[發明專利]一種基于低相干干涉的光譜儀標定方法與系統

在審

• 申請號: 202210411685.3
• 申請日: 2022-04-19
• 公開（公告）號: CN114894308A
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 丁志華;韓濤
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 萬尾甜;韓介梅

本發明公開了一種基于低相干干涉的光譜儀標定方法與系統。本發明將兩塊厚度不同的量規放在同一平面，并分別測量量規表面和參考平面鏡之間的干涉信號，進而得到相對相位差分布。將He?Ne激光器的光耦合進干涉儀，可以得到特征波長和對應像素位置，加上兩次測量的光程差之差，可在相對相位差分布基礎上獲得相位差的絕對值；然后根據特征譜線的波長和位置可以計算兩次測量光程差之差的精確值，即可從相位差的絕對值直接得到每個像素對應的波長，完成光譜儀的標定。本發明可一次性獲得相機所有像素與波長的對應關系。同時，干涉信號相位的高靈敏度避免了傳統的多特征譜線擬合方法的擬合誤差，使得該方法可以實現光譜儀的寬譜、快速、高精度標定。

技術領域

本發明涉及光學相干層析成像(OCT)技術與光譜儀標定技術，尤其涉及一種基于低相干干涉的光譜儀標定方法與系統。

背景技術

光譜儀按照工作原理可以分為色散光譜儀和傅里葉光譜儀。色散光譜儀利用光的色散現象，將連續譜的入射光按波長不同色散到空間不同位置并探測，探測的數據即為光譜。傅里葉光譜儀通過將測量的時域干涉信號進行傅里葉變化后，在頻域進行光譜分析。本發明重點關注并只適用于色散光譜儀，因此本發明中光譜儀特指色散光譜儀。當光與被分析物質作用后，每個元素都會在光譜中留下特征發射或吸收譜線，分析光譜可以推斷物質的成分組成。因此，光譜儀廣泛用于粒子物理學、化學分析、天文學等領域。

光譜儀被設計為將感興趣波段的光按照波長不同線性色散開。然而，光譜儀正常工作受限于多種因素。一方面，由于元件裝備誤差、焦面不匹配、光學畸變和像差等原因，入射光不能被線性色散，導致光譜儀內部探測光譜的相機像素和探測的波長之間的關系非線性。進行光譜分析之前必須先獲得像素-波長之間的非線性關系，其精度直接影響光譜分析的準確度。

另一方面，在光譜儀實際使用期間，溫度、濕度、壓力、振動等環境因素會影響硬件性能，光譜儀波長色散分布會有不同程度的改變，直接影響光譜儀的光譜探測性能。因此，光譜儀長時間、特殊環境下的正常工作需要再校準步驟保證。

一般來說，校準燈和可調諧激光器可用來標定像素-波長之間的對應關系。校準燈光譜包含多個窄線寬特征譜線，而可調諧激光器可以輸出窄線寬的單一譜線并能夠重復改變輸出譜線波長。光譜儀探測校準燈或者可調諧激光器的多個特征譜線后，光譜峰值位置與特征譜線波長之間通過多項式擬合可以獲得像素-波長擬合曲線。峰值位置以外的像素點對應波長由擬合曲線獲得，這樣就實現光譜儀所有像素點-波長關系標定。然而，可調諧激光器可調諧波長范圍小，價格昂貴，且輸出波長同樣也需要標定；校準燈雖然不需要額外標定，其光源輸出功率小，輸出譜線數目在光譜儀寬譜標定時不足。同時，當校準燈和可調諧激光器不能覆蓋整個待標定光譜時，外插值會引起像素-波長關系的擬合曲線存在誤差，進而使得標定精度下降。

為了實現寬譜、快速、高精度的光譜儀標定，國外很多研究機構提出多種解決方案。這些方法被應用在光學相干層析成像技術(Optical coherence tomography,OCT)中，用于譜域OCT系統的光譜儀標定。

美國伊利諾伊州立大學的S.A.Boppart研究小組在光源入射到干涉儀前加入波長掃描濾波模塊，寬帶光通過環形器進入模塊后只輸出窄譜寬光，并且輸出光可調諧，探測端另外加入光束分析儀(Optical spectrum analyzer,OSA)對輸出波長進行標定。雖然該方法解決了整個光譜范圍全標定，但是波長調諧模塊需要精密的控制來保證標定的精度，同時要求寬帶光源需要足夠高的功率輸出。

韓國高麗大學Ji-Hyun Kim等人通過對干涉信號的過零點檢測和多項式擬合來獲取所有采樣點波長分布，再引入一個特征譜線來獲得絕對的波長。該方法相對的波長分布依賴于OCT系統最大成像深度的測量，其通過在樣品臂上放置平面鏡作為樣品，并用電機驅動，通過觀測干涉信號出現欠采樣而出現混淆現象來獲得系統最大成像深度。但是這種測量最大成像深度的方式受限于人為判斷引起的誤差，光譜儀標定的準確度難以保證。