一种基于折返扫描的表面微位移干涉测量系统及方法

本发明属于光学干涉测量，具体涉及一种基于折返扫描的表面微位移干涉测量系统及方法。

背景技术：

1、基于干涉测量方法的样品表面微位移检测在基于光学相干层析成像和非接触光声成像的生物医学无损检测、微纳结构表征、材料力学性能测试等场景有广泛且重要的应用。

2、对于基于干涉测量方法的样品表面微位移检测，限制其实际应用的一个关键因素是如何实现携带表面位移信息的信号光精确对准干涉光路。以基于干涉探测方案的非接触式光声成像为例，这种成像技术无需声耦合剂，可避免样品污染和损伤，在活体临床检测中具有重要应用价值。该方案的核心技术约束是：携带光声相位信息的样品表面反射光必须沿入射光路严格共轴返回干涉仪，反射光若偏离共轴会导致干涉条纹对比度下降，偏离过大则会导致信号完全丢失。因此，现有的基于干涉探测方案的非接触式光声成像普遍采用位移台控制样品平移，探测光束以不动的方式进行二维扫描，平均的单点采集时间达到秒级，完成一幅512*512像素的成像数据采集需要1~10分钟，严重限制了成像速度。

3、基于二维振镜或单一旋转多面镜（已被用于基于超声换能器的接触式光声成像中）的扫描方法虽然可以实现高速大视场扫描，文献报道的扫描速率可达477.5 hz。但是，二维振镜或单一旋转多面镜产生的扇形分布的扫描光束会在边缘视场引起严重的几何畸变。同时，由于扫描过程中，照射在被测量/成像物体表面的光束的偏折角度始终在变化，导致95%以上的扫描时间内的反射光无法沿原路共轴返回干涉仪，相应的信号完全丢失。田明月等人改进并构建了基于旋转多面镜的高速光束扫描方法，提高了扫描光束之间的平行度。但仍未解决如何在动态扫描过程中实现反射探测光的高效共轴收集与偏振分离、以及如何实现高速干涉测量或成像等核心技术问题。

4、总之，目前尚无可实现高速无畸变扫描干涉测量或成像的方法。

技术实现思路

1、针对现有基于干涉测量方法的样品表面微位移检测中，高检测速度和高干涉对比度无法兼得的问题，以及已有的折返扫描技术未与干涉测量系统有机结合的问题，本发明提供了一种基于折返扫描的表面微位移干涉测量系统及方法。

2、为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

3、一种基于折返扫描的表面微位移干涉测量系统，所述系统包括探测光源，干涉探测模块，扫描与畸变校正模块，信号处理模块；

4、所述探测光源，用于提供连续波单频线偏振探测光束；

5、所述干涉探测模块包括分束单元、偏振调控单元、干涉合束单元和平衡探测单元；

6、所述分束单元为分束器，用于将探测光源分为样品臂光束与参考臂光束；所述分束器的分束比可根据样品表面反射率优化；

7、所述偏振调控单元包括半波片、偏振分光棱镜、四分之一波片，用于将入射至样品的探测光偏振态进行转换，并利用偏振态的正交转换实现反射探测光与入射探测光路的空间分离；

8、所述干涉合束单元为分束比为50/50的分束器或者90度光混频器，用于使参考臂光束与反射探测光发生干涉；

9、所述平衡探测单元包括第一光电探测器、第二光电探测器和一个减法器；所述平衡探测单元设置于干涉合束单元的输出端，用于接收干涉光信号并进行差分放大处理，抑制探测光源的共模强度噪声；

10、所述扫描与畸变校正模块包括平行折返镜和旋转多面镜，所述平行折返镜的棱线或中心对称轴与旋转多面镜的旋转轴相互平行设置；

11、所述扫描与畸变校正模块设置于偏振调控单元与样品之间的样品臂光束的光路上；样品臂光束入射至旋转多面镜的某一反射面，经所述反射面反射后形成偏转光束，所述偏转光束入射至平行折返镜，经所述平行折返镜光路折返后再次入射至旋转多面镜的同一反射面，经过上述多次反射后，从扫描与畸变校正模块出射的光束随时间一维平移并照射在待测样品表面，出射光束的光线在平移过程中始终保持相互平行；携带样品表面微位移信息的反射探测光沿上述光路逆向共轴返回，经偏振调控单元实现与入射探测光路的空间分离后进入所述干涉合束单元；

12、信号处理模块包括电子学放大器、高通滤波器和数据采集卡，与所述干涉探测模块连接，用于根据干涉信号获取样品表面的微位移信息。

13、所述干涉探测模块的参考臂光束的光路中设置有带有压电陶瓷pzt的反射镜，用于通过pid反馈控制调节参考臂光束与样品臂光束的光程差，以维持系统处于干涉正交工作点。

14、所述偏振调控单元沿光路依次设置的半波片、偏振分光棱镜和四分之一波片；所述半波片用于调节入射的样品臂光束的偏振方向，使样品臂光束以p偏振态穿过偏振分光棱镜；所述四分之一波片的快轴与偏振分光棱镜的透射振动方向成45°角，将p偏振光转化为圆偏振光；所述圆偏振光经待测样品表面反射后偏振旋向发生反转，携带样品表面微位移信息的反射圆偏振光再次穿过四分之一波片后，被正交转换为s偏振态，被偏振分光棱镜反射析出，实现与入射光路的空间分离。

15、所述扫描与畸变校正模块包括旋转多面镜和平行折返镜，所述平行折返镜为直角中空反射镜、直角边镀高反膜的直角棱镜、一对正交放置的五角棱镜、两侧斜边镀高反膜的道威棱镜、以及中空回射器（角隅反射器）中的任意一种；

