CN109078858A - 高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置、检测方法与分拣系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置与检测方法，采用丝径轴向自动扫描检测技术和横截面观测技术相结合，可快速实现方丝精度和方孔结构的检测。该检测装置主要包含光学平台、装料夹具、激光测径仪、二维XY精密移动装置、Angel型龙虾眼光纤、光学镜头、比重油和计算机信号处理系统组成。本发明的优点是，操作方便、测量精度高、自动化程度高，可大幅度提高方型光纤的精度和其方孔结构，能有效提升龙虾眼X射线方孔光学元件聚焦成像性能。

Description

高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置、检测方法与分拣系统
技术领域
本发明属于光学检测领域，涉及一种玻璃光纤检测装置和装置，尤其是涉及丝径轴向自动扫描检测技术和横截面观测技术相结合的一种高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置和装置。
背景技术
近年来，X射线天文观测正逐渐成为天文发展的主流方向之一。传统的X射线观测采用非聚焦成像的原理(准直型或编码孔径型)，严重制约了探测的空间分辨率和灵敏度，而采用掠入射X光聚焦新技术能够有效解决上述问题。目前常用的掠入射聚焦光学系统有K-B型、Wolter型以及龙虾眼型(Lobster eye optic，LE)。K-B型与Wolter型光学系统虽然具有较高的空间分辨率和收集效率，但同时存在视场小、球差大、视野倾斜、离轴像差、焦距过长、体积大、质量笨重、装调难度大等缺点，不符合未来空间X射线探测宽视野、轻小型化的需求。而LE聚焦成像系统由于其特殊的正交结构，使其在各个方向的聚焦成像能力都相同；理论上，视野能达到4π空间角，这是其他掠入射光学系统无法企及的。
LE系统关键技术在于Angel型龙虾眼光学元件(Micro Pore Optic,MPO)的研制，MPO是一种基于X射线全反射原理对X射线进行会聚的方孔光学元件，由数百万个指向球心的微米尺度的方孔通道构成。MPO的制造流程十分复杂，在研制过程中需要对光纤丝径和方孔结构进行自动化高精度检测控制，避免方孔通道指向不一致、弯曲、扭曲等不良现象。目前现有对光纤检测是基于拉丝机上激光测径仪的实时丝径检测，但受限于拉丝机的机械震动和人工误差，测量精度及自动化程度无法满足用户和生产要求。如何进一步提高光纤丝径精度、改善方孔阵列结构，这是龙虾眼X射线方孔光学元件研制过程备受重视且有待攻破的技术难点。
发明内容
发明目的：为了解决上述现有龙虾眼光纤检测存在的缺陷和不足，本发明旨在提供一种高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置，通过丝径轴向自动扫描检测技术和横截面观测技术相结合，可快速实现Angel型龙虾眼光纤丝径和方孔结构检测，对指导MPO生产质量和工艺参数的优化具有十分重要的意义。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置，其特征在于：包括光学平台及其上设置的装料夹具、分拣箱、激光测径仪、二维XY精密移动装置、Angel型龙虾眼光纤、光学镜头和比重油；其中：
所述装料夹具用于提供所述Angel型龙虾眼光纤的调整平台，其上均布有若干根横向排列的Angel型龙虾眼光纤，两端伸出装料夹具的外侧；所述Angel型龙虾眼光纤沿纵向逆时针方向移动；
所述光学镜头与最末排的一根Angel型龙虾眼光纤水平共光轴设置；在光学镜头与该Angel型龙虾眼光纤之间设置有比重油，且该Angel型龙虾眼光纤的一端伸入比重油中；
所述激光测径仪位于所述Angel型龙虾眼光纤水平共光轴垂直正下方，用于实行二维丝径扫描检测；
所述激光测径仪置于二维XY精密移动装置上，所述二维XY精密移动装置用于调整所述激光测径仪的检测位置；
