双光频梳测厚光路结构、系统、方法、装置及存储介质与流程
本发明涉及利用光信号测量厚度或距离领域，尤其涉及一种利用光频梳测量厚度的双光频梳测厚光路结构、系统、方法、装置及存储介质。
背景技术：
光频梳：光学频率梳(ofc)，是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱。
21世纪飞秒光频梳的发明使得激光测量技术出现了革命性的发展，在绝对距离测量、光谱分析、长距离时间传输等领域取得了巨大的技术突破，并迅速应用于精密测量行业的各个领域。
光学元件(如光学镜片)及薄膜的测厚是光学测量领域的一种重要应用。现有技术中，基于传统迈克尔逊干涉仪的测量方式有其应用局限性，例如，当待测光学表面(如光学元件或薄膜表面)相互平行时，由于不能将不同表面反射回的光强和光程差建立联系，基于传统迈克尔逊干涉仪的测量方式无法对待测表面之间的绝对距离(即待测厚度)进行测量。
技术实现要素：
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的是提供一种有利于实现高精度、高实时性测量光学表面距离的光路结构。
本发明的第二个目的是提供一种基于上述光路结构的双光频梳测厚系统。
本发明的第三个目的是提供一种有利于实现高精度、高实时性的双光频梳测厚方法。
本发明的第四个目的是提供一种对应于上述方法的双光频梳测厚装置。
本发明的第五个目的是提供一种有利于实现高精度、高实时性的光学表面距离测量的存储介质。
本发明所采用的技术方案是：
第一方面，本发明提供了一种用于光学表面距离测量的光路结构，包括本振光光路结构、测量臂光路结构和合光光路结构；所述本振光光路结构用于接收本振光频梳，并将本振光频梳处理后输出到合光光路结构；所述测量臂光路结构用于接收信号光频梳，并将信号光频梳处理后分别经过待测物体的两个表面反射形成测量光，再将测量光输出到合光光路结构；所述合光光路结构用于分别接收所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的光信号，并将所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的测量光叠加成干涉信号输出。
优选的，所述本振光光路结构包括第一光纤准直器、第一半波片和第一偏振片，所述本振光频梳依次经过所述第一光纤准直器、第一半波片和第一偏振片后输出到合光光路；所述测量臂光路结构包括第二光纤准直器、第二半波片、第二偏振片、偏振分光棱镜、四分之一波片，所述信号光频梳依次经过所述第二光纤准直器、第二半波片、第二偏振片、偏振分光棱镜和四分之一波片后，再分别经过待测物体的两个表面反射，再依次经过所述四分之一波片、偏振分光棱镜后形成测量光输出到所述合光光路；所述合光光路结构包括非偏振分光棱镜和滤光片，所述非偏振分光棱镜用于分别接收所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的光信号，并将所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的光信号叠加成干涉信号，所述干涉信号经过滤光片后输出。
第二方面，本发明提供了一种双光频梳测厚系统，包括用于产生本振光频梳的本振光源、用于产生信号光频梳的信号光源、光路结构和信号采集与数据处理模块：所述信号采集与数据处理模块包括用于采集所述干涉信号的光电探测器和数据处理模块，所述光电探测器的输出端与所述数据处理模块的输入端连接。
