基于扫频光学相干层析技术的光学间距测量系统的关键技术研究

作     者：王俊翔 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈泽祥

授予年度：2020年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：光学镜头间距信息 光学相干层析成像 消镜像 镜像残余 伺服双质量传动系统 

摘      要：随着现代科技的发展,小到手机,航拍无人机,单反相机,大到医疗设备,科研应用,航天科技,国防,光学系统都扮演者越来越重要的角色。光学镜头间距信息是其最重要的参数之一,直接影响着系统的成像质量。传统的测距方法是直接通过接触式的测量,不仅误差大,还会造成镜面的划伤。所以一款非接触式的高精度测量仪器非常重要。光学相干层析技术（Optical Coherence Tomography,OCT）以其非侵入,非接触式,高分辨率,无损等特点可以很好应用在光学系统测距上。随着OCT技术的发展,扫频光学相干层析成像技术（Swept source OCT,SS-OCT）因其结构简单,速度快,灵敏度高等特点,已经成为第三代OCT系统。所以SS-OCT在镜面间距的测距上具有很好的应用潜力。但是传统的SS-OCT的测量量程往往只有几个毫米,这显然是不够的。所以本文针对SS-OCT在测距方向上的应用,尤其是在其测量量程上的关键技术进行了研究,主要包括:本文针对SS-OCT会必定会产生的复共轭镜像,融入了移相法来消除镜像倍增量程。本文针对移相法做了创新性的改进,主要是针对移相法的缺陷,从理论推导,到仿真验证分析了相移误差对镜像残余的影响。所以提出了一种迭代法在连续振荡的相位中过滤出了误差更小的相位,从而获得了完美的消镜像效果,并通过实验验证了算法的优势。传统的移相法是利用PZT,但是PZT易损坏及成本高的缺点不利于应用在仪器化设备上。由于本文的系统中必须要引入伺服系统来改变参考臂上平面镜位置来匹配不同的光程位置,同时伺服系统往往会引起谐振,所以本文创新性地将本文改进的算法结合在谐振上完美的消除了镜像,从而不需要额外的PZT引入,极大程度地减少了仪器的成本和复杂度。本文基于搭建的系统,分析了伺服系统的振荡对测量精度的影响,测试了整个系统90mm的量程极限,所以消镜像下能达到180mm的超长量程测量。并使用135mm标准量块测试系统的性能,精度优于650nm。针对本文的系统编写的配套的C++软件,包括系统硬件的控制,数据的采集,本文提出的消镜像算法,GPU算法加速,测量界面,以及一种半自动的自动测量方法,实现了实时的测量。