非接触测量技术由于其无接触损伤且精度较高的优势，逐渐应用于光学系统几何参数测量及生物组织影像领域。光学透镜的折射率、曲率半径和中心厚度作为透镜系统的3个基本参数，其精度会直接影响整个光学系统成像质量，因而在透镜加工及镜组装调的过程中需要严格控制这些参数的误差。目前，非接触式光学测量方法主要包括图像法、低相干干涉法、复色共焦法(即轴向色散法)、差动共焦法、偏振干涉法等。其中，低相干干涉技术(亦称白光干涉或部分光干涉技术)和激光差动共焦技术对于轴向几何参数的测量精度较高，尤其是低相干干涉技术的原理比较成熟。近年来,低相干干涉技术的研究逐渐由结构紧凑的分离透镜式结构向稳定性更高的光纤式结构发展，并扩展到应用范围更广的光学相干层析领域。

在低相干干涉系统中，宽带光源的相干长度较短，一般为微米级别，需要通过移动参考光使其与物光发生干涉，这就决定了该系统不仅可以测量单一透镜，也可用于测量透镜组中各个光学表面之间的几何量。传感器部分一般采用迈克尔逊干涉仪结构，参考臂的移动量与实际待测面之间的轴向距离存在对应关系，从而通过对干涉条纹影像信息的解析处理就可以得到镜组中各表面的轴向位置。

作为当前研究的热点，非入侵式的生物医学成像技术为疾病的诊断提供了较为可靠的依据，其较高的分辨率、丰富的对比度使光学成像技术备受生物医学研究者的青睐。光学相干层析技术(Optical Coherence Tomography，OCT)以其特有的成像分辨率和成像深度在活体、高分辨率、非入侵式医学成像领域脱颖而出，取得不可动摇的地位。

本文将重点介绍低相干干涉技术在透镜组的中心厚度和空气间隔测量方面以及生物医学影像方面的最新研究进展，通过对比不同研究方法的创新之处，论述其在非接触测量及OCT等领域的发展趋势。

低相干干涉原理产生于20世纪50年代，在国内外众多优秀科研工作者的多年努力下日趋成熟，在光学检测领域得到了较为广泛的应用，对于光学透射材料几何参数的测量也日趋成熟。

1955年，Wolf和Blanc-Lapierre分别独立建立了部分相干光理论，引入关联函数并进行了系统研究，奠定了白光干涉的理论基础。1987年，Youngquist等^[1]展示了一种光学相干域反射计的光学评估新技术，后来被简称为光学低相干反射计(OLCR)。与此同时，Fercher等^[2]和Fujimoto等^[3]将该技术引入眼科学，他们采用一维光程扫描技术测量了眼镜内部各部分组织尺寸。

1991年，美国麻省理工学院的Huang等^[4]首次展示了基于白光干涉的二维层析成像方法，提出今天生物医学影像领域研究者熟知的光学相干层析技术，开启了OCT技术的研究开端。该技术有机结合了低相干干涉技术与共焦显微技术，具有出色的光学切片层析能力，可实现对微观结构横截面成像，已广泛应用于人眼结构成像、玉石结构分析等领域^[5]。

作为OCT的前身，低相干干涉技术已应用于一维几何量的测量。随着复杂光学系统设计的成熟，在光学系统装调过程中，越来越需要对整个透镜组各光学表面之间的中心厚度和空气间隔进行精密测量。目前，较为熟知的法国Fogale公司和德国Trioptics公司研制的相关测量仪器分别代表了该领域内光纤式结构和分离式结构的先进水平。

1997起，日本大阪大学(Osaka University)的Haruna和Maruyama等^{[6, 7]}将低相干反射计应用于透镜参数的非接触测量，实现了对单一透射平板的折射率及厚度的同时测量。他们采用波长为839 nm相干长度为12 μm的超辐射发光二极管(SLD)光源，通过移动聚焦物镜或参考镜两种扫描方式，其原理如图1所示，实现群折射率、相折射率和光学厚度的高精度测量。1999年后，该研究团队进一步对石英、蓝宝石、铌酸锂等不同折射率材料进行了相应测量^[8]，相折射率测量精度高于0.3%，将多层透射材料组成的镜组轴向间距测量范围提高到毫米级^[9]，但测量时间大于3 min，且重复性误差较大。