16、所述旋转多面镜为固定在转台或马达上的n面镜，其中，n≥6；旋转多面镜的每个反射面镀有对应探测光源波长的高反膜；所述平行折返镜的每个反射面镀有对应探测光源波长的高反膜。

17、设定所述旋转多面镜的内切圆半径为r，所述平行折返镜的棱边或中心对称轴到所述旋转多面镜旋转中心的垂直距离为y0，所述旋转多面镜与平行折返镜二者的尺寸与空间位置参数满足以下关系：0.1≤r/y0≤0.85。。

18、当系统应用于宽场非接触光声成像场景下时，所述系统还包括：

19、激励光源，用于输出波长与探测光束不同的脉冲激励光束；

20、合束模块为双色合束镜、空间布拉格光栅、闪耀光栅中的任意一种，设置于所述偏振调控单元与所述扫描与畸变校正模块之间，用于将所述样品臂光束与所述脉冲激励光束进行同轴合束，形成共轴双波长光束入射至所述扫描与畸变校正模块；

21、同步控制模块，分别与旋转多面镜的转台驱动装置或马达电机、所述激励光源的电流源以及信号处理模块建立通讯连接。

22、所述同步控制模块根据旋转多面镜的角度编码器信号，在每个反射面的扫描有效区间内触发脉冲激励光源发射脉冲光束，并同步触发信号处理模块采集干涉信号，实现扫描位置与光声激发时刻的同步。

23、所述扫描与畸变校正模块同时对探测光束和激励光束进行平行位移扫描，保证两光束在样品表面的扫描位置始终重合。

24、一种基于折返扫描的表面微位移干涉测量方法，所述方法包括以下步骤：

25、s1：探测光源发出连续单频线偏振探测光束，经分束单元分为参考臂光束与样品臂光束；

26、s2：所述样品臂光束经偏振调控单元将其偏振态转换为圆偏振光后，样品臂光束入射至旋转多面镜的某一反射面并产生角度偏转，偏转后的光束入射至平行折返镜，经平行折返镜内反射后再次入射至旋转多面镜的同一反射面，经过四次反射后，出射光束随时间一维平移并照射在待测样品表面；

27、s3：将携带样品表面微位移信息的反射探测光沿s2中所述光路逆向共轴返回，经偏振调控单元利用偏振态的正交转换，实现反射探测光与入射探测光路的空间分离；

28、s4：空间分离后的反射探测光与参考臂光束汇合并发生干涉，对干涉信号进行光电转换与解调处理，获取样品表面的微位移信息。

29、当系统应用于宽场非接触光声成像场景下时，所述测量方法包括以下步骤：

30、s1：探测光源发出连续单频线偏振探测光束，经分束单元分为参考臂光束与样品臂光束；同时，激励光源输出波长与探测光束不同的脉冲激励光束。

31、s2：所述样品臂光束经偏振调控单元将偏振态转换为圆偏振光后，传输至合束模块，与所述脉冲激励光束进行同轴合束，形成共轴双波长光束。

32、s3：共轴双波长光束进入扫描与畸变校正模块，同步控制模块根据多面镜角度编码器信号触发脉冲激励光源发射，出射的平行位移共轴双波长光束照射在待测样品表面；脉冲激励光束激发样品产生光声信号并引发表面微小位移。

33、s4：携带样品表面光声位移信息的反射探测光沿原光路逆向共轴返回，经偏振调控单元利用圆偏振到s偏振态的累加正交转换，实现反射探测光与入射光路的空间分离。

34、s5：分离后的反射探测光与参考臂光束汇合并发生干涉，信号处理模块在同步控制模块的触发下采集干涉信号，通过差分放大与解调处理获取光声相位信息，进而重建待测样品的光声图像。

35、与现有技术相比本发明具有以下优点：

36、1.实现高速无畸变的平行扫描，确保干涉信号严格共轴返回。针对现有技术在动态扫描中探测光易偏离共轴而导致信号丢失的痛点，本发明创新性地引入由旋转多面镜与平行折返镜构成的扫描与畸变校正模块。利用多次反射的几何转换，将多面镜带来的角度偏转彻底转化为无偏折的一维线性平移，从物理底层保证了反射探测光能够100%沿原路逆向共轴返回干涉仪，在实现高速大视场扫描的同时，完美消除了边缘视场的几何畸变。

37、2.构建高效偏振分离与闭环降噪架构，显著提升检测对比度与系统稳定性。系统通过巧妙配置半波片、偏振分光棱镜和四分之一波片，利用偏振态的累加正交转换，实现了反射探测光与入射光的高效、无损空间分离。同时，干涉探测模块结合平衡探测差分放大技术有效抑制共模噪声，并利用引入压电陶瓷的pid反馈控制实时微调参考臂光程差，确保系统在动态扫描全过程中始终稳定在干涉正交工作点，从而获取极高信噪比与精度的微位移信息。

38、3.实现双波长光束的高精度时空同步，满足宽场非接触光声成像需求。针对光声成像的特殊应用场景，本发明通过合束模块将脉冲激励光束与连续探测光束严格同轴，确保两光束在平行位移扫描时在样品表面的物理位置始终精确重合。配合同步控制模块，基于旋转多面镜的角度编码信号触发脉冲发射与干涉信号采集，实现了空间扫描位置与光声激发时刻的纳秒级同步，突破了传统非接触式光声成像的速度与视场瓶颈。