一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法，首先搭建偏振式迈克尔逊干涉测量系统，其旋转光学延迟系统包括旋转棱体、旋转位移台，旋转棱体旋转位移台驱动其绕中轴水平转动；旋转位移台以旋转间隔β驱动旋转棱体旋转，并在旋转棱体单个棱面的角度变化过程中采集CCD相机中对应的干涉条纹图像；基于干涉条纹图像获得旋转光学延迟系统中旋转棱体单个棱面旋转角度的实际延迟时间；利用最小二乘法拟合旋转棱体的旋转角度与实际延迟时间的关系；基于最小二乘法拟合关系，建立旋转光学延迟系统中旋转棱体延迟时间与旋转位移台角度的灵敏度关系，实现对旋转光学延迟系统延迟时间非线性的校准和旋转光学延迟系统编码器的选型。器的选型。器的选型。

【技术实现步骤摘要】
一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法


[0001]本专利技术涉及光学延迟系统延迟时间非线性校准方法，尤其适用于太赫兹时域光谱、光学相干层析成像、超快时间分辨率光谱和泵浦
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探测等光学探测系统中对延迟线加工及安装精度要求高的非线性快速旋转光学延迟系统。

技术介绍

[0002]光学延迟系统作为一种能够改变光学探测系统中参考光及探测光相对延迟时间的系统，在太赫兹时域光谱、光学相干层析成像、超快时间分辨率光谱和泵浦
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探测等技术中有着广泛的应用，同时也是影响采集信号准确性、信噪比以及频谱分辨率的关键子系统。
[0003]快速光学延迟系统由电机驱动多个反射镜、非平面全反射镜或旋转立方体等反射结构旋转产生周期性变化光程，典型的快速光学延迟系统有渐开线型旋转光学延迟系统、螺旋面旋转光学延迟系统、多面棱体旋转光学延迟系统等。快速光学延迟系统能够实现光学探测系统的快速扫描，最高扫描频率可超过1kHz，但受表面形状的限制，快速光学延迟系统延迟时间的线性度差。光学延迟系统延迟时间的非线性程度直接影响光学探测系统采样信号的准确性和一致性，非线性的延迟时间引起探测光脉冲光程产生非线性变化，进而导致采样信号也呈现非线性。系统采样信号的非线性越大，采集得到的信号失真情况越严重，后续数据处理的难度越大。为实现光学探测系统的高精度测量，急需对快速光学延迟系统系统设计、实际加工及安装精度低带来的延迟时间非线性进行校准。
[0004]目前光学探测系统的信号误差研究，多集中于后期数据处理阶段采用算法校正采集信号的延迟时间误差。但对于快速光学延迟系统，反射体实际加工过程中存在反射体平行度误差、反射体反射面的平整度误差和反射体的位置度误差，以及安装过程中存在横向偏心误差和纵向偏心误差，这些误差将导致采样信号产生更复杂的失真，因此需要对加工及安装后的旋转光学延迟系统实际延迟时间非线性进行校准。文献[DOI:10.1364/OE.25.007547]搭建了与太赫兹时域光谱系统同轴光路的马赫
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曾德干涉仪，可直接获得线性延迟线下太赫兹波形的光学延迟时间。但由于该干涉仪与太赫兹时域光谱系统光路使用同一分光棱镜，这不仅要求太赫兹时域光谱系统必须为空间光路且与干涉仪波长相近，更增加了干涉仪光路结构的复杂程度，使得光路调节难度大幅度增加。因此需要一种更为灵活简单，便于调节的干涉仪系统对旋转延迟线的延迟时间进行标定。
[0005]因此，亟需一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法，降低旋转光学延迟系统实际加工和安装精度低对系统非线性影响。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提供一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法，降低快速光学延迟系统由于实际加工及安装精度低造成的延迟时间非线性对信号采集的影响，可适用于不同种类快速光学延迟系统的校准。