优选的，所述数据处理模块包括低通滤波器、高速数据采集模块、干涉信号截取模块、快速傅里叶变换运算模块、最小二乘法拟合模块和计算模块；所述低通滤波器用于将光电探测器输出的信号进行低通滤波后输出到所述高速数据采集模块；所述高速数据采集模块用于以本振光频梳的脉冲信号作为采样时钟信号，采集得到包括多个干涉周期的干涉信号输出到所述干涉信号截取模块；所述干涉信号截取模块用于截取一个干涉周期内幅值最大的两个时域区间输出到所述快速傅里叶变换运算模块；所述快速傅里叶变换运算模块用于对上述两个时域区间的干涉信号分别进行傅里叶变换，分别求出相位谱输出到所述最小二乘法拟合模块；所述最小二乘法拟合模块用于根据上述相位谱求出相位谱的斜率k输出到所述计算模块；所述计算模块用于根据下述公式求出待测物体的厚度d：
其中，c为光速，ng为待测物体的折射率，δfr为信号光频梳与本振光频梳之间的重复频率差，fs为信号光频梳的重复频率，t0为两个时域区间对应的时间差。
第三方面，本发明提供了一种双光频梳测厚方法，包括步骤：
获取干涉信号；所述干涉信号包括本振光频梳和经由待测物体的两个表面反射的两组测量光叠加形成的光信号；
根据本振光频梳和测量光的重复频率以及两者之间的重复频率差计算出待测物体的厚度d。
优选的，所述获取干涉信号步骤之前，还包括步骤：
用一个和本振光频梳有固定重复频率差的信号光频梳经过待测物体的两个表面反射形成测量光；
将测量光和本振光频梳叠加形成干涉信号。
优选的，所述步骤获取干涉信号，具体为：
以本振光频梳的脉冲信号作为采样时钟信号采集得到包括多个干涉周期的干涉信号；
所述根据本振光频梳和测量光的重复频率以及两者之间的重复频率差计算出待测物体的厚度d，具体为：
截取一个干涉周期内幅值最大的两个时域区间，记录两个时域区间对应的时间差t0；
对上述两个时域区间的干涉信号分别进行傅里叶变换，分别求出相位谱之后进行相减，然后利用最小二乘法拟合求出相位谱的斜率k，代入下述公式求出待测物体的厚度d：
其中，c为光速，ng为待测物体的折射率，δfr为信号光频梳与本振光频梳之间的重复频率差，fs为信号光频梳的重复频率。
优选的，所述一种双光频梳测厚方法还包括步骤：
对不同干涉周期计算出的厚度d进行平均计算。
第四方面，本发明提供了一种双光频梳测厚装置，包括：
获取模块，用于获取干涉信号，所述干涉信号包括本振光频梳和经由待测物体的两个表面反射的两组测量光叠加形成的光信号；
厚度计算模块，根据本振光频梳和测量光的重复频率以及两者之间的重复频率差计算出待测物体的厚度d。
第五方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行一种双光频梳测厚方法。
本发明的有益效果是：
本发明通过利用信号光频梳作为测量臂光路的光源，并利用本振光频梳与两组测量光脉冲进行多外差干涉，通过测量干涉信号的相位时延，计算出待测物体厚度，克服了传统迈克尔逊干涉仪存在的无法对待测表面之间的绝对距离进行测量的技术问题，实现了一种有利于高精度、高实时性的光学表面距离测量双光频梳测厚光路结构、系统、方法、装置及存储介质。
此外，由于本发明光路结构无需参考臂，因此在光路结构中使用波片和偏振分光棱镜的组合，提高了系统的信噪比。信号采集与处理模块利用本振光频梳的重复频率作为采样时钟进行信号采集，使用快速傅里叶变换和最小二乘法拟合解算出厚度，进一步保障了精密、高速、实时的厚度测量。
本发明可广泛应用于平行表面距离的测量。
附图说明
图1是本发明实施例一中，双光频梳测厚系统的结构示意图；
图2是本发明实施例一中，信号采集与数据处理模块的内部结构框图；
图3是本发明光学表面距离测量原理示意图；
图4a是本发明实施例一中，干涉信号波形示意图；
图4b是图4a中b区域的波形放大示意图；
图4c是图4b中c区域的波形放大示意图；
