CN105021128A - 基于光束扫描共焦探测技术的探针传感方法及装置 - Google Patents

基于光束扫描共焦探测技术的探针传感方法及装置 Download PDF

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Abstract

基于光束扫描共焦探测技术的探针传感方法及装置属于尺寸测量技术领域；激光光束通过透镜从光纤探针的入射端入射至光纤探针内部，入射光束在光纤探针内部由光纤光栅结构反射后从光纤探针的入射端出射，光纤探针的出射光束通过透镜聚焦至光电探测器，使用横向光电探测器探测聚焦光斑的位置来测量探针的横向位移，使用轴向光电探测器探测聚焦光斑的光强来测量探针的轴向位移，完成三维传感；本发明还提供了一种适用于上述方法的测量装置；本方法与装置具有探针制作方便且易实现微型化、探测光强度高且易于探测、具备三维探测及解调能力、分辨力高的特点。

Description

基于光束扫描共焦探测技术的探针传感方法及装置
技术领域
本发明属于尺寸测量技术领域，主要涉及一种基于光束扫描共焦探测技术的探针传感方法及装置。
背景技术
在具有微尺寸和大深径比的内腔结构测量领域，使用光纤制作探针是一个重要的解决方案，具有易于微型化、易于制作等优势，现有探针如下：
(1)申请号200510072254.5所描述的“双光纤耦合接触式微测量力瞄准传感器”，在该专利中，提出了一种新结构传感器，其利用两根光纤烧制耦合球的方式实现光的反向传输，并对出射光进行探测。
相似专利有：带有端面微结构的双光纤共球耦合微测量力瞄准传感器(申请号：201410118922.2)、基于三光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器(申请号：201410118924.1)、基于双入射光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器(申请号：201410118968.4)。
(2)申请号200910071623.7所描述的“基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感方法与装置”，利用光纤作为柱透镜对点光源准直成像从而实现探测。
相似专利有：基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法与装置(申请号：200910071624.1)、基于正交二维微焦准直的微孔测量装置与方法(申请号：201110438936.9)、正交光路二维微焦准直与三维坐标传感器(申请号：201110456022.5)。
(3)申请号201110456011.7所描述的“基于光纤布拉格光栅的微孔尺寸测量装置及方法”，利用了光纤布拉格光栅受外力导致栅距变化进而致其反射光中心波长改变的性质进行探测。
相似专利有：基于光纤布拉格光栅的接触式温度无感三维探测传感器(申请号：201110456051.1)、基于四芯光纤光栅的三维微尺度测量装置及方法(申请号：201410030736.3)、基于三芯光纤光栅的二维微尺度测量装置及方法(申请号：201410030737.8)、基于双芯光纤光栅的二维微尺度测量装置及方法(申请号：201410030738.2)、基于双光纤光栅的二维微尺度测量装置及方法(申请号：201410030739.7)。
(4)申请号201410118970.1所描述的“基于偏振态检测的双入射保偏平光纤耦合球微尺度传感器”，利用光纤烧制的耦合球实现光反向传输，通过检测出射光的偏振态来实现探测。
相似专利有：基于偏振态检测的保偏平光纤耦合球微尺度传感器(申请号：201410118966.5)。
(5)参考文献(H Ji,H-Y Hsu,L X Kong and A B Wedding.Development of a contact probe incorporating a Bragg grating strain sensor for nano coordinate measuring machines[J].Meas.Sci.Technol.2009,20:1-7.)提出了一种利用光纤光栅设计的传感器探针，采用反射式光栅对反射光谱进行分光，并利用CCD测量其固定波长的光能量。但其实验并不成功，传感信号完全淹没在噪声信号之中，无法被检出。
上述文件及其提到的对比文献中所描述的现有探针不足之处在于：(1)探针制作难度大，且不易实现微型化；(2)探测光的强度弱，难以探测；(3)无三维探测能力或三维探测能力弱；(4)分辨力低。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，设计提供一种基于光束扫描共焦探测技术的探针传感方法及装置，达到结构简单、分辨力高且具有三维探测能力的目的。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于光束扫描共焦探测技术的探针传感方法，激光光束通过透镜从光纤探针的入射端入射至光纤探针内部，入射光束在光纤探针内部由光纤光栅结构反射后从光纤探针的入射端出射，光纤探针的出射光束通过透镜聚焦至光电探测器，使用横向光电探测器探测聚焦光斑的位置来测量探针的横向位移，使用轴向光电探测器探测聚焦光斑的光强来测量探针的轴向位移，完成三维传感。
使用光束扫描装置控制激光光束偏转，使激光光束的聚焦点跟随所述光纤探针移动以保证激光光束能够入射至所述光纤探针内部。
