CN110108237B - 一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构，包括：载物台；设置在所述载物台上支杆；安装于所述支杆中的导光管；设置在所述导光管一端内部的光源发生器；设置在所述导光管与光源发生器相对的另一端的45度半透半反棱镜；设置在所述45度半透半反棱镜下方的可调光阑；以及用于承载基准表面和或待测表面的表面平行调节结构。

Description

一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，更具体地，本发明涉及一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置及检测方法。

背景技术

随着各类移动消费类电子产品的迅猛发展，移动消费类电子产品对网络通信的速度、延迟等质量要求越来越高，而光通信技术很好的满足了相应需求。对应的需要使用到激光器、波导、激光接收器等多种器件及光线传输介质。光学器件的制造、安装等各个环节都需要十分精准的光学匹配。在器件安装时，经常需要确保安装平面或者安装后的对应平面达到平行或者垂直的要求。因此，检测两个或者多个平面之间的平行度成了一个基本的检测项目。

在现有技术中，检测一个平面相对于一个平面是否平行，常用的方法有平晶干涉法、测微表测量法、光轴法等。

平晶干涉法是把平晶放在它所能覆盖的整个被测平面上，用平晶工作面体现理想平面，根据测量时出现的干涉条纹形状和数目来计算误差值，该方法只适合测量精研的小平面。

测微表测量法是用三个可调支撑将被测件支撑在参考平板上，用测微仪指示，调整可调支撑，用三点或四点法进行测量，然后用测微仪读出被测表上各点的最大与最小读数差作为测量结果，该方法可测量中等尺寸的工件。

光轴法利用准直类仪器，以其光轴扫描的平面作为测量基准，在工件被测位置布置测点，测出各测点相对于该测量基准的偏离量。

另外，还有水平仪法、自准直仪法、互检法等。但在应用以上方法测量，不但对测量人员技能要求高，而且费时费力。

上述的测量原理和方法在针对电子信息领域的光学器件检测以及匹配需要具体的检测方案和装置来实现，且大部分的检测设备存在价格昂贵、结构复杂等问题。因此，需要一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置及检测方法来至少部分的克服以上问题，提高检测效率并降低检测成本。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，根据本发明的一个实施例，提供一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构，包括：载物台；设置在所述载物台上支杆；安装于所述支杆中的导光管；设置在所述导光管一端内部的光源发生器；设置在所述导光管与光源发生器相对的另一端的45度半透半反棱镜；设置在所述45度半透半反棱镜下方的可调光阑；以及用于承载基准表面和或待测表面的表面平行调节结构。

在本发明的一个实施例中，近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构还包括设置在所述载物台与所述支杆之间的四维可调支架，所述四维可调支架固定在所述载物台上，且所述支杆安装在所述四维可调支架上，所述四维可调支架用于调整其上方支撑部件与所述载物台平行的左右和前后位置，同时可以沿左右和前后方向进行旋转。

在本发明的一个实施例中，所述导光管通过安装孔与所述支杆可旋转的连接。

在本发明的一个实施例中，所述导光管具有中通的导光孔。

在本发明的一个实施例中，所述光源发生器为半导体激光器。

在本发明的一个实施例中，所述半导体激光器产生的光斑直径为 1.5-3mm。

在本发明的一个实施例中，所述45度半透半反棱镜通过安装结构与导光管固定。

在本发明的一个实施例中，所述45度半透半反棱镜和所述安装结构具有与导光管的导光孔尺寸基本相同的光通孔，且固定后所述光通孔与所述导光孔基本同轴。

在本发明的一个实施例中，所述45度半透半反棱镜为配置成45度的平板玻璃及其支持结构。

在本发明的一个实施例中，所述可调光阑固定在所述45度半透半反棱镜下方。

在本发明的一个实施例中，所述可调光阑固定在所述支杆上，且位于所述 45度半透半反棱镜下方。

在本发明的一个实施例中，所述表面平行调节结构用于调节基准表面和或待检测表面的水平。

在本发明的一个实施例中，近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构还包括设置在半透半反棱镜上方的投影屏幕。