图4d是图4b中d区域的波形放大示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的基本构思是：光频梳在时域表现为飞秒级的载波包络脉冲，将信号光频梳作为光路结构的光源，信号光频梳(信号光fs)从待测物体不同表面反射回来的测量光具有不同的相位延迟，如图3所示，原本信号光频梳的单脉冲会分裂成时移恒定的双脉冲(如图3所示的测量脉冲1和测量脉冲2)，测出这个时移δt即可求出待测物体厚度d(δt＝2d/c，c为光速)。由于这个时移δt非常微小，使用一般的探测方法很难准确测量，因此还需使用一个和信号光频梳有微小重复频率差的本振光频梳(本振光flo)与两组测量脉冲进行多外差干涉形成干涉信号，再以本振光频梳的脉冲信号作为干涉信号采样的采样时钟信号，采集到的点就是本振光和两组测量脉冲的互相关函数，得到的两组互相关函数之间的时延δτ和原本的时移δt之间存在一个固定倍数关系，即满足
式中c为光速，ng为待测物体的折射率，δfr为信号光频梳与本振光频梳之间的重复频率差，fs为信号光频梳的重复频率，δτ为利用傅里叶变换和最小二乘法拟合求出的两次干涉信号中心对应的精确时间差。
实施例一
本实施例提供一种双光频梳测厚系统，由激光器光源、新型双光频梳迈克尔逊干涉仪测厚光路结构以及信号采集与数据处理模块三个部分构成。系统中只需使用一个单点光电探测器，即可精确测量待测物体的光学表面之间的厚度，待测物体可以是光学镜片、薄膜厚度等。将待测物体放置在光路结构中，各待测表面反射回的光被光电探测器接收到，通过信号采集和处理解算出厚度。
一、激光器光源
如图1所示，激光器光源需要使用两个重复频率稳定的光频梳激光器，分别作为用于产生本振光频梳的本振光源110和用于产生信号光频梳的信号光源120，本振光频梳和信号光频梳具有微小的重复频率差且拥有重叠的光谱范围。例如，选择信号光频梳和本振光频梳的重复频率分别为flo和fs，则重复频率差δfr＝fs-flo，两台光频梳的光谱范围有一定的重叠。
二、光路结构
光路结构包括本振光光路结构、测量臂光路结构和合光光路结构；本振光光路结构用于接收本振光频梳，并将本振光频梳处理后输出到合光光路结构；测量臂光路结构用于接收信号光频梳，并将信号光频梳处理后分别经过待测物体400的两个表面反射形成测量光，再将测量光输出到合光光路结构；合光光路结构用于分别接收本振光光路结构和测量臂光路结构输出的光信号，并将本振光光路结构和测量臂光路结构输出的测量光叠加成干涉信号输出。具体的，本振光光路结构包括第一光纤准直器211、第一半波片212和第一偏振片213，本振光频梳依次经过第一光纤准直器211、第一半波片212和第一偏振片213后输出到合光光路；测量臂光路结构包括第二光纤准直器221、第二半波片222、第二偏振片223、偏振分光棱镜224、四分之一波片225，信号光频梳依次经过第二光纤准直器221、第二半波片222、第二偏振片223、偏振分光棱镜224和四分之一波片225后，再分别经过待测物体400的两个表面反射，再依次经过四分之一波片225、偏振分光棱镜224后形成测量光输出到合光光路；合光光路结构包括非偏振分光棱镜231和滤光片232，非偏振分光棱镜231用于分别接收本振光光路结构和测量臂光路结构输出的光信号，并将本振光光路结构和测量臂光路结构输出的光信号叠加成干涉信号，干涉信号经过滤光片232后输出。
如图1所示，实际工作过程中，信号光源120发出的光经过第二偏振片223变成p偏振光，经过偏振分光棱镜224时全部透射，经过一次四分之一波片225后变成圆偏振光，分别在待测量物体的前表面401和后表面402发生反射(可能在两个表面之间多次反射)后回经四分之一波片225变成s偏振光，再经过偏振分光棱镜224时发生反射，在非偏振分光棱镜231处与同样为s偏振态的本振光进行多外差干涉，干涉信号通过一个窄带滤光片232后被高带宽光电探测器310接收。
