專利名稱：基于光循環(huán)與譜域載頻的超大量程間距測量系統(tǒng)及方法
基于光循環(huán)與譜域載頻的超大量程間距測量系統(tǒng)及方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于光學(xué)相干測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光循環(huán)與譜域載頻的超大量程間距測量系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)一般都是由多個(gè)透鏡組成的，在光學(xué)系統(tǒng)的安裝調(diào)試過程中，其內(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)，是影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要因素，這就需要有實(shí)時(shí)的大量程、高精度間距測量系統(tǒng)用來引導(dǎo)上述光學(xué)系統(tǒng)的安裝調(diào)試。
在通常的工業(yè)應(yīng)用中，一般采用機(jī)械測量的方法對光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)透鏡的間距進(jìn)行測量，需要使用探針直接接觸待測的透鏡，容易損傷透鏡表面的鍍膜，測量精度受限于機(jī)械平移的精度，并且只能應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)安裝的過程中，不能對已經(jīng)安裝在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的透鏡進(jìn)行測量。為了解決這些問題，人們提出了基于光學(xué)干涉的方法用來測量光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)透鏡的間距，如法國legale公司的Ler^can鏡面定位儀所采用的時(shí)域光學(xué)相干層析技術(shù)(Time Domain 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)間距測量結(jié)果，其中高精度延遲光路的延遲控制是由機(jī)械移動實(shí)現(xiàn)的，因此這種方法的測量速度和測量精度受限于高精度延遲光路中機(jī)械移動的速度和精度，測量速度慢、測量精度容易受到溫度變化、振動等外界因素的影響。為了提高測量速度、盡量減少測量系統(tǒng)對機(jī)械移動的依賴，人們將傅立葉域光學(xué)相干層析技術(shù)(Fourier Domain Optical Coherence Tomography, FD0CT)應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)透鏡之間間距的測量。 與TDOCT的逐點(diǎn)掃描測量過程相比，F(xiàn)DOCT通過對軸向深度的光譜編碼，并行測量深度區(qū)域內(nèi)每個(gè)界面的軸向相對位置。傅立葉域光學(xué)相干層析技術(shù)又分為譜域光學(xué)相干層析技術(shù) (Spectral Domain OCT)和掃頻光學(xué)相干層析技術(shù)(S^pt Source OCT)。分別采用寬帶光源或快速可調(diào)諧激光光源、快速多通道光譜儀或單點(diǎn)探測器獲得干涉光譜信號，再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量結(jié)果。
FDOCT技術(shù)在提高光學(xué)間距測量速度的同時(shí)，也存在一些不足。
第一、FDOCT系統(tǒng)的量程有限。
對于FDOCT系統(tǒng)，其最大量程受限于多通道光譜儀的光譜分辨率(在SDOCT中) 或掃頻光源的瞬時(shí)線寬(在SSOCT中)。此外，由傅立葉變換的厄米共軛導(dǎo)致的鏡像也使得 FDOCT系統(tǒng)損失了一半的量程。