图 1

Fig. 1

图1 透明平板的折射率及厚度测量系统结构图 System configuration of simultaneous measurement of the refractive index and thickness of transparent plates

2004年，韩国光州科技研究所(Kwangju Institute Science and Technology，KIST)的Lee和Na等^{[10, 11]}将低相干干涉与共聚焦技术相结合，实现群折射率、相折射率和透镜厚度的同时测量。他们创新地将存在色散的低相干干涉信号以及复色共聚焦扫描相结合，如图2所示，直接得到群折射率，实现厚度测量误差0.061%，相折射率误差0.066%，群折射率误差0.057%。由于采用共聚焦放大物镜，该方法适用于生物材料的微观测量以及透射式光学材料。

图 2

Fig. 2

图2 低相干干涉仪与共聚焦光学系统组成的实验原理图 BS：分光镜，OBJ1：测量臂的物镜，OBJ2：参考臂的物镜，RM：参考镜，PH：针孔光阑，L：聚焦透镜，SLD：超辐射发光二极管 Schematic of the experimental set-up based on a low-coherence interferometer and confocal optics BS: beam splitter,OBJ1: objective lens for the sample arm,OBJ2: objective lens for the reference arm, RM: reference mirror,PH: pinhole,L: focusing lens,SLD: superluminescent diode

2005年起，法国Fogale Nanotech公司研究的低相干干涉仪LISE(Low coherence Interfero-metric SEnsor)，测量范围(即待测镜组的长度)4~600 mm^[12]。该仪器LISE基本原理如图3所示,采用的全光纤系统，通过光纤准直器、延迟器、光耦合装置以及保偏光纤，透镜中心厚度的测量精度为100 nm，轴向位移测量精度达到±1 μm。光源SLD波长1.31 μm，相干长度25 μm，系统采用Kieran Larkin五步相移算法，在提升信噪比、提高测量精度方面做了相关分析研究。该研究团队在光学表面质量、准直器选取、定心设置以及针对多层反射的干涉信息处理等方面进行了长期深入的研究^{[13, 14]}。

图 3

Fig. 3

图3 LISE系统的基本工作原理图 Basic principle of the LISE system

2011年起，德国Trioptics公司研究团队的Langehanenberg和Heinisch等^{[15,16,17,18]}对低相干干涉技术进行改进和优化，在公司OptiCentric定心仪的基础上研制出了OptiSurf系列测量仪。该产品是基于低相干干涉技术，如图4，采用五步相移算法，可实现装调定心精度0.1 μm，测量范围最多达到800 mm，中心厚度的测量精度到0.15 μm，搭载的系统应用软件，是目前市场上同类仪器中最为成熟的，如图5所示。OptiSurf可以同时实现快速定心和透镜中心厚度的测量。

图 4

Fig. 4

图4 中心厚度及空气间隔测量原理 Measurement principle for the determination of air gaps and center thickness

图 5

Fig. 5

图5 校准后的实测干涉强度包络及镜面位置 Envelope function measured with the low coherent interferometer after precise alignment of axis

2015年，Langehanenberg等人在此前的基础上，将测量范围扩展到红外材料^[18]。该研究的突破性体现在由于不同红外材料的透射光谱范围不同，且透射率相对于普通材料更低，用λ₀=2182 nm，Δλ=45 nm的SLED，研究了其色散特性，进行了1310 nm与2182 nm光源的性能对比。针对测量中透射率的问题，该研究采用了基于干涉条纹频率而非光强的解包裹算法，降低此类影响。目前测量精度达到几微米，但是轴向分辨率会由于色散的存在降低，这导致条纹包裹扩宽，且精度会随着待测透镜厚度的增加而下降，测量信号如图6所示。

