔離器12、第三偏振控制器13和光程延遲線14后第二次進入第六寬帶光纖耦合器9，第二次進入第六寬帶光纖耦合器9的光同樣被分成兩部分，分別沿著上述路徑到達第七寬帶光纖耦合器24和第三次進入第六寬帶光纖耦合器9，以此類推，第N-1進入第六寬帶光纖耦合器9的光也沿上訴路徑到達第七寬帶光纖耦合器24和第N次進入第六寬帶光纖耦合器9。上述所有進入第七寬帶光纖耦合器24的光發(fā)生干涉，干涉信號經(jīng)第二高帶寬平衡光電探測器25探測，兩路測量單元所測得的干涉信號被高速數(shù)據(jù)采集卡30同步采集，采集到的信號傳輸?shù)接嬎銠C31的內(nèi)存中進行數(shù)據(jù)處理，高速數(shù)據(jù)采集卡30的觸發(fā)信號由掃頻光源I產(chǎn)生，圖中實線部分為光纖，點劃線部分為電路連接線。如圖2所示為本發(fā)明的信號處理流程圖，下面對圖2中的信號處理過程進行說明。采集卡同步采集間距測量單元和標定單元的干涉光譜信號，分別為
權(quán)利要求
1.種基于光譜位相的高精度大量程間距測量方法，在通常的掃頻光學相干層析成像系統(tǒng)的間距測量單元中，設置不同載頻量，不同光程失配量的增益補償型循環(huán)腔；并增加馬赫曾德型干涉儀所構(gòu)成的標定單元；該標定單元能夠產(chǎn)生具有固定OPD的干涉光譜信號，首先比較樣品待測界面的解包裹相位與MZI標定干涉信號的解包裹相位，進而通過已知MZI的OPD值精確得到該界面的OPD值，最后通過空間解碼實現(xiàn)大量程間距的高精度測量；其特征在于，該方法的具體步驟如下: O在掃頻光學相干層析成像系統(tǒng)中，設置間距測量單元和標定單元，間距測量單元的樣品臂和參考臂中分別設置有不同載頻量的增益補償型光程失配循環(huán)腔，基于參考光和樣品光在光程失配循環(huán)腔中的極高速步進，實現(xiàn)大量程范圍內(nèi)不同區(qū)域樣品光和參考光的低相干干涉，并由于兩臂不同載頻量的作用，實現(xiàn)大量程范圍內(nèi)不同區(qū)域干涉信號的空間編碼，便于系統(tǒng)的同步探測和解碼； 2)標定單元由馬赫曾德型干涉儀構(gòu)成，將掃頻光源發(fā)出的光分出一部分進入該標定單元，失配馬赫曾德型干涉儀中兩臂光纖的長度，產(chǎn)生具有固定光程差的干涉光譜信號，并且該光程差在樣品間距測量的過程中有著良好的穩(wěn)定性； 3)通過高速數(shù)據(jù)采集卡同步采樣間距測量單元和標定單元的干涉光譜信號，并傳輸?shù)接嬎銠C的內(nèi)存中進行數(shù) 據(jù)處理； 4)對間距測量單元所測得的干涉光譜信號依照傅里葉變換、濾波、移除載頻、逆傅里葉變換的順序進行信號處理，能夠得到待測界面的干涉光譜信號；對該待測界面的干涉光譜信號進行數(shù)字希爾伯特變換后，求取該待測界面干涉光譜信號的解包裹相位；由于采集卡同步采樣兩個單元的干涉光譜信號，確保了兩個單元中掃頻光源起始波數(shù)和非線性光譜采樣的一致性，因此通過比較該解包裹相位與MZI標定干涉信號的解包裹相位，能夠精確得到該待測界面的OPD值； 5)最后對待測界面所得到的OPD值通過空間解碼實現(xiàn)大量程間距的高精度測量。
2.種基于光譜位相的高精度大量程間距測量系統(tǒng)，包括掃頻光源，第一寬帶光纖耦合器，第二寬帶光纖耦合器，第三寬帶光纖耦合器，第四寬帶光纖耦合器，第五寬帶光纖耦合器，第六寬帶光纖耦合器，第七寬帶光纖耦合器，第八寬帶光纖環(huán)形器，第九寬帶光纖環(huán)形器，第一聲光頻移器，第二聲光頻移器，第一半導體光放大器，第二半導體光放大器，第一光隔離器，第二光隔離器，第一偏振控制器，第二偏振控制器，第三偏振控制器，第四偏振控制器，光程延遲線，第一光纖準直器，第二光纖準直器，待測樣品，透鏡，反射鏡，產(chǎn)生固定光程差的光纖，第一高帶寬平衡光電探測器，第二高帶寬平衡光電探測器，高速數(shù)據(jù)采集卡，計算機； 