【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于光學檢測，尤其涉及一種基于波長調制的光譜共焦位移測量系統及測量方法。
技術介紹
1、在20世紀80年代，科學家們開始研究共焦顯微技術，通過在光學顯微鏡中引入光學切片技術，實現對樣品的高分辨率成像。在90年代，隨著光譜分析技術的發展，將光譜信息與共焦成像相結合，能夠提供更豐富的樣本信息，推動了光譜共焦位移傳感器的發展。
2、光譜共焦位移傳感器具有高精度、非接觸、快速測量、無機械掃描、適應性強等優點，這些優點使得光譜共焦位移傳感器廣泛應用于多個領域。
3、目前，光譜共焦位移傳感器的光源通常采用寬譜段的白光光源和光譜儀，存在以下缺點：
4、1、由于白光光源的光譜寬度較寬，容易導致光譜重疊，從而影響測量的分辨率和精度；
5、2、由于白光光源的背景噪聲較高，信號的信噪比較低，導致測量精度的下降；
6、3、白光光源的光譜特性會隨著時間和環境條件的變化而漂移，從而影響測量結果的穩定性；
7、4、探測器端采用光譜儀，會增加光譜共焦位移傳感器的成本。
技術實現思路
1、有鑒于此，本專利技術創造旨在提供一種基于波長調制的光譜共焦位移測量系統及測量方法，以解決傳統的光譜共焦位移傳感器采用寬譜段的白光光源導致測量精度低且測量結果不穩定的問題。
2、為達到上述目的，本專利技術創造的技術方案是這樣實現的：
3、一種基于波長調制的光譜共焦位移測量系統，包括可調諧激光器、二相色鏡、色散透鏡、針孔、光電二極
4、可調諧激光器用于輸出激光；
5、調制器用于根據色散透鏡的波長與軸向聚焦位置的非線性關系計算可調諧激光器的波長調制函數，通過波長調制函數對可調諧激光器的輸出波長進行非線性調制，使可調諧激光器的輸出波長的變化速率與色散透鏡的軸向分辨率相適應；
6、二相色鏡設置在可調諧激光器的出光方向上，用于對光束進行反射和透射；
7、色散透鏡設置在二相色鏡的反射方向上，用于對光束進行色散，并聚焦到樣品的不同位置；
8、光電二極管設置在二相色鏡的反射方向上，用于接收經樣品反射的各束反射光，并將光信號轉換為電信號；
9、針孔設置在光電二極管的入射方向且靠近光電二極管的位置，用于抑制離焦光。
10、進一步的，設色散透鏡的波長與軸向聚焦位置的非線性關系為：
11、
12、其中，表示軸向聚焦位置，表示波長；
13、調制器采用數值插值方法對式（1）進行反解，得到波長調制函數。
14、進一步的，調制器采用數值插值方法對式（1）進行反解，得到波長調制函數的具體過程為：
15、對色散透鏡的波長與軸向聚焦位置的非線性關系進行離散化，構建離散化的波長-位移表；
16、通過線性插值方法或樣條插值方法，在給定時間t時，將色散透鏡的波長與軸向聚焦位置的非線性關系代入波長隨時間變化的方程，計算對應的波長調制函數：
17、（2）；
18、其中，表示色散透鏡的波長與軸向聚焦位置的非線性關系的逆函數；
19、采用優化算法迭代更新求解出的波長調制函數，從而得到符合光譜共焦位移測量系統要求的波長調制函數。
20、進一步的，基于波長調制的光譜共焦位移測量系統還包括處理器，處理器用于接收光電二極管輸出的電信號；處理器包括濾波模塊、擬合模塊和提取模塊；其中，
21、濾波模塊用于采用濾波算法對電信號進行濾波，獲得去除噪聲的平滑信號；
22、擬合模塊用于將平滑信號擬合成高斯函數，具體形式如下：
23、
24、其中，a為平滑信號的能量峰值強度，為平滑信號的能量峰值時間，為平滑信號的能量峰值寬度；
25、提取模塊用于從高斯函數中提取峰值時間并作為平滑信號的能量峰值位置。
26、進一步的，可調諧激光器的波長調諧范圍為400-700nm。
27、一種利用上述的基于波長調制的光譜共焦位移測量系統實現的基于波長調制的光譜共焦位移測量方法，包括如下步驟：
28、s1：可調諧激光器發出的激光入射到二相色鏡，經二相色鏡反射后入射到色散透鏡，經色散透鏡色散后聚焦到樣品的不同位置，樣品對色散后的光束進行反射，各束反射光依次透過色散透鏡、二相色鏡、針孔后被光電二極管接收；其中，調制器根據色散透鏡的波長與軸向聚焦位置的非線性關系計算可調諧激光器的波長調制函數，調制器通過波長調制函數對可調諧激光器的輸出波長進行非線性調制，使可調諧激光器的輸出波長的變化速率與色散透鏡的軸向分辨率相適應；
29、s2：光電二極管將接收到的各束反射光轉換為電信號，并根據各電信號的信號強度確定各束反射光的能量峰值位置；
30、s3：將各束反射光的能量峰值位置與波長調制函數相結合，確定樣品的軸向位置信息。
31、進一步的，調制器根據色散透鏡的波長與軸向聚焦位置的非線性關系計算可調諧激光器的波長調制函數的過程為：
32、設色散透鏡的波長與軸向聚焦位置的非線性關系為：
