本发明涉及oct测量，尤其涉及将ssoct技术应用于表面轮廓测量，克服ssoct需要大数据量采集的弊端，通过算法改进实现快速、大量程、高精度的表面轮廓测量方法。
背景技术：
1、当前表面轮廓的测量方法主要可以分为光学型干涉型和非光学型。对于非光学类型，可进一步分为电学技术和显微技术。前者包括电阻测量方法、电容测量方法和电感测量方法，后者包括透射电子显微镜(tem)、扫描电子显微镜(sem)、扫描探针显微镜(spm)、扫描隧道显微镜(stm)、光子扫描显微镜(psm)、原子力显微镜(afm)和扫描近场光学显微镜(snom)等。这些技术存在非线性或量程小的缺点，不能满足表面轮廓测量的先进要求。光学类型的表面轮廓测量技术包括激光三角法、光学杠杆法、结构光法、共聚焦扫描法和光学干涉法。在这些表面轮廓测量技术中，基于光学干涉测量的技术具有非接触测量、分辨率高等优势，得到了最广泛的应用。
2、根据使用的光源不同，光学干涉测量技术可以分为单波长干涉成像、双波长干涉成像和多波长干涉成像。在单波长成像的应用中，通过压电陶瓷调节干涉信号的相位，可以实现纳米级的分辨率，但由于干涉条纹以半波长为周期卷绕，单波长测量的量程为测量光波长的一半。双波长测量是为了克服单波长量程短而提出的，但仍然难以将量程扩展至厘米范围且精度受路径的对准、激光波长的精度和条纹插值的精度影响。白光干涉是基于部分光干涉原理的应用，实现了更大的量程，但是需要进行轴向扫描，这不仅降低了测量速度，同时轴向扫描也会影响测量精度。干涉测量具有很多优势，但难以同时实现大量程、高精度测量。
3、光学相干层析成像(oct)是白光干涉技术在生物医学成像上的应用，可对生物组织进行深度成像。oct系统的分辨率反比于光源光谱带宽，通常为几个微米。近年来，oct实现了由时域向频域的过渡。频域oct通过采集干涉光谱并做fft变换可以得到样品的深度分辨信息，实现了信号的并行采集，避免了时域oct的深度扫描，在成像速度上具有明显优势。由于频域oct在保留时域oct高轴向分辨率的同时，还具有良好的线性度，因此在表面轮廓成像中也有良好的应用前景。频域oct有两种构建方式，即光谱oct(sdoct)和扫频干涉成像(ssoct)。sdoct采用sld光源，干涉光谱采用光谱仪检测。在表面轮廓测量中，sdoct得益于sld光源稳定度高，可通过相位拟合等方法提高分辨率，使得sdoct系统分辨率达到了亚微米级。理论上，sdoct的量程是由光谱仪的光谱分辨率决定，其受限于光源光谱带宽(宽带宽以实现高分辨率)和线阵相机的尺寸，sdoct的量程通常在几个毫米。而ssoct使用扫频光源将不同波长成分在时间上分离，通过平衡探测器与a/d转换器采集干涉光谱。ssoct通过使用平衡探测器避免了过长的相机曝光时间，使得轴向扫描(a-scan)最大速率达到了1.2mhz。目前，ssoct光谱分辨率远高于sdoct，ssoct的量程远大于sdoct。但受波数空间的非等间隔采样与相位稳定度低的影响，ssoct的分辨率仍然受限于光源带宽决定的相干长度。
技术实现思路
1、本发明的目的在于，提供一种表面轮廓测量方法及系统，将具有深度分辨能力传统的ssoct的技术应用于表面轮廓测量，简化了待测样品(仅需考虑样品表面的反射)。我们采用了全新的算法估计干涉信号频率，进而解析表面轮廓信息。新的算法保留了传统ssoct快速、大量程的优势，同时提高了测量精度且减小了采集数据量，实现了高速、大量程、高精度表面轮廓测量。
2、本发明采用如下的技术方案：一种基于ssoct的高速、大量程、高精度表面轮廓测量装置，图1为本文使用的实验系统实物图。光源是垂直发射腔激光器(mems-vcsel)，扫频速度200khz，中心波长在1310nm附近，扫频带宽约为100nm。信号经耦合器分为两部分，90％的光信号进入样品臂，10％的光信号进入参考臂。准直的样品臂信号经x-y方向的振镜被焦距为150mm的透镜聚焦于样品表面，焦点处光斑半径为41.36um。样品表面的反射信号与参考臂信号相干涉，干涉信号经平衡光电探测器转换后由ni数据采集系统采集。采集系统最大采集速度为5ghz，理论最大量程约8cm。
3、一种基于ssoct的高速、大量程、高精度表面轮廓测量方法，包括以下内容：
4、1、基于干涉光谱的光程差(表面轮廓)高精度解析
5、在表面轮廓测量中，样品臂接收的信号是待测物表面的反射信号。因此干涉信号在波数空间上表示为：
6、
7、其中s(k表示光谱密度函数，iref表示参考臂光强，imeas表示测量臂光强，n为空气折射率，d表示样品表面到等光程点的距离，k表示波数，表示信号的初始相位。iref和imeas为直流项，不含有表面轮廓信息。余弦函数项由参考臂与样品臂信号干涉产生，其编码有样品表面距离d，即干涉光谱的频率与d成线性关系。
