CN109061863B - 一种侧向照射光谱共焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种侧向照射光谱共焦镜头，包括：壳体、光纤固定部、光纤、轴向透镜组、径向透镜组以及反射镜，所述壳体沿轴向设有第一孔，所述光纤固定部安装固定在该第一孔内，所述光纤设于所述光纤固定部上，所述轴向透镜组安装固定在所述第一孔内壁并位于光纤固定部下方，所述反射镜设于所述轴向透镜组下方，所述壳体的壳体壁底端沿径向设有第二孔，所述第一孔与第二孔相通，所述径向透镜组安装固定在所述第二孔内，所述第一孔相对于壳体为同心孔或者偏心孔。本发明与传统的结构相比，在外径尺寸没有显著增加的情况下大幅度提高了数值孔径，或者在同等通光孔径下体积大幅度缩小。

Description

一种侧向照射光谱共焦镜头

技术领域

本发明涉及位移测量领域，尤其涉及一种侧向照射光谱共焦镜头。

背景技术

1955年M.Minsky发明了共聚焦显微镜，可以非接触地测量物体距离或位移，该原理经过几十年的发展现在已经被广泛使用。其主要原理是：一束激光经过聚焦到一个很细的焦点照射到被测物上然后反射回去，在反射光路上的焦点处放置一个极小的孔径光阑(俗称针孔)，然后移动光路的轴向距离或某镜片沿着轴向位置，来寻找信号最强的位置，该位置就是反射物和针孔同时形成焦点的位置，简称为共聚焦或共焦。

光谱共聚焦技术已经在精密非接触测量广泛使用，特别是在亚微米领域、被测物表面多样化的领域已经是极少数可行方案之一。随着世界各国越来越多专业的公司加入光谱共聚焦领域，该技术已经被广泛用于生物、半导体、元器件、文物、精密轮廓测量、精密位移反馈、手机零件或外形测量等领域，并被ISO25178标准采纳为极少数几种的非接触3D测量推荐技术之一。该技术可以向各行各业例如机械五金塑胶测量、坐标测量、医疗扫描、太阳能、材料分析、震动测量、玻璃测量、光学元件测量、食品包装、薄膜测量、液晶显示或触摸屏测量、交通能源装备、建筑路桥、化工装备测量、核能、航空航天等等领域扩展，是一项用途广泛的基础技术。

目前的光谱共焦镜头有两种，第一种结构如图1所示，其整体呈L型，包括一轴向壳体100与一径向壳体200，径向透镜组300安装在径向壳体200内。这种结构的缺点是体积大，用于内孔测量时由于其尺寸大导致无法伸入细小的孔内，如果要伸入细小孔内需将L形壳体做小，但是如果其直径会太小，刚性会严重下降，并且镜片也非常细小难以组装。

第二种结构如图2所示，壳体底部设有反射镜400，利用反射镜400将光线转折后直接照射到被测物。这种结构的缺点是，由于轴向镜片组500输出的光线需要转折后再照射到被测物，因而中间的光路长。假设壳体壁厚是外径的10％，几何上其出射光的最大角度无法超过正负22度，而其数值孔径无法做大，即在测量光亮表面时允许的被测面倾斜角不够大，在测量一些内孔特征例如内螺纹、沟槽等时，超过最大允许倾斜角的部分无法测量。另外，数值孔径小还会造成光斑大，横向分辨率降低。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种侧向照射光谱共焦镜头，减小体积并提高竖直孔径。

本发明的技术方案如下：提供一种侧向照射光谱共焦镜头，包括：壳体、光纤固定部、光纤、轴向透镜组、径向透镜组以及反射镜，所述壳体沿轴向设有第一孔，所述光纤固定部安装固定在该第一孔内，所述光纤设于所述光纤固定部上，所述轴向透镜组安装固定在所述第一孔内并位于光纤固定部下方，所述反射镜设于所述轴向透镜组下方，所述壳体的壳体壁底端沿径向设有第二孔，所述第一孔与第二孔相通，所述径向透镜组安装固定在所述第二孔内，经过反射镜反射的光进入到径向透镜组，所述第一孔相对于壳体为同心孔或者偏心孔；

当所述第一孔为同心孔时，其中心线与壳体的中心线重合，经过轴向透镜组的输出光线向轴向透镜组的光轴方向汇聚形成一圆锥形照射区域，所述径向透镜组面向反射镜一侧露出第二孔，露出部分位于所述圆锥形照射区域与壳体内壁形成的空间内；