其特征在于:掃頻光源通過第一寬帶光纖耦合器分別與間距測量單元中的第二寬帶光纖耦合器輸入端、標定單元中的第三寬帶光纖耦合器的輸入端相連接；所述標定單元:第三寬帶光纖耦合器的兩個輸出端分別與產(chǎn)生固定光程差的光纖的輸入端和第四寬帶光纖耦合器的其中一個輸入端相連接，產(chǎn)生固定光程差的光纖的輸出端與第四寬帶光纖耦合器另一輸入端相連接，第四寬帶光纖耦合器的兩個輸出端分別連接第一高帶寬平衡光電探測器的兩個輸入端，第一高帶寬平衡光電探測器的電路輸出端與高速數(shù)據(jù)采集卡的其中一個輸入信號通道相連接；所述間距測量單元:第二寬帶光纖耦合器的兩個輸出端分別與第五寬帶光纖耦合器和第六寬帶光纖耦合器的其中一個輸入端相連接，第五寬帶光纖耦合器的其中一個輸出端連接第一聲光頻移器的輸入端，第一聲光頻移器的輸出端連接第一半導體光放大器的輸入端，第一半導體光放大器的輸出端連接第一光隔離器的輸入端，第一光隔離器的輸出端連接第一偏振控制器的輸入端，第一偏振控制器的輸出端與第五寬帶光纖耦合器的另一輸入端相連接，構(gòu)成樣品臂的增益補償型光程失配循環(huán)腔，第五寬帶光纖耦合器的另一輸出端連接第一寬帶光纖環(huán)形器的輸入端，第一寬帶光纖環(huán)形器的第一輸出端連接第一光纖準直器的輸入端，第一寬帶光纖環(huán)形器的第二輸出端連接第二偏振控制器的輸入端，第二偏振控制器的輸出端連接第七寬帶光纖耦合器的其中一個輸入端；第六寬帶光纖耦合器的其中一個輸出端連接第二聲光頻移器的輸入端，第二聲光頻移器的輸出端連接第二半導體光放大器的輸入端，第二半導體光放大器的輸出端連接第二光隔離器的輸入端，第二光隔離器的輸出端連接第三偏振控制器的輸入端，第三偏振控制器的輸出端連接光程延遲線的輸入端，光程延遲線的輸出端與第六寬帶光纖耦合器的另一輸入端相連接，構(gòu)成參考臂的增益補償型光程失配循環(huán)腔，第六寬帶光纖耦合器的另一輸出端連接第二寬帶光纖環(huán)形器的輸入端，第二寬帶光纖環(huán)形器的第一輸出端連接第二光纖準直器的輸入端，第二寬帶光纖環(huán)形器的 第二輸出端連接第四偏振控制器的輸入端，第四偏振控制器的輸出端連接第七寬帶光纖耦合器的另一輸入端；第七寬帶光纖耦合器的兩個輸出端分別連接第二高帶寬平衡光電探測器的兩個輸入端，第二高帶寬寬帶平衡光電探測器的電路輸出端與高速數(shù)據(jù)采集卡的另一輸入信號通道相連接；掃頻光源的觸發(fā)信號輸出端與高速數(shù)據(jù)采集卡觸發(fā)信號輸入端相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光譜位相的高精度大量程間距測量方法及系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)超大量程范圍內(nèi)不同區(qū)域樣品光與參考光的低相干干涉和不同區(qū)域干涉信號的空間編碼，并結(jié)合相位敏感型OCT技術(shù)，通過增加MZI構(gòu)成的標定單元，實現(xiàn)大量程高精度的間距測量。該系統(tǒng)由于采集卡同步采樣兩個單元的干涉光譜信號，因而確保了兩個單元中掃頻光源起始波數(shù)和非線性光譜采樣的一致性。利用基于光譜位相的方法，不需對每個掃頻周期的標定干涉光譜信號進行等波數(shù)間隔標定，縮短了數(shù)據(jù)處理時間，且能夠大大降低掃頻光源抖動對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。該方法簡單，能實現(xiàn)實時處理，且不用添加額外的較復雜器件，易于實現(xiàn)。
文檔編號G01B11/14GK103090808SQ201310024288
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者丁志華, 沈毅, 王川, 顏揚治, 王玲, 張雨東 申請人:浙江大學