一种基于低相干干涉的光谱仪标定方法与系统

1.本发明涉及光学相干层析成像(oct)技术与光谱仪标定技术，尤其涉及一种基于低相干干涉的光谱仪标定方法与系统。


背景技术：

2.光谱仪按照工作原理可以分为色散光谱仪和傅里叶光谱仪。色散光谱仪利用光的色散现象，将连续谱的入射光按波长不同色散到空间不同位置并探测，探测的数据即为光谱。傅里叶光谱仪通过将测量的时域干涉信号进行傅里叶变化后，在频域进行光谱分析。本发明重点关注并只适用于色散光谱仪，因此本发明中光谱仪特指色散光谱仪。当光与被分析物质作用后，每个元素都会在光谱中留下特征发射或吸收谱线，分析光谱可以推断物质的成分组成。因此，光谱仪广泛用于粒子物理学、化学分析、天文学等领域。
3.光谱仪被设计为将感兴趣波段的光按照波长不同线性色散开。然而，光谱仪正常工作受限于多种因素。一方面，由于元件装备误差、焦面不匹配、光学畸变和像差等原因，入射光不能被线性色散，导致光谱仪内部探测光谱的相机像素和探测的波长之间的关系非线性。进行光谱分析之前必须先获得像素-波长之间的非线性关系，其精度直接影响光谱分析的准确度。
4.另一方面，在光谱仪实际使用期间，温度、湿度、压力、振动等环境因素会影响硬件性能，光谱仪波长色散分布会有不同程度的改变，直接影响光谱仪的光谱探测性能。因此，光谱仪长时间、特殊环境下的正常工作需要再校准步骤保证。
5.一般来说，校准灯和可调谐激光器可用来标定像素-波长之间的对应关系。校准灯光谱包含多个窄线宽特征谱线，而可调谐激光器可以输出窄线宽的单一谱线并能够重复改变输出谱线波长。光谱仪探测校准灯或者可调谐激光器的多个特征谱线后，光谱峰值位置与特征谱线波长之间通过多项式拟合可以获得像素-波长拟合曲线。峰值位置以外的像素点对应波长由拟合曲线获得，这样就实现光谱仪所有像素点-波长关系标定。然而，可调谐激光器可调谐波长范围小，价格昂贵，且输出波长同样也需要标定；校准灯虽然不需要额外标定，其光源输出功率小，输出谱线数目在光谱仪宽谱标定时不足。同时，当校准灯和可调谐激光器不能覆盖整个待标定光谱时，外插值会引起像素-波长关系的拟合曲线存在误差，进而使得标定精度下降。
6.为了实现宽谱、快速、高精度的光谱仪标定，国外很多研究机构提出多种解决方案。这些方法被应用在光学相干层析成像技术(optical coherence tomography,oct)中，用于谱域oct系统的光谱仪标定。
7.美国伊利诺伊州立大学的s.a.boppart研究小组在光源入射到干涉仪前加入波长扫描滤波模块，宽带光通过环形器进入模块后只输出窄谱宽光，并且输出光可调谐，探测端另外加入光束分析仪(optical spectrum analyzer,osa)对输出波长进行标定。虽然该方法解决了整个光谱范围全标定，但是波长调谐模块需要精密的控制来保证标定的精度，同时要求宽带光源需要足够高的功率输出。
8.韩国高丽大学ji-hyun kim等人通过对干涉信号的过零点检测和多项式拟合来获取所有采样点波长分布，再引入一个特征谱线来获得绝对的波长。该方法相对的波长分布依赖于oct系统最大成像深度的测量，其通过在样品臂上放置平面镜作为样品，并用电机驱动，通过观测干涉信号出现欠采样而出现混淆现象来获得系统最大成像深度。但是这种测量最大成像深度的方式受限于人为判断引起的误差，光谱仪标定的准确度难以保证。
9.波兰哥白尼大学maciej wojtkowski课题组通过移动样品臂参考平面镜，在干涉信号中加入多普勒频移量，再通过测量多普勒平移量来获得每个采样点的波长。在移动速度已知的前提下，多普勒频移量和波长相关，因此无需引入额外特征谱线光源，采样点对应的绝对波长可以得到标定。然而，该方法依然需要测量系统最大成像深度，同时电机驱动参考平面镜移动时无法保证理想线性移动，因此光谱仪标定的准确度同样难以保证。
10.上述这些方法都存在固有的缺点，需要引入较复杂的器件，并且光谱仪标定精度受限于参数测量的较大误差。因此，有必要研究易于实现宽谱、快速、高精度的光谱仪绝对波长标定方法。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于提供一种基于低相干干涉的光谱仪标定方法和系统。本发明基于低相干干涉技术，利用光谱仪采集的干涉光谱进行光谱仪像素-波长关系标定。本发明的谱域光学相干层析成像系统分别测量两个不同厚度量规表面的干涉信号，利用两次测量的相位差可以获得相对波长分布，同时再引入一个特征谱线光源，可以获得光谱仪绝对波长的标定结果。