一种基于光束扫描共焦探测技术的探针传感装置，包括激光器，在所述激光器的出射光路上依次配置准直透镜、二维扫描振镜、扫描透镜、管镜、显微物镜、光纤探针，所述光纤探针通过悬挂弹片悬挂安装在固定座上，所述光纤探针由内部刻有光纤光栅结构的光纤和探针触球配装构成；在所述显微物镜与 管镜之间配置第一分光镜，在所述第一分光镜的反射光路上依次配置第一收集透镜和第一横向光电探测器；在所述二维扫描振镜与准直透镜之间配置第二分光镜，在所述第二分光镜的反射光路上依次配置第二收集透镜和第二横向光电探测器；在所述第二分光镜和第二收集透镜之间配置第三分光镜，在所述第三分光镜的反射光路上依次配置第三收集透镜和轴向光电探测器。
在所述轴向光电探测器前方的光束聚焦点处设置针孔。
本发明的优点是：(1)探针制作方便且易实现微型化；(2)探测光的强度高，易于探测；(3)具备三维探测和解调的能力；(4)分辨力高。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为探针结构示意图
图3为横向测量示意图
图4为轴向测量示意图
图中：1.光纤探针，2.悬挂弹片，3.固定座，4.显微物镜，5.第一分光镜，6.第一收集透镜，7.第一横向光电探测器，8.管镜，9.扫描透镜，10.二维扫描振镜，11.第二分光镜，12.准直透镜，13.激光器，14.第三分光镜，15.第二收集透镜，16.第二横向光电探测器，17.第三收集透镜，18.针孔，19.轴向光电探测器，1a.光纤，1b.探针触球，1c.光纤光栅结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细描述。
一种基于光束扫描共焦探测技术的探针传感方法，激光光束通过透镜从光纤探针的入射端入射至光纤探针内部，入射光束在光纤探针内部由光纤光栅结构反射后从光纤探针的入射端出射，光纤探针的出射光束通过透镜聚焦至光电探测器，使用横向光电探测器探测聚焦光斑的位置来测量探针的横向位移，使用轴向光电探测器探测聚焦光斑的光强来测量探针的轴向位移，完成三维传感。
使用光束扫描装置控制激光光束偏转，使激光光束的聚焦点跟随所述光纤探针移动以保证激光光束能够入射至所述光纤探针内部。
一种基于光束扫描共焦探测技术的探针传感装置，包括激光器13，其特征在于：在所述激光器13的出射光路上依次配置准直透镜12、二维扫描振镜10、扫描透镜9、管镜8、显微物镜4、光纤探针1，所述光纤探针1通过悬挂弹片2 悬挂安装在固定座3上，所述光纤探针1由内部刻有光纤光栅结构1c的光纤1a和探针触球1b配装构成；在所述显微物镜4与管镜8之间配置第一分光镜5，在所述第一分光镜5的反射光路上依次配置第一收集透镜6和第一横向光电探测器7；在所述二维扫描振镜10与准直透镜12之间配置第二分光镜11，在所述第二分光镜11的反射光路上依次配置第二收集透镜15和第二横向光电探测器16；在所述第二分光镜11和第二收集透镜15之间配置第三分光镜14，在所述第三分光镜14的反射光路上依次配置第三收集透镜17和轴向光电探测器19。
在所述轴向光电探测器19前方的光束聚焦点处设置针孔18。
本发明的工作原理如下：
激光器13发出的激光经过一系列光学元器件入射至光纤探针1内部，光纤探针1内部的光纤光栅结构1c将特定波长的入射光反射，反射光从光纤探针1的入射端出射，所述反射光由第一分光镜5、第二分光镜11和第三分光镜14的作用，分别被第一横向光电探测器7、第二横向光电探测器16和轴向光电探测器19所探测。其中，第一横向光电探测器7和第二横向光电探测器16用来测量聚焦光斑的位置，一般采用QPD、PSD或CCD等具有测量光斑位置功能的器件实现；轴向光电探测器19用来测量聚焦光斑的光强，一般采用APD、PMT或CCD等能够测量光强的器件实现；CCD能够同时测量光斑位置和光强，在实际操作中可用其简化光路。
如图3所示，当光纤探针1的探针触球1b横向接触被测物体时，探针触球1b的横向位移为X，由于悬挂弹片2的支点作用，光纤探针1入射端的位移为x，在小范围时，X与x成比例关系。由于光纤探针1的出射端(入射端)发生了移动，则光纤探针1的出射光在第一横向光电探测器7和第二横向光电探测器16上的聚焦光斑位置亦发生移动，检测出光斑位置的移动量即可计算探针触球1b的横向位移，完成光纤探针1的横向传感。
当探针触球1b的横向位移X增大时，光纤探针1入射端的移动量x随之增大，光束将无法入射至光纤探针1内部，此时，根据对光斑位置的测量结果驱动二维扫描振镜10以控制激光光束偏转，使激光光束的聚焦点跟随光纤探针1移动以保证其入射至光纤探针1内部，对二维扫描振镜10的控制可采取开环或闭环的方式；其中，第一横向光电探测器7和第二横向光电探测器16并非同时需要的，仅使用其中一个亦可完成横向传感，然而，若合理配置两个横向光电 探测器各自的分辨力及量程可以使得探针同时具备高分辨力和大量程测量能力。
如图4所示，当光纤探针1的探针触球1b轴向接触被测物体时，探针触球1b的轴向位移为Z，由于悬挂弹片2的导向作用，光纤探针1入射端的位移为z，在小范围时，Z与z相等。由于光纤探针1的入射端轴向移动，导致激光光束的耦合效率降低，使得入射至光纤探针1内部的光能量降低，则光纤探针1的出射光强度也随之降低，因此，根据轴向光电探测器19所探测到的光强变化即可计算出探针触球1b的轴向位移，完成光纤探针1的轴向传感。
在轴向光电探测器19前方的光束聚焦点处设置针孔18，可以将中心以外的光挡住，使轴向光电探测器19实现点探测，可以显著提高光纤探针1的轴向测量分辨力。