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一、搭建偏振式迈克尔逊干涉测量系统：偏振式迈克尔逊干涉测量系统包括光源系统、分光系统、参考臂系统、测量臂系统、干涉系统，所述测量臂系统包括旋转光学延迟系统，旋转光学延迟系统包括旋转棱体、旋转位移台，旋转棱体同轴固定在旋转位移台上且由旋转位移台驱动其绕中轴水平转动；所述光源系统出射的激光光束L1到达分光系统后由偏振分光棱镜分成参考臂光束L2和测量臂光束L3；参考臂光束L2进入参考臂系统反射后回到偏振分光棱镜；测量臂光束L3进入测量臂系统，到达旋转光学延迟系统中的旋转棱体，由旋转棱体的棱面进行反射，最后再经一次反射后原路返回到偏振分光棱镜；参考臂系统返回的参考臂光束L2和测量臂系统返回的测量臂光束L3在偏振分光棱镜的折反射后进行汇合为干涉光束L4，干涉光束L4进入到干涉系统，在干涉系统的CCD相机上获得干涉条纹；
[0010]步骤二、旋转位移台以旋转间隔β驱动旋转棱体旋转，并在旋转棱体单个棱面的角度变化过程中采集CCD相机中对应的干涉条纹图像；
[0011]步骤三、对所述步骤二采集的干涉条纹图像进行处理，获得所述旋转光学延迟系统中旋转棱体单个棱面旋转角度的实际延迟时间；
[0012]步骤四、利用最小二乘法拟合所述旋转光学延迟系统中旋转棱体的旋转角度γ
i
与实际延迟时间t
i
的关系：重复步骤二至步骤三若干次，将旋转棱体单个棱面旋转角度γ
i
在让按此次重复测量下获得的延迟时间平均值作为该棱面实际延迟t
i
，并利用最小二乘法对旋转棱体单个棱面的旋转角度γ
i
和实际延迟时间t
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的关系进行拟合；对旋转棱体中的所有棱面重复上述步骤，获得旋转棱体每个棱面的旋转角度和实际延迟时间的最小二乘法拟合关系；
[0013]步骤五、基于步骤四的最小二乘法拟合关系，建立旋转光学延迟系统中旋转棱体延迟时间与旋转位移台角度的灵敏度关系，实现对旋转光学延迟系统延迟时间非线性的校准和旋转光学延迟系统编码器的选型。
[0014]优选的，所述偏振式迈克尔逊干涉测量系统的光源系统包括沿光轴方向依次设置的氦氖激光器、透镜、起偏器；参考臂系统包括沿光轴方向设置的1/4波片和平面反射镜；测量臂系统包括沿光轴方向设置的1/4波片和旋转光学延迟系统，旋转光学延迟系统包含透镜、固定平面反射镜、旋转棱体、旋转位移台，透镜及固定平面反射镜沿旋转棱体反射光路依次设置；干涉系统包括沿光轴方向设置的检偏器和CCD相机；由氦氖激光器出射的激光光束L1，经透镜和起偏器对激光进行扩束后转成偏振光；偏振光到达分光系统后由偏振分光棱镜分成参考臂光束L2和测量臂光束L3；参考臂光束L2进入参考臂系统，依次经1/4波片和平面反射镜后回到分光系统的偏振分光棱镜；测量臂光束L3进入测量臂系统，经1/4波片后到达旋转光学延迟系统中的旋转棱体，由旋转棱体的棱面反射到透镜，最后由固定反射镜原路返回到分光系统的偏振分光棱镜；调节参考臂系统中平面反射镜的角度和位置，使得参考臂系统返回的参考臂光束L2和测量臂系统返回的测量臂光束L3在偏振分光棱镜的折反射后进行汇合为干涉光束L4，干涉光束L4进入到干涉系统，经由检偏器最后到达CCD相机，并在CCD相机上获得干涉条纹。
[0015]优选的，所述氦氖激光器使用波长632.8nm的氦氖激光器。
[0016]进一步地，所述步骤二具体包括：
[0017]2.1)调节参考臂系统、测量臂系统、干涉系统光轴方向以及CCD相机位置，直至干
涉条纹位于CCD相机中心区域；
[0018]2.2)以旋转角度间隔β微调旋转位移台，驱动旋转棱体旋转；通过CCD相机持续采集旋转棱体角度变化过程中，对应干涉条纹的变化图像；
[0019]2.3)旋转位移台持续以旋转角度间隔β驱动旋转棱体旋转，直至旋转棱体转过其单个棱面的工作角度；CCD相机记录下：旋转位移台以旋转角度间隔β转动时，旋转棱体单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、搭建偏振式迈克尔逊干涉测量系统：偏振式迈克尔逊干涉测量系统包括光源系统、分光系统、参考臂系统、测量臂系统、干涉系统，所述测量臂系统包括旋转光学延迟系统，旋转光学延迟系统包括旋转棱体、旋转位移台，旋转棱体同轴固定在旋转位移台上且由旋转位移台驱动其绕中轴水平转动；所述光源系统出射的激光光束L1到达分光系统后由偏振分光棱镜分成参考臂光束L2和测量臂光束L3；参考臂光束L2进入参考臂系统反射后回到偏振分光棱镜；测量臂光束L3进入测量臂系统，到达旋转光学延迟系统中的旋转棱体，由旋转棱体的棱面进行反射，最后再经一次反射后原路返回到偏振分光棱镜；参考臂系统返回的参考臂光束L2和测量臂系统返回的测量臂光束L3在偏振分光棱镜的折反射后进行汇合为干涉光束L4，干涉光束L4进入到干涉系统，在干涉系统的CCD相机上获得干涉条纹；步骤二、旋转位移台以旋转间隔β驱动旋转棱体旋转，并在旋转棱体单个棱面的角度变化过程中采集CCD相机中对应的干涉条纹图像；步骤三、对所述步骤二采集的干涉条纹图像进行处理，获得所述旋转光学延迟系统中旋转棱体单个棱面旋转角度的实际延迟时间；步骤四、利用最小二乘法拟合所述旋转光学延迟系统中旋转棱体的旋转角度γ