在本发明的一个实施例中，近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构还包括设置在半透半反棱镜或可调光阑上的检测结果反馈装置。

根据本发明的另一个实施例，提供一种基于近距离不同表面平行状态的光学检测装置进行两个不同表面的平行状态检测的方法，包括：调节可调光阑至最小孔径，并使光源发生器开机；调节四维可调支架，使通过可调光阑的最小孔径的光斑照射到基准表面；调节表面平行调节结构，使基准表面反射的光斑与可调光阑最小孔径重合；调节可调光阑至最大孔径；调节四维可调支架使光源光斑通过可调光阑同时照射到基准表面和待测表面；观察待测表面反射的光斑与基准表面反射的光斑是否重合，并判断两个平面是否平行。

在本发明的另一个实施例中，判断两个平面是否平行的标准为：若待测表面反射的光斑与基准表面反射的光斑重合，则表明待测表面与基准表面平行；若待测表面反射的光斑与基准表面反射的光斑不重合，则表明待测表面与基准表面不平行。

在本发明的另一个实施例中，调节表面平行调节结构使待测表面反射的光斑与基准表面反射的光斑重合，从而实现待测表面与基准表面平行。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例的一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构100的立体示意图。

图2示出根据本发明的一个实施例的一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构100的装配示意图。

图3示出根据本发明的一个实施例的基于一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构100进行不同表面平行检测的方法流程图。

图4示出根据本发明的一个实施例的基于一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构100进行检测的平行状态原理图。

图5示出根据本发明的一个实施例的基于一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构100进行检测的不平行状态原理图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

图1是根据本发明的一个实施例的一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构100立体示意图。如图1所示，该近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构100包括载物台101、四维可调支架102、支杆103、导光管 104、光源发生器105、45度半透半反棱镜106、可调光阑107、基准表面平行调节结构108以及待检测表面平行调节结构109。

载物台101主要用于固定四维调节支架，可以是刚性平台，也可以悬空导轨、固定桩等结构，其材料可以为金属、合金、玻璃、有机物或其组合构成。四维可调支架固定在载物台101上，如果载物台101的结构尺寸满足要求，待检测物体也可以放置于载物台101上，这种情况下，优选的，在载物台101的待检测物体放置区域设置有基准表面平行调节结构108以及待检测表面平行调节结构109，该基准表面平行调节结构108以及待检测表面平行调节结构109 具有六维调节功能，可以调整某一个或者所有待检测平面的角度。同时，该基准表面平行调节结构108以及待检测表面平行调节结构109可以与载物台101 分离，通过固定结构独立设置在所需位置。

四维可调支架102用于调整其上方支撑部件的位置和角度，具体的为调整与载物台101平行的左右(X方向)和前后(Y方向)位置，同时可以沿X方向和Y方向进行角度旋转，从而可以使整体结构的发射光垂直照射到特定的检测表面或者校准表面，四维可调支架102的材料可以为金属、合金、有机物或其组合构成。

支杆103固定在四维可调支架102上，支杆103的材料可以为金属、合金等型材构成。支杆103的作用是用于水平支撑导光管104，具体的装配方式将在后续的装配图中详细描述。支杆103也可以包含有位置可调装置(图中未示出)，其位置可调装置包括但不限于与载物台101垂直方向的距离调节，以及沿该垂直方向的旋转角度调节。此外，支杆103与导光管104的结合位置可以沿导光管104的延展方向进行旋转角度调节。

导光管104固定在支杆103上，导光管104的一端设置有光源发生器105，另一端设置有45度半透半反棱镜106，光源发生器105发射的检测光线可以沿导光管104传输到半透半反棱镜106。

光源发生器105的作用是产生平面检测所需的光源，一般为半导体激光器，此外，其他任何能产生可用于该检测装置所需的光源的器件或物体也可以作为光源发生器105。

45度半透半反棱镜106的作用是对从导光管104传输过来的光线部分地进行反射，从而使部分检测光源由沿导光管104的水平方向，反射到垂直于载物台101的垂直方向。同时45度半透半反棱镜106还具有半透射的功能，为后续的检测提供光学观测通道。45度半透半反棱镜106可以为三棱镜、四棱镜，也可以是配置成45度的平板玻璃及其支持结构。

