阅读说明：本技术 Ss-oct间距测量中利用伺服系统谐振消镜像的方法及其系统 (Disappeared the method and its system of mirror image in SS-OCT distance measurement using servo-system resonance ) 是由 史国华 王俊翔 冯长有 邢利娜 王冬月 潘道伟 樊金宇 于 2019-07-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种SS-OCT间距测量中利用伺服系统谐振消镜像的方法及其系统,本发明的方法利用伺服电机引起的谐振产生相位的正弦振动,并结合一种任意相位的消镜像算法实现了镜像消除。本发明的系统包括扫频光源、环形器、波分复用器、光纤耦合器、参考臂、样品臂、光电探测器、数据采集设备及电子计算机；所述光纤耦合器为50/50耦合器。所述参考臂包括第一准直器、平面镜及伺服电机系统,伺服电机系统包括伺服电机和传动装置,所述伺服电机通过所述传动装置带动所述平面镜移动及产生相位振荡。本发明不需要在系统中引入额外的PZT,大幅度减少了系统的成本和复杂度,且消镜像结果稳定,成倍增加了系统单次测量量程。(The invention discloses disappeared the method and its system of mirror image in a kind of SS-OCT distance measurement using servo-system resonance, method of the invention utilizes resonance caused by servo motor to generate the sinusoidal vibration of phase, and a kind of mirror algorithm that disappears of arbitrary phase is combined to realize image cancellation.System of the invention includes swept light source, circulator, wavelength division multiplexer, fiber coupler, reference arm, sample arm, photodetector, data acquisition equipment and electronic computer；The fiber coupler is 50/50 coupler.The reference arm includes first collimator, plane mirror and servo electrical machinery system, and servo electrical machinery system includes servo motor and transmission device, and the servo motor drives the plane mirror mobile and generates phase oscillation by the transmission device.The present invention does not need to introduce additional PZT in systems, drastically reduces the cost and complexity of system, and the mirror image result that disappears is stablized, the system that has been multiplied single measurement range.)

SS-OCT间距测量中利用伺服系统谐振消镜像的方法及其系统

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种SS-OCT间距测量中利用伺服系统谐振消镜像的方法及其系统。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，OCT)是一种非侵入、非接触的成像技术，可以应用在光学表面非接触式测量当中。但是由于傅里叶变换的特性，其实际测量受到镜像的影响，量程被缩减为一半，因此如果能消除镜像，可以使得量程成倍扩张。

消镜像最早是M.Wojtkowski在文章“Full range complex spectral opticalcoherence tomography technique in eye imaging”报道的五步移相法，计算五个干涉信号的振幅和相位信息来重构复干涉光谱；之后有由Y.Yasuno在文章”Simultaneous B–M-mode scanning method for real-time full-range Fourier domain opticalcoherence tomography”提出的线性B-M方法，利用PZT引入载频来消除复共轭像。对于应用在间距测量上，移相法是更简单的方法。基于移相法消除光学相干层析技术(OCT)引起的复共轭像的装置如图1所示，激光器发出的光经端口1进入光纤耦合器或分光器分为两路，由端口2，3分别进入到参考臂与样品臂，并在参考臂位置引入锆钛酸铅压电陶瓷(以下简称PZT)，利用PZT纳米级的位移来改变光程差，最后两束光经原路返回后干涉，干涉信息经由端口4被光电探测器转为电信号，最后由采集卡和计算机经行采集与数据处理。探测器探测到的信号为实数信号，所以通过纳米级的光程差引起相位的改变，利用改变的相位重构光的复数形式，来消除复共轭像。但是PZT作为纳米级的高精度仪器，易损坏以及成本高是很大的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种SS-OCT间距测量中利用伺服系统谐振消镜像的方法及其系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种SS-OCT间距测量中利用伺服电机系统谐振消镜像的方法，包括：

1)构建消镜像算法公式：

1-1)将SS-OCT间距测量系统中的光电探测器探测到的信号描述为：

其中，k为波数，S(k)是光源发出的k随时间编码的宽带光，R_R、R_Sn是参考臂上平面镜的反射率以及样品臂上样品第n面镜子的反射率，N是样品的总面数，z_R是到参考臂平面镜所走的光程，z_Sn是到样品臂上样品第n面镜子所走的光程；

1-2)对式(1)做傅里叶变换，并略去每项前面的系数，得到：

(2)式中的第一、第二、第三项分别对应于(1)式的第一、第二、第三项，分别为直流项、样品的自相干项以及需要的镜面间距项，A为直流项，为常数；δ为狄拉克函数，z为样品镜面间距；