1、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)線寬所限制的測量量程，Hui Wang等人提出在SDOCT系統(tǒng)中采用通過光開關(guān)切換的雙參考臂，同時(shí)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。這種方法雖然能夠起到拓展SDOCT系統(tǒng)量程的作用，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，否則將對待測光學(xué)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(dāng)待測光學(xué)系統(tǒng)在測量過程中發(fā)生由震動導(dǎo)致的輕微軸向位移時(shí)，將產(chǎn)生間距測量的誤差。在SSOCT系統(tǒng)中，S. M. R. Motaghian Nezam提出了通過在多參考臂加不同載頻的方式拓展量程的方法，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，從而得到大量程光學(xué)間距測量系統(tǒng)的方法。這種方法需要使用聲光調(diào)制器作為調(diào)制器加載頻，電路系統(tǒng)復(fù)雜、插入損耗較大，限制了光通過環(huán)腔的次數(shù)，也就限制了總的干涉信號最大的載頻量，以及所能獲得的最大量程； 同時(shí)，系統(tǒng)的測量速度也受到聲光調(diào)制器調(diào)制速度的限制；此外，由于樣品臂的環(huán)腔和參考臂的環(huán)腔的長度不同，因此兩個(gè)環(huán)腔內(nèi)的聲光調(diào)制器在每次循環(huán)過程中的同步需要采用較為復(fù)雜的機(jī)制才能實(shí)現(xiàn)。
2、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。Y. Tao、A. Valchtin等人的工作展示了正弦位相調(diào)制的方法在鏡像消除上的應(yīng)用。K. Lee,S. Zotter、M. Choma分別提出了采用分束鏡、雙參考臂、3X3光纖耦合器等方法得到復(fù)數(shù)形式的干涉信號的方法。S. Yun, Z. Chen等人分別提出了通過聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器等方法引入干涉信號的載頻，進(jìn)而消除鏡像的方法。Hofer等人提出了采用色散材料提供色散并且用復(fù)雜的迭代算法消除復(fù)共軛像的方法，S. Witte等人對也采用色散材料進(jìn)行色散編碼并提出簡化的消除尖峰算法去除復(fù)共軛像。上述消鏡像方法雖然能夠在一定程度上抑制鏡像，但最多只能將量程拓展為有鏡像時(shí)量程的兩倍，無法突破由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)線寬所限制的測量量程。
第二、FDOCT系統(tǒng)的光學(xué)間距測量精度不足。
在FDOCT系統(tǒng)中，為了得到待測樣品內(nèi)部某一界面與零光程位置的軸向距離，需要對干涉信號實(shí)施傅立葉變換。但由于色散的存在，通常的信號處理方法所得到的軸向距離存在測量誤差。為了提高軸向間距的測量精度，Zhongping Chen,Jun ^iang等提出了量化位相成像方法(Quantitative Phase Imaging), Eric D. Moore等提出了位相敏感的掃頻干涉方法，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。這些方法雖然能夠有效提高FDOCT系統(tǒng)的間距測量精度，但最大量程仍然受到了 FDOCT系統(tǒng)量程的限制，不能用于測量具有較大軸向尺度的樣品。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于光循環(huán)與譜域載頻的超大量程間距測量系統(tǒng)及方法。
