CN108332671A - 一种表面荧光增强微型探针二维传感装置、传感方法及探针制备方法 - Google Patents

Abstract

一种表面荧光增强微型探针二维传感装置、传感方法及探针制备方法，属于微尺寸测量技术领域；本发明是为了解决现有光纤探针所面临的光耦合效率低，结构复杂的问题。在光纤端面沉积荧光物质，使光纤端面具备自发光出射能力，宽场照明系统激发荧光物质发出荧光，荧光通过透镜聚焦，由CCD探测聚焦光斑的位置，当所述探针在接触物体时带动光纤出射端偏移，导致荧光在CCD上聚焦形成的光斑位置发生偏移，完成传感；所述装置由光纤端面荧光探针、宽场照明装置、夹持器、滤波片、透镜、CCD装配构成；本发明的特点：探针制作方便且满足微型化需求、探测光的强度高且易于探测、分辨力高、整体装置简单且尺寸较小。

Description

一种表面荧光增强微型探针二维传感装置、传感方法及探针 制备方法

技术领域

本发明涉及一种光纤探针传感装置、传感方法及探针制备方法，具体涉及一种表面荧光增强微型探针二维传感装置、传感方法及探针制备方法，属于微尺寸技术测量领域。

背景技术

目前三坐标测量机和探针组合使用实现微尺寸的接触式测量，探针的性能参数制约了测量的范围和精度。光纤探针由于具有直径微小、弹性模量大、测量力小等诸多优势，因此被广泛的使用在微尺寸测量领域。

(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”，其提出了一种新结构传感器，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。

相似专利申请有：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。

相似专利申请有：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。

相似专利申请有：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。

相似专利申请有：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)申请号201510381711.2所描述的“基于共扼焦点跟踪探测技术的探针传感装置”，在该专利中，提出了一种能实现三维探测的光纤探针传感装置。

(6)申请号201510381723.5所描述的“基于光纤出射光探测的组合悬臂梁探针传感方法及装置”，其提出了一种新结构传感器，所述探针由光纤悬臂梁与探针垂直胶接而成。

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)探针结构复杂；(2)探测光的强度弱，难以探测；(3)整体装置复杂。因此，探究一种表面荧光增强微型探针二维传感装置、传感方法及探针制备方法具有重要意义。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明的目的是提供一种表面荧光增强微型探针二维传感装置及传感方法，以解决现有技术中(1)探针结构复杂；(2)探测光的强度弱，难以探测；(3)整体装置复杂的问题，本发明具有探针结构简单、尺寸微小、分辨力高、整体装置紧凑的优点。

方案一：本发明提供了一种表面荧光增强微型探针二维传感装置，包括弹性膜片、固定装置、宽场照明系统、光纤端面荧光激发探针、准直透镜、滤波片、管镜和CCD探测器；

所述光纤端面荧光激发探针通过弹性膜片悬挂在固定装置上，宽场照明系统置于光纤端面荧光激发探针的斜上方，提供光源发出的光束照射在光纤端面荧光激发探针端面的被荧光物质包裹区域，在光纤端面荧光激发探针的出射光路上依次配置准直透镜、滤波片、管镜和CCD探测器。

进一步地：所述光纤端面荧光激发探针包括单模光纤，单模光纤一端为切平面，作为探针的出入射端面，出入射端面区域为被荧光物质包裹区域；单模光纤另一端熔融有球状测头。

方案二：本发明提供了一种表面荧光增强微型探针二维传感方法，其依托方案一所述二维传感装置实现，具体为：

宽场照明系统发出的光束照射在光纤端面荧光激发探针的出入射端面激发荧光，荧光从出入射端面出射，通过光学系统将出射光束聚焦形成与之共轭的光斑，所述光学系统由准直透镜、滤波片、管镜和CCD探测器构成；弹性膜片与光纤端面荧光激发探针接触的位置构成探针摆动支点，由于弹性膜片为光纤端面荧光激发探针提供摆动支点，当光纤端面荧光激发探针的球状测头绕支点发生偏转时，探针测头的位移和探针端面的位移成比例关系；通过宽场照明系统激发荧光，光学系统将端面出射光束聚焦形成之共轭的光斑，利用CCD探测器探测光斑的中心位置，从而获得探针测头的横向偏移量。

方案三：本发明提供了一种光纤端面荧光激发探针的制备方法，其所述的探针即为方案一和方案二中所述的光纤端面荧光激发探针，具体制备方法为：

对光纤一端进行切平处理，将平整后的端面作为探针的上端面，通过物理气相沉积方法在端面上沉积荧光物质，在将弹性膜片从光纤末端向上移动到指定夹持位置之后，利用熔融法使光纤末端凝结成为球状测头，探针制备完成。

有益效果：

本发明的优点：(1)探针结构简单且制作方便；(2)探测光斑质量高；(3)探测光的强度稳定；(4)分辨力高；(5)整体装置简单且尺寸较小。本发明的传感方法，它通过检测探针发出荧光的端面通过光学系统在CCD上所成光斑的位移获得探针测头的横向偏移量，具有获得的探测光斑质量高，光强稳定，横向探测分辨力高的优点。本发明的探针制备方法，它具有制作工艺简单的优点。

