CN110986836A

CN110986836A - 基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置

Info

Publication number: CN110986836A
Application number: CN201911047046.8A
Authority: CN
Inventors: 苑立波; 权志强
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2039-10-30
Also published as: CN110986836B

Abstract

本发明提供的是基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置包括激光器1、普通单模光纤2、光纤耦合器3、光功率计4‑1、4‑2、光纤环形器5、环形芯光纤6、聚焦物镜7、电荷耦合器件(CCD)8、计算机9。所述环形芯光纤6末端具有一定锥角，使得激光经环形芯光纤6传输后在光纤末端附近形成微小的聚焦光斑，实现高精度的表面粗糙度测量。本发明的优势一方面在于实现了入射光路与收集光路的集成，缩小了测量装置的尺寸；另一方面在于通过设计具有一定锥角的光纤末端结构，使得入射光汇聚成微小的聚焦光斑，提高了测量的空间分辨率。

Description

基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置

(一)技术领域

本发明提供的是基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置，属于光学传感领域，具体涉及的是光学元件表面检测、精密加工领域。

(二)背景技术

表面粗糙度是描述表面微观形貌最常用的参数之一，是表面质量的直接反映，它在很大程度上影响和决定着零部件的使用性能，这种影响作用在机械、电子、生物医学和光学等诸多领域都有重要体现。表面粗糙度的测量分为接触式测量以及非接触测量，由于非接触测量具有无损、全场、实时在线测量等优点而备受关注，成为粗糙度测量的主要方法。

申请号为CN90214799.4的专利设计了一种激光表面粗糙度检测仪装置，将半导体激光器经光纤自聚焦透镜后成为平行光，再通过测量物镜聚焦于被测工件表面，光斑直径大约1.5mm，用聚光柱面透镜将被测工件的散射光会聚在光电三极管阵列，阵列将粗糙度引起的散射光分布信号变为电信号，经放大器输出，该装置具有抗干扰能力强、测量范围大、体积小等优势，但是结构复杂，光路调整困难，很难获得预期的待测信号，并且透镜准直系统效果差，信噪比低，经透镜形成的聚焦光斑半径太大，测量精度低。

此外，申请号为CN94107350.5的专利中黄平等人提出了超精表面粗糙度非接触式光干涉测量法，被测件表面与一个半透半反膜形成一夹角，组成被测系统，用光线通过半透半反膜射向被测件表面，该光线经半透半反膜以及被测表面反射后形成相干光，通过聚光系统得到干涉图形，将所得干涉图像处理成单频图像，再通过图像采集卡将图像输入到计算机中求出图像中的最大光强和最小光强以及被测点的光强，根据公式得出表面粗糙度，分辨率较高，垂直分辨率可达纳米级，水平分辨率可达微米量级，但是抗干扰能力弱，光源的不稳定性会影响得到的最大最小光强值，进而影响测量结果，并且系统需要对干涉图像进行复杂的处理，无法实现在线测量。

申请号为CN201610837588.5的专利中提出了一种基于激光散射法的表面粗糙度在线测量系统及方法，方案中将激光束以设定的角度斜入射到被测物体表面，收集激光束反射方向上且高度于激光器高度一致的采集屏上的散射图像，提取可以表征粗糙度的特征参数，计算出粗糙度值，实现了可以实现在线测量且精度较高(Ra:0.025～0.8μm)，结构简单，对环境要求不高，但是入射光路与收集光路分离，增加了光路的复杂程度，对散射图像的收集依赖于采集屏摆放的高度、角度，不稳定性大。

本发明针对以上在先技术存在的优点和不足，公开了基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置。可用于在线测量对表面粗糙度要求较高的待测平面。它采用一根环形芯光纤传输激光以及收集待测平面的镜面散射光，实现了入射光路以及收集光路的集成，简化了光路。此外，所采用的环形芯光纤末端进行了处理，具有一定锥角，使得入射光在经过光纤输出后形成微小的聚焦光斑，可以测量更小区域内的表面粗糙度，提高了系统的空间分辨率。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供可以用于光学元件表面检测、精密加工领域的基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置。

