采用高精度纳米位移台作为被测振动体目标,研究基于超小自聚焦(GRIN)光纤探头的扫频光学相干层析成像(SS-OCT)测振技术。解析基于超小GRIN光纤探头的集成化SS-OCT工作性能,理论上该系统可测振动的最大峰峰值达12.5 mm,最大频率达25 kHz。搭建相应的测振实验系统,并进行微小振动的测试及分析。结果显示,设置纳米位移台振动峰峰值范围1 nm~5 μm、频率范围1~200 Hz,该集成化SS-OCT测振系统可测出频率1 Hz、峰峰值6 nm及以上的微小振动。对振幅为25 nm、频率为10Hz的单频正弦振动信号,系统的重复性实验标准偏差为0.003。结果表明,基于超小GRIN光纤探头的集成化SS-OCT系统具有测量微小振动的可行性,为进一步研究其在微小振动和位移等精确测量领域的应用提供了实验基础。

生物测量在眼科疾病的诊断和治疗中越来越重要, 对儿童和青少年的眼轴长度进行监测有助于预防和治疗近视及其引发的眼科疾病, 眼轴参数的准确测量也是影响眼病患者术后视觉质量的重要因素。为了测量眼轴参数, 本文研究了基于时域低相干技术的眼轴测量方法, 研制了高精度、非接触式眼轴测量的原理样机, 并开展了相应的实验研究。利用低相干干涉技术与长相干干涉测距技术结合的方法, 采用时域的机械扫描方式, 搭建一套光纤型低相干层析测量系统。通过对标准透镜厚度和镜面间隔的测量实验, 重复测量精度优于0.3 μm。最后对鱼眼眼轴参数进行测量, 清晰得到鱼眼的角膜、晶状体和视网膜等结构。实验结果表明, 该系统的稳定性及重复性均能达到设计要求, 可以用于动物眼轴参数的测量。

基于透过式低相干光学干涉系统,提出了一种精密调节光程的方法,以测量透镜的中心厚度。利用一对楔形棱镜,将接近垂直于光轴方向的低精度直线移动转化为沿光轴方向的高精度直线移动,实现了高精度的光程调节。楔形棱镜的楔角角度决定了光程差的调节精度,楔角角度越小,光程差调节精度越高。使用5°30'的楔角棱镜组和精度为5 μm的直线移动装置,实现了光轴方向精度小于0.5 μm的移动调节,测量透镜中心厚度的精度在0.9 μm以内。所提方法提高了干涉条纹的对比度,可以测量各种类型透镜的中心厚度,也便于扩大测量厚度范围。

为测量透明容器内液体的折射率, 建立了基于容器内表面反射率测量的低相干技术实验系统。系统采用宽带低相干半导体激光光源和改进的迈克尔逊干涉仪, 将装有待测液体的容器放入测量臂光路中, 调节参考臂的光程, 使由容器前壁内表面反射光的光程与来自参考臂反射光的光程相等, 出现干涉现象。捕捉并记录下此干涉信号, 并从中求出容器前壁内表面反射光的强度, 再结合菲涅尔公式及反射率的定义, 即可求出待测液体的折射率, 其测量精度与阿贝折射仪相当。方法能够方便、快捷、准确地测出容器内液体的折射率, 可用于食品、生物医学检验等领域内液体浓度或折射率的实时非接触监测。

为检测透明容器内表面是否存在污染物, 建立了基于容器壁内表面反射的低相干光干涉测量系统。实验采用宽带低相干半导体激光光源和改进的迈克尔逊干涉仪。将测量臂光路对准透明容器, 并调节参考臂的光程, 使容器内表面反射光的光程与参考臂反射光的光程相等, 并出现干涉现象, 捕捉并记录此动态干涉信号。经 MATLAB软件处理并提取此信号, 根据干涉光强度的不同即可辨别透明容器内是否存在污染物。该检测法可为生物医学、食品质检等领域检测透明容器内表面污染物提供一种方便快捷的新方法。

为减小成像角膜曲率计沿光轴方向的对准误差, 提高角膜屈光度测量精度, 设计一种高精度成像角膜曲率计光学系统。光学系统包括成像系统和低相干干涉测量系统。成像系统由成像物镜、角膜和测量靶环构成, 其中成像物镜采用双远心光路设计; 低相干干涉测量系统采用光栅尺实现扫描反射镜的位移测量, 再通过低相干干涉信号对角膜顶点和测量靶环进行定位, 实现了对角膜顶点和测量靶环距离间的精确测量。成像物镜在最大空间频率为70 lp/mm处的调制传递函数大于0.4, 畸变小于0.05%。设计结果表明, 该系统结构紧凑, 成像质量好, 操作简单, 满足成像角膜曲率计对角膜屈光度的高精度测量需求。

在频域光学相干层析(SDOCT)系统中，样品仅在焦深范围内有高横向分辨率，在焦外分辨率降低。干涉合成孔径显微术(ISAM)是一种三维图像重构算法，可以改善离焦区的图像模糊状况，达到在所有成像深度中都可以获得焦平面处横向分辨率的效果，同时可以解决SDOCT中系统的横向分辨率和成像深度之间的矛盾。介绍了ISAM重构算法的原理和适用的范围，对比分析了传统SDOCT成像算法和经过ISAM重构算法处理的成像图像结果。将非均匀快速傅里叶变换引入ISAM算法，实验结果表明该方法极大地节省了运算时间，提升了实时成像高分辨率SDOCT系统的性能。

基于光纤低相干干涉技术的测厚原理, 提出了透镜中心厚度检测系统的结构设计; 分析了影响检测仪器检测精度的主要因素, 并分别从光路、电路设计及信号处理等方面, 提出了提高检测系统检测精度的方法; 同时将K-means聚类算法应用于多组干涉信号峰值识别和提取, 有效提高了系统测量的重复精度。所设计的系统具有结构简单、测量速度快等特点,测量精度优于1 μm。