一种基于低相干干涉的光谱仪标定方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于低相干干涉的光谱仪标定方法与系统。本发明专利技术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，进而得到相对相位差分布。将He

【技术实现步骤摘要】
一种基于低相干干涉的光谱仪标定方法与系统


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。本专利技术重点关注并只适用于色散光谱仪，因此本专利技术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。
[0003]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
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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。
[0004]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。
[0005]一般来说，校准灯和可调谐激光器可用来标定像素
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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
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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
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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
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波长关系的拟合曲线存在误差，进而使得标定精度下降。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]韩国高丽大学Ji
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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。
[0009]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。
[0010]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。

技术实现思路

[0011]本专利技术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。本专利技术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
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波长关系标定。本专利技术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。
[0012]本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的：
[0013]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
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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
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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：
[0014](1)在谱域光学相干层析成像系统中，宽带光源出射光和He
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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
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Ne激光器出射光为准单色光，作为特征谱线；
[0015](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＜|d2‑
d1|＜5mm，两块量规表面干涉信号的光程差分别为2z1和2z2；
[0016](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；
[0017](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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于低相干干涉的光谱仪标定方法，其特征在于：具体步骤如下：(1)将宽带光源出射光和He
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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，宽带光源出射光产生低相干干涉；He
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Ne激光器出射光为准单色光，作为特征谱线；(2)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d2，两块量规表面干涉信号的光程差分别为2z1和2z2；(3)通过光谱仪分别探测两次干涉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；其中，干涉信号I(k
i
)的表达式为：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，P
r
为从参考臂返回到探测器的光功率，P
o
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，k
i
代表第i个像素处的波数，z＝0时对应样品臂反射面与参考面的光程差为0；(4)对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，再经过傅立叶变换得到干涉信号中去除直流分量的交流项；所述去除直流分量的交流项I
AC
(k
i
)的表达式为：其中，S(k
i
)为光源功率谱谱分布函数；(5)对干涉信号的交流项进行Hilbert变换并取相位，获得干涉信号交流项的包裹相位；(6)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的计算方法具体为：其中，floor表示向负无穷方向取整运算；以中心位置的相位主值作为起点进行双向连续化解包裹处理，得到相对相位分布以中心位置的相位主值作为起点进行双向连续化解包裹...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁志华，韩涛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：