12.本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
13.一种基于低相干干涉的光谱仪标定方法，是将宽带光源和he-ne激光器光源发出的光通过分束器同时耦合进干涉仪；将两块厚度不同的量规放在同一平面并分别测量量规表面和参考平面镜之间的干涉信号，干涉信号由光谱仪采集后经数据采集卡同步采集。在计算机中对干涉信号进行傅里叶逆变换、滤波、傅里叶变换等处理分离出干涉信号中的交流项，干涉信号中的交流项经过hilbert变换可以获得其干涉信号包裹相位。将两个量规的干涉信号包裹相位解包裹后，相减可以获得光谱仪所有像素点的相对相位分布。将he-ne激光器的光耦合进干涉仪，可以得到特征波长和对应像素位置，加上两次测量的光程差之差，可在相对相位差分布基础上获得相位差的绝对值。两次测量的光程差之差理论上为两块量规的厚度差的两倍。实际上，两块量规的厚度差粗略值由它们的标称值相减获得。当该粗略值误差足够小(精度高于0.0002mm，即国标1级及以上)，可以保证各个像素两次测量的相位之差的误差不超过2π，那么相位之差的2π整数倍信息就可以准确地恢复出来。最后，通过相位和波长的变换关系，可以获得光谱仪每个像素的绝对波长标定结果。该方法的具体步骤如下：
14.(1)在谱域光学相干层析成像系统中，宽带光源出射光和he-ne激光器光源出射光通过一块分束器同时耦合进干涉仪。其中，宽带光源出光为宽带光，作为干涉信号产生的宽带光源；he-ne激光器出射光为准单色光，作为特征谱线；
15.(2)谱域光学相干层析系统参考臂固定一块平面反射镜作为干涉仪参考面，样品臂分别采用两块金属量规作为高反射样品作为样品面。两块金属量规的厚度分别为d1和d2，
厚度差满足0＜|d
2-d1|＜5mm，两块量规表面干涉信号的光程差分别为2z1和2z2；
16.(3)通过光谱仪分别探测两次干涉光谱信号并经过数据采集卡采集，传输到计算机内存中进行数据处理；
17.(4)由于oct系统具有深度分辨的层析作用，对干涉仪的光谱干涉信号进行傅立叶逆变换和加窗滤波处理，得到光程差为2z1和2z2的干涉信号的空间谱，再经过傅立叶变换可以得到干涉信号中去除直流分量的交流项；
18.(5)对干涉信号的交流项进行hilbert变换可以获得干涉信号交流项的复数形式，其相位可以直接从复数形式取相位得到。这样，两个金属量规表面干涉信号的包裹相位依次为和包裹相位之差为
19.(6)he-ne激光器光源出光为准单色光，其谱线线宽远小于光谱仪分辨率，因此其光线会聚焦在一个像素以内，这样就确定了该像素对应的波长。该像素点的包裹相位差加上两次测量光程差之差就能获得包裹相位之差的2π整数倍信息，进而得到绝对相位差。其中，两次测量光程差之差即为两组量规标称厚度之差的两倍。量规标称值精度足够高，精度误差引起的相位误差小于2π，因此包裹相位之差的2π整数倍信息可以准确获得；
20.(7)由于两组量规是分别测量的，实际上无法保证量规表面放在同一位置，同时环境因素造成的扰动也导致两次测量的光程差之差并不等于两组金属量规厚度之差的两倍(考虑光反射往返，空气折射率为1)。因此，直接用两组量规厚度的标称值代入计算波长，计算结果可能存在较大的误差。通过(6)中得到的该像素两次测量绝对相位差和对应波长可以计算两次测量光程差之差的准确值δz。根据两次测量绝对相位差和δz就能计算光谱仪每个像素点对应的波长，完成光谱仪的标定。
21.本发明还提供一种用于实现上述方法的光谱仪自标定的谱域光学相干层析成像系统，所述系统包括宽带光源、he-ne激光器光源、oct干涉仪、光谱仪和计算机。宽带光源和he-ne激光器光源通过分束器经反射镜耦合进干涉仪中；耦合入干涉仪的光经过空间滤波器实现扩束和整形，再通过分束器分光，分别进入参考臂和样品臂；参考臂包含可调衰减片、聚焦透镜和平面反射镜，入射光经过可调衰减片衰减后由聚焦透镜聚焦到平面反射镜表面并反射；样品臂包含二维振镜、物镜和两组量规样品，入射光由二维振镜控制方向实现二维扫描，由物镜聚焦到量规表面并反射；参考臂和样品臂的反射光发生干涉后，通过分束器进入探测臂，并经过另一个空间滤波器实现扩束和杂散光去除；空间滤波后的干涉光进入光谱仪并被探测，光谱仪包含衍射光栅、聚焦透镜和线阵ccd相机；干涉光通过衍射光栅后，不同波长的准直光被色散到不同方向并经过聚焦透镜聚焦到线阵ccd相机上；线阵ccd相机探测到的干涉光谱数据由计算机采集并处理，最后将重建的图像显示出来。