还包括计算机信号处理系统，连接至所述激光测径仪、光学镜头，根据所述激光测径仪、光学镜头测得的数据，计算得到Angel型龙虾眼光纤性能指标。
进一步的，所述装料夹具表面均布有若干沿水平方向设置的方形凹槽，所述Angel型龙虾眼光纤置于所述方形凹槽内；所述方形凹槽的边长直径d1等于所述Angel型龙虾眼光纤的直径d2。
进一步的，所述的Angel型龙虾眼光纤有2种不同类型的光纤，分别为单丝和复丝，其外型轮廓均为方形。
进一步的，所述的单丝由方形芯料棒和皮料管复合经过拉丝炉的热熔过程拉制而成；单丝边长为0.5mm～1mm，长度为500mm～1000mm。
进一步的，所述的复丝由1000～2000根单丝复合，经过拉丝炉的热熔过程2次拉制而成；复丝的边长为0.7mm～1.5mm，长度为500mm～1000mm。
进一步的，所述的光学镜头为球面镜头的自动调焦，焦距范围为1mm～10mm；视野范围为0.1mm～2mm；像素精度优于0.1um/像素。
进一步的，所述激光测径仪为双径非接触式动态测量，测量范围为0.05mm～10mm；重复精度为0.04um；定位精度为0.5um；激光波长为400nm～650nm；扫描速度为3200scan/s。
进一步的，所述的二维XY精密移动装置的二维移动行程范围为1000mm～2000mm；步进精度小于1um，用于减少线性扫描时所带来的系统误差。
进一步的，所述的比重油的折射率n1等于所述Angel型龙虾眼光纤的折射率n2，用于减少光纤横截面人工切割引入的偏差。
本发明的另一方面还提出一种高精度Angel型龙虾眼光纤的分拣系统，包括的高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置，还包括分拣箱，所述分拣箱设有若干个收集器，用于对不同尺寸的Angel型龙虾眼光纤进行分类收集；
其中，所述计算机信号处理系统根据所述激光测径仪、光学镜头测得的Angel型龙虾眼光纤性能指标，控制分拣箱的移动，实现不同收集器的位置切换，实现Angel型龙虾眼光纤分拣到对应的收集器
上述的高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置的使用方法，采用丝径轴向自动扫描检测技术和横截面观测技术相结合，实现方丝精度和方孔结构的检测，包括以下步骤：
(1)依次将Angel型龙虾眼光纤放在的装料夹具上的方形凹槽内；
(2)将装料夹具移动到测量位置，利用二维XY精密移动装置调整激光测径仪，对Angel型龙虾眼光纤实行二维丝径扫描检测；
(3)将测量丝径后的Angel型龙虾眼光纤依次放入比重油内，通过调整光学镜头使得Angel型龙虾眼光纤内部的方孔结构的横截面成像效果最明显；
(4)通过光学镜头记录Angel型龙虾眼光纤的方孔结构，并存储在计算机信号处理系统中；
(5)通过计算机信号处理系统对所得数据处理，得到包括方丝的丝径、垂直度和方孔结构在内的性能指标。
进一步的，步骤(5)中所述垂直度的处理方法为：采用垂直数码显微成像对Angel型龙虾眼光纤的方孔结构进行处理，评判指标为光纤边界线垂直度和方孔阵列排布情况。
进一步的，所述光纤边界线垂直度的计算方法为：随机测量3个位置处方丝光纤的两个维度的数值，拟合得出2条直线的斜率，求取夹角，得到光纤边界线的垂直度。
进一步的，所述方孔阵列排布情况的计算方法为：基于边缘检测算法和轮廓提取，得到复丝内部微孔阵列的轮廓矩阵，求解不同位置处偏离理想情况的角度偏差，得到不同位置处的角度偏差分布，再对角度分布情况进行高斯拟合，得到其均方根和方差，用于评价方孔阵列排布情况。。
本发明的高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置，具有以下优显著的有益效果：
1.提高了Angel型龙虾眼光纤的丝径尺寸精度；
2.改善了Angel型龙虾眼光纤的方孔内部结构；
3.该测试装置操作方便、自动化程度高。
附图说明
图1为本发明一种高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置和装置示意图；