基于光循環(huán)與譜域載頻的超大量程間距測量系統(tǒng)包括寬帶光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第一光放大器、第二光放大器、光柵色散型載頻器、環(huán)行器、樣品、平衡探測器和帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)。
寬帶光源通過第一耦合器分別與第二耦合器的a端口和第三耦合器的b端口連接，第二耦合器的d端口與環(huán)形器的a端口連接，環(huán)形器的c端口與樣品連接，環(huán)形器的b 端口與第四耦合器的a端口連接，第四耦合器的d端口與平衡探測器的a端口連接，第二耦合器的c端口通過第一光放大器與光柵色散型載頻器的d端口連接，光柵色散型載頻器的 a端口與第二耦合器b端口連接，第二耦合器、第一光放大器和光柵色散型載頻器組成樣品臂的環(huán)腔，第三耦合器的c端口與第四耦合器的b端口連接，第四耦合器的c端口與平衡探測器的b端口連接，第三耦合器的d端口通過第二光放大器與光柵色散型載頻器的C端口連接，光柵色散型載頻器的b端口與第二耦合器的a端口連接，第三耦合器、第二光放大器和光柵色散型載頻器組成參考臂的環(huán)腔，平衡探測器與帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)連接。參考臂的環(huán)腔的光程長度大于樣品臂的環(huán)腔的光程長度，二者的光程差小于光源相干長度。
所述光柵色散型載頻器包括第一準(zhǔn)直鏡、第二準(zhǔn)直鏡、第三準(zhǔn)直鏡、第四準(zhǔn)直鏡、 光柵、傅立葉變換透鏡、反射鏡。
光柵位于傅立葉變換透鏡的前焦面?zhèn)?，且光柵的表面垂直于傅立葉變換透鏡的光軸，反射鏡位于傅立葉變換透鏡的后焦面?zhèn)?，調(diào)節(jié)準(zhǔn)直鏡一、準(zhǔn)直鏡三與光軸的夾角，使得光的中心波長沿傅立葉變換透鏡的光軸方向衍射。同時(shí)通過使反射鏡與光柵的垂軸面構(gòu)成夾角，使經(jīng)過光柵色散型載頻器的光的各個(gè)光譜成分中引入一個(gè)隨波數(shù)線性變化的相位量。
一種基于光循環(huán)與譜域載頻的超大量程光學(xué)干涉測量方法為在具有增益補(bǔ)償型光程失配循環(huán)腔的掃頻光學(xué)相干系統(tǒng)中，光源發(fā)出的光分別進(jìn)入樣品臂和參考臂，并分別在其中多次循環(huán)。由于光程的失配，每次循環(huán)的參考光和樣品光發(fā)生干涉時(shí)，干涉的零光程位置不同，從而在超大量程范圍內(nèi)，獲得不同區(qū)域樣品光與參考光的低相干干涉。當(dāng)掃頻光學(xué)相干系統(tǒng)的參考光和樣品光分別在光程失配循環(huán)腔中循環(huán)時(shí)，基于環(huán)腔中光柵色散型載頻器的復(fù)用，在每次循環(huán)經(jīng)過光程失配循環(huán)腔的樣品光和參考光的各個(gè)光譜成分中引入附加相位量，這種附加相位量隨循環(huán)次數(shù)的增加而依次疊加，從而使得經(jīng)過不同次數(shù)循環(huán)的樣品光和參考光的干涉信號具有依次放大的載頻。這些具有不同載頻的干涉信號被探測器同步探測，通過對信號的傅里葉變換，即可通過不同的載頻，分辨循環(huán)次數(shù)不同的干涉信號，由于這些干涉信號對應(yīng)樣品不同的深度區(qū)域，就實(shí)現(xiàn)了基于光柵色散型載頻器的空間編碼，采用波數(shù)空間位相與峰值點(diǎn)相結(jié)合的界面定位方法，通過帶通濾波，將樣品在整個(gè)測量范圍內(nèi)的每個(gè)界面所單獨(dú)對應(yīng)的干涉信號提取出來，對提取出的干涉信號，將其在編碼空間平移到零點(diǎn)附近，并提取其相位信息，再通過對相位信息的測量獲得該界面準(zhǔn)確的軸向位置。避免常規(guī)的極值點(diǎn)定位法對軸向分辨率的依賴性和不確定性，并消除色散失配對定位精度的影響，實(shí)現(xiàn)超大量程間距的高精度測量。
