倾斜斐索波数扫描干涉仪
阅读说明：本技术 倾斜斐索波数扫描干涉仪 (Tilted fizeau wave number scanning interferometer ) 是由 周延周 李谦谦 古宇达 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供的一种倾斜斐索波数扫描干涉仪,通过半导体激光器、准直调节镜、参考镜、远心镜头、光谱图像采集器和数据处理部件的设置,基于激光电流波数扫描测量原理实现了测量透镜三维轮廓信息,省去了现有干涉仪中使用的分光棱镜或者半透半反射镜,使结构更加简易,具有很好的稳定性；同时,本发明提供的倾斜斐索波数扫描干涉仪使被测镜和参考镜在同一侧,极大的提高了信噪比。(According to the tilted Fizeau wave number scanning interferometer provided by the invention, the semiconductor laser, the collimation adjusting mirror, the reference mirror, the telecentric lens, the spectral image collector and the data processing component are arranged, the three-dimensional profile information of the lens is measured based on the laser current wave number scanning measurement principle, and a beam splitter prism or a semi-transparent and semi-reflective mirror used in the existing interferometer is omitted, so that the structure is simpler and has good stability; meanwhile, the tilted Fizeau wave number scanning interferometer provided by the invention enables the measured mirror and the reference mirror to be on the same side, thereby greatly improving the signal-to-noise ratio.)
技术领域
本发明涉及非接触式光学元件的检测技术领域，更具体的，涉及一种倾斜斐索波数扫描干涉仪。
背景技术
伴随着科技的发展，透镜作为精密的光学元件，广泛的应用于照相机、投影仪、摄像头、显微镜和望远镜等设备。而透镜的曲面精度与设备的成像质量有着密切的关系，表面精度不合格的透镜会导致像差增大，变焦镜头会出现焦点漂移等问题，所以对透镜表面精度的检测至关重要。
目前，透镜三维轮廓测量的主要方法有结构光技术、相位法、飞行时间法，其中飞行时间法测量精度仅有毫米级，耗时长；结构光技术和相位法系统构建复杂，对投影器件要求高，难以实现高精度轮廓测量。相位法是利用光波干涉原理检测物体表面形貌的，通过测量物体表面形貌调制变化的光程差在整个光场的空间起伏变化。波数扫描技术是最近发展起来的干涉测量方法，1980年日本的ISHII提出半导体激光器波数扫描干涉方案用于测量距离[1]Y.Ishii.Wavelength-Tunable Laser-Diode Interferometer[J].OPTICALREVIEWE,1991,14:293-309.[2]Y.Ishii.Recent developments in laser-diodeInterferometry[J].OPTICS LASERS AND IN ENGIRNEERING,1999,6(4):273-283，2013年XU等人提出单光楔在线波数扫描检测方法J.Xu,Y.Liu,B.Dong等.Improvement of thedepth resolution in depth-resolved wavenumber-scanning interferometry usingmultiple uncorrelated wavenumber bands[J].APPLIED OPTICS,2013,52(20):4890-4897.，理论上测量精度可达到±λ/5000nm，其中λ为波长。但现有的干涉仪中使用了分光棱镜或者半透半反射镜，结构复杂且测量结果不稳定。