图2为本发明比重油内部的Angel型龙虾眼光纤工具显微图；(a)单丝；(b)复丝；
图3为本发明激光测径仪测量Angel型龙虾眼光纤2个维度的丝径值；
图4为本发明自动等原中心点位置法提取的方孔结构图像；
图5为本发明Angel龙虾眼MPO方孔结构情况；(a)改善前；(b)改善后；
图6为本发明Angel龙虾眼MPO聚焦X射线情况；(a)改善前；(b)改善后。
具体实施方式
本发明公开了一种高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置和装置。该光纤检测装置采用丝径轴向自动扫描检测技术和横截面观测技术相结合，可快速实现方丝精度和方孔结构的检测。
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
参见附图1，本发明提供了一种高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置，该检测装置主要包含光学平台1、装料夹具2、激光测径仪4、用于快速移动激光测径仪的二维XY精密移动装置5、Angel型龙虾眼光纤6、光学镜头7、比重油8和计算机信号处理系统9组成。
所述装料夹具2用于提供所述Angel型龙虾眼光纤的安放，并且作为调整平台，其上均布有若干根横向排列的Angel型龙虾眼光纤，两端伸出装料夹具的外侧约5mm；所述Angel型龙虾眼光纤沿纵向逆时针方向移动。
所述光学镜头7与最末排的一根Angel型龙虾眼光纤水平共光轴设置；在光学镜头与该Angel型龙虾眼光纤之间设置有比重油，且该Angel型龙虾眼光纤的一端伸入比重油中。
所述激光测径仪4位于所述光学镜头的前排，用于对Angel型龙虾眼光纤6实行二维丝径扫描检测。
所述激光测径仪4置于二维XY精密移动装置上，所述二维XY精密移动装置5用于调整所述激光测径仪的检测位置。
计算机信号处理系统9，连接至所述激光测径仪、光学镜头，根据所述激光测径仪、光学镜头的数据，对所得数据处理，计算测得的Angel型龙虾眼光纤性能指标，包括方丝的丝径、垂直度和方孔阵列结构在内。
所述装料夹具表面均布有若干沿水平方向设置的方形凹槽，所述Angel型龙虾眼光纤置于所述方形凹槽内；所述方形凹槽的边长直径d1等于所述Angel型龙虾眼光纤的直径d2。
参见附图2，所述的Angel型龙虾眼光纤有2种不同类型的光纤，分别为单丝和复丝，其外型轮廓均为方形。单丝为一次拉制成型，复丝为将排列整齐的单丝再次拉制而成。
在一些实施例中，所述的单丝由方形芯料棒和皮料管复合经过拉丝炉的热熔过程拉制而成；可选的，单丝边长为0.5mm～1mm，长度为500mm～1000mm。
可选的，所述的复丝由1000～2000根单丝复合，经过拉丝炉的热熔过程2次拉制而成；复丝的边长为0.7mm～1.5mm，长度为500mm～1000mm。
所述的光学镜头为球面镜头的自动调焦，焦距范围为1mm～10mm；视野范围为0.1mm～2mm；像素精度优于0.1um/像素。
所述激光测径仪为双径非接触式动态测量，测量范围为0.05mm～10mm；重复精度为0.04um；定位精度为0.5um；激光波长为400nm～650nm；扫描速度为3200scan/s。
在一些实施例中，所述的二维XY精密移动装置的二维移动行程范围为1000mm～2000mm；步进精度小于1um，用于减少线性扫描时所带来的系统误差。
所述的比重油的折射率n1等于所述Angel型龙虾眼光纤的折射率n2，用于减少光纤横截面人工切割引入的偏差。
该装置的使用方法包括以下步骤：
1在上料位置处依次摆放所述Angel型龙虾眼光纤6，摆放结束后将其移动到测量位置开始检测；依次将所述Angel型龙虾眼光纤放在所述的装料夹具上的凹槽内；
2摆放结束后，将装料夹具移动到测量位置，调整所述激光测径仪，利用所述的二维XY精密移动装置5对所述Angel型龙虾眼光纤实行二维丝径扫描检测；，龙虾眼光纤的丝径为1mm,MPO-A和MPO-B为2个维度不同的丝径的变化，其中MPO-A的丝径波动在±2微米,MPO-B的丝径波动在±5微米
