专利名称：共路oct超大量程间距测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光学相干测量，具体涉及一种共路OCT超大量程间距测量系统。
背景技术：
现代光学系统内部各个透镜的间距是决定光学系统性能的关键指标，直接影响光学系统的成像质量。因此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(TimeDomain Optical Coherence Tomography, TD0CT),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，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移动的速度和精度，测量速度慢、且测量精度容易受到温度变化、振动等外界因素的影响。因此为了提高测量速度、尽量减少测量系统对机械移动的依赖，傅立叶域光学相干层析技术(Fourier Domain Optical Coherence Tomography, FD0CT)被应用于光学系统内透镜之间间距的测量。傅立叶域光学相干层析技术(FDOCT)分为谱域光学相干层析技术(SpectralDomain OCT)和扫频光学相干层析技术(Sw印t Source 0CT)两类。SDOCT选用宽带光源和快速多通道光谱仪，SSOCT选用快速扫频激光光源和平衡探测器。当探测器获得干涉光谱信号后，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。但由于色散的存在，通常的信号处理方法所得到的轴向距离存在测量误差。为了提高轴向间距的测量精度，Zhongping Chen> Jun Zhang等提出了量化位相成像方法(Quantitative PhaseImaging), Eric D. Moore等提出了位相敏感的扫频干涉方法,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。这些方法能够有效提高FDOCT系统的间距测量精度，但最大量程在SDOCT中受限于多通道光谱仪的光谱分辨率或者在SSOCT中受限于扫频光源的瞬时线宽。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。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。该方法由于样品光和参考光的光循环相分离，因此外界环境变化诸如震动，温度等因素，均会给OCT信号带来误差；再者，由于光循环分离带来的散射及偏振对OCT信号的干扰，从而需在OCT系统中需加入散射及偏振补偿机构，对散射及偏振进行补偿。基于克服参考光和样品光光路分离所带来的影响，美国Southwest Sciences的Andrei B. Vakhtin, Johns Hopkins University 的 U. Sharma 以及英国 University ofSt. Andrews的K. M. Tan等人提出了基于Fizeau干涉仪的共路FDOCT技术。由于参考光和样品光共路，该系统在一定程度上自动补偿了由于光路中光学原件带来的色散及偏振效应，且该系统结构简单，当改变样品光的有效光程时，参考光的有效光程也随之改变，因而无需对另一路光的光程做有效补偿。参考光与样品光的共路也增加了干涉仪的稳定性，降低了系统对外界环境诸如震动因素的影响。但该类共路系统最大量程仍然受到了 FDOCT系统量程的限制。
发明内容本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种共路OCT超大量程间距测量系统。共路OCT超大量程间距测量系统包括扫频光源、偏振控制器、光纤连接器、增益补偿型保偏光纤光循环腔、环形器、偏振分光器、样品检测单元、平衡探测器和带有数据采集卡的计算机。耦合器、偏振无关型半导体光放大器和电光调制器组成增益补偿型保偏光纤光循环腔；准直镜、四分之一波片、待测透镜组构成样品检测单元。 扫频光源通过偏振控制器和光纤连接器与耦合器的一侧的一个端口连接，耦合器另一侧的一个端口通过电光调制器和偏振无光型半导体光放大器与稱合器一侧的另一个端口连接，环形器的一个端口与耦合器的另一侧的另一个端口连接，环形器的另一个端口与样品检测单元连接，环形器的又一个端口与偏振分光器的一个端口连接，偏振分光器的另一个端口与平衡探测器的一个端口连接，偏振分光器的又一个端口与平衡探测器的另一个端口连接，平衡探测器与带有数据采集卡的计算机相连接。