一種基于白光干涉測試系統的中心波長誤差補償方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種基于白光干涉測試系統的中心波長誤差補償方法，屬于光纖端面 測量儀技術領域。
【背景技術】
[0002] 光纖端面測量儀是基于白光干涉的原理，利用相位移動從而實現光纖端面干涉條 紋的變化。光纖端面測試儀可以非接觸的精確、快速的測量光纖表面形貌。作為光信號的傳 輸介質，光纖端面形態直接影響光信號在光纖中的傳輸性能，因此光纖端面測量對端面形 態的測量在光纖傳感和傳輸中至關重要。由于光纖端面測量儀能夠滿足光纖在生產、應用 過程中在線測試需求，因此能夠廣泛應用于大功率激光器、軍用光電子器件、光纖電流傳感 器等尚精尖科技領域。
[0003] 光纖端面測量儀在干涉測量的過程中，通過相移器來改變參考光束和測試光束之 間的光程差，同時采集若干幅干涉圖，然后對干涉圖進行求解得到光纖端面的高度。在采用 白光相移干涉法對相干峰進行解調時，由于光源的中心波長存在標定誤差而影響計算精 度，因此設計一種在線實時補償光源中心波長誤差，精度高，速度快的白光干涉算法尤為重 要。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是為了解決上述問題，提出一種基于白光干涉測試系統的中心波長 誤差補償方法，可以用于光纖端面測量系統中減小中心波長標定誤差，抗干擾，速度快，對 相移器的線性誤差不敏感。
[0005] 種基于白光干涉測試系統的中心波長誤差補償方法，包括以下幾個步驟：
[0006] 第一步，標定壓電陶瓷馬達步距；
[0007] 第二步，以標定好的步距在線實時標定白光光源的中心波長；
[0008] 第三步，基于Carr6相移算法利用提取到的波長解算相對高度；
[0009] 本發明的優點在于：
[0010] 本發明在解算光纖端面高度值時，可以通過單刻線樣塊標定步距，實時標定計算 光源中心波長，具有減小由于環境擾動帶來的中心波長標定誤差，抗干擾，速度快，對相移 器的線性誤差不敏感等優點。
【附圖說明】
[0011] 圖1為光纖端面測量系統原理圖；
[0012] 圖2為白光干涉光強與光程差的關系圖；
[0013] 圖3為單刻線樣塊實物圖；
[0014]圖4為實測高度為663nm的標準樣塊干涉圖；
[0015]圖5為本發明的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
[0017] 如圖1所示的是光纖端面測量系統的原理示意圖，光源經過聚光鏡，孔徑光闌，準 直擴束鏡到達分光棱鏡，其中一部分光會到達被測光纖端面，另一部分到達參考鏡，反射后 同時到達顯微物鏡，最后到達CCD成像。發生干涉時，各波長光產生的干涉條紋疊加后形成 白光干涉條紋，如圖2所示。壓電陶瓷(PZT)相移器帶動標準面移動時，干涉條紋會發生變 化。
[0018]光纖端面測量系統測量三維形貌，是根據所采集的干涉條紋圖像的光強值，得到 物體表面的相對高度值，其關鍵在于準確的找到零光程差的位置即光強值最大的相干峰的 位置。白光干涉光強與光程差有如圖2所示的關系，光程差為0時，光強達到最大值。
[0019] 當采用單刻線樣塊標定步距時，對同一行刻線內的點以及刻線外的點分別提取其 光強極值對應的圖像幀數，通過刻線高度即可得出壓電陶瓷馬達的實際步距。
[0020] 通過波長與相位之間的關系，以標定好的步距在線實時計算中心波長。
[0021] 基于上述的光纖端面測量系統，以及光程差與光強的關系，本發明的一種基于白 光干涉測試系統的中心波長誤差補償方法，流程如圖5所示，包括以下幾個步驟：
[0022] 第一步，標定壓電陶瓷馬達步距；
[0023]首先，通過單刻線標準樣塊標定壓電陶瓷馬達的步距，單刻線標準樣塊如圖3所 示，圖4為實際采集到的干涉條紋，圖4更直觀的說明刻線處的干涉條紋與非刻線處的干涉 條紋有錯動，因此可以在已知刻線深度Η的時候，通過干涉條紋的移動來標定壓電陶瓷馬達 的步距。本發明采用的方法為對同一行刻線內的點以及刻線外的點分別提取其光強極值對
應的圖像幀數，分別為見，他，刻線深度為Η，則實際步距d可以
[0024] 第二步，以標定好的步距在線實時標定白光光源的中心波長；