图 6

Fig. 6

图6 红外材料表面对应的干涉原始信号 Low coherent raw signal with marked surfaces

2012年，中国科学院光电技术研究所的王志斌等^[19]搭建了适于镜头中光学表面间距测量的实验装置，利用高精度导轨移动光纤准直器来移动成像范围，实现了对不同深度光学表面的层析成像，其结构如图7所示。该研究中空气间隔样品的测量值为6.026 mm，用游标卡尺得到的对比测量值为6.02 mm，对镜头关键参数空气间隙的测量值为10.750 mm，其设计值为10.70±0.03 mm，空气间隔测量误差为3.871 μm，系统测量灵 敏度为10.5 μm。该方法通过公式D_opt-i=d(L_i+1-L_i)+D_in_i计算表面间距，d为图像单个像素点对应距离，L为光学表面对应轴向灰度极值点图像中的位置，D为准直器位移值。王志斌等分析了测量灵敏度的主要影响因素为色散匹配随深度变化、物镜存在倾斜，以及双胶合透镜作为测量样品时存在的多层反射面的干扰，实验表明厚度100 nm左右的镀膜对实际测量结果影响不大。

图 7

Fig. 7

图7 光学表面间距测量实验系统结构图 Block diagram of experimental distance measurement system

2013年，日本和歌山大学(Wakayama University)的Watanabe等^{[20, 21]}利用“低相干数字全息”技术，将低相干干涉与全息成像相结合，通过调节两个参考臂将CCD的干涉条纹图解析为深度图像，如图8(c)所示。该研究低相干光源波长685.2 nm，引入虚拟基准面，实现在倾斜态下测量样品折射率和光学厚度，其系统分辨率等同于CCD分辨率，实测样品的相折射率为1.519，理论值为1.538。该研究团队近年来发表数篇论文，其研究成果有望用于测量非均匀透射介质的厚度。

图 8

Fig. 8

图8 (a) 基准面和部分重叠样本；(b)实际基准面和虚拟基准面；(c) 重构的全息图像 (a) Partially overlapped specimen and datum plane, (b) the datum plane and the virtual datum plane, (c)reconstructed images from some holograms

2014年，巴西乌贝兰迪亚联邦大学(Federal University of Uberlandia)的Zilio^[22]建立了一套如图9所示的新型低相干干涉测量系统，其特色在于参考臂和测量臂共用同一准直光束进行干涉，对光学平板样品的群折射率和厚度进行了测量，厚度测量精度达到2 μm。该方法对于不同干涉峰值存在时间差t=Δl-Δ，群折射率为ng=Δl/t，其优势体现在共光路设计的抗振稳定性相对更强。

图 9

Fig. 9

图9 (a)为测量平行平板折射率及厚度的单臂干涉仪工作原理示意图，(b)为针对石英玻璃的干涉测量信号及对应的光程差 (a) Schematic diagram of the one-arm interferometer used for the simultaneous measurement of thickness and group index of a plane-parallel transparent plate，(b)spectrum of fused silica obtained with the single arm interferometer and optical path difference from the spectrum

低相干干涉测量除用于测量透镜组的中心厚度及空气间隔，还常被用于厚度较小的柔性透明薄膜、液膜以及微观生物组织的厚度测量领域。在薄膜厚度测量方面，美国LUMETRICS公司Marcus等研究人员于2013年报道的OptiGauge^TM低相干干涉仪可以测量置于空气或溶液中的角膜接触镜或塑料材料的折射率，对于厚度小于250 μm的角膜接触镜样本，测量误差控制在0.1%以下^[23]。

法国里昂大学(Lyon University) Verrier研究团队在2009年报道的研究中，分别用实验SLED及超连续谱光源(supercontinuum)对硬质和柔性角膜接触镜的中心厚度进行了测量，证明SLED的测量精度相对更高，可达到6 μm^[24]。

自上世纪提出OCT技术以来，国内外众多研究团队在这方面开展了大量工作，例如，美国麻省理工学院的Fujimoto小组、杜克大学的Izatt小组、美国麻省总医院的Tearney与Bouma小组、奥地利维也纳大学的Fercher小组，以及国内清华大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、上海光机所等。OCT技术的研究内容主要集中在增强OCT系统的分辨率、成像时间、成像深度方面的性能，以及扩展在生物医学领域更多的用武之地。

目前，OCT技术在生物医学的应用范围从最早的眼科应用发展到对心血管、呼吸道、肠胃等中等散射性组织以及皮肤、牙齿等高散射性组织的研究。OCT系统同样适用低相干光光源，主题结构大多是光纤迈克尔逊干涉仪。如，2015年芬兰奥卢大学(Oulu University)的Czajkowski课题组在其最新研究中指出，轴向分辨率达1 μm的高速多普勒光相干层析(Spectral-domain Optical Coherence Tomography，SD-OCT)技术可以用于测量微流体管、毛细血管及微脉管中的液体流速^[25]，其实验原理示意图如图10所示。