当所述第一孔为偏心孔时，其中心线与壳体的中心线不重合，所述径向透镜组设于壳体壁较厚的一侧。

进一步地，当第一孔为偏心孔时，经过轴向透镜组的输出光线形成一圆柱形照射区域。

进一步地，所述反射镜为前表面反射镜。

进一步地，所述反射镜为柱体，其包括底面、顶面以及侧面，所述底面为与第一孔等大的圆，所述侧面与壳体内壁贴合，所述顶面倾斜，其与底面呈一定角度。

进一步地，所述顶面与底面呈45°角。

进一步地，所述径向透镜组包括为非球面透镜或双胶合透镜。

进一步地，所述第二孔内设有用于固定径向透镜组的安装台阶。

进一步地，所述壳体上设有用于固定反射镜的第三孔或螺纹孔。

进一步地，本侧向照射光谱共焦镜头还包括接长管，所述接长管安装固定在所述壳体顶端，所述接长管内部设有对应第一孔设有第四孔。

进一步地，所述壳体为圆柱形或接近圆柱形。

采用上述方案，本发明通过在壳体侧壁上开设一第二孔，径向透镜组安装在该第二孔内，在轴向透镜组底部设置反射镜，从轴向透镜组透出的光线经由反射镜的反射作用射向径向透镜组，再经由径向透镜组射出。本发明与传统的第一种结构相比，在同等通光孔径下体积大幅度缩小；与传统的第二种结构相比，在外径尺寸没有显著增加的情况下大幅度提高了数值孔径。

附图说明

图1为传统第一种光谱共焦镜头的结构示意图。

图2为传统第二种光谱共焦镜头的结构示意图。

图3为本发明一种实施例的结构示意图。

图4为本发明另一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

请参阅图3，本发明提供一种侧向照射光谱共焦镜头，包括：壳体1、光纤固定部2、光纤3、轴向透镜组4、径向透镜组5以及反射镜6。所述壳体1沿轴向设有第一孔11，在本实施例中，所述第一孔11的中心线与壳体1的中心线重合，该第一孔11可为上下直径一致的直孔，也可为上下直径不一致的台阶孔，只要满足光线通过即可。所述光纤固定部2安装固定在该第一孔11内，其靠近壳体2顶端设置，光纤固定部2中间设有入光孔以及出光孔，光线10从入光孔射入，经过轴向透镜组4以及径向透镜组5的作用，色散到被测物体上，部分反射光再次经过轴向透镜组4的作用返回至出光孔射出。在本实施例中，入光孔与出光孔重合，即入光孔与出光孔为同一个孔(入光孔与出光孔也可不重合)，用光纤3作为入光孔以及出光孔，具有传导光线的作用。

所述轴向透镜组4安装固定在所述第一孔11内并位于光纤固定部2下方，在本实施例中，所述轴向透镜组4包括两个透镜，两个透镜呈上下排列。根据需要轴向透镜组4也可只设一个透镜。

所述反射镜6设于所述轴向透镜组4下方，现有技术往往是采用全反射棱镜的方案，该方案体积大，在本实施例中，采用前表面反射镜，体积更加小巧，方便安装，有利于减小整个共焦镜头的体积。所述反射镜6为柱体，其包括底面、顶面以及侧面，所述底面为与第一孔11等大的圆，所述侧面与壳体1内壁贴合，所述顶面倾斜，其与底面呈45°角。也就是相当于一个直径与第一孔11等大的圆柱体顶端被一个平面斜切，反射镜6顶端的斜切面与底面的夹角为45°，有利于安装在壳体1的第一孔11内，且方便调整反射方向。所述壳体1上设有用于固定反射镜6的第三孔61或螺纹孔，可以采用螺丝与螺纹孔的配合方式以固定反射镜6，或者采用在第三孔61内注胶的方式固定反射镜6。

所述壳体1的壳体壁底端沿径向设有第二孔12，所述第一孔11与第二孔12相通，所述径向透镜组5安装固定在所述第二孔12内，径向透镜5与反射镜6相对设置，经过轴向透镜组4的输出光线向轴向透镜组4的光轴方向汇聚形成一圆锥形照射区域，所述径向透镜组5面向反射镜6一侧露出第二孔12，露出部分位于所述照射区域与壳体1内壁形成的空间内。光线10从入光孔射入，经由轴向透镜组4向光轴方向汇聚，然后反射镜6将光线10反射给径向透镜组5，最后经由径向透镜组5折射出去。这种结构其出射光的角度可达到正负30°到正负40°，大幅度提高了数值孔径，减小了光斑。