对光路结构的调节可遵循以下步骤：在四分之一波片225和偏振分光棱镜224之间放一个光功率计，旋转信号光频梳对应的第二偏振片223直到光功率最大，接着旋转信号光频梳对应的第二半波片222直到光功率最大。之后将光功率计移动到非偏振分光棱镜231和滤光片232之间，遮住本振光源110，记录此时的光功率。打开本振光源110，遮住信号光源120，调节本振光频梳对应的第一偏振片213直到光功率最大，再旋转本振光频梳对应的第一半波片212使得光功率和之前记录的光功率大小相等，此时打开信号光源120后整个系统的信噪比被优化到最大。
本实施例中，使用中心波长和带宽可调的滤光片232，依据光电探测器310信号的时域波形和频谱位置优化调节滤光片232的中心波长和带宽：当干涉信号点数(干涉周期个数)足够多且频谱中心位于光频梳(信号光频梳或本振光频梳)重复频率的四分之一位置时，信号混叠达到最小，双光频梳厚度测量系统可达到最大精度。
本实施例的光路结构在传统迈克尔逊干涉光路上进行了改良，由于在测厚的情境下只需一个测量臂，因此舍去了传统干涉仪需要使用的参考臂。使用偏振分光棱镜224和波片的组合控制光传播过程中的偏振态和传播方向，使本振光和测量光能高效的发生相干，同时降低了光学系统的调节难度。利用波片和偏振分光棱镜224的组合消除可能进入测量臂光路的干扰光信号。实际使用中，待测物体400表面和光路方向垂直，且将透射率更高的表面摆放在靠近偏振分光棱镜224的位置(一般要求待测物体400靠近偏振分光棱镜224的表面要求透射率不能太低，远离偏振分光棱镜224的表面要求透射率不能太高，具体的透射率和反射率限制跟实际系统中的信噪比有关)。使用四分之一波片225改变待测物体400表面反射回的测量光的偏振态，再利用非偏振分光棱镜231将测量光和本振光合光，最后使用滤光片232保证双光频梳的多外差干涉不发生频谱混叠。
本实施例中，系统通过对滤光片232带宽、光频梳的重复频率、双光频梳重复频率差的合理选择，可实现对厚度的测量检出限(最小厚度)小于1mm，量程(最大厚度)大于1m，测量精度可达亚微米级。
三、信号采集与数据处理模块
如图2所示，信号采集与数据处理模块包括用于采集干涉信号的光电探测器310和数据处理模块320，光电探测器310的输出端与数据处理模块320的输入端连接。
数据处理模块320包括低通滤波器、高速数据采集模块、干涉信号截取模块、快速傅里叶变换运算模块、最小二乘法拟合模块和计算模块；
低通滤波器用于将光电探测器输出的信号进行低通滤波后输出到高速数据采集模块。信号采集时，光电探测器产生的电压信号可先经过一个带宽约为信号光频梳或本振光频梳重复频率一半的低通滤波器，再使用高速数据采集模块进行采集，这种方法的优点在于可去除干涉信号中的非相干部分(干扰部分)，直接得到连续的干涉信号，高速数据采集模块的采样周期也可以随意设定。但缺点是滤波器可能会对原信号造成一定的扭曲，采集到信号的真实性存在疑问。也可以不经过低通滤波器直接采集探测器电压信号，但此时应该将采样重复频率设置为本振光频梳的重复频率，并通过调相使得采样信噪比最大。
高速数据采集模块用于以本振光频梳的脉冲信号作为采样时钟信号，采集得到包括多个干涉周期的干涉信号输出到干涉信号截取模块；干涉信号截取模块用于截取一个干涉周期内幅值最大的两个时域区间输出到快速傅里叶变换运算模块；快速傅里叶变换运算模块用于对上述两个时域区间的干涉信号分别进行傅里叶变换，分别求出相位谱输出到最小二乘法拟合模块；最小二乘法拟合模块用于根据上述相位谱求出相位谱的斜率k输出到计算模块；计算模块用于根据下述公式求出待测物体的厚度d：
其中，c为光速，ng为待测物体的折射率，δfr为信号光频梳与本振光频梳之间的重复频率差，fs为信号光频梳的重复频率，t0为两个时域区间对应的时间差。