Claims (4)

1.一种基于光束扫描共焦探测技术的探针传感方法，其特征在于：激光光束通过透镜从光纤探针的入射端入射至光纤探针内部，入射光束在光纤探针内部由光纤光栅结构反射后从光纤探针的入射端出射，光纤探针的出射光束通过透镜聚焦至光电探测器，使用横向光电探测器探测聚焦光斑的位置来测量探针的横向位移，使用轴向光电探测器探测聚焦光斑的光强来测量探针的轴向位移，完成三维传感。
2.根据权利要求1所述的基于光束扫描共焦探测技术的探针传感方法，其特征在于：使用光束扫描装置控制激光光束偏转，使激光光束的聚焦点跟随所述光纤探针移动以保证激光光束能够入射至所述光纤探针内部。
3.一种基于光束扫描共焦探测技术的探针传感装置，包括激光器(13)，其特征在于：在所述激光器(13)的出射光路上依次配置准直透镜(12)、扫描振镜(10)、扫描透镜(9)、管镜(8)、显微物镜(4)、光纤探针(1)，所述光纤探针(1)通过悬挂弹片(2)悬挂安装在固定座(3)上，所述光纤探针(1)由内部刻有光纤光栅结构(1c)的光纤(1a)和探针触球(1b)配装构成；在所述显微物镜(4)与管镜(8)之间配置第一分光镜(5)，在所述第一分光镜(5)的反射光路上依次配置第一收集透镜(6)和第一横向光电探测器(7)；在所述扫描振镜(10)与准直透镜(12)之间配置第二分光镜(11)，在所述第二分光镜(11)的反射光路上依次配置第二收集透镜(15)和第二横向光电探测器(16)；在所述第二分光镜(11)和第二收集透镜(15)之间配置第三分光镜(14)，在所述第三分光镜(14)的反射光路上依次配置第三收集透镜(17)和轴向光电探测器(19)。
4.根据权利要求4所述的基于光束扫描共焦探测技术的探针传感装置，其特征在于：在所述轴向光电探测器(19)前方的光束聚焦点处设置针孔(18)。
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