本發(fā)明具有的有益效果是1、提出了基于空間編碼的具有超大量程和超高精度的光學(xué)干涉測距方法，使得光學(xué)干涉測量方法的量程克服了光源瞬時(shí)線寬的直接限制，僅受到數(shù)據(jù)采集卡采樣率的限制；在傳統(tǒng)掃頻光學(xué)相干系統(tǒng)中，測量量程由光源的瞬時(shí)線寬和數(shù)據(jù)采集卡的采樣率共同決定， 但由于數(shù)據(jù)采集卡的采樣率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于需要，因此我們通常認(rèn)為光源的瞬時(shí)線寬限定了光學(xué)干涉測距的量程，最大只能達(dá)到十幾毫米；而采用本發(fā)明的掃頻光學(xué)相干測量系統(tǒng)的測量量程，不再受到光源瞬時(shí)線寬的限制，僅受到數(shù)據(jù)采集卡采樣率的限制，與傳統(tǒng)掃頻光學(xué)相干系統(tǒng)相比較，獲得了超大量程。同時(shí)，本發(fā)明將位相測量方法通過空間編碼應(yīng)用到大量程測量系統(tǒng)中，在獲得大量程的同時(shí)能夠獲得亞微米量級的測量精度。
2、與TDOCT系統(tǒng)相比較，將逐點(diǎn)掃描的測量過程改進(jìn)為空間編碼的并行測量過程，無需機(jī)械掃描，測量速度快，不易受到溫度變化和振動的影響。
3、與具有多個(gè)參考臂的FDOCT系統(tǒng)相比較，只需設(shè)置一個(gè)固定的參考臂，不需校正多個(gè)參考臂之間的間距，不需分多次測量獲得對應(yīng)不同參考臂的干涉信號，不需光開關(guān)等控制器件。
4、與采用聲光調(diào)制器和環(huán)腔的SSOCT系統(tǒng)相比較，在載頻方式上，由于不引入任何電控制或機(jī)械控制的位相調(diào)制器，如壓電陶瓷微位移臺、電光位相調(diào)制器或聲光頻移器， 只需設(shè)定不同的反射鏡偏轉(zhuǎn)角即可引入特定群延遲以及相應(yīng)的等效偏移量，因而不受任何位相調(diào)制控制器時(shí)間響應(yīng)的限制，同時(shí)避免了聲光調(diào)制器的插入損耗對系統(tǒng)測量量程的限制；光柵型延遲線引入的群延遲在對稱復(fù)用的情況下得到了加倍，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了參考臂和樣品臂的色散匹配。在系統(tǒng)設(shè)置上，提出了空間編碼以及后續(xù)處理方法，大幅提高了間距測量的精度。
5、與位相敏感的掃頻干涉方法相比，采用了波數(shù)空間位相與峰值點(diǎn)相結(jié)合的界面定位方法，但在編碼空間的平移量減少，解決了這種方法遇到對稱分布的測量信號時(shí)，對相位信號的不確定性。
6、與量化位相成像方法相比，通過在編碼空間平移，降低了波數(shù)空間的信號頻率和相速度，使得相位信號的提取過程中減少了 2 π躍變的影響，同時(shí)降低了這種方法定位時(shí)對波數(shù)空間校準(zhǔn)的高度依賴。


圖1是本發(fā)明的基于光柵色散型載頻器空間編碼的超大量程干涉測距系統(tǒng)示意圖；圖2是本發(fā)明的光柵色散型載頻器示意圖；圖3是本發(fā)明的空間編碼原理示意圖；圖4是本發(fā)明的基于位相的高精度間距測量方法示意圖；圖5是FFT(I(KX)通過帶通濾波器得到的對應(yīng)一個(gè)光學(xué)界面的信號的橫向放大圖； 圖6是本發(fā)明的基于位相的高精度間距測量原理示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
如圖1所示，本發(fā)明包括寬帶光源1、第一耦合器2、第二耦合器3、第三耦合器4、 第四耦合器10、第一光放大器6、第二光放大器7、光柵色散型載頻器5、環(huán)行器8、樣品9、平衡探測器11和帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)12。