本实用新型具有的有益效果是I、提出了基于保偏光纤的双折射效应构建增益补偿型保偏光纤光循环腔的方法基于P通道光(偏振方向沿保偏光纤的慢轴方向)和S通道光(偏振方向沿保偏光纤的快轴方向)在特定长度保偏光纤的传输，形成固定的光程差，构建增益补偿型保偏光纤光循环腔。2、提出干涉信号直流项消除的方法由于S通道光信号的零光程面沿光传播相反地方向成步进式移动，因此当样品放置于四分之一波片的右端时，S通道信号将不存在干涉项，只保留直流项。利用这一特征，在平衡探测器前设置偏振分光器，区分P通道和S通道，P通道光信号和S通道光信号分别进入平衡探测器的两个接收端，经过平衡探测器后端电路相减的处理，能够实现P通道干涉信号中直流项的共模抑制，有效提高了干涉信号的量化精度和动态范围。3、与样品光和参考光光循环相分离的SSOCT相比较,此方法样品光和参考光共路，能较好的克服传统OCT技术中由于样品光和参考光光路相分离所带来的误差，减少外界环境诸如震动，温度等对系统的影响。另外只需设置一个固定的光循环腔，无需精确校正两光循环腔间的间距，无需克服两光路间色散、偏振等因素对OCT信号的影响。
图I是本实用新型一种共路OCT超大量程间距测量系统和方法示意图；图2是本实用新型电光调制器加载频原理不意图；[0015]图3是本实用新型干涉信号生成示意图；图4是本实用新型的空间编码原理不意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。如图I所示，本实用新型包括扫频光源I、偏振控制器2、光纤连接器3、耦合器4、电光调制器5、偏振无关型半导体光放大器6、环形器7、样品检测单元8、偏振分光器9、平衡探测器10、带有数据采集卡的计算机11、第一保偏光纤15、铌酸锂电光晶体16、第二保偏光纤17，稱合器4、电光调制器5和偏振无关型半导体光放大器6组成增益补偿型保偏光纤光循环腔；准直镜12、四分之一波片13和待测透镜组14组成样品检测单元8。扫频光源I通过偏振控制器2和光纤连接器3与耦合器4的a端口连接，耦合器 4的c端口通过电光调制器5和偏振无光型半导体光放大器6与稱合器4自身的d端口连接，环形器7的a端口与耦合器的b端口连接，环形器的b端口与样品检测单元8连接，环形器7的c端口与偏振分光器9的a端口连接，偏振分光器9的b端口与平衡探测器10的a端口连接，偏振分光器9的c端口与平衡探测器10的b端口连接，平衡探测器10与带有数据采集卡的计算机11相连接。扫频光源I出来的光先进入偏振控制器2，形成与保偏光纤快轴成45°角的线偏振光，该线偏振光经过光纤连接线3由普通单模光纤耦合进保偏光纤，等强度激发保偏光纤的特征轴形成P通道光和S通道光。第一次从耦合器4出来的部分光通过环行器7进入样品检测单元8，经样品端面反射后，P通道光和S通道光再次经过环行器7到达偏振分光器
9;另一部分光经过电光调制器5和偏振无关型半导体光放大器6后返回耦合器4。第二次进入耦合器4的光同样被分成两部分，分别沿着上述路径到达偏振分光器9和第三次进入耦合器4。第N-I次进入耦合器4的光也沿上述路径分别进入偏振分光器9和第N次进入耦合器4。上述所有进入偏振分光器9的光，区分P通道和S通道，P通道光信号和S通道光信号分别进入平衡探测器10的两个接收端，由于此时的S通道信号只存在直流项，因此经过平衡探测器10后端电路相减的处理，能够实现P通道干涉信号中直流项的共模抑制，有效提高了干涉信号的量化精度和动态范围。通过带有数据采集卡的计算机11的处理，得到高精度大量程样品结构信息。图I中实线为光纤连接线，虚线为电路连接线，其中带有三角箭头的实线为保偏光纤，没有箭头的实线为普通单模光纤。如图2所示为电光调制器加载频的原理示意图。第一保偏光纤15的慢轴、铌酸锂电光晶体16的Z轴即y33的方向、以及第二保偏光纤17的慢轴两两平行，根据电光相位调制原理并结合组合调制器的方法，P通道光和S通道光之间的相位差
A# = ^ ^rss -4ylS), r、J分别为电光晶体的长度和厚度，p为外加电压振A aL aV
幅，Jit、Jia分别为电光晶体e光和。光的折射家^力光波长，J33、^13为电光晶体的
非线性系数。若输入光场= A cos mct，』为光场振幅，％为光场角频率。外加
电压Fsin mmt, %为外加电压的角频率，则输出光场Boaf = A cos (mct + m sin mmt), Ojr I ￥