附图说明

图1为本发明一种表面荧光增强微型探针二维传感装置的结构示意图；

图2为本发明探针结构示意图。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例1：如图1和图2所示，本实施例的一种表面荧光增强微型探针二维传感装置，包括弹性膜片1、固定装置2、宽场照明系统3、光纤端面荧光激发探针4、准直透镜5、滤波片6、管镜7和CCD探测器8；

所述光纤端面荧光激发探针4通过弹性膜片1悬挂在固定装置2上，宽场照明系统3置于光纤端面荧光激发探针4的斜上方，提供光源发出的光束照射在光纤端面荧光激发探针4端面的被荧光物质包裹区域，在光纤端面荧光激发探针4的出射光路上依次配置准直透镜5、滤波片6、管镜7和CCD探测器8。

更为具体地：所述光纤端面荧光激发探针包括单模光纤，单模光纤4a一端为切平面，作为探针的出入射端面，出入射端面区域为被荧光物质包裹区域4b；单模光纤另一端熔融有球状测头4c。

工作原理如下：在探测微尺寸的时候，宽场照明系统发出的光束激发探针端面的荧光物质发光，荧光不需要通过光纤传播而直接从光纤端面发出，发出的荧光经过透镜组聚焦，由CCD探测聚焦光斑的位置。

当悬挂的光纤探针未接触物体时，探针保持竖直，从而使探针的端面的出射荧光在CCD上聚焦形成的光斑位置不发生偏移；当悬挂的光纤探针接触物体时，探针发生偏移，从而使探针的端面发生偏移，导致出射荧光在CCD上聚焦形成的光斑位置发生偏移，通过探测光斑中心的位置获得探针测头的偏移量，进而完成传感。

实施例2：如图1和图2所示，本实施例的一种表面荧光增强微型探针二维传感方法，其依托实施例1所述二维传感装置实现的，具体为：

宽场照明系统3发出的光束照射在光纤端面荧光激发探针4的出入射端面激发荧光，荧光从出入射端面出射，通过光学系统将出射光束聚焦形成与之共轭的光斑，所述光学系统由准直透镜5、滤波片6、管镜7和CCD探测器8构成；弹性膜片1与光纤端面荧光激发探针4接触的位置构成探针摆动支点，由于弹性膜片为光纤端面荧光激发探针4提供摆动支点，当光纤端面荧光激发探针4的球状测头绕支点发生偏转时，探针测头的位移和探针端面的位移成比例关系；通过宽场照明系统激发荧光，光学系统将端面出射光束聚焦形成之共轭的光斑，利用CCD探测器探测光斑的中心位置，从而获得探针测头的横向偏移量。

实施例3：本实施例的一种光纤端面荧光激发探针的制备方法，其所述的探针即为实施例1和实施例2中所述的光纤端面荧光激发探针4，具体制备方法为：

对光纤一端进行切平处理，将平整后的端面作为探针的上端面，通过物理气相沉积方法在端面上沉积荧光物质，在将弹性膜片从光纤末端向上移动到指定夹持位置之后，利用熔融法使光纤末端凝结成为球状测头，探针制备完成。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (4)

1.一种表面荧光增强微型探针二维传感装置，其特征在于，包括弹性膜片(1)、固定装置(2)、宽场照明系统(3)、光纤端面荧光激发探针(4)、准直透镜(5)、滤波片(6)、管镜(7)和CCD探测器(8)；

所述光纤端面荧光激发探针(4)通过弹性膜片(1)悬挂在固定装置(2)上，宽场照明系统置于光纤端面荧光激发探针(4)的斜上方，提供光源发出的光束照射在光纤端面荧光激发探针(4)端面的被荧光物质包裹区域，在光纤端面荧光激发探针(4)的出射光路上依次配置准直透镜(5)、滤波片(6)、管镜(7)和CCD探测器(8)。

2.根据权利要求1所述的一种表面荧光增强微型探针二维传感装置，其特征在于，所述光纤端面荧光激发探针(4)包括单模光纤，单模光纤一端为切平面，作为探针的出入射端面，出入射端面区域为被荧光物质包裹区域；单模光纤另一端熔融有球状测头。

3.一种表面荧光增强微型探针二维传感方法，其依托权利要求1或2所述二维传感装置实现，其特征在于，具体为：

宽场照明系统(3)发出的光束照射在光纤端面荧光激发探针(4)的出入射端面激发荧光，荧光从出入射端面出射，通过光学系统将出射光束聚焦形成与之共轭的光斑，所述光学系统由准直透镜(5)、滤波片(6)、管镜(7)和CCD探测器(8)构成；弹性膜片(1)与光纤端面荧光激发探针(4)接触的位置构成探针摆动支点，由于弹性膜片为光纤端面荧光激发探针(4)提供摆动支点，当光纤端面荧光激发探针(4)的球状测头绕支点发生偏转时，探针测头的位移和探针端面的位移成比例关系；通过宽场照明系统激发荧光，光学系统将端面出射光束聚焦形成之共轭的光斑，利用CCD探测器探测光斑的中心位置，从而获得探针测头的横向偏移量。

4.一种光纤端面荧光激发探针的制备方法，其特征在于，具体制备方法为：

对光纤一端进行切平处理，将平整后的端面作为探针的上端面，通过物理气相沉积方法在端面上沉积荧光物质，在将弹性膜片从光纤末端向上移动到指定夹持位置之后，利用熔融法使光纤末端凝结成为球状测头，探针制备完成。