1-3)(2)式关于坐标原点对称，在(1)式第三项中加上了一个相位那么(2)式改写为：

1-4)(3)式乘以相位因子并和(2)式相减，得到：

1-5)对(1)式加上相位进行与上述加上相位相同的操作得到：

1-6)(4)式乘以再减去(5)式与的乘积得到：

(6)式能在任意的选择下消除镜像；

6)通过伺服电机系统带动SS-OCT间距测量系统中的参考臂内的平面镜产生振荡；

7)记录n条SS-OCT间距测量系统中的光电探测器得到的数据，每条数据的数据量为m，记为记为I(m,n)并做傅氏变换FFTFT^-1(I(m,n))，得到每条数据中的最大值所在的位置k，计算该位置对应的相位：

8)在中任取3帧，得到3个相位点，进行升序排列后记为A₀、A₁、A₂，选择目标相位为其中，满足：E₀、E₁表示误差；

9)记将代入到消镜像算法公式(6)中，得到消镜像结果。

优选的是，所述步骤2中还包括先进行SS-OCT间距测量系统初始化，并调节样品臂和参考臂，使SS-OCT间距测量系统的信噪比最大。

优选的是，所述步骤4)选择目标相位

优选的是，所述步骤4)选择目标相位

一种SS-OCT间距测量系统，其采用如上所述的方法消除镜像，该系统包括扫频光源、环形器、波分复用器、光纤耦合器、参考臂、样品臂、光电探测器、数据采集设备及电子计算机；所述光纤耦合器为50/50耦合器。

优选的是，所述参考臂包括第一准直器、平面镜及伺服电机系统，伺服电机系统包括伺服电机和传动装置，所述伺服电机通过所述传动装置带动所述平面镜移动及产生相位振荡。

优选的是，所述传动装置为丝杆。

优选的是，所述样品臂包括第二准直器和待测样品。

优选的是，所述环形器均包括3个端口：第一端口、第二端口和第三端口；且从所述第一端口进入的光只能从所述第二端口输出，从所述第二端口进入的光只能从所述第三端口输出，从所述第三端口进入的光只能从所述第一端口输出。

优选的是，所述扫频光源发出的光从所述第一端口进入所述环形器，再从所述第二端口输出进入所述光纤耦合器，被均分为2束光分别进入所述参考臂和样品臂；其中，进入所述参考臂的光通过所述第一准直镜后照射在所述平面镜上，所述伺服电机的机械谐振带动丝杆连同所述平面镜产生振荡，带动光程的改变引起相位的起伏，平面镜反射的携带光程变换的光原路返回到所述光纤耦合器；所述样品臂部分的光经过所述第二准直镜打到所述待测样品上，所述待测样品反射的携带样品镜面信息的光原路返回到所述光纤耦合器，与所述参考臂返回的光进行干涉后再被均分为2路；其中一路从所述第二端口进入所述环形器后经所述第三端口输出到所述光电探测器，另一路经过所述波分复用器后也输出到所述光电探测器，两路光经所述光电探测器转为电信号后由所述数据采集设备进行记录并将数据保存在所述电子计算机中。

本发明的有益效果是：本发明利用伺服电机引起的谐振产生相位的正弦振动，并结合一种任意相位的消镜像算法实现了镜像消除，不需要在系统中引入额外的PZT，大幅度减少了系统的成本和复杂度，且消镜像结果稳定，成倍增加了系统单次测量量程。

附图说明

图1为本发明的SS-OCT间距测量系统的结构示意图；

图2为本发明的一种实施例中的消镜像效果图。

附图标记说明：

1—扫频光源；2—环形器；3—波分复用器；4—光纤耦合器；5—第一准直器；6—第二准直器；7—平面镜；8—伺服电机；9—传动装置；10—待测样品；11—光电探测器；12—数据采集设备；13—电子计算机；14—参考臂；15—样品臂。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本实施例的一种SS-OCT间距测量中利用伺服电机8系统谐振消镜像的方法，包括：

1)构建消镜像算法公式：

1-1)将SS-OCT间距测量系统中的光电探测器11探测到的信号描述为：

其中，k为波数，S(k)是光源发出的k随时间编码的宽带光，R_R、R_Sn是参考臂14上平面镜7的反射率以及样品臂15上样品第n面镜子的反射率，N是样品的总面数，z_R是到参考臂14平面镜7所走的光程，z_Sn是到样品臂15上样品第n面镜子所走的光程；

1-2)对式(1)做傅里叶变换，并略去每项前面的系数，得到：

(2)式中的第一、第二、第三项分别对应于(1)式的第一、第二、第三项，分别为直流项、样品的自相干项以及需要的镜面间距项，A为直流项，为常数；δ为狄拉克函数，z为样品镜面间距；