如图4a、4b、4c和4d所示，数据处理模块进行信号处理时，以单个干涉周期为处理周期，每个周期进行一次厚度计算。实现快速测量厚度，每1ms可得到一次测量结果，具有非常好的实时性。如图4a所示，采集到的20个周期干涉信号，在每个周期里首先对采集到的干涉信号进行截取，由于光会在待测物体的两个表面之间来回反射，被光电探测器接收的光与待测物体前表面反射的光相比具有2d的整数倍的光程差，光程差越大，信号衰减就越大，考虑到实际系统的信噪比，一般在一个干涉周期能够观察到四、五个明显的干涉信号(如图4b所示)，在截取时只需截取一个周期内强度最大(信号幅值最大)的两个干涉信号(如图4b中的c和d部分所对应的信号)，记录两段时间区间对应的时间差t0，再分别将截取出的两段干涉信号(两段干涉信号波形分别如图4c和4d所示)进行快速傅里叶变换，分别求出相频谱之后进行相减，然后利用最小二乘法拟合出斜率k，由于相频谱的斜率差等于信号的时移，通过斜率k和已知的既定时移t0，可通过以下公式求出单个干涉周期信号计算的厚度d为：
离线测量时可对不同干涉周期计算出的厚度d进行平均得到平均厚度
实施例二
本实施例提供一种双光频梳测厚方法，包括步骤：
一、干涉光产生步骤
用一个和本振光频梳有固定重复频率差的信号光频梳经过待测物体的两个表面反射形成测量光；
将测量光和本振光频梳叠加形成干涉信号。
二、信号采集和处理步骤
获取干涉信号；干涉信号包括本振光频梳和经由待测物体的两个表面反射的两组测量光叠加形成的光信号；
根据本振光频梳和测量光的重复频率以及两者之间的重复频率差计算出待测物体的厚度d。
具体为：
以本振光频梳的脉冲信号作为采样时钟信号采集得到包括多个干涉周期的干涉信号；
根据本振光频梳和测量光的重复频率以及两者之间的重复频率差计算出待测物体的厚度d，具体为：
截取一个干涉周期内幅值最大的两个时域区间，记录两个时域区间对应的时间差t0；
对上述两个时域区间的干涉信号分别进行傅里叶变换，分别求出相位谱之后进行相减，然后利用最小二乘法拟合求出相位谱的斜率k，代入下述公式求出待测物体的厚度d：
其中，c为光速，ng为待测物体的折射率，δfr为信号光频梳与本振光频梳之间的重复频率差，fs为信号光频梳的重复频率。
三、平均计算步骤：
对不同干涉周期计算出的厚度d进行平均计算。
离线测量时可对不同干涉周期计算出的厚度d进行平均得到平均厚度
实施例三
本实施例提供一种双光频梳测厚装置，包括：
干涉光产生模块，用于利用一个和本振光频梳有固定重复频率差的信号光频梳经过待测物体的两个表面反射形成测量光，并将测量光和本振光频梳叠加形成干涉信号。
获取模块，用于获取干涉信号，干涉信号包括本振光频梳和经由待测物体的两个表面反射的两组测量光叠加形成的光信号。可以本振光频梳的脉冲信号作为采样时钟信号采集得到包括多个干涉周期的干涉信号。
厚度计算模块，根据本振光频梳和测量光的重复频率以及两者之间的重复频率差计算出待测物体的厚度d。
截取一个干涉周期内幅值最大的两个时域区间，记录两个时域区间对应的时间差t0；
对上述两个时域区间的干涉信号分别进行傅里叶变换，分别求出相位谱之后进行相减，然后利用最小二乘法拟合求出相位谱的斜率k，代入下述公式求出待测物体的厚度d：
其中，c为光速，ng为待测物体的折射率，δfr为信号光频梳与本振光频梳之间的重复频率差，fs为信号光频梳的重复频率。
平均计算模块，用于对不同干涉周期计算出的厚度d进行平均计算得到平均厚度
实施例四
本实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于使计算机执行如实施例一的一种双光频梳测厚方法。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
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