[发明专利]一种基于低相干干涉的光谱仪标定方法与系统

说明书

本发明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‑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；然后根据特征谱线的波长和位置可以计算两次测量光程差之差的精确值，即可从相位差的绝对值直接得到每个像素对应的波长，完成光谱仪的标定。本发明可一次性获得相机所有像素与波长的对应关系。同时，干涉信号相位的高灵敏度避免了传统的多特征谱线拟合方法的拟合误差，使得该方法可以实现光谱仪的宽谱、快速、高精度标定。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。本发明重点关注并只适用于色散光谱仪，因此本发明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。

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-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。

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。

一般来说，校准灯和可调谐激光器可用来标定像素-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-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-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-波长关系的拟合曲线存在误差，进而使得标定精度下降。

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。

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。

韩国高丽大学Ji-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。