8、根据频域oct经典理论，对干涉光谱式(1)做傅里叶变换即可得到样品结构信息。在表面轮廓测量中，仅考虑样品表面，同时忽略直流信息，则式(1)的傅里叶变换可简化为：
9、
10、其中，表示卷积，光谱密度函数的傅里叶变换f(s(k))决定系统的轴向分辨率。增加光谱的带宽可以提高系统分辨率，通常ssoct的分辨率为几微米到十几微米，难以满足高分辨率表面轮廓测量的精度需求。
11、2、大量程与高精度的同时实现
12、由公式(1)可知，样品的表面位置信息编码于干涉光谱的频率。根据奈奎斯特采样定理，干涉光谱的频率上限决定了系统的量程mr。采用数据采集卡对带宽δk为干涉光谱进行离散采样，相邻采样波数间隔为δk/s，其中s为光谱带宽内的采样点数，即波数空间上的采样频率为s/δk。采样点数由扫频光源的扫频速度(fsw)与采集卡的采集速度(facq)共同决定s＝facq/fsw。则干涉光谱的奈奎斯特频率为对应系统的量程2n·mr。因此，系统的量程可以表示为：
13、
14、由式(3)可知，降低光源扫频速度或提高采集卡的采集速度均能实现量程的提高。通过降低扫频速度fsw提高量程会导致单线采集时间增加，进而降低表面轮廓采集速度，ssoct就丧失了其速度优势。因此，提高量程的有效方法是提高采集速度facq。现有数据采集卡可以达到很高的采集速度，为基于ssoct的大量程测量测量提供了可能。但是，光谱干涉测量是以波数k空间等间隔采样为前提的。当干涉信号i(k)在波数空间非等间隔采样时，将会导致干涉信号在频率上的峰值展宽与频谱偏移，如fig.1.所示。为了实现波数空间的等间隔采样，ssoct通常需要外接mach-zehnder干涉仪为采集卡提供外时钟信号。该方法的问题在于采集卡外时钟采样频率上限仅为500m，这就限制了超大量程的实现。为了实现超大量程，通常需要使用采集卡的内时钟时间上等间隔采样，采集标准干涉光谱作为参考进行波数空间的光谱矫正。这一方法能够最大限度的提高系统量程，但是扫频光源不稳定会一定限度的影响k空间采样的等间隔性，进而影响测量精度。在非线性采样的情况下，其fft结果表现为频率的偏移以及频谱的展宽。
15、3、冗余数据的有效剔除
16、ssoct的大量程是依赖于高采样率(facq)来实现的，即每条光谱采集更多的点以提高光谱分辨率。但在高采样率下会产生大量的数据，如200khz的扫频光源，在1.6ghz采样率下，理论探测深度约为2.9cm，单个a-scan的数据长度为7000点，一幅600*600的数据集存储需要约合4gbit的存储空间。而在4ghz的采样率下，量程约合6cm但存储空间约合8gbit，需要分组采集。这将会产生三方面的影响：ssoct采集速度限制，此时限制ssoct系统采集速度的是采集卡到计算机的数据传输速度；硬盘存储空间的限制，ssoct是横向点扫描成像，即需要横向点集来描绘表面轮廓，每一个点需要一条干涉光谱来确定其轴向位置，因此存储空间将会限制数据集大小，从而限制零部件表面轮廓成像的尺寸或横向分辨率；数据处理速度的增加，就单一干涉光谱而言，更多的点数会增加运算量，延长数据处理时间。因此，在高数据采样率的情况下提出冗余据量，也是本专利解决的重点问题。
1.一种基于ssoct的高速、大量程、高精度表面轮廓测量方法，其特征在于，具体如下：
2.根据权利要求1所述的一种基于ssoct的高速、大量程、高精度表面轮廓测量方法，其特征在于数字光谱矫正。ssoct采用扫频光源，其输出光谱的时间-波数是非线性对应关系。如果对干涉光谱等时间间隔采样，那么其在波数空间就是非等间隔采样，以此为基础的频率估算会引入很大误差。因此，在进行频率估计前需要进行光谱矫正，即将时间等间隔采样的干涉光谱转换为波数空间等间隔采样。为此，采样平面反射镜作为样品预采集标准干涉信号，将该信号在希尔伯特空间相位展开，提取等间隔相位对应的光谱坐标值。在实际测量中，对采集到的干涉光谱以获取的光谱坐标值为基准进行插值矫正。
3.根据权利要求1所述的一种基于ssoct的高速、大量程、高精度表面轮廓测量方法，其特征在于高精度频率提取部分。根据oct经典理论，基于fft的结构信息获取方式需要大的光谱带宽，以提高轴向分辨率δd＝2π/δk。其优势在于具有深度分辨能力，但其轴向分辨率限制在几个微米。进一步，ssoct波数空间的非等间隔采样会进一步降低精度。考虑到表面轮廓测量样品结构简单(仅表面反射)，因此干涉信号为单一频率余弦信号，为高精度测量提供可能。其频率提取包含以下步骤：