本发明的目的是这样实现的：

基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置包括激光器1、普通单模光纤2、光纤耦合器3、光功率计4-1、4-2、光纤环形器5、环形芯光纤6、聚焦物镜7、电荷耦合器件(CCD)8、计算机9。所述系统中激光器1发出特定波长的激光经由普通单模光纤2通过光纤耦合器3后分别通过光功率计4-1和光纤环形器5。经过光功率计4-1的入射光强被计算机实时记录，以减小激光器出射光强波动对测量结果的影响，经过光纤环形器5的光再耦合进环形芯光纤6后照射在待测平面上，耦合方式如图4所示。所述环形芯光纤6末端具有一定锥角，锥角结构如图5所示，使得激光经环形芯光纤6传输后在光纤末端附近形成微小的聚焦光斑。通过聚焦物镜7、电荷耦合器件(CCD)8在计算机9上得到探头与待测平面的位置关系图像，可以调整光纤探头到待测平面的距离使得聚焦光斑中心恰好在待测平面上。此时聚焦光在待测平面发生散射，平面散射光包括漫散射光和镜面反射光，其中镜面反射光的方向满足菲涅尔定律，越光滑的平面散射光中镜面反射光的占比越大。通过环形芯光纤6将入射光聚焦照射在待测平面之后，产生的镜面反射光将经过环形芯光纤6经由光纤环形器5被光功率计4-2所探测到，根据Beckmann散射理论，所收集到的镜面散射光强度I_S与表面粗糙度均方值σ²满足如下关系：

式中λ为所选用的激光波长，θ₁为入射光与待测平面法线的夹角，θ₂为镜面反射光与待测平面法线的夹角，I₀为激光器发射光强，I_S为光功率计接收到的镜面散射光光强。基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置所采用的环形芯光纤，其特征是：环形芯光纤6可以使得所选波长的光在其中保持基模传输，即光线在环形芯光纤6中可视为平行于纤芯侧边传输，θ₁只与环形芯光纤6末端的锥角有关。假定光纤锥角为α、纤芯折射率为n₁、包层折射率为n₂，已知空气折射率为n_r，则

基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置所采用的环形芯光纤，其特征是：环形芯光纤6的末端具有一定锥角如图4所示，这种结构能使得环形芯光纤6内传输的光从端面出射后汇聚于一点，从而实现探测更小区域内的表面粗糙度信息，增加了空间分辨率。聚焦的光线在待测平面上发生平面散射，平面散射光包括漫散射光和镜面反射光，镜面反射光的方向满足菲涅尔定律，即入射光与待测平面法线的夹角θ₁等于镜面反射光与待测平面法线的夹角θ₂。(1)式可写为：

由于所述环形芯光纤6具有对称的锥台结构，因此镜面反射光可以经过环形芯光纤6和光纤环形器5被光功率计4-2所探测到。激光器光强值I₀和镜面反射光光强值I_S实时储存到计算机9中，计算机9对其进行数据处理即可得到待测平面的表面粗糙度均方值。数据处理流程图如图6所示。

进一步地，该环形芯光纤也可以是其它具有对称结构的环形阵列芯光纤。

本发明的有益效果在于：

本发明根据粗糙度非接触式测量的需求并结合已有的表面粗糙度测量系统的优点，提出了基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置。一方面，实现了入射光路与收集光路的集成，简化了测量系统的结构以及缩小了测量系统的尺寸；另一方面，此测量系统通过设计具有一定锥角的光纤末端结构，使得入射光汇聚成微小的聚焦光斑，提高了测量的空间分辨率。

(四)附图说明

图1是基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置的装置示意图。

图2是探头工作原理图。

图3是环形芯以及环形阵列芯光纤端面图。(a)为环形芯光纤的光纤端面图，(b)为四芯环形阵列芯的光纤端面图，(c)为六芯环形阵列芯的光纤端面图。

图4是单模光纤与环形芯光纤耦合示意图。

图5是光纤锥角位置图。

图6是计算机数据处理流程图。

图7(a)是光纤锥角与聚焦光斑直径的关系图；(b)是锥角为0到20度的放大图。

图8(a)是光纤锥角与焦平面到光纤端面距离的关系图；(b)是锥角为0到20度的放大图。

图9是待测平面粗糙度均方值与探测到的镜面反射光强值的关系图。

(五)具体实施方式

下面结合具体的附图来进一步阐述本发明。

本发明公开的是基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置。如图1所示，基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置包括激光器1、普通单模光纤2、光纤耦合器3、光功率计4-1、4-2、光纤环形器5、环形芯光纤6、聚焦物镜7、电荷耦合器件(CCD)8、计算机9。激光器发1出的激光经过单模光纤2和光纤耦合器3后进入光纤环形器5，将单模光纤2和环形芯光纤6进行熔融拉锥之后可以将激光耦合进入环形芯光纤6之中，环形芯光纤6末端经过磨锥处理后具有一定锥角以实现对入射光的聚焦进而形成微小的聚焦光斑。

