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利用谱域干涉测距

发布:laserline阅读:1497时间:2018-10-24 19:51:52

频谱(Fourier)域干涉术(SDI)的关键价值在于它能够在干涉仪输出处将空间或时间数据编码到频谱中。SDI的应用广泛,包括光谱学,天文学和眼科学等医学研究,其中后者受益于称为光学相干断层扫描(OCT)的技术。所有技术的共同点是,频谱越宽,空间/时间分辨率越好,但对硬件色散效应的控制要求越高。将此信息从光域传输到电学有两种方式:采用宽带光源的基于光谱仪的干涉测量法和采用可调谐(扫描)源的基于光谱仪的干涉测量法,并通过光电探测器探测。这两种方法的特点是非线性地将光谱调制转换成电信号。这种非线性导致在调谐激光器时分别由光谱仪或光电检测器读出的电信号的不规则调制(啁啾)。这些非线性可以有两个来源:读出特性(光谱仪或扫描光源的调谐中的非线性)和干涉仪以及样品中的不均衡色散。除非补偿这种啁啾,在复杂的线性化过程之后,应用于与频谱成比例的电信号的快速傅里叶变换(FFT)导致更宽的反射率轮廓峰且同时减小反射率轮廓峰的幅度。这些过程中的缺陷在干涉仪臂之间的较大光程差(OPD)下变得更明显,并且随着所用光源的光谱带宽增加而更加明显。

图1 实验光谱及其相应FFT的示例。(a)和(b)为z1 =150μm和z2 =850μm收集的实验光谱用于校准目的。(c):(a)和(b)中所示光谱的FFT。

在基于光谱仪的SDI仪器中,光谱仪所采用的相机线性阵列上的光学频率的非线性分布通过使用棱镜,衍射光栅或使用非线性电子读数的硬件解决方案来校正。在基于扫频源的仪器中,调谐中的非线性是由于使用了特定的调谐元件。硬件解决方案包括使用k时钟。这需要单独的干涉仪和比光学相干断层扫描中的传感或成像仪器中的测量通道所需的更快的光电检测器。然而,特别是当用于超高分辨率(UHR)仪器时,这些解决方案使硬件复杂化,需要非常仔细的调整,引入损耗并且线性度未完全重建,因此软件解决方案是补偿这些非线性的最佳方法。要付出的代价是先进的重采样和线性化算法,这些算法需要增加的计算资源,包括使用图形处理单元(GPU)、现场可编程门阵列(FPGA)或光学计算。

图2 使用以下方法归一化轴向反射率:(a)CMS和(b)PCDC方法。

近日,英国肯特大学的研究人员测试了一种新引入的复杂主从(CMS)方法在SDI设备干涉仪输出处理光谱的性能,该方法不涉及数据采集后的傅立叶变换(FT)。将该方法与基于FFT的传统、广泛使用的方法进行了比较。由于FFT方法需要在等频率时隙中处理数据,因此设计了校正算法。Makita等人提出的方法在此进行了修改,称为带色散补偿的相位校准(PCDC),是OCT中用于线性化光谱的最广泛使用的技术之一,同样适用于距离的传感和测量。该方法基于干涉图相位信息消除记录在干涉图中的啁啾,然后对干涉仪中的不平衡色散进行重采样和校正。在推断出相位非线性之后,重新采样数据,然后进行快速傅里叶变换。为了避免由于使用FFT而产生的上述缺点,Podoleanu等人提出了主/从方法。该方法基于将原始获得的光谱与使用反射镜的实验测量光谱(实验掩模)进行比较,该反射镜放置在干涉仪中,以创建需要来自样品的信息的OPD值。该方法被进一步改进为复杂主从系统(CMS),其中从使用镜子的实验获得的光谱的减少数量中,理论上可以推断出任意数量的掩模。因为不执行FFT运算,所以其数据处理的过程发生根本变化。基于FFT的PCDC与基于掩模的CMS的区别在于,在FFT中,提供所有解析的轴向点,而CMS需要针对每个这样的点做相同的处理。这最初可能被视为缺点,但正是由于这个方面,使得CMS比PCDC方法更适合于某些应用。当只需要沿轴向范围的某些点时,CMS可以直接测量它们,而在使用PCDC时,计算将在包括不感兴趣的点上执行。 为了实验说明这两种方式的能力,使用了配备超连续谱源的基于UHR光谱仪的仪器。与传统的基于傅里叶变换(FT)的相位校准色散补偿(PCDC)的方法相比,CMS的可靠性和性能得到了提高。同时研究人员还证明了这两种方法在分辨率和灵敏度下降方面具有比拟的结果。产生CMS结果所需的数学运算是高度可并行化的,允许从干涉仪中不同光程差的几个点实时测量数据,这是PCDC无法实现的。相关内容以《Recovering distance information in spectral domain interferometry》为题,发表在《Scientific Reports》杂志上。

图3 使用PCDC和CMS计算的轴向分辨率。

来源: Scientific Reports

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