1-3)可以看到(2)式关于坐标原点对称，如果在(1)式第三项中增加或者减少纳米级的光程，相当于加上了一个相位那么(2)式改写为：

1-4)(3)式乘以相位因子并和(2)式相减，得到：

该式消除了复共轭项但是保留了直流项和自相干项；

1-5)对(1)式加上相位进行与上述加上相位相同的操作得到：

1-6)(4)式乘以再减去(5)式与的乘积得到：

(6)式式消去了复共轭镜像，直流项以及自相干项。最后能在任意的选择下消除镜像；的选择影响最后信号的强度，可优选为此时信号强。

2)先进行SS-OCT间距测量系统初始化，并调节样品臂15和参考臂14，使SS-OCT间距测量系统的信噪比最大；

打开伺服电机8，调节自动调谐响应系数来调节系统响应速度，产生一个微弱的振荡，通过伺服电机8系统带动SS-OCT间距测量系统中的参考臂14内的平面镜7产生振荡；

3)记录n条SS-OCT间距测量系统中的光电探测器11得到的数据，每条数据的数据量为m，记为记为I(m,n)并做傅氏变换FFTFT^-1(I(m,n))，得到每条数据中的最大值所在的位置k，计算该位置对应的相位：

4)在中任取3帧，得到3个相位点，进行升序排列后记为A₀、A₁、A₂，选择目标相位为其中，满足：E₀、E₁表示误差；

5)记将代入到消镜像算法公式(6)中，得到消镜像结果。

在一种实施例中，步骤4)选择目标相位

在另一种实施例中，步骤4)选择目标相位

我们将伺服电机8引入SS-OCT间距测量系统做多镜组的测量同时，由于传动装置9为非理想刚性，高性能的伺服系统在高速正反转和快速定位控制过程中容易发生谐振，引起相位的震荡。利用这种震荡，在引起的相位震荡中截取三个相位，然后根据一种任意相位的消镜像算法可实现消除镜像。本实施例中采用公式(1)-(6)的消镜像算法。

由伺服电机8带动丝杆引起的振动时的相位选取以及利用该算法消镜像的结果，如图2所示。其中，选择的目标相位图2(A)是伺服电机8谐振引起的相位变换图，图2(B)上是消镜像前的图像，图2(B)下是采用本专利后的消镜像效果,因此，在不需要用PZT的前提下，按照本发明的方法使用伺服电机8系统，也能得到比较好的消镜像效果。

本发明利用伺服电机8引起的谐振产生相位的正弦振动，并结合一种任意相位的消镜像算法实现了镜像消除，不需要在系统中引入额外的PZT，大幅度减少了系统的成本和复杂度，且消镜像结果稳定，成倍增加了系统单次测量量程。

本发明还公开了一种SS-OCT间距测量系统，其采用如上的方法消除镜像，参照图1，该系统包括扫频光源1、环形器2、波分复用器3、光纤耦合器4、参考臂14、样品臂15、光电探测器11、数据采集设备12及电子计算机13；光纤耦合器4为50/50耦合器。

其中，参考臂14包括第一准直器5、平面镜7及伺服电机8系统，伺服电机8系统包括伺服电机8和传动装置9，伺服电机8通过传动装置9带动平面镜7移动及产生相位振荡。伺服电机8用于通过传动装置9带动平面镜7移动，补偿光程差，并产生相位振荡。在优选的实施例中，传动装置9为丝杆。样品臂15包括第二准直器6和待测样品10。准直器用于将光纤中的光转化为宽度一致的空间光。环形器2均包括3个端口：第一端口、第二端口和第三端口；且从第一端口进入的光只能从第二端口输出，从第二端口进入的光只能从第三端口输出，从第三端口进入的光只能从第一端口输出。

光路走向：扫频光源1发出的光从第一端口进入环形器2，再从第二端口输出进入光纤耦合器4，被均分为2束光分别进入参考臂14和样品臂15；其中，进入参考臂14的光通过第一准直镜后照射在平面镜7上，伺服电机8的机械谐振带动丝杆连同平面镜7产生振荡，带动光程的改变引起相位的起伏，平面镜7反射的携带光程变换的光原路返回到光纤耦合器4；样品臂15部分的光经过第二准直镜打到待测样品10上，待测样品10反射的携带样品镜面信息的光原路返回到光纤耦合器4，与参考臂14返回的光进行干涉后再被均分为2路；其中一路从第二端口进入环形器2后经第三端口输出到光电探测器11，另一路经过波分复用器3后也输出到光电探测器11，两路光经光电探测器11转为电信号后由数据采集设备12进行记录并将数据保存在电子计算机13中。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。