22.需要指出的是，成像系统中二维振镜的扫描和线阵ccd相机的触发采集需要同步进行，因此由计算机主机上的函数发生器卡产生三路同步模拟信号，作为二维扫描振镜的扫描驱动信号和线阵ccd相机的外部触发信号。
23.与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
24.1、本发明采用低相干干涉探测方式，在共聚焦门的基础上引入了相干门，因此信号信噪比高，干涉信号相位灵敏度极高，使得光谱仪波长标定精度很高；干涉信号相位的高灵敏度避免了传统的多特征谱线拟合方法的拟合误差，使得该方法可以实现光谱仪的宽谱、快速、高精度标定；
25.2、利用两种量规表面干涉信号的相位差加入一条特征谱线计算绝对相位，量规厚度标称值误差足够小，可以恢复2π混淆问题丢失的2π整数倍信息，保证了标定的准确性；
26.3、不需要额外复杂的光路，利用谱域光学相干层析系统成像功能自行对光谱仪进行标定，可重复性高。本发明可一次性获得相机所有像素与波长的对应关系。
附图说明
27.图1是本发明的一种光谱仪绝对波长自动标定的谱域光学相干层析成像系统示意图。
28.图2是本发明的谱域光学相干层析成像系统数据采集与硬件控制示意图。
29.图3是本发明的谱域光学相干层析成像系统硬件控制信号示意图。
30.图4是本发明的光谱仪标定流程图和干涉光谱数据处理图。
31.图中：1、宽带光源，2、he-ne激光器光源，3、分束器1，4、反射镜，5、聚焦透镜1，6、小孔1，7、准直透镜1，8、分束器2，9、可调衰减片，10、聚焦透镜2，11、平面反射镜；12、二维振镜，13、物镜，14、量规样品，15、聚焦透镜3，16、小孔2，17、准直透镜2，18、衍射光栅，19、聚焦透镜4，20、线阵ccd相机，21、计算机，22、数据采集卡，23、函数发生器卡。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
33.如图1所示，本发明的光谱仪自标定的谱域光学相干层析成像系统包括宽带光源、he-ne激光器光源、oct干涉仪、光谱仪和计算机。宽带光源(1)和he-ne激光器光源(2)通过分束器1(3)经反射镜(4)耦合进oct干涉仪中。所述宽带光源(1)的波长范围为650-900nm。耦合入干涉仪的光经过空间滤波器1实现扩束和整形。空间滤波器1包含聚焦透镜1(5)、50um小孔1(6)和准直透镜1(7)。准直扩束后的光再通过分束器2(8)分光，分别进入参考臂和样品臂。固定一块平面反射镜作为干涉仪参考面，分别采用两块金属量规作为样品臂反射面，两块金属量规的厚度分别为d1和d2，厚度差满足0＜|d
2-d1|＜5mm，精度高于0.0002mm。参考臂包含可调衰减片(9)、聚焦透镜2(10)和平面反射镜(11)，准直光经过衰减片衰减后由聚焦透镜2聚焦到平面镜表面并反射；样品臂包含二维振镜(12)、物镜(13)和两组量规样品(14)，入射光由二维振镜控制方向实现二维扫描，由物镜聚焦到量规表面并反射。参考臂和样品臂的反射光在经分束器干涉后进入探测臂，经过另一个空间滤波器2实现扩束和杂散光去除。空间滤波器2包含聚焦透镜3(15)、50um小孔2(16)和准直透镜2(17)组成。准直光进入光谱仪并被探测，光谱仪包含衍射光栅(18)、聚焦透镜4(19)和线阵ccd相机(20)。准直光通过衍射光栅后，不同波长的准直光被色散到不同方向并经过聚焦透镜聚焦到ccd相机上。线阵ccd相机探测到的干涉光谱数据由数据采集卡(22)采集，在计算机(21)中处理，最后将重建的图像显示。图中实线表示数据传输路径，虚线表示控制信号传输路径。
