[發明專利]基于正交色散譜域干涉儀的高精度間距測量系統和方法

有效

• 申請號: 201510063182.1
• 申請日: 2015-02-06
• 公開（公告）號: CN104655032B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發明（設計）人: 丁志華;鮑文;沈毅;陳志彥;趙晨;李鵬
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01B11/14
• 分類號: G01B11/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明涉及光學相干測量技術領域，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和方法。

背景技術

現代光學系統一般都是由多個透鏡組成的，在光學系統的安裝調試過程中，各個透鏡定位是否準確是決定光學系統性能的關鍵指標，這就需要一個快速、高精度、大量程的間距測量系統來監測和引導光學系統的安裝調試。為了實現無損檢測，人們提出了一種基于光學干涉原理的間距監測方法，如法國Fogale公司的鏡面定位儀，所采用的技術是時域光學相干層析技術(Time Domain Optical Coherence Tomography,TDOCT)，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間距測量結果，然而該系統測量速度和測量精度受限于高精度延遲光路中機械運動的速度和精度，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、減少測量系統對機械運動的依賴，人們將傅立葉域光學相干層析技術(Fourier Domain Optical Coherence Tomography,FDOCT)應用于光學系統內透鏡之間間距的測量。FDOCT技術又分為譜域光學相干層析技術(Spectral Domain OCT,SDOCT)和掃頻光學相干層析技術(Swept Source OCT,SSOCT)。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。通過對干涉信號進行傅立葉變換即可得到沿軸向的光學系統內部透鏡之間的間距信息。由于SSOCT系統的相位穩定性較差，所以選取SDOCT技術實施高精度間距測量更為合適。

然而，SDOCT技術用于提高光學間距測量，在提高檢測速度的同時，也存在一些不足。

第一、測量結果存在鏡像。

由于探測到的干涉光譜是實數，所以由傅立葉變換的厄米共軛性導致的鏡像會存在，使得SDOCT系統損失了一半的量程，更為嚴重的是，鏡像信號的存在可能會導致測量時的誤讀。

為了克服由傅立葉變換的厄米共軛導致的鏡像，R.Leitgeb等人于1999年提出了通過移相的方法在相干系統的參考臂引入載頻，從而得到復數形式的干涉信號，進而區分信號和其鏡像。由于該方法受快速位移裝置的精度、外界環境以及色差等因素的影響，所以鏡像抑制比不高。

第二、測量量程有限。

一般SDOCT系統中使用的多通道光譜儀是由光柵和線陣相機組成的，光譜分辨率不夠高，所以SDOCT系統的量程一般在幾毫米左右。

為了突破測量量程，Hui Wang等人提出了一種光開關切換的雙參考臂，并通過位相調制方法消除鏡像，進而拓展SDOCT系統量程的方法。該方法雖然能夠起到增大SDOCT系統的量程，但是量程提高有限，仍然不能滿足大間距測量的需要；多參考臂的設置也增加了系統的復雜度，多參考臂之間的光學間距需要經過復雜的標定，否則測量結果會有較大的誤差。

第三、SDOCT系統的光學間距測量精度不足。

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等因素影響。為了提高軸向間距的測量精度，Jun Zhang等提出了量化位相成像方法(Quantitative Phase Imaging)，在干涉信號中提取位相信息，進而得到亞微米量級的軸向間距測量結果。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。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提供了基于正交色散譜域干涉儀的高精度間距測量系統和方法。

基于正交色散譜域干涉儀的高精度間距測量系統，包括寬帶光源、光環行器、寬帶光纖耦合器、樣品臂、參考臂和探測臂；

所述的樣品臂包括第一光纖準直透鏡、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；

寬帶光源出來的低相干光，經光環行器到寬帶光纖耦合器，其中一路光進入參考臂，另一路進入樣品臂；進入參考臂部分：經寬帶光纖耦合器分光后的光經第一光纖準直透鏡后，經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由原路返回至寬帶光纖耦合器；進入樣品臂部分：經寬帶光纖耦合器分光后的光經第二光纖準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由原路返回至寬帶光纖耦合器；