发明内容
本发明为克服现有的干涉仪中使用了分光棱镜或者半透半反射镜，存在结构复杂且测量结果不稳定的技术缺陷，提供一种倾斜斐索波数扫描干涉仪。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
倾斜斐索波数扫描干涉仪，包括半导体激光器、准直调节镜、参考镜、远心镜头、光谱图像采集器和数据处理部件；其中：
所述半导体激光器用于发出相关光；
所述准直调节镜将半导体激光器发出的相关光准直并将调节后的光引导入射至所述参考镜；
相关光在所述参考镜中产生反射，反射光到达所述远心镜头形成第一反射光路；
相关光通过所述参考镜透射到被测透镜，在被测透镜产生反射，反射光达到所述远心镜头形成第二反射光路；
所述半导体激光器、准直调节镜的组合为发射光路；所述远心镜头、光谱图像采集器的组合为接收光路；发射光路和接收光路倾斜产生一定的角度，使所述第一反射光路和所述第二反射光路所述远心镜头汇合而发生干涉，产生干涉光谱；
所述光谱图像采集器用于采集干涉光谱图像；
所述数据处理部件根据采集到的干涉光谱图像计算被测透镜的三维轮廓信息。
上述方案中，本发明提供了一种倾斜斐索波数扫描干涉仪，基于激光电流波数扫描测量原理，实现了测量透镜三维轮廓信息；干涉仪结构简单、操作简易且信噪比高。
其中，所述准直调节镜采用平凸透镜。
其中，所述参考镜为中心厚度为6毫米、倾角为10度的光楔。
其中，所述光谱图像采集器为CMOS相机或CCD相机。
其中，所述远心镜头采用双远心镜头。
上述方案中，采用双远心镜头使得测量精确度更高。
其中，所述光谱图像采集器采集所述参考镜前后表面S1、S2以及被测透镜前后表面S3、S4四个表面的反射光叠加后的干涉光光强。
其中，所述数据处理部件扫描接收干涉光谱图像，扫描波数随时间变化计算过程为：
k(t)＝k0+Δk·t,t∈[0,T]
其中，k0为激光起始输出的波数值；Δk为激光波数扫描的范围。
其中，在所述数据处理部件中，将所述光谱图像采集器采集到的干涉光光强具体表示为：
Λpq(x,y)＝npq·zpq(x,y)
其中，I1、I2、I3和I4分别表示所述参考镜前后表面S1、S2以及被测透镜前后表面S3、S4四个表面的反射光光强；Λpq为表面Sp到表面Sq的光程差；npq为表面Sp到表面Sq的平均折射率；zpq为表面Sp到表面Sq的位置差。
其中，在所述数据处理部件中，将干涉光光强去除光强直流分量后，利用欧拉公式并改写为矩阵形式，得到：
Q＝A·G+W
其中：
式中：
其中，系数矩阵A包含干涉频率信息；向量G包含干涉相位和干涉幅值信息；向量W表示为所述光谱图像采集器采集过程中引入的噪声，M为光楔和透镜的表面总数量4；N为光谱图像采集器拍摄张数，向量Q则代表所述光谱图像采集器拍摄到的干涉光强；通过向量Q求解出矩阵A和向量G，分离出各个表面之间的干涉信号，从而分离得到包含透镜轮廓结构信息的干涉相位Φ13。
其中，所述表面S1和表面S3之间的介质为空气，折射率设为是1，则有：
Φ13＝2·k0·Λ13
故透镜前表面S3的轮廓z13表示为：
z13(x,y)＝Φ13(x,y)/(2·k0)
对透镜三维轮廓数据进行三维重构，得到透镜三维轮廓图。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供的一种倾斜斐索波数扫描干涉仪，通过半导体激光器、准直调节镜、参考镜、远心镜头、光谱图像采集器和数据处理部件的设置，基于激光电流波数扫描测量原理实现了测量透镜三维轮廓信息，省去了现有干涉仪中使用的分光棱镜或者半透半反射镜，使结构更加简易，具有很好的稳定性；同时，本发明提供的倾斜斐索波数扫描干涉仪使被测镜和参考镜在同一侧，极大的提高了信噪比。