34.图2为谱域光学相干层析成像系统数据采集和硬件控制信号路径图，光谱仪内线阵ccd相机(20)的光谱数据经过cameralink线缆传入数据采集卡(22)中，并由计算机处理显示。需要指出的是，二维振镜(12)的扫描和线阵ccd相机(20)的触发采集需要同步进行，因此由计算机上的函数发生器卡(23)产生三路同步模拟信号，作为二维振镜(12)的扫描驱
动信号和相机的外部触发信号。三路同步信号波形如图3所示，振镜扫描快轴驱动信号为锯齿波信号，慢轴驱动信号为台阶信号，图像采集卡采集触发信号为方波信号。三路同步信号实现样品的帧扫描和相机数据的帧触发。
35.图4所示为本发明所述的基于低相干干涉的光谱仪标定流程图和数据处理图，包括特征谱线图和相位分布图。下面对图4中的曲线进行说明。
36.单次轴向扫描(a-scanning)探测的谱域光学相干层析成像干涉光谱信号的可表达为：
[0037][0038]
其中，η为探测器的灵敏度，q为单个电荷量，hν为单光子能量，pr为从参考臂返回到探测器的光功率，po为照射到样品上的光功率，z为反射面与参考面光程差的一半，r(z)和分别代表样品深度方向上反射系数的幅度和相位，γ(z)为光源瞬时输出的相干函数，ki代表第i个像素处的波数。z＝0时对应参考臂样品臂的光程差为0。在(1)式等号右边，第一项代表从参考臂返回的光强，第二项为从样品各层返回的光强以及样品各层之间的干涉光强，前两项代表会对最后得到的图像形成干扰背景的噪声信号，通常称第一项为直流项，称第二项为自相关项，第三项为参考反射光与样品各层之间的干涉光强，即谱域光学相干层析系统探测到的有效干涉光谱信号。
[0039]
对式(1)中的干涉光谱信号进行傅立叶逆变换可得到复数轴向空间信号，然后进行滤波，消除镜像轴向空间信号、直流项、自相干项信号并分离两个互相关项，分别对两个互相关项傅立叶变换到光谱空间可以获得有效干涉光谱信号。不失一般性，只考虑一个反射面，且参考臂光强pr＝p0，光源功率谱谱分布函数记作光源瞬时输出的相干函数γ(z)＝1，则式(1)可简化为：
[0040][0041]
如图4(b)为两组量规表面的有效干涉光谱信号。式(2)中为对应的光谱域相位离散分布。对式(2)实施hilbert变换，可以得到限制在[-π,+π]主值区间内的包裹相位分布
[0042][0043]
此处的表示谱域绝对相位分布，floor表示向负无穷方向取整运算，不同的离散采样波数ki有不同次数的相位包裹，存在2π混淆即相位卷绕问题。
[0044]
以起始采样点为基准对包裹相位做连续化解包裹处理可以得到相对相位分布，但一般的干涉光谱中心区域信噪比高(相位噪声小)、边缘区域信噪比低(相位噪声大)，边缘区域的相位噪声将在连续化解包裹过程中累积放大，从而影响恢复相位的准确性。因此，采用以中心位置的相位主值作为起点的双向连续化解包裹处理，得到相对相位分布
[0045][0046]
式中为固定值，表示中心采样位置(对应中心波数kc)的相位包裹次数。
[0047]
为消除(3)式中两干涉臂间的不平衡色散，两组量规表面干涉信号分别提取相位如图4(c)所示，两个位置的相位相减，进而获得近似光程差(2δz＝2(d
2-d1))下对应的相位差分布(图4(d)下图)：
[0048][0049]
he-ne光源为光谱仪标定提供特征谱线，如图4(a)所示。该特征谱线对应的绝对相位2k
hene
δz，可以计算出相对相位包裹次数n
2-n1，表示为：
[0050][0051]
这里，round运算表示取最接近的整数值，当特征谱线产生的误差相位不超过π时，可以求得准确的相对相位包裹次数。由此恢复得到光程差为2δz时光谱绝对相位分布为(图4(d)上图)：
[0052][0053]
这样，两次测量的光程差之差准确值就能通过获得，而光谱仪绝对波长标定值为：
[0054][0055]
其中，i为光谱仪采样点，m为最大采样点数。
[0056]
本发明公开了一种基于低相干干涉的光谱仪绝对波长标定方法。该方法采用干涉信号的相位配合特征波长对像素-波长关系进行标定，可以一次性获得相机所有像素与波长的对应关系。两组量规厚度标称值足够精确，解决了光谱相位跳变校准的2π混淆问题，确保了光谱相位跳变的校准准确性和精度。同时，干涉相位的高灵敏度避免了传统的多特征谱线拟合方法的拟合误差，使得该方法可以实现光谱仪的宽谱、快速、高精度标定。