[0025] 在對被測物進行掃描時，可以提取到零級條紋所包含的圖片幀數P，由下式實時計 算出中心波長乂：
[0026] λ ^ 2P X d
[0027] 第三步，基于Carrg相移算法利用提取到的波長解算相對高度；
[0028] 由兩束光振動合成的光的強度值：
[0030]式中：13表不由光纖表面反射的光的光強值，lb表不由參考鏡反射的光的光強值，I 表示合成的光的強度值，⑦表示光源經過分光鏡到達被測物的反射后的光與光源經過分光 鏡到達參考經反射后的光的位相差，所以
[0034]其中，ImaxS光強極大值，Imin為光強極小值，γ為干涉條紋對比度。
[0035] 令Io=Ia+Ib，則可以得到：
[0036] I - /0(1 + γ cos φ)
[0037] 當光程差為零時，即於為零時，光強度為峰值。在實際測量中由于采樣精度等問 題，提取到的極大值與零光程差還存在一個的Φ相位提取誤差，因此需要求解Φ并對其進 行修正;在測量過程中，ΡΖΤ帶動參考鏡進行準確的線性移動。壓電陶瓷步距設為d，則兩相 鄰圖像之間的相位變化
，由于壓電陶瓷線性誤差ε的存在，相位變化記為：
[0039] 其中，Δ識為相位變化值
[0040]基于Carr6相移算法對提取到的光強極大值進行相位修正，其基本原理如下：
[0042] 其中：1^為背景光強值，1-3、1-1、11、13分別為相對于所定位的零級條紋光強值前3 幀、前1幀、后1幀、后3幀對應的光強值。
[0043] 解得
[0045] 由上式可知，相位的提取與壓電陶瓷的線性誤差ε無關。
[0046] 通過對相位的解算，利用在線實時標定的中心波長?可求得被測物的相對高度：
[0048]其中，h為相對高度，Ν為光強極大值對應的圖片幀數。
【主權項】
1. 一種基于白光干涉測試系統的中心波長誤差補償方法，包括以下幾個步驟： 第一步，標定壓電陶瓷馬達步距； 首先，通過單刻線標準樣塊標定壓電陶瓷馬達的步距，壓電陶瓷馬達的步距為：其中，他、N2為對同一行刻線內的點以及刻線外的點分別提取其光強極值對應的圖像幀 數，Η為刻線深度； 第二步，以標定好的步距在線實時標定白光光源的中心波長； 在對被測物進行掃描時，提取到零級條紋所包含的圖片幀數Ρ，實時計算中心波長?:第三步，基于Carrg相移算法利用提取到的波長解算相對高度； 獲取兩束光振動合成的光的強度值：式中：13表不由光纖表面反射的光的光強值，lb表不由參考鏡反射的光的光強值，I表不 合成的光的強度值，P表示經過分光鏡到達被測物的反射后的光與經過分光鏡到達參考經 反射后的光的位相差，設：其中，ImaxS光強極大值，Imin為光強極小值，γ為干涉條紋對比度； 令I〇=Ia+Ib，得到：當光程差為零時，即P為零時，光強度為峰值； 對相位提取誤差Φ，進行修正，壓電陶瓷步距為d，兩相鄰圖像之間的相位變化為 Aft ?/ :，則相位變化為： Λ其中，Δρ為相位變化值，ε表示壓電陶瓷線性誤差； 基于Carre相移算法對提取到的光強極大值進行相位修正，其基本原理如下：其中：1^為背景光強值，1-3、1-1、11、13分別為相對于所定位的零級條紋光強值前3幀、前 1幀、后1幀、后3幀對應的光強值； 解得通過對相位的解算，得到被測物的相對高度：其中，h為相對高度，N為光強極大值對應的圖片幀數。
【專利摘要】本發明公開了一種基于白光干涉測試系統的中心波長誤差補償方法，屬于光纖端面測量儀技術領域。所述的解算方法首先通過相移器來改變參考光束和測試光束之間的光程差，同時采集若干幅干涉圖，然后對干涉圖進行求解得到光纖端面的高度。基于Carré相移算法對提取到的光強極大值進行相位修正，由于光源的中心波長存在標定誤差而影響計算精度，因此首先使用單刻線標準樣塊校準壓電陶瓷步距，通過校對后的步距對波長進行在線的標定。可以減小由于光源特性及環境擾動所帶來的誤差，提高計算精度。
【IPC分類】G01M11/00
【公開號】CN105606338
【申請號】CN201610034498
【發明人】李慧鵬, 譚朦曦, 鄭曉, 宋凝芳, 高爽, 李皎
【申請人】北京航空航天大學
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2016年1月19日