寬帶光源通過第一耦合器2分別與第二耦合器3的a端口和第三耦合器4的b端口連接，第二耦合器3的d端口與環(huán)形器8的a端口連接，環(huán)形器8的c端口與樣品9連接， 環(huán)形器8的b端口與第四耦合器10的a端口連接，第四耦合器10的d端口與平衡探測器 11的a端口連接，第二耦合器3的c端口通過第一光放大器6與光柵色散型載頻器5的d 端口連接，光柵色散型載頻器的a端口與第二耦合器b端口連接，第二耦合器3、第一光放大器6和光柵色散型載頻器5組成樣品臂的環(huán)腔，第三耦合器4的c端口與第四耦合器10的 b端口連接，第四耦合器10的c端口與平衡探測器IlWb端口連接，第三耦合器4的d端口通過第二光放大器7與光柵色散型載頻器5的c端口連接，光柵色散型載頻器5的b端口與第二耦合器的a端口連接，第三耦合器4、第二光放大器7和光柵色散型載頻器5組成參考臂的環(huán)腔，平衡探測器11與帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)12連接。
寬帶光源1出來的光進(jìn)入第一耦合器2，經(jīng)分光后分別第一次進(jìn)入第二耦合器3和第三耦合器4。第二耦合器3出來的一部分光通過環(huán)行器8、樣品9，從樣品反射后經(jīng)過環(huán)行器8，到達(dá)耦合器四10，另一部分光經(jīng)過第一光放大器6和光柵色散型載頻器5第二次進(jìn)入第二耦合器3。第二次進(jìn)入第二耦合器3的光同樣被分成兩部分，分別沿著上述路徑到達(dá)第四耦合器10或第三次進(jìn)入第二耦合器3。第N-I次進(jìn)入第二耦合器3的光也沿上述路徑達(dá)第四耦合器10或第N次進(jìn)入第二耦合器3。第三耦合器4出來的一部分光直接進(jìn)入第四耦合器10，另一部分光經(jīng)過第二光放大器7和光柵色散型載頻器5第二次進(jìn)入第三耦合器4。第二次進(jìn)入第三耦合器4的光被分成兩部分，分別沿著上述路徑到達(dá)第四耦合器10 或第三次進(jìn)入第三耦合器4。第N-I次進(jìn)入第三耦合器4的光也沿上述路徑達(dá)第四耦合器 10或第N次進(jìn)入第三耦合器4。上述所有進(jìn)入第四耦合器10的光發(fā)生干涉，干涉信號經(jīng)平衡探測器11探測，通過帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)的處理12，得到高精度大量程樣品結(jié)構(gòu)信肩、ο
如圖2所示，所述光柵色散型載頻器5包括第一準(zhǔn)直鏡13、第二準(zhǔn)直鏡14、第三準(zhǔn)直鏡16、第四準(zhǔn)直鏡17、光柵15、傅立葉變換透鏡18、反射鏡19。
光柵15位于傅立葉變換透鏡18的前焦面?zhèn)龋夜鈻?5的表面垂直于傅立葉變換透鏡18的光軸，反射鏡19位于傅立葉變換透鏡18的后焦面?zhèn)龋{(diào)節(jié)第一準(zhǔn)直鏡13、第三準(zhǔn)直鏡16與光軸的夾角，使得光的中心波長沿傅立葉變換透鏡18的光軸方向衍射。同時(shí)通過使反射鏡19與光柵15的垂軸面構(gòu)成夾角，使經(jīng)過光柵色散型載頻器的光的各個(gè)光譜成分中引入一個(gè)隨波數(shù)線性變化的相位量。
從第三耦合器3出來的光進(jìn)入第一準(zhǔn)直鏡13，經(jīng)過光柵15、傅立葉變換透鏡18、反射鏡19，被反射鏡19反射后，經(jīng)傅立葉變換透鏡18、光柵15、返回第二準(zhǔn)直鏡14。從第三耦合器4出來的光進(jìn)入第三準(zhǔn)直鏡16，經(jīng)過光柵15、傅立葉變換透鏡18、反射鏡19，被反射鏡19反射后，經(jīng)傅立葉變換透鏡18、光柵15、返回第四準(zhǔn)直鏡17。
