一种基于白光干涉测试系统的中心波长误差补偿方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种基于白光干涉测试系统的中心波长误差补偿方法，属于光纤端面 测量仪技术领域。
【背景技术】
[0002] 光纤端面测量仪是基于白光干涉的原理，利用相位移动从而实现光纤端面干涉条 纹的变化。光纤端面测试仪可以非接触的精确、快速的测量光纤表面形貌。作为光信号的传 输介质，光纤端面形态直接影响光信号在光纤中的传输性能，因此光纤端面测量对端面形 态的测量在光纤传感和传输中至关重要。由于光纤端面测量仪能够满足光纤在生产、应用 过程中在线测试需求，因此能够广泛应用于大功率激光器、军用光电子器件、光纤电流传感 器等尚精尖科技领域。
[0003] 光纤端面测量仪在干涉测量的过程中，通过相移器来改变参考光束和测试光束之 间的光程差，同时采集若干幅干涉图，然后对干涉图进行求解得到光纤端面的高度。在采用 白光相移干涉法对相干峰进行解调时，由于光源的中心波长存在标定误差而影响计算精 度，因此设计一种在线实时补偿光源中心波长误差，精度高，速度快的白光干涉算法尤为重 要。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于白光干涉测试系统的中心波长 误差补偿方法，可以用于光纤端面测量系统中减小中心波长标定误差，抗干扰，速度快，对 相移器的线性误差不敏感。
[0005] 种基于白光干涉测试系统的中心波长误差补偿方法，包括以下几个步骤：
[0006] 第一步，标定压电陶瓷马达步距；
[0007] 第二步，以标定好的步距在线实时标定白光光源的中心波长；
[0008] 第三步，基于Carr6相移算法利用提取到的波长解算相对高度；
[0009] 本发明的优点在于：
[0010] 本发明在解算光纤端面高度值时，可以通过单刻线样块标定步距，实时标定计算 光源中心波长，具有减小由于环境扰动带来的中心波长标定误差，抗干扰，速度快，对相移 器的线性误差不敏感等优点。
【附图说明】
[0011] 图1为光纤端面测量系统原理图；
[0012] 图2为白光干涉光强与光程差的关系图；
[0013] 图3为单刻线样块实物图；
[0014]图4为实测高度为663nm的标准样块干涉图；
[0015]图5为本发明的方法流程图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0017] 如图1所示的是光纤端面测量系统的原理示意图，光源经过聚光镜，孔径光阑，准 直扩束镜到达分光棱镜，其中一部分光会到达被测光纤端面，另一部分到达参考镜，反射后 同时到达显微物镜，最后到达CCD成像。发生干涉时，各波长光产生的干涉条纹叠加后形成 白光干涉条纹，如图2所示。压电陶瓷(PZT)相移器带动标准面移动时，干涉条纹会发生变 化。
[0018]光纤端面测量系统测量三维形貌，是根据所采集的干涉条纹图像的光强值，得到 物体表面的相对高度值，其关键在于准确的找到零光程差的位置即光强值最大的相干峰的 位置。白光干涉光强与光程差有如图2所示的关系，光程差为0时，光强达到最大值。
[0019] 当采用单刻线样块标定步距时，对同一行刻线内的点以及刻线外的点分别提取其 光强极值对应的图像帧数，通过刻线高度即可得出压电陶瓷马达的实际步距。
[0020] 通过波长与相位之间的关系，以标定好的步距在线实时计算中心波长。
[0021] 基于上述的光纤端面测量系统，以及光程差与光强的关系，本发明的一种基于白 光干涉测试系统的中心波长误差补偿方法，流程如图5所示，包括以下几个步骤：
[0022] 第一步，标定压电陶瓷马达步距；
[0023]首先，通过单刻线标准样块标定压电陶瓷马达的步距，单刻线标准样块如图3所 示，图4为实际采集到的干涉条纹，图4更直观的说明刻线处的干涉条纹与非刻线处的干涉 条纹有错动，因此可以在已知刻线深度Η的时候，通过干涉条纹的移动来标定压电陶瓷马达 的步距。本发明采用的方法为对同一行刻线内的点以及刻线外的点分别提取其光强极值对
应的图像帧数，分别为见，他，刻线深度为Η，则实际步距d可以
[0024] 第二步，以标定好的步距在线实时标定白光光源的中心波长；