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与实际延迟时间t
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的关系：重复步骤二至步骤三若干次，将旋转棱体单个棱面旋转角度γ
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在让按此次重复测量下获得的延迟时间平均值作为该棱面实际延迟t
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，并利用最小二乘法对旋转棱体单个棱面的旋转角度γ
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和实际延迟时间t
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的关系进行拟合；对旋转棱体中的所有棱面重复上述步骤，获得旋转棱体每个棱面的旋转角度和实际延迟时间的最小二乘法拟合关系；步骤五、基于步骤四的最小二乘法拟合关系，建立旋转光学延迟系统中旋转棱体延迟时间与旋转位移台角度的灵敏度关系，实现对旋转光学延迟系统延迟时间非线性的校准和旋转光学延迟系统编码器的选型。2.如权利要求1所述的一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法，其特征在于，所述偏振式迈克尔逊干涉测量系统的光源系统包括沿光轴方向依次设置的氦氖激光器、透镜、起偏器；参考臂系统包括沿光轴方向设置的1/4波片和平面反射镜；测量臂系统包括沿光轴方向设置的1/4波片和旋转光学延迟系统，旋转光学延迟系统包含透镜、固定平面反射镜、旋转棱体、旋转位移台，透镜及固定平面反射镜沿旋转棱体反射光路依次设置；干涉系统包括沿光轴方向设置的检偏器和CCD相机；由氦氖激光器出射的激光光束L1，经透镜和起偏器对激光进行扩束后转成偏振光；偏振光到达分光系统后由偏振分光棱镜分成参考臂光束L2和测量臂光束L3；参考臂光束L2进入参考臂系统，依次经1/4波片和平面反射镜后回到分光系统的偏振分光棱镜；测量臂光束L3进入测量臂系统，经1/4波片后到达旋转光学延迟系统中的旋转棱体，由旋转棱体的棱面反射到透镜，最后由固定反射镜原路返回到分光系统的偏振分光棱镜；调节参考臂系统中平面反射镜的角度和位置，使得参考臂系统返回的参考臂光束L2和测量臂系统返回的测量臂光束L3在偏振分光棱镜的折反射后进行汇合为干涉光束L4，干涉光束L4进入到干涉系统，经由检偏器最后到达CCD相机，并在CCD相机上获得干涉条纹。3.如权利要求2所述的一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法，其特征在于，所述氦氖激光器使用波长632.8nm的氦氖激光器。
4.如权利要求1所述的一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：2.1)调节参考臂系统、测量臂系统、干涉系统光轴方向以及CCD相机位置，直至干涉条纹位于CCD相机中心区域；2.2)以旋转角度间隔β微调旋转位移台，驱动旋转棱体旋转；通过CCD相机持续采集旋转棱体角度变化过程中，对应干涉条纹的变化图像；2.3)旋转位移台持续以旋转角度间隔β驱动旋转棱体旋转，直至旋转棱体转过其单个棱面的工作角度；CCD相机记录下：旋转位移台以旋转角度间隔β转动时，旋转棱体单个棱面工作角度下旋转i次的干涉条纹图像，其中i为旋转位移台以旋转角度间隔β旋转的次数。5.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛竣文，李丽娟，祝莉莉，任姣姣，张丹丹，顾健，梁嵬，张霁旸，陈奇，牟达，孔诗媛，
申请(专利权)人：长春理工大学中山研究院成都神龙爵光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：