[发明专利]基于正交色散谱域干涉仪的高精度间距测量系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学相干测量技术领域，具体涉及一种基于正交色散谱域干涉仪的高精度间距测量系统和方法。

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，各个透镜定位是否准确是决定光学系统性能的关键指标，这就需要一个快速、高精度、大量程的间距测量系统来监测和引导光学系统的安装调试。为了实现无损检测，人们提出了一种基于光学干涉原理的间距监测方法，如法国Fogale公司的镜面定位仪，所采用的技术是时域光学相干层析技术(Time Domain Optical Coherence Tomography,TDOCT)，利用宽带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，然而该系统测量速度和测量精度受限于高精度延迟光路中机械运动的速度和精度，测量速度慢，且测量精度易受到温度、振动等外界因素的影响。为了提高测量速度、减少测量系统对机械运动的依赖，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。FDOCT技术又分为谱域光学相干层析技术(Spectral Domain OCT,SDOCT)和扫频光学相干层析技术(Swept Source OCT,SSOCT)。SDOCT选用宽带光源和快速多通道光谱仪获取干涉信号。SSOCT选用快速扫频激光光源和单点探测器获取干涉光谱信号。通过对干涉信号进行傅立叶变换即可得到沿轴向的光学系统内部透镜之间的间距信息。由于SSOCT系统的相位稳定性较差，所以选取SDOCT技术实施高精度间距测量更为合适。

然而，SDOCT技术用于提高光学间距测量，在提高检测速度的同时，也存在一些不足。

第一、测量结果存在镜像。

由于探测到的干涉光谱是实数，所以由傅立叶变换的厄米共轭性导致的镜像会存在，使得SDOCT系统损失了一半的量程，更为严重的是，镜像信号的存在可能会导致测量时的误读。

为了克服由傅立叶变换的厄米共轭导致的镜像，R.Leitgeb等人于1999年提出了通过移相的方法在相干系统的参考臂引入载频，从而得到复数形式的干涉信号，进而区分信号和其镜像。由于该方法受快速位移装置的精度、外界环境以及色差等因素的影响，所以镜像抑制比不高。

第二、测量量程有限。

一般SDOCT系统中使用的多通道光谱仪是由光栅和线阵相机组成的，光谱分辨率不够高，所以SDOCT系统的量程一般在几毫米左右。

为了突破测量量程，Hui Wang等人提出了一种光开关切换的双参考臂，并通过位相调制方法消除镜像，进而拓展SDOCT系统量程的方法。该方法虽然能够起到增大SDOCT系统的量程，但是量程提高有限，仍然不能满足大间距测量的需要；多参考臂的设置也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，否则测量结果会有较大的误差。

第三、SDOCT系统的光学间距测量精度不足。

通常的信号处理方法所得到的轴向距离精度受光源带宽和采样点个数等因素影响。为了提高轴向间距的测量精度，Jun Zhang等提出了量化位相成像方法(Quantitative Phase Imaging)，在干涉信号中提取位相信息，进而得到亚微米量级的轴向间距测量结果。但是，利用单点光谱信息计算间距时可能会因为选取到一些灵敏度较差的波长而使得测量误差放大。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了基于正交色散谱域干涉仪的高精度间距测量系统和方法。

基于正交色散谱域干涉仪的高精度间距测量系统，包括宽带光源、光环行器、宽带光纤耦合器、样品臂、参考臂和探测臂；

所述的样品臂包括第一光纤准直透镜、第一聚焦透镜、平面反射镜和快速位移装置；所述的参考臂包括第二光纤准直透镜、第二聚焦透镜和样品；所述的探测臂包括第三光纤准直透镜、柱面聚焦透镜、虚像相控阵列、光栅、第三聚焦透镜、面阵CCD或面阵CMOS；

宽带光源出来的低相干光，经光环行器到宽带光纤耦合器，其中一路光进入参考臂，另一路进入样品臂；进入参考臂部分：经宽带光纤耦合器分光后的光经第一光纤准直透镜后，经第一聚焦透镜照射到固定在快速位移装置上的平面反射镜，从平面反射镜反射回来的光经由原路返回至宽带光纤耦合器；进入样品臂部分：经宽带光纤耦合器分光后的光经第二光纤准直透镜入射到第二聚焦透镜后照射到样品，从样品反射回来的光经由原路返回至宽带光纤耦合器；