如圖3所示，掃頻OCT系統(tǒng)通過單點(diǎn)探測器測量經(jīng)過時(shí)間編碼的光譜信息來獲得沿軸向的樣品結(jié)構(gòu)信息，因此通常掃頻光源的瞬時(shí)線寬決定了掃頻OCT系統(tǒng)的測量量程。Z 為樣品空間的光程坐標(biāo)，Z=O對應(yīng)于樣品光和參考光不經(jīng)過各自環(huán)腔時(shí)的零光程面，設(shè)掃頻 OCT系統(tǒng)由掃頻光源的瞬時(shí)線寬決定的測量量程為2a，深度區(qū)域分布在-a到a之間，如圖中ζ軸上實(shí)線所示。ζ’為干涉光譜信號經(jīng)傅立葉變換后得到的編碼空間的坐標(biāo)，由于不通過環(huán)腔的參考光和樣品光未經(jīng)過光柵色散型載頻器的載頻。對于不通過環(huán)腔的參考光和樣品光，其干涉信號中的干涉項(xiàng)與通常的掃頻OCT系統(tǒng)相同，為I0 = 2S(k)D/RRRs (ζ)|Γ(ΟΟ Λ (k), &)|coS[2kz+#(z)]dz其中，t為波數(shù)，ι為干涉光譜強(qiáng)度，m為光源功率譜密度函數(shù)，Rr為參考臂反射率，Rs(Z)光程差為2處的樣品反射率，φ(ζ)為光程差為ζ處的位相，Λ為光譜線寬。
由于樣品臂的環(huán)腔和參考臂的環(huán)腔的光程不相等，因此對于經(jīng)過各自環(huán)腔一次的樣品光和參考光，零光程位置沿ζ軸方向平移，平移的距離等于環(huán)腔之間光程差的一半(Azes/2),因此深度區(qū)域也相應(yīng)地發(fā)生了平移，如圖中ζ軸上虛線所示。在距離零光程位置較遠(yuǎn)的深度區(qū)域，由于測量得到的信號強(qiáng)度太微弱，因此在實(shí)際測量中，距離零光程位置較遠(yuǎn)的信號強(qiáng)度過低的部分，取中間一部分作為有效信號，這一部分占深度區(qū)域的比例為口，因此有效測量量程為2明,在實(shí)際測量中，取Azgs/2 = 2a 7 ,0< ” < 1，如圖中ζ軸上虛線所示。對于一次通過環(huán)腔的參考光和樣品光，由于通過了一次光柵色散型載頻器，因此在干涉信號中疊加了波數(shù)載頻。波數(shù)載頻的原理在專利“基于群延遲波數(shù)載頻的鏡像分離方法及系統(tǒng)(公開(公告)號CN102(^8454A)”中已有說明，此時(shí)光柵色散型載頻器引入的群 Lzr d 離)B rf IU^J-T == TT"。與上述專利不同的是，本發(fā)明所述的光柵色散型載頻器中，參 考光和樣品光為對稱設(shè)置，因此參考光和樣品光的群延遲是對稱分布的，一方面實(shí)現(xiàn)了參考光和樣品光的色散匹配，另一方面通過對稱群延遲實(shí)現(xiàn)了載頻的加倍；此時(shí)光柵色散型載頻器引入的載頻為。由于光柵色散型載頻器中的反射鏡偏轉(zhuǎn)角度}使干涉項(xiàng)信號產(chǎn)生了群延遲波數(shù)載頻Aze ,所以干涉信號在傅立葉變換之后在ζ’軸上的位置向高頻方向平移，平移的距離為
權(quán)利要求
1.基于光循環(huán)與譜域載頻的超大量程間距測量系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括寬帶光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第一光放大器、第二光放大器、光柵色散型載頻器、環(huán)行器、樣品、平衡探測器和帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)；寬帶光源通過第一耦合器分別與第二耦合器的a端口和第三耦合器的b端口連接，第二耦合器的d端口與環(huán)形器的a端口連接，環(huán)形器的c端口與樣品連接，環(huán)形器的b端口與第四耦合器的a端口連接，第四耦合器的d端口與平衡探測器的a端口連接，第二耦合器的 c端口通過第一光放大器與光柵色散型載頻器的d端口連接，光柵色散型載頻器的a端口與第二耦合器b端口連接，第二耦合器、第一光放大器和光柵色散型載頻器組成樣品臂的環(huán)腔，第三耦合器的C端口與第四耦合器的b端口連接，第四耦合器的C端口與平衡探測器的 b端口連接，第三耦合器的d端口通過第二光放大器與光柵色散型載頻器的c端口連接，光柵色散型載頻器的b端口與第二耦合器的a端口連接，第三耦合器、第二光放大器和光柵色散型載頻器組成參考臂的環(huán)腔，平衡探測器與帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)連接；參考臂的環(huán)腔的光程長度大于樣品臂的環(huán)腔的光程長度，二者的光程差小于光源相干長度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光循環(huán)與譜域載頻的超大量程間距測量系統(tǒng)，其特征在于所述的光柵色散型載頻器包括第一準(zhǔn)直鏡、第二準(zhǔn)直鏡、第三準(zhǔn)直鏡、第四準(zhǔn)直鏡、光柵、傅立葉變換透鏡、反射鏡；光柵位于傅立葉變換透鏡的前焦面?zhèn)龋夜鈻诺谋砻娲怪庇诟盗⑷~變換透鏡的光軸， 反射鏡位于傅立葉變換透鏡的后焦面?zhèn)?