3将测量丝径后的所述Angel型龙虾眼光纤依次放入所述比重油内，通过调整光学镜头使得所述光纤内部的方孔结构的横截面成像效果最明显；
4通过所述光学镜头记录所述Angel型龙虾眼光纤的方孔结构，并存储在所述计算机信号处理系统(9)中；
5通过所述计算机信号处理系统对所得数据处理，得到方丝的丝径、垂直度和方孔结构等多个性能指标。
本发明的优点是，操作方便、测量精度高、自动化程度高，可大幅度提高方型光纤的精度和其方孔结构，能有效提升龙虾眼X射线方孔光学元件聚焦成像性能。
激光测径仪，可以采用现有的高精度激光测径仪，具有高速旋转的He-Ne激光发生器和激光接收器，激光发射器发出的激光束通过一组头已经处理成平行光，工作只要挡住光束，在接收器就有信号产生，通过光电传感器将此信号传给计算机信号处理系统。
所述丝径轴向自动扫描检测技术采用的是激光扫描技术，对Angel型龙虾眼光纤的丝径实现非接触精密测量和控制。
本发明使用的垂直数码显微成像的工作原理是采用光学显微镜技术、光电转化激素和液晶屏幕技术相结合，将显微镜观测到的实时图像，转变为数字模拟信号，可以通过后续处理屏幕显示图像。
如图4(a)、(b)所示，基于边缘检测算法和轮廓提取，得到复丝内部微孔阵列的轮廓矩阵，求解不同位置处偏离理想情况的角度偏差，得到不同位置处的角度偏差分布，再对角度分布情况进行高斯拟合，得到其均方根和方差，用于评价方孔阵列排布情况。
所述分拣箱的工作原理可以采用输送机械传动机构，以及电器自动控制，还可以和计算机信号系统集合，根据所述龙虾眼光纤的丝径参数和结构参数，依次进行分类。
如图5、6所示，MPO的聚焦性能由数百万个方孔结构的统计特性共同决定，基于上述测试装置，对龙虾眼光纤的尺寸和内部结构可以实现更加精密的控制和监控，有助于提高MPO的质量和聚焦性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置，其特征在于：包括光学平台(1)及其上设置的装料夹具(2)、激光测径仪(4)、二维XY精密移动装置(5)、Angel型龙虾眼光纤(6)、光学镜头(7)和比重油(8)，其中：
所述装料夹具(2)用于提供所述Angel型龙虾眼光纤(6)的安放，其上均布有若干根横向排列的Angel型龙虾眼光纤(6)，Angel型龙虾眼光纤(6)两端伸出装料夹具(2)的外侧约5mm处；所述Angel型龙虾眼光纤沿纵向逆时针方向移动；
所述光学镜头(7)与最末排的一根Angel型龙虾眼光纤(6)水平共光轴设置；在光学镜头(7)与最末排的一根Angel型龙虾眼光纤(6)之间设置有比重油(8)，且该Angel型龙虾眼光纤(6)的一端伸入比重油(8)中；
所述激光测径仪(4)位于Angel型龙虾眼光纤的水平共光轴垂直正下方，用于实行二维丝径扫描检测；
所述激光测径仪(4)置于二维XY精密移动装置(5)上，所述二维XY精密移动装置(5)用于调整所述激光测径仪(4)的检测位置；
所述检测装置包括计算机信号处理系统(9)，连接至所述激光测径仪(4)、光学镜头(7)，对所得数据处理，得到包括方丝的丝径、垂直度和方孔阵列结构在内的性能指标。
2.根据权利要求1所述的高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置，其特征在于：所述装料夹具(2)表面均布有若干沿水平方向设置的方形凹槽，所述Angel型龙虾眼光纤(6)置于所述方形凹槽内；所述方形凹槽的边长直径d1等于所述Angel型龙虾眼光纤(6)的直径d2。
3.根据权利要求1所述的高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置，其特征在于：所述的Angel型龙虾眼光纤(6)有2种不同类型的光纤，分别为单丝和复丝，其外型轮廓均为方形，单丝为一次拉制成型，复丝为将排列整齐的单丝再次拉制而成。