图 10

Fig. 10

图10 SD-OCT设备的实验方案示意图 VND：可变中性密度滤光片，BS：分光镜，HS：水平狭缝，FL：聚焦透镜，RM：参考镜，X-Y scanner：扫描振镜， FO：聚焦物镜，PH：针孔，CO：准直物镜，M：反射镜，DG：衍射光栅 Layout scheme of the experimental SD-OCT device VND: variable neutral density filter,BS: beam splitter,HS: horizontal slit,FL: focusing lens,RM: reference mirror, X-Y scanner: galvanometric mirrors,FO: focusing objective,PH: pinhole,CO: collimating objective, M: mirror,DG: diffraction grating

低相干光干涉测量技术因其速度快、精度高等显著优势，被广泛用于光学表面间隔及生物组织的非接触测量研究。将低相干光源同迈克尔逊干涉结构相结合已成为该领域最重要的手段之一，本文概述的大部分方法都是通过这样的结构来测定透镜与空气的分界面。低相干光干涉法测量过程只需通过确定透镜材料的群折射率，再调整参考臂长度来改变测量范围，因而适用于一些结构较复杂的光学系统的非接触测量。在上述不同的研究方案中，主要有分离式和光纤式两种形式，分离式系统的干涉光路结构紧凑，两干涉臂的一维调节容易，可以通过步进电机、压电陶瓷、光栅尺等装置实现；光纤结构由于稳定性相对更高，往往用于微观物体测量、遥感测量。

经过多年的研究，基于低相干干涉法对光学透镜间距测量的方案不乏创新之处，但是干涉法本身存在的缺陷让许多研究者止步不前。由于干涉光路受外界振动、气流等环境因素影响，对干涉条纹采样的稳定性以及光路的共轴性要求很高，使得研究成本很难降低，因而可以看到，在上述研究单位中仅有德国Trioptics公司和法国Fogale公司的产品在市场上保持稳定优势。正因这些问题的存在，国内的测量工作人员在光学透镜组的装调过程中，使用计算机辅助装调方法以及平行光管等成本更低的设备完成检测工作，无法实现高精度、可视化的几何量测量。在光学设计水平越来越高、光学加工精度迫近极限的阶段，高水平测量技术必然成为未来研究人员深入探索的方向和目标。

近些年,OCT技术在成像分辨率、成像速度、成像深度和对比度增强方面取得了长足发展，分辨率从原先的15 μm发展到现在的1 μm左右，高速实时成像也极大促进了OCT的实际临床应用。

从本文概述的研究进展可以看出，近些年基于低相干干涉法测量透射材料折射率和厚度的相关研究主要集中在保持高精度同时提升测量范围，并且正在向薄介质膜及生物医学样本等多元化应用方向扩展。然而，对于不同材料属性、介质形状或形态多元化等情况的报道尚不多见，例如在复杂环境中工作的光学系统的远程测量有待进一步研究。

随着低相干干涉技术已日趋成熟，轴向测量精度在多次报道中实现1 μm，期望这些原理性技术能够推广到实际生产应用中，并带动生物医学影像、无损检测、机器视觉等领域的新型技术研究和发展。展望未来，主要有以下几处发展方向值得进一步挖掘。

(1) 在结构上，轴向分辨率已达到微米级，双光束干涉法进行一维测量很难实现突破，未来可以考虑将多光束干涉法结合全息成像技术，探索更高的测量精度，用于针对细胞级生物样本的医学影像设备。

(2) 稳定性方面，由于折射率受环境温度影响，目前已有的将物光和参考光进行共光路设计方案的实时性较差。由于共光路可消除参考臂移动误差和环境变化影响，可以在保证严格共轴的前提下，改变参考臂差分结构、移动方式和速度，提高干涉信号采样频率，抑制共模干扰。

(3) 在应用范围方面，低相干干涉或用于还原透镜组中各个光学表面的曲率半径等面形参数，当然这需考虑透镜的垂轴像差。OCT在人体皮肤等高散射性生物组织成像方面具有广阔应用前景，未来或针对具有不同光学特性的样本有更好的成像质量，如有望实现皮肤癌等癌症病理的在体检测。