附图说明
图1本发明所述的一种倾斜斐索波数扫描干涉仪结构示意图；
其中：1、半导体激光器；2、准直调节镜；3、参考镜；4、远心镜头；5、光谱图像采集器；6、数据处理部件；7、被测透镜。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本发明提供一种倾斜斐索波数扫描干涉仪，包括半导体激光器1、准直调节镜2、参考镜3、远心镜头4、光谱图像采集器5和数据处理部件6；其中：
所述半导体激光器1用于发出相关光；
所述准直调节镜2将半导体激光器1发出的相关光准直并将调节后的光引导入射至所述参考镜3；
相关光在所述参考镜3中产生反射，反射光到达所述远心镜头4形成第一反射光路；
相关光通过所述参考镜3透射到被测透镜7，在被测透镜7产生反射，反射光达到所述远心镜头4形成第二反射光路；
所述半导体激光器1、准直调节镜2的组合为发射光路；所述远心镜头4、光谱图像采集器5的组合为接收光路；发射光路和接收光路倾斜产生一定的角度，使所述第一反射光路和所述第二反射光路所述远心镜头4汇合而发生干涉，产生干涉光谱；
所述光谱图像采集器5用于采集干涉光谱图像；
所述数据处理部件6根据采集到的干涉光谱图像计算被测透镜7的三维轮廓信息。
在具体实施过程中，本发明提供了一种倾斜斐索波数扫描干涉仪，基于激光电流波数扫描测量原理，实现了测量透镜三维轮廓信息；干涉仪结构简单、操作简易且信噪比高。
更具体的，所述准直调节镜2采用平凸透镜。
更具体的，所述参考镜3为中心厚度为6毫米、倾角为10度的光楔。
更具体的，所述光谱图像采集器5为CMOS相机或CCD相机。
更具体的，所述远心镜头4采用双远心镜头。
在具体实施过程中，采用双远心镜头4使得测量精确度更高。
更具体的，所述光谱图像采集器5采集所述参考镜3前后表面S1、S2以及被测透镜7前后表面S3、S4四个表面的反射光叠加后的干涉光光强。
更具体的，所述数据处理部件6扫描接收干涉光谱图像，扫描波数随时间变化计算过程为：
k(t)＝k0+Δk·t,t∈[0,T]
其中，k0为激光起始输出的波数值；Δk为激光波数扫描的范围；
更具体的，在所述数据处理部件6中，将所述光谱图像采集器5采集到的干涉光光强具体表示为：
Λpq(x,y)＝npq·zpq(x,y)
其中，I1、I2、I3和I4分别表示所述参考镜前后表面S1、S2以及被测透镜前后表面S3、S4四个表面的反射光光强；Λpq为表面Sp到表面Sq的光程差；npq为表面Sp到表面Sq的平均折射率；zpq为表面Sp到表面Sq的位置差。
更具体的，在所述数据处理部件6中，将干涉光光强去除光强直流分量后，利用欧拉公式并改写为矩阵形式，得到：
Q＝A·G+W
其中：
式中：
其中，系数矩阵A包含干涉频率信息；向量G包含干涉相位和干涉幅值信息；向量W表示为所述光谱图像采集器采集过程中引入的噪声，M为光楔和透镜的表面总数量4；N为光谱图像采集器拍摄张数，向量Q则代表所述光谱图像采集器拍摄到的干涉光强；通过向量Q求解出矩阵A和向量G，分离出各个表面之间的干涉信号，从而分离得到包含透镜轮廓结构信息的干涉相位Φ13。
更具体的，所述表面S1和表面S3之间的介质为空气，折射率设为是1，则有：
Φ13＝2·k0·Λ13
故透镜前表面S3的轮廓z13表示为：
z13(x,y)＝Φ13(x,y)/(2·k0)
对透镜三维轮廓数据进行三维重构，得到透镜三维轮廓图。
在具体实施过程中，本发明提供的一种倾斜斐索波数扫描干涉仪，通过半导体激光器1、准直调节镜2、参考镜3、远心镜头4、光谱图像采集器5和数据处理部件6的设置，基于激光电流波数扫描测量原理实现了测量透镜三维轮廓信息，省去了现有干涉仪中使用的分光棱镜或者半透半反射镜，使结构更加简易，具有很好的稳定性；同时，本发明提供的倾斜斐索波数扫描干涉仪使被测镜和参考镜在同一侧，极大的提高了信噪比。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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