4.根据权利要求3所述的高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置，其特征在于：所述的Angel光纤由1000～2000根方丝复合而成，经过拉丝炉的热熔过程2次拉制而成；光纤的边长为0.7mm～1.5mm，长度为500mm～1000mm。
5.根据权利要求1所述的高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置，其特征在于：所述的光学镜头(7)为球面镜头，可自动调焦，焦距范围为1mm～10mm；视野范围为0.1mm～2mm；像素精度优于0.1um/像素。
6.根据权利要求1所述的高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置，其特征在于：所述激光测径仪(4)为双径非接触式动态测量，测量范围为0.05mm～10mm；重复精度为0.04um；定位精度为0.5um；激光波长为400nm～650nm；扫描速度为3200scan/s。
7.根据权利要求1所述的高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置，其特征在于：所述的二维XY精密移动装置(5)的二维移动行程范围为1000mm～2000mm；步进精度小于1um，用于减少线性扫描时所带来的系统误差。
8.根据权利要求1所述的高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置，其特征在于：所述的比重油(8)含碳量86％～89％，含氢量10％～12％，凝固点40℃～60℃，比重油折射率n1等于所述Angel型龙虾眼光纤(6)的折射率n2。
9.基于权利要求1-9任一权利要求的高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置的检测方法，其特征在于：采用丝径轴向自动扫描检测技术和横截面观测技术相结合，实现方丝精度和方孔结构的检测，包括以下步骤：
(1)依次将Angel型龙虾眼光纤(6)放在的装料夹具(2)上的方形凹槽内；
(2)将装料夹具(2)移动到测量位置，利用二维XY精密移动装置(5)调整激光测径仪(4)，对Angel型龙虾眼光纤(6)实行二维丝径扫描检测；
(3)将测量丝径后的Angel型龙虾眼光纤(6)依次放入比重油(8)内，通过调整光学镜头(7)使得Angel型龙虾眼光纤(6)内部的方孔结构的横截面成像效果最明显；
(4)通过光学镜头(7)记录Angel型龙虾眼光纤(6)的方孔结构，并存储在计算机信号处理系统(9)中；
(5)通过计算机信号处理系统(9)对所得数据处理，得到包括方丝的丝径、垂直度和方孔阵列结构在内的性能指标。
10.根据权利9要求所述的检测方法，其特征在于：步骤(5)中所述垂直度的处理方法为：采用垂直数码显微成像对Angel型龙虾眼光纤(6)的方孔结构进行处理，评判指标为光纤边界线垂直度和方孔阵列排布情况。
11.根据权利要求10所述的检测方法，其特征在于：所述光纤边界线垂直度的计算方法为：随机测量3个位置处方丝光纤的两个维度的数值，拟合得出2条直线的斜率，求取夹角，得到光纤边界线的垂直度。
12.根据权利要求11所述的检测方法，其特征在于：所述方孔阵列排布情况是基于边缘检测算法和轮廓提取，得到复丝内部微孔阵列的轮廓矩阵，求解不同位置处偏离理想情况的角度偏差，得到不同位置处的角度偏差分布，再对角度分布情况进行高斯拟合，得到其均方根和方差，用于评价方孔阵列排布情况。
13.一种高精度Angel型龙虾眼光纤的分拣系统，其特征在于，包括权利1-8中任一项所述的高精度Angel型龙虾眼光纤检测装置，还包括分拣箱(3)，所述分拣箱(3)设有若干个收集器，用于对不同尺寸的Angel型龙虾眼光纤进行分类收集；
其中，所述计算机信号处理系统(9)，根据所述激光测径仪、光学镜头测得的Angel型龙虾眼光纤性能指标，控制分拣箱(3)的移动，实现不同收集器的位置切换，实现Angel型龙虾眼光纤分拣到对应的收集器。
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