可调光阑107设置在45度半透半反棱镜106的下方，可调光阑107优选的固定在在45度半透半反棱镜106下方，但也可以通过轴杆连接到支杆103 的对应位置(图中未示出)。可调光阑107具有可调光阑通孔1071，在安装固定后，该可调光阑通孔1071可优选地与在45度半透半反棱镜106上的光阑连接通孔1062同轴。为了考虑对准精度，可调光阑通孔1071的最小通孔直径不大于2mm，同时为了考虑光斑亮度，最小通孔直径最好不小于0.5mm。

基准表面平行调节结构108及待检测表面平行调节结构109一般为设置在载物台101的待检测物体放置区域的水平可调节装置。通过基准表面平行调节结构108可以配合四维可调支架102校准设置在基准表面平行调节结构108上的待检测表面的反射光斑与可调光阑最小孔径重合；然后通过待检测表面平行调节结构109调整设置在待检测表面平行调节结构109上的待检测表面的反射光斑与待检测表面1的发射光斑重合。

同时，该近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构100还可选的包括位于45度半透半反棱镜106上方的投影屏幕(图中未示出)。优选的，投影屏幕距离待测表面的距离大于2米，为了便于计算被测表面间的具体平行角度差，可以将该距离设置为某一便于计算的确定值，被测表面相对基准面的偏差的角度计算公式为：θ＝[tg^-1(x/l)]/2，其中x表示光斑相差的距离，l表示投影屏幕与待测表面距离，如果距离l＝2米，光斑相差x＝1mm，可计算得到面平行角度相差约0.01度；如果两个光斑重合即x＝0mm，那么可以计算得到面平行角度为0度，即两个面平行。

此外，该近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构100还可选的包括检测结果反馈装置(图中未示出)，如在45度半透半反棱镜106的镜面背侧或者可调光阑107的上对应位置设置光斑检测装置，基于光斑形状判断检测结果为平行还是不平行；进一步通过软件设置，可以判断检测平面的不平行方向及程度。

下面结合图2来详细介绍该近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构100的装配方式。图2示出的是根据本发明的一个实施例的一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构100的装配示意图。

四维可调支架102可以通过铆接、焊接等方式不可拆卸的安装固定在载物台101上，也可以通过螺丝、螺母等方式可拆卸的安装固定在载物台101上。具体安装方式图中未示出。四维可调支架102上设置有四维调节机构1021、 1022、1023，部分调节机构图中未示出。调节机构可以通过旋转、拨动等方式对四维可调支架102所支撑的结构进行沿图1所示的X方向、Y方向，以及沿 X、Y的旋转方向进行调节。

支杆103通过底座1031固定在四维可调支架102上。其固定方式包括但不限于卡扣、焊接、铆接、螺丝固定等。支杆103上设置有导光管104的安装孔1032，导光管104可贯通的安装于其中。同时在安装孔1032上方设置有锁紧螺孔1033，在导光管104安装并调整到位后，可以通过锁紧螺丝1034与锁紧螺孔1033将导光管104与支杆103刚性固定。

在导光管104与支杆103刚性固定前，或者固定后，可以通过螺丝将光源发生器105固定在导光管104的管体1041的一端。固定方式可以通过螺丝、固定胶等方式。同时，在管体1041的另一端设置有固定结构1042用于和后续对应的45度半透半反棱镜106连接。光通孔1043设置在管体1041和固定结构1042的轴线位置，其对应直径尺寸一般大于2mm，优选的为4mm至10mm。

45度半透半反棱镜106通过安装结构110固定到导光管104的与光源发生器105相对的另一端。安装结构110通过螺丝与导光管104的固定结构1042 安装固定，然后45度半透半反棱镜106通过螺丝与安装结构110固定。安装后45度半透半反棱镜106的光源入射孔1061与安装结构110上的光通孔1101，以及导光管104的光通孔1043同轴垂直，从而使光源发生器105发出的光线能无阻挡的传输到45度半透半反棱镜106上。