所述径向透镜组5的镜片包括且仅包括一片透镜，可以简化结构减小壳体的壁厚。由于透镜总是有厚度的，特别是使用折射透镜时要扩大数值孔径，使得径向透镜组5必须是凸透镜，径向透镜组5面向反射镜一侧的表面为凸形，能够提供足够的光线转折。要使光转折越大，镜片就越厚，但是如果扩大壳体1的壁厚来使得径向透镜组5不超出壁厚又会导致通光孔径缩小，因此本实用新型巧妙地把径向透镜组56露出第二孔的部分置于圆锥形照射区域与壳体内壁形成的空间内，这样避免从轴向透镜组5射出的光线直接照射到径向透镜组5上而影响光路，同时又兼顾了小直径、小壁厚和数值孔径。所述径向透镜组5是非球面透镜或双胶合透镜，能达到更好地成像质量和更大的数值孔径以及更大的色差。

若要测量很深的孔或很长的管道，当共焦镜头的壳体1长度不够时，可在壳体1的上端增加一段接长管7，该接长管7内部设有对应第一孔11设有第四孔71，第四孔71与第一孔11同心，光纤3穿入第四孔71内。该接长管7可使用螺纹或其它可拆卸结构与壳体1连接，因而接长管7可以按需要更换不同的长度。

所述壳体1为圆柱形或接近圆柱形，比如接近圆柱形的多面体，或者在圆柱体上设有相对于圆柱体外径较小的平面或台阶。对于测量孔内结构，优选是圆柱形的。

请参阅图4，为本发明的另一实施例。由于径向透镜组5是凸透镜，要使光转折越大镜片就要越厚，但是如果扩大壳体1的壁厚来使得透镜不超出壁厚又会使通光孔径缩小，因而在本实施例中，将第一孔20设为偏心孔，其中心线与壳体1的中心线不重合，因而壳体1四周的壁厚不一致，一侧的壁薄一些，另一侧的壁厚一些，所述径向透镜组5设于壳体壁较厚的一侧，经过轴向透镜组4的输出光线形成一圆柱形照射区域。该偏心结构提供了一侧壁厚厚一些以达到安装厚镜片的效果，同时能为共焦镜头提供刚性，另一侧可以做得很薄以减小共焦镜头的总外径。

在本实施例中，所述第二孔12靠近第一孔20中心线的一侧设有安装台阶30，使得径向透镜组5组装定位更加方便，为了节省空间，径向透镜组5也可以使用胶水粘贴的方式固定。

综上所述，本发明通过在壳体侧壁上开设一第二孔，径向透镜组安装在该第二孔内，在轴向透镜组底部设置反射镜，从轴向透镜组透出的光线经由反射镜的反射作用射向径向透镜组，再经由径向透镜组射出。本发明与传统的第一种结构相比，在同等通光孔径下体积大幅度缩小；与传统的第二种结构相比，在外径尺寸没有显著增加的情况下大幅度提高了数值孔径。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种侧向照射光谱共焦镜头，其特征在于，包括：壳体、光纤固定部、光纤、轴向透镜组、径向透镜组以及反射镜，所述壳体沿轴向设有第一孔，所述光纤固定部安装固定在该第一孔内，所述光纤设于所述光纤固定部上，所述轴向透镜组安装固定在所述第一孔内并位于光纤固定部下方，所述反射镜设于所述轴向透镜组下方，所述壳体的壳体壁底端沿径向设有第二孔，所述第一孔与第二孔相通，所述径向透镜组安装固定在所述第二孔内，经过反射镜反射的光进入到径向透镜组，所述第一孔相对于壳体为偏心孔；

当所述第一孔为偏心孔时，其中心线与壳体的中心线不重合，所述径向透镜组设于壳体壁较厚的一侧；并且，当第一孔为偏心孔时，经过轴向透镜组的输出光线形成一圆柱形照射区域。

2.根据权利要求1所述的侧向照射光谱共焦镜头，其特征在于，所述反射镜为前表面反射镜。

3.根据权利要求1所述的侧向照射光谱共焦镜头，其特征在于，所述反射镜为柱体，其包括底面、顶面以及侧面，所述底面为与第一孔等大的圆，所述侧面与壳体内壁贴合，所述顶面倾斜，其与底面呈一定角度。

4.根据权利要求3所述的侧向照射光谱共焦镜头，其特征在于，所述顶面与底面呈45°角。

5.根据权利要求1所述的侧向照射光谱共焦镜头，其特征在于，所述径向透镜组包括为非球面透镜或双胶合透镜。

6.根据权利要求1所述的侧向照射光谱共焦镜头，其特征在于，所述第二孔内设有用于固定径向透镜组的安装台阶。

7.根据权利要求1所述的侧向照射光谱共焦镜头，其特征在于，所述壳体上设有用于固定反射镜的第三孔或螺纹孔。

8.根据权利要求1所述的侧向照射光谱共焦镜头，其特征在于，还包括接长管，所述接长管安装固定在所述壳体顶端，所述接长管内部设有对应第一孔设有第四孔。

9.根据权利要求1所述的侧向照射光谱共焦镜头，其特征在于，所述壳体为圆柱形或接近圆柱形。

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