^ — (4r,3 - 4r15), 为相位调制系数。
A d' IB如图3所示为本实用新型的干涉信号生成示意图，结合图I共路OCT超大量程间距测量系统和方法示意图中的样品检测单元说明干涉信号的产生。当待测透镜组放置于四分之一波片的右半边时，从保偏光纤出射的两种偏振态光，经准直镜12准直后射入前表面镀有半透半反薄膜的四分之一波片13，P通道光和S通道光此时被分为前表面反射的参考光P1光和S1光以及透射的样品光P2光和S2光，P2光和S2光射入待测透镜组14，各个透镜端面反射回来的P2光和S2光沿原光路再次依次经过四分之一波片13和准直镜12后返回保偏光纤。由于P2光和S2光两次经过四分之一波片13,因此P2光变为偏振方向沿快轴的S3光，而S2光变为偏振方向沿慢轴的P3光。此时参考光P1光和样品光P3光都在P通道，参考光S1光和样品光S3光都在S通道，在有效干涉范围内，P通道参考光P1光和样品光P3光 产生干涉，P通道将存在干涉信号和直流信号；相反参考光S1光和样品光S3光不会产生干涉，S通道将只有直流信号。具体原理将结合图4在下面说明。图3中的各光路实际上是重合的，这里为了说明方便，特意把它们区分开。如图4所示是本实用新型的空间编码原理示意图，结合图I共路OCT超大量程间距测量系统和方法示意图以及图3干涉信号生成示意图说明P通道信号包涵干涉项和直流
项，S通道信号只包涵直流项的原理。如图1，设主光路上保偏光纤的长度为、，增益补偿型保偏光纤光循环腔中保偏光纤的长度h，此时主光路上P通道光和S通道光的光程差为A^c = CfTsr - Uj.-JL1，增益补偿型保偏光纤光循环腔中光程差为= (Jis — nf)L2，式中4分别为保偏光纤慢轴和快轴的折射率。以波长木=IdOOnm，拍长Zj3 = 4厕的
熊猫型保偏光纤为例，其折射率差为A/3 = ^ = 3. 25 X ICT4,则需要光程差8 mm时，
需要的保偏光纤光纤的特定长度约为24. 6 m。设光传播方向为正向，当以P1光为参考光时，
主光路零光程面距离四分之一波片的前表面距离为^ ;经过增益补偿型保偏光纤光循环
2
腔一次，该零光程位置沿Z轴方向平移& ;。因此深度区域也相应地发生了平移。以此类
2
WA ^
推，当经过增益补偿型保偏光纤光循环腔N次后，零光程位置沿Z轴平移二 ；相反当以S1
2
A 7
光为参考光时，主光路零光程面距离四分之一波片的前表面距离为-二I ;经过增益补偿型
2
/\ z
保偏光纤光循环腔一次，该零光程位置沿-Z轴方向平移-—;。因此深度区域也相应地发
2
生了平移。以此类推，当经过增益补偿型保偏光纤光循环腔N次后，零光程位置沿-Z轴平移
权利要求1.共路OCT超大量程间距测量系统，其特征在于包括扫频光源、偏振控制器、光纤连接器、增益补偿型保偏光纤光循环腔、环形器、偏振分光器、样品检测单元、平衡探测器和带有数据采集卡的计算机，耦合器、偏振无关型半导体光放大器和电光调制器组成增益补偿型保偏光纤光循环腔；准直镜、四分之一波片、待测透镜组构成样品检测单元； 扫频光源通过偏振控制器和光纤连接器与耦合器的一侧的一个端口连接，耦合器另一侧的一个端口通过电光调制器和偏振无光型半导体光放大器与稱合器一侧的另一个端口连接，环形器的一个端口与耦合器的另一侧的另一个端口连接，环形器的另一个端口与样品检测单元连接，环形器的又一个端口与偏振分光器的一个端口连接，偏振分光器的另一个端口与平衡探测器的一个端口连接，偏振分光器的又一个端口与平衡探测器的另一个端口连接，平衡探测器与带有数据采集卡的计算机相连接。
专利摘要本实用新型公开了一种共路OCT超大量程间距测量系统。在扫频光学相干层析成像系统中设置增益补偿型保偏光纤光循环腔，并基于保偏光纤的双折射效应，实现P通道光和S通道光在同一保偏光纤中不同历经光程的光循环。基于P通道光与S通道光之间光程差的极高速步进式改变，实现超大量程范围内不同深度区域样品光与参考光的低相干干涉。基于保偏光纤光循环腔中电光调制器对P通道光与S通道光的不同载频，实现超大量程范围内不同深度区域干涉信号的编码。在样品表面前设置波片，实现参考光与样品光的共路，采用偏振分光的双通道平衡探测，实现干涉信号中直流项的共模抑制。本实用新型结构紧凑、稳定性高，有效提高了干涉信号的量化精度和动态范围。
文档编号G01B11/14GK202547607SQ201220199578
公开日2012年11月21日 申请日期2012年5月7日 优先权日2012年5月7日
发明者丁志华, 张雨东, 沈毅, 洪威, 王川, 颜扬治 申请人:浙江大学