33、
34、其中，表示樣品的軸向聚焦位置，表示波長；
35、調制器采用數值插值方法對式（1）進行反解，得到波長調制函數。
36、進一步的，調制器采用數值插值方法對式（1）進行反解，得到波長調制函數的具體過程為：
37、對色散透鏡的波長與軸向聚焦位置的非線性關系進行離散化，構建離散化的波長-位移表；
38、通過線性插值方法或樣條插值方法，在給定時間t時，將色散透鏡的波長與軸向聚焦位置的非線性關系代入波長隨時間變化的方程，計算對應的波長調制函數：
39、（2）；
40、其中，表示色散透鏡的波長與軸向聚焦位置的非線性關系的逆函數；
41、采用如最小二乘法等優化算法，通過迭代更新求解出的波長調制函數，從而得到符合光譜共焦位移測量系統要求的波長調制函數。
42、進一步的，根據各電信號的信號強度確定各束反射光的能量峰值位置的過程為：
43、采用濾波算法對電信號進行濾波，獲得去除噪聲的平滑信號；
44、將平滑信號擬合成高斯函數，具體形式如下：
45、
46、其中，a為平滑信號的能量峰值強度，為平滑信號的能量峰值時間，為平滑信號的能量峰值寬度；
47、從高斯函數中提取峰值時間并作為平滑信號的能量峰值位置。
48、進一步的，將各束反射光的能量峰值位置與波長調制函數相結合，確定樣品的軸向位置信息的過程為：
49、利用最大值法從各束反射光的能量峰值位置中尋找最大能量峰值位置所對應的時間t；
50、將最大能量峰值位置所對應的時間t代入波長調制函數，求出與時間t對應的波長λ；
51、再將波長λ帶入到，獲得樣品的軸向聚焦位置。
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【技術保護點】
1.一種基于波長調制的光譜共焦位移測量系統，其特征在于，包括可調諧激光器、二相色鏡、色散透鏡、針孔、光電二極管和調制器；其中，
2.根據權利要求1所述的基于波長調制的光譜共焦位移測量系統，其特征在于，設色散透鏡的波長與軸向聚焦位置的非線性關系為：
3.根據權利要求2所述的基于波長調制的光譜共焦位移測量系統，其特征在于，調制器采用數值插值方法對式（1）進行反解，得到波長調制函數的具體過程為：
4.根據權利要求1所述的基于波長調制的光譜共焦位移測量系統，其特征在于，還包括處理器，用于接收光電二極管輸出的電信號；處理器包括濾波模塊、擬合模塊和提取模塊；其中，
5.根據權利要求1所述的基于波長調制的光譜共焦位移測量系統，其特征在于，可調諧激光器的波長調諧范圍為400-700nm。
6.一種基于波長調制的光譜共焦位移測量方法，利用權利要求1~5中任一項所述的基于波長調制的光譜共焦位移測量系統實現，其特征在于，包括如下步驟：
7.根據權利要求6所述的基于波長調制的光譜共焦位移測量方法，其特征在于，調制器根據色散透鏡的波長
8.根據權利要求7所述的基于波長調制的光譜共焦位移測量方法，其特征在于，調制器采用數值插值方法對式（1）進行反解，得到波長調制函數的具體過程為：
9.根據權利要求6所述的基于波長調制的光譜共焦位移測量方法，其特征在于，根據各電信號的信號強度確定各束反射光的能量峰值位置的過程為：
10.根據權利要求9所述的基于波長調制的光譜共焦位移測量方法，其特征在于，將各束反射光的能量峰值位置與波長調制函數相結合，確定樣品的軸向位置信息的過程為：
...【技術特征摘要】
1.一種基于波長調制的光譜共焦位移測量系統，其特征在于，包括可調諧激光器、二相色鏡、色散透鏡、針孔、光電二極管和調制器；其中，
2.根據權利要求1所述的基于波長調制的光譜共焦位移測量系統，其特征在于，設色散透鏡的波長與軸向聚焦位置的非線性關系為：
3.根據權利要求2所述的基于波長調制的光譜共焦位移測量系統，其特征在于，調制器采用數值插值方法對式（1）進行反解，得到波長調制函數的具體過程為：
4.根據權利要求1所述的基于波長調制的光譜共焦位移測量系統，其特征在于，還包括處理器，用于接收光電二極管輸出的電信號；處理器包括濾波模塊、擬合模塊和提取模塊；其中，
5.根據權利要求1所述的基于波長調制的光譜共焦位移測量系統，其特征在于，可調諧激光器的波長調諧范圍為400-700nm。
6.一種基于波長調制的光...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王之一，馮曉鵬，王建立，劉昌華，賈建祿，
申請(專利權)人：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，
類型：發明
國別省市：
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