Chinese Journal of Nature Vol.45 No.3 REVIEW ARTICLE 读干涉条纹来测量被测面形或波像差，测量结 光学相干层析系统可分为时域相干层析系统和 果不可避免地受到人为因素影响，其精度仅为 频域相干层析系统，而频域相干层析系统又可 /104。此后为提升测量精度，照相记录方式被 按照光源种类分为扫频相干层析系统和光谱域 用于定位干涉条纹图的目标位置，测量精度可 相干层析系统。光学相干层析技术通过与其他 以达到1/30~1/2011。随着移相干涉技术问世， 多种技术融合，有力扩展了应用领域，形成偏 通过对干涉场进行主动调制可产生若干帧的移 振光学相干层析、多普勒光学相干层析和光谱 相干涉图，进而恢复待测物理量，测量精度提 相干层析技术2。对时域相干层析系统而言， 高至/100甚至更高，可实现纳米至亚纳米级的 宽带光源经分光镜后被分为两束相干光，并经 测量精度11。因此，基于移相方式的光学干涉 参考镜和被测样品散射后发生干涉。每个时刻 测量技术得以广泛应用。 光电传感器采集的干涉信号仅映射被测样品一 本文首先介绍了目前几种主要光学检测技 个点的三维信息，为实现三维成像需要借助扫 术的研究现状，包括光学相干层析测量技术、光 描机构对样品进行三维扫描21-2。美国MT大学 谱共聚焦测量技术、白光干涉测量技术、移相干 Fujimoto小组提出快速扫描光学延迟线技术，该 涉测量技术、椭圆偏振测量技术和结合深度学习 技术因具有高重复率、高线性的特点成为时域 的光学测量技术：其次，重点介绍了波长移相干 相干层析系统的主要扫描方式21。针对时域相 涉测量相位解调算法研究，分析了时域傅里叶变 干层析技术难以满足实时大深度成像要求的情 换算法、空域傅里叶变换算法、非均匀傅里叶变 况，Fercher等2提出频域相千层析技术，参考 换算法、加权多步算法及最小二乘迭代相位求解 光路和样品光耦合后的干涉信号由光谱仪接收， 算法的性能：最后，总结了超精密光学元件检测 利用光谱干涉成像原理，依靠傅里叶变换可实现 技术的发展趋势。 光程与波长在空间分布的等价变换。频域相干层 析通过光谱仪实现在单次测量情况下即可得到整 1超精密光学元件检测现状概述 个深度方向上的光强分布信息，避免了对样品进 1.1光学相干层析测量技术 行三维扫描，提高成像速度。频域相干层析系统 光学相干层析技术又称为光学相干断层扫 如图1(a)所示。图1(b)为上海昊量光电设备有限 描技术，是一种低相干干涉测量成像技术，通过 公司生产的DQ Path Scope便携式光学相干层析 检测样品内部不同深度对入射光的背向反射或 系统，其纵向可测深度达2.5mm。 散射信号，获得样品的二维或三维待测信息。 (a)1300nm光源 平面反射镜 (b) 光纤耦合器 参考臂 线阵CCD相机 透镜 (-Y扫描振镜 栅 透镜 图1光学相干层析技术四：(a)频域相干层析原理：(b)上海吴量光电OQ Path Scope光学相干层析系统 158158 Chinese Journal of Nature Vol. 45 No. 3 REVIEW ARTICLE 读干渉条纹来测量被测面形或波像差，测量结 果不可避免地受到人为因素影响，其精度仅为 λ/10[14]。此后为提升测量精度，照相记录方式被 用于定位干涉条纹图的目标位置，测量精度可 以达到λ/30~λ/20[15]。随着移相干涉技术问世， 通过对干涉场进行主动调制可产生若干帧的移 相干涉图，进而恢复待测物理量，测量精度提 高至λ/100甚至更高，可实现纳米至亚纳米级的 测量精度[16-18]。因此，基于移相方式的光学干涉 测量技术得以广泛应用。 本文首先介绍了目前几种主要光学检测技 术的研究现状，包括光学相干层析测量技术、光 谱共聚焦测量技术、白光干涉测量技术、移相干 涉测量技术、椭圆偏振测量技术和结合深度学习 的光学测量技术；其次，重点介绍了波长移相干 涉测量相位解调算法研究，分析了时域傅里叶变 换算法、空域傅里叶变换算法、非均匀傅里叶变 换算法、加权多步算法及最小二乘迭代相位求解 算法的性能；最后，总结了超精密光学元件检测 技术的发展趋势。 1 超精密光学元件检测现状概述 1.1 光学相干层析测量技术 光学相干层析技术又称为光学相干断层扫 描技术，是一种低相干干涉测量成像技术，通过 检测样品内部不同深度对入射光的背向反射或 散射信号，获得样品的二维或三维待测信息[19]。 光学相干层析系统可分为时域相干层析系统和 频域相干层析系统，而频域相干层析系统又可 按照光源种类分为扫频相干层析系统和光谱域 相干层析系统。光学相干层析技术通过与其他 多种技术融合，有力扩展了应用领域，形成偏 振光学相干层析、多普勒光学相干层析和光谱 相干层析技术[20]。对时域相干层析系统而言， 宽带光源经分光镜后被分为两束相干光，并经 参考镜和被测样品散射后发生干涉。每个时刻 光电传感器采集的干涉信号仅映射被测样品一 个点的三维信息，为实现三维成像需要借助扫 描机构对样品进行三维扫描[21-22]。美国MIT大学 Fujimoto小组提出快速扫描光学延迟线技术，该 技术因具有高重复率、高线性的特点成为时域 相干层析系统的主要扫描方式[23]。针对时域相 干层析技术难以满足实时大深度成像要求的情 况，Fercher等[24]提出频域相干层析技术，参考 光路和样品光耦合后的干涉信号由光谱仪接收， 利用光谱干涉成像原理，依靠傅里叶变换可实现 光程与波长在空间分布的等价变换。频域相干层 析通过光谱仪实现在单次测量情况下即可得到整 个深度方向上的光强分布信息，避免了对样品进 行三维扫描，提高成像速度。频域相干层析系统 如图1(a)所示。图1(b)为上海昊量光电设备有限 公司生产的OQ Path Scope便携式光学相干层析 系统，其纵向可测深度达2.5 mm。 图1 光学相干层析技术[20]：(a) 频域相干层析原理；(b) 上海昊量光电OQ Path Scope光学相干层析系统