在45度半透半反棱镜106的下方设置有可调光阑107，可调光阑107优选的固定在45度半透半反棱镜106下方，但也可以通过轴杆连接到支杆103 的对应位置(图中未示出)。可调光阑107具有可调光阑通孔1071，在安装固定后，该可调光阑通孔1071可优选地与在45度半透半反棱镜106上的光阑连接通孔1062同轴。

基准表面平行调节结构108及待检测表面平行调节结构109为设置在载物台101的待检测物体放置区域的垂直可调节装置。垂直可调节的具体意思为沿图1的X轴和Y轴可以旋转调节从而使表面与来自半透半反棱镜106的反射光垂直。

下面结合图3来详细描述基于该近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构进行两个不同表面的平行状态检测的方法。图3示出的是根据本发明的一个实施例的基于一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构100进行不同表面平行检测的方法流程图。

首先，在步骤301，调节可调光阑至最小孔径，并使光源发生器开机。可调光阑最小孔径优选为1mm左右，光源发生器产生的光源的光斑优选也为直径2mm。这时，光源发生器产生的光斑通过45度半透半反棱镜反射后通过可调光阑的最小孔径照射到载物台上。

然后，在步骤302，调节四维可调支架使通过可调光阑的最小孔径的光斑射到基准表面。四维可调支架可以通过调节旋钮沿图1的X方向、Y方向进行移动，并沿这两个方向进行转动，从而使光斑垂直照射到基准表面。

接下来，在步骤303，调节基准表面调节装置，使基准表面反射的光斑与可调光阑最小孔径重合。至此，调整好基准表面与通过光阑的光斑垂直。

然后，在步骤304，调节可调光阑至最大孔径。

接下来，在步骤305，调节四维可调支架使光源光斑通过可调光阑同时照射到基准表面和待测表面。此时调节四维可调支架只需调节水平方向的移动，无需进行角度调整。

然后，在步骤306，观察待测表面反射的光斑与基准表面反射的光斑是否重合。

最后，在步骤307和307’，若上述光斑重合，则表明待测表面与基准表面平行；若上述光斑不重合，则表明待测表面与基准表面不平行。

上述步骤就构成基于该近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构进行两个不同表面的平行状态检测的方法流程。然后可选的，若检测结果为不平行，可以通过待检测表面调节结构调节待测表面，使待测表面反射的光斑与基准表面反射的光斑重合，从而达到调整待测表面与基准表面平行的结果。

下面结合图4和图5来解释基于该近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构进行两个不同表面的平行状态检测的方法的原理。

图4示出根据本发明的一个实施例的基于一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构100进行检测的平行状态原理图。如图4所示，光源发生器产生的光斑验证光路401照射到45度半透半反棱镜上；45度半透半反棱镜反射的光斑通过可调光阑，沿光路402同时照射到待测表面和基准表面上；若两表面平行，且与光路402垂直，则两个平面反射的光斑重合，且沿光路402 反射回光阑，并通过半透半反棱镜沿光路403投影到投影屏幕上。形成的光斑为同一个，且较集中。

图5示出根据本发明的一个实施例的基于一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构100进行检测的不平行状态原理图。如图5所示，光源发生器产生的光斑验证光路501照射到45度半透半反棱镜上；45度半透半反棱镜反射的光斑通过可调光阑，沿光路502同时照射到待测表面和基准表面上；若两表面不平行，在基准平面与光路502垂直的情况下，则两个平面反射的光斑不重合，基准平面反射光斑且沿光路502反射回光阑，且通过半透半反棱镜沿光路503投影到投影屏幕上。检测平面反射的光斑产生偏向，通过可调光阑的大孔投影，通过半透半反棱镜沿光路504投影到投影屏幕上，但形成的光斑位置不同。

根据本发明的一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构结合基于该结构的不同平面的平行状态检测方法具有检测效果可靠，结构简单，成本较低的特点，可广泛用于光学器件、光学结构的安装和检测等领域。