[0025] 在对被测物进行扫描时，可以提取到零级条纹所包含的图片帧数P，由下式实时计 算出中心波长乂：
[0026] λ ^ 2P X d
[0027] 第三步，基于Carrg相移算法利用提取到的波长解算相对高度；
[0028] 由两束光振动合成的光的强度值：
[0030]式中：13表不由光纤表面反射的光的光强值，lb表不由参考镜反射的光的光强值，I 表示合成的光的强度值，⑦表示光源经过分光镜到达被测物的反射后的光与光源经过分光 镜到达参考经反射后的光的位相差，所以
[0034]其中，ImaxS光强极大值，Imin为光强极小值，γ为干涉条纹对比度。
[0035] 令Io=Ia+Ib，则可以得到：
[0036] I - /0(1 + γ cos φ)
[0037] 当光程差为零时，即於为零时，光强度为峰值。在实际测量中由于采样精度等问 题，提取到的极大值与零光程差还存在一个的Φ相位提取误差，因此需要求解Φ并对其进 行修正;在测量过程中，ΡΖΤ带动参考镜进行准确的线性移动。压电陶瓷步距设为d，则两相 邻图像之间的相位变化
，由于压电陶瓷线性误差ε的存在，相位变化记为：
[0039] 其中，Δ识为相位变化值
[0040]基于Carr6相移算法对提取到的光强极大值进行相位修正，其基本原理如下：
[0042] 其中：1^为背景光强值，1-3、1-1、11、13分别为相对于所定位的零级条纹光强值前3 帧、前1帧、后1帧、后3帧对应的光强值。
[0043] 解得
[0045] 由上式可知，相位的提取与压电陶瓷的线性误差ε无关。
[0046] 通过对相位的解算，利用在线实时标定的中心波长?可求得被测物的相对高度：
[0048]其中，h为相对高度，Ν为光强极大值对应的图片帧数。
【主权项】
1. 一种基于白光干涉测试系统的中心波长误差补偿方法，包括以下几个步骤： 第一步，标定压电陶瓷马达步距； 首先，通过单刻线标准样块标定压电陶瓷马达的步距，压电陶瓷马达的步距为：其中，他、N2为对同一行刻线内的点以及刻线外的点分别提取其光强极值对应的图像帧 数，Η为刻线深度； 第二步，以标定好的步距在线实时标定白光光源的中心波长； 在对被测物进行扫描时，提取到零级条纹所包含的图片帧数Ρ，实时计算中心波长?:第三步，基于Carrg相移算法利用提取到的波长解算相对高度； 获取两束光振动合成的光的强度值：式中：13表不由光纤表面反射的光的光强值，lb表不由参考镜反射的光的光强值，I表不 合成的光的强度值，P表示经过分光镜到达被测物的反射后的光与经过分光镜到达参考经 反射后的光的位相差，设：其中，ImaxS光强极大值，Imin为光强极小值，γ为干涉条纹对比度； 令I〇=Ia+Ib，得到：当光程差为零时，即P为零时，光强度为峰值； 对相位提取误差Φ，进行修正，压电陶瓷步距为d，两相邻图像之间的相位变化为 Aft ?/ :，则相位变化为： Λ其中，Δρ为相位变化值，ε表示压电陶瓷线性误差； 基于Carre相移算法对提取到的光强极大值进行相位修正，其基本原理如下：其中：1^为背景光强值，1-3、1-1、11、13分别为相对于所定位的零级条纹光强值前3帧、前 1帧、后1帧、后3帧对应的光强值； 解得通过对相位的解算，得到被测物的相对高度：其中，h为相对高度，N为光强极大值对应的图片帧数。
【专利摘要】本发明公开了一种基于白光干涉测试系统的中心波长误差补偿方法，属于光纤端面测量仪技术领域。所述的解算方法首先通过相移器来改变参考光束和测试光束之间的光程差，同时采集若干幅干涉图，然后对干涉图进行求解得到光纤端面的高度。基于Carré相移算法对提取到的光强极大值进行相位修正，由于光源的中心波长存在标定误差而影响计算精度，因此首先使用单刻线标准样块校准压电陶瓷步距，通过校对后的步距对波长进行在线的标定。可以减小由于光源特性及环境扰动所带来的误差，提高计算精度。
【IPC分类】G01M11/00
【公开号】CN105606338
【申请号】CN201610034498
【发明人】李慧鹏, 谭朦曦, 郑晓, 宋凝芳, 高爽, 李皎
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2016年1月19日