根据Beckmann散射理论可知，对于随机表面，其粗糙度会影响散射光光强的空间分布，具体关系如下：

其中：

称为几何因子，

v_x＝k(sinθ₁-sinθ₂cosθ₃)；v_y＝sinθ₂cosθ₃ (6)

代表波矢在x方向的分量，

v_z＝k(cosθ₁+cosθ₂) (7)

代表波矢在z方向的分量，

其中k＝2π/λ，λ是入射波长

代表x方向和y方向波矢分量的合成矢量，

代表待测平面上的入射点与空间中待测点在xoy平面上的距离。

J₀是0阶贝塞尔函数，<>表示平均值。对于表面粗糙度均方值小于0.1个波长的待测平面，镜面散射光强为：

＜EE^*＞_SPEC＝E₀ ²·e^-g (10)

其中：

g＝4π²(σ²/λ²)(cosθ₁+cosθ₂)² (11)

是控制镜面反射光光分量相对大小的因子。

由(9)和(10)便可以得出(1)式，进而可以通过测量待测平面的镜面反射光得出待测平面的粗糙度值，实现对待测平面表面粗糙度的测量。此外，由于所述环形芯光纤可以实现将入射光聚焦成为微小的光斑，提高了测量的空间分辨率，因此本发明具有更高的精度。

实施例：基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置的仿真测试

图7为仿真计算得到的光纤锥角与聚焦光斑直径的关系曲线图。在该仿真中，光纤锥角从0度开始以0.01度的步长增加到90度，聚焦光斑的半径不断变化。仿真曲线的横坐标为光纤锥角度数，纵坐标为聚焦光斑的半径。在光纤锥角增大到30度之后，聚焦半径开始显著增加，因此对于光纤锥角大于30度的光纤结构无法满足小聚焦光斑半径的要求。

图8为仿真计算得到的光纤锥角与焦平面到光纤末端的距离的关系曲线图。在该仿真中，光纤锥角从0度开始以0.01度的步长增加到90度，聚焦光斑到光纤末端的距离不断变化。仿真曲线的横坐标为光纤锥角，纵坐标为聚焦光斑焦平面到光纤端的距离。当光纤锥角在小于5度的一个范围内发生了急剧上升，5度到30度之间时，聚焦光斑到光纤末端的距离符合要求。考虑到加工难度，最终选取锥角为15度的光纤结构。

图9为仿真计算得到的待测平面粗糙度均方值与探测到的镜面反射光强值的关系图。在该仿真中，待测平面的粗糙度均方根从0开始以0.001个波长的步长增加到0.1个波长，入射波长为1550nm，光纤锥角为15度，入射光线与待测平面法线的夹角为46.3度。仿真曲线的横坐标为粗糙度标准值，纵坐标为接收光强值。对于极其光滑的待测面，本发明的测量误差较大，但是对于表面粗糙度均方值为40nm～140nm的待测平面，计算所得的粗糙度均方值与理论值误差很小，最终实现了横向分辨率在十纳米级别的表面粗糙度测量。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。本领域的技术人员在不超过本发明的精神和权力说明书的保护范围，还可以做出改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置包括激光器1、普通单模光纤2、光纤耦合器3、光功率计4-1、4-2、光纤环形器5、环形芯光纤6、聚焦物镜7、电荷耦合器件(CCD)8、计算机9。所述系统中激光器1发出特定波长的激光经由普通单模光纤2通过光纤耦合器3后分别通过光功率计4-1和光纤环形器5。经过光纤环形器5的光再耦合进环形芯光纤6后照射在待测平面上，所述环形芯光纤6末端具有一定锥角，使得激光经环形芯光纤6传输后在光纤末端附近形成微小的聚焦光斑。通过聚焦物镜7、电荷耦合器件(CCD)8在计算机9上得到探头与待测平面的位置关系图像，可以调整光纤探头到待测平面的距离使得聚焦光斑中心恰好在待测平面上，此时聚焦光在待测平面发生散射，镜面反射光依次经过环形芯光纤6、光纤环形器5被光功率计4-2所探测到，根据表面粗糙度与镜面反射光强的关系得出待测平面的表面粗糙度值。

2.根据权利要求1所述的基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置所采用的环形芯光纤，其特征是：该环形芯光纤也可以是其它具有对称结构的环形阵列芯光纤。

3.根据权利要求1所述的基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置所采用的环形芯光纤，其特征是：环形芯光纤末端可以是锥台形也可以是其它对光线具有聚焦作用的端面结构。

4.根据权利要求1所述的基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置，其特征是：激光器出射光强可以被计算机实时记录，以减小激光器出射光强波动对测量结果的影响。