，第一調(diào)節(jié)準(zhǔn)直鏡、第三準(zhǔn)直鏡與光軸的夾角，使得光的中心波長沿傅立葉變換透鏡的光軸方向衍射；同時(shí)通過使反射鏡與光柵的垂軸面構(gòu)成夾角，使經(jīng)過光柵色散型載頻器的光的各個(gè)光譜成分中引入一個(gè)隨波數(shù)線性變化的相位量。
3.基于光循環(huán)與譜域載頻的超大量程光學(xué)干涉測量方法，其特征在于在具有增益補(bǔ)償型光程失配循環(huán)腔的掃頻光學(xué)相干系統(tǒng)中，光源發(fā)出的光分別進(jìn)入樣品臂和參考臂，并分別在其中多次循環(huán)；由于光程的失配，每次循環(huán)的參考光和樣品光發(fā)生干涉時(shí)，干涉的零光程位置不同，從而在超大量程范圍內(nèi)，獲得不同區(qū)域樣品光與參考光的低相干干涉；當(dāng)掃頻光學(xué)相干系統(tǒng)的參考光和樣品光分別在光程失配循環(huán)腔中循環(huán)時(shí)，基于環(huán)腔中光柵色散型載頻器的復(fù)用，在每次循環(huán)經(jīng)過光程失配循環(huán)腔的樣品光和參考光的各個(gè)光譜成分中引入附加相位量，這種附加相位量隨循環(huán)次數(shù)的增加而依次疊加，從而使得經(jīng)過不同次數(shù)循環(huán)的樣品光和參考光的干涉信號具有依次放大的載頻；這些具有不同載頻的干涉信號被探測器同步探測，通過對信號的傅里葉變換，即可通過不同的載頻，分辨循環(huán)次數(shù)不同的干涉信號，由于這些干涉信號對應(yīng)樣品不同的深度區(qū)域，就實(shí)現(xiàn)了基于光柵色散型載頻器的空間編碼，采用波數(shù)空間位相與峰值點(diǎn)相結(jié)合的界面定位方法，通過帶通濾波，將樣品在整個(gè)測量范圍內(nèi)的每個(gè)界面所單獨(dú)對應(yīng)的干涉信號提取出來，對提取出的干涉信號，將其在編碼空間平移到零點(diǎn)附近，并提取其相位信息，再通過對相位信息的測量獲得該界面準(zhǔn)確的軸向位置；避免常規(guī)的極值點(diǎn)定位法對軸向分辨率的依賴性和不確定性，并消除色散失配對定位精度的影響，實(shí)現(xiàn)超大量程間距的高精度測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光循環(huán)與譜域載頻的超大量程間距測量方法和系統(tǒng)。在掃頻光學(xué)相干系統(tǒng)的樣品臂和參考臂中設(shè)置增益補(bǔ)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)腔中的光循環(huán)，形成一系列等間距的參考光程，實(shí)現(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，并基于環(huán)腔中光柵色散型載頻器的復(fù)用，實(shí)現(xiàn)超大量程范圍內(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。采用波數(shù)空間位相與峰值點(diǎn)相結(jié)合的界面定位方法，避免極值點(diǎn)定位法對軸向分辨率的依賴性和不確定性，并消除色散失配對定位精度的影響，實(shí)現(xiàn)超大量程間距的高精度測量。
文檔編號G01N21/45GK102519375SQ201110358868
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者丁志華, 張雨東, 李喜琪, 沈毅, 王川 申請人:浙江大學(xué)