尽管上文描述了本发明 的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明 的精神和范围。因此，此处所公开的本发明 的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (17)

1.一种近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构，包括：

载物台；

设置在所述载物台上支杆；

安装于所述支杆中的导光管；

设置在所述导光管一端内部的光源发生器；

设置在所述导光管与光源发生器相对的另一端的45度半透半反棱镜；

设置在所述45度半透半反棱镜下方的可调光阑；以及

用于承载基准表面的基准表面平行调节结构和用于承载待测表面的待测表面平行调节结构，

其中45度半透半反棱镜对从导光管传输过来的光线部分地进行反射，从而使部分光源由沿导光管的水平方向，反射到垂直于载物台的垂直方向，调节可调光阑至最小孔径；使通过可调光阑的最小孔径的光斑照射到基准表面；调节基准表面平行调节结构，使基准表面反射的光斑与可调光阑最小孔径重合；调节可调光阑至最大孔径；使光源光斑通过可调光阑同时照射到基准表面和待测表面；观察待测表面反射的光斑与基准表面反射的光斑是否重合，并判断两个平面是否平行。

2.如权利要求1所述的近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构，其特征在于，还包括设置在所述载物台与所述支杆之间的四维可调支架，所述四维可调支架固定在所述载物台上，且所述支杆安装在所述四维可调支架上，所述四维可调支架用于调整其上方支撑部件与所述载物台平行的左右和前后位置，同时沿左右和前后方向进行旋转。

3.如权利要求1所述的近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构，其特征在于，所述导光管通过安装孔与所述支杆可旋转的连接。

4.如权利要求1所述的近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构，其特征在于，所述导光管具有中通的导光孔。

5.如权利要求1所述的近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构，其特征在于，所述光源发生器为半导体激光器。

6.如权利要求5所述的近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构，其特征在于，所述半导体激光器产生的光斑直径为1.5-3mm。

7.如权利要求1所述的近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构，其特征在于，所述45度半透半反棱镜通过安装结构与导光管固定。

8.如权利要求7所述的近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构，其特征在于，所述45度半透半反棱镜和所述安装结构具有与导光管的导光孔尺寸基本相同的光通孔，且固定后所述光通孔与所述导光孔基本同轴。

9.如权利要求1所述的近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构，其特征在于，所述45度半透半反棱镜为三棱镜、四棱镜或者配置成45度的平板玻璃及其支持结构。

10.如权利要求1所述的近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构，其特征在于，所述可调光阑固定在所述45度半透半反棱镜下方。

11.如权利要求1所述的近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构，其特征在于，所述可调光阑固定在所述支杆上，且位于所述45度半透半反棱镜下方。

12.如权利要求1所述的近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构，其特征在于，所述表面平行调节结构为六维可调结构，用于调节基准表面和或待测表面相对位置平行。

13.如权利要求1所述的近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构，其特征在于，还包括设置在半透半反棱镜上方的投影屏幕。

14.如权利要求1所述的近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构，其特征在于，还包括设置在半透半反棱镜或可调光阑上的检测结果反馈装置。

15.一种基于权利要求1至14中的任一项所述近距离不同表面平行状态的光学检测装置结构进行两个不同表面的平行状态检测的方法，包括：

调节可调光阑至最小孔径，并使光源发生器开机；

调节四维可调支架和或表面平行调节结构，使通过可调光阑的最小孔径的光斑照射到基准表面；

调节基准表面平行调节结构，使基准表面反射的光斑与可调光阑最小孔径重合；

调节可调光阑至最大孔径；

调节四维可调支架使光源光斑通过可调光阑同时照射到基准表面和待测表面；

观察待测表面反射的光斑与基准表面反射的光斑是否重合，并判断两个平面是否平行。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，判断两个平面是否平行的标准为：若待测表面反射的光斑与基准表面反射的光斑重合，则表明待测表面与基准表面平行；若待测表面反射的光斑与基准表面反射的光斑不重合，则表明待测表面与基准表面不平行。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，调节待测表面平行调节结构使待测表面反射的光斑与基准表面反射的光斑重合，从而实现待测表面与基准表面平行。

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