[发明专利]基于光循环与谱域载频的超大量程间距测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于光学相干测量技术领域，具体涉及一种基于光循环与谱域载频的超大量程间距测量系统及方法。

背景技术

现代光学系统一般都是由多个透镜组成的，在光学系统的安装调试过程中，其内部各个透镜的间距是决定光学系统性能的关键指标，是影响光学系统成像质量的重要因素，这就需要有实时的大量程、高精度间距测量系统用来引导上述光学系统的安装调试。

在通常的工业应用中，一般采用机械测量的方法对光学系统内各个透镜的间距进行测量，需要使用探针直接接触待测的透镜，容易损伤透镜表面的镀膜，测量精度受限于机械平移的精度，并且只能应用于光学系统安装的过程中，不能对已经安装在光学系统内部的透镜进行测量。为了解决这些问题，人们提出了基于光学干涉的方法用来测量光学系统内透镜的间距，如法国Fogale公司的LenScan镜面定位仪所采用的时域光学相干层析技术(Time Domain Optical Coherence Tomography, TDOCT)，利用低相干光源和高精度延迟光路获得较为精确的光学间距测量结果，其中高精度延迟光路的延迟控制是由机械移动实现的，因此这种方法的测量速度和测量精度受限于高精度延迟光路中机械移动的速度和精度，测量速度慢、测量精度容易受到温度变化、振动等外界因素的影响。为了提高测量速度、尽量减少测量系统对机械移动的依赖，人们将傅立叶域光学相干层析技术(Fourier Domain Optical Coherence Tomography, FDOCT)应用于光学系统内透镜之间间距的测量。与TDOCT的逐点扫描测量过程相比，FDOCT通过对轴向深度的光谱编码，并行测量深度区域内每个界面的轴向相对位置。傅立叶域光学相干层析技术又分为谱域光学相干层析技术(Spectral Domain OCT)和扫频光学相干层析技术(Swept Source OCT)。分别采用宽带光源或快速可调谐激光光源、快速多通道光谱仪或单点探测器获得干涉光谱信号，再通过傅立叶变换得到沿轴向的光学系统内部透镜之间的间距测量结果。

FDOCT技术在提高光学间距测量速度的同时，也存在一些不足。

第一、FDOCT系统的量程有限。

对于FDOCT系统，其最大量程受限于多通道光谱仪的光谱分辨率(在SDOCT中) 或扫频光源的瞬时线宽(在SSOCT中)。此外，由傅立叶变换的厄米共轭导致的镜像也使得FDOCT系统损失了一半的量程。

1、为了突破多通道光谱仪有限的光谱分辨率或者扫频光源有限的瞬时线宽所限制的测量量程，Hui Wang等人提出在SDOCT系统中采用通过光开关切换的双参考臂，同时通过位相调制方法消除镜像，进而拓展SDOCT系统量程的方法。这种方法虽然能够起到拓展SDOCT系统量程的作用，但是多参考臂的设置增加了系统的复杂度，多参考臂之间的光学间距需要经过复杂的标定，否则将对待测光学系统内透镜间距的测量结果带来较大的误差；此外，多参考臂的干涉信号是通过多次测量获得的，测量速度较慢；并且当待测光学系统在测量过程中发生由震动导致的轻微轴向位移时，将产生间距测量的误差。在SSOCT系统中，S. M. R. Motaghian Nezam提出了通过在多参考臂加不同载频的方式拓展量程的方法，Adrian Bradu、Liviu Neagu等人提出了通过声光调制器加载频，同时在样品臂和参考臂使用环腔产生零光程位置不同的多组干涉信号，从而得到大量程光学间距测量系统的方法。这种方法需要使用声光调制器作为调制器加载频，电路系统复杂、插入损耗较大，限制了光通过环腔的次数，也就限制了总的干涉信号最大的载频量，以及所能获得的最大量程；同时，系统的测量速度也受到声光调制器调制速度的限制；此外，由于样品臂的环腔和参考臂的环腔的长度不同，因此两个环腔内的声光调制器在每次循环过程中的同步需要采用较为复杂的机制才能实现。