CN111208529A - 小型简易光学间距非接触低相干测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型简易光学间距非接触低相干测量装置，其特征在于，包括箱体、计算机、测量臂以及设置在所述箱体内部的光纤干涉探测盒、扫频光源、指示光源和参考臂；所述光纤干涉探测盒内设置有光纤耦合器、环形器、波分复用器和平衡探测器；所述参考臂包括第一准直器、反射镜以及用于安装所述反射镜且可对所述反射镜的位置进行调节的反射镜安装座，所述测量臂包括第二准直器和待测样品；本发明可用于小型光学表面间距非接触测量，具有结构简单紧凑、易于调整组装、便于移动、测量无损伤等优点；本发明通过反射镜安装座，能实现反射镜的位置的方便调节，以保证从反射镜返回的光线能再次进入第一准直器，方便装置的光路调节。

Description

小型简易光学间距非接触低相干测量装置

技术领域

本发明涉及光学工程技术领域，特别涉及一种小型简易光学间距非接触低相干测量装置。

背景技术

光学系统中光学表面间距决定了各个镜片的相对位置，其误差严重地影响光学系统的成像质量，随着光学技术的不断进步，成像质量要求越来越高，对光学表面中心间距的测量要求也越来越高，传统的测量方法一般是接触式测量，不仅容易破坏精密镜片的表面，并且只能实现单独镜片的测量，无法实现整个系统测量。采用光学低相干测量技术的测量装置，可以很好的解决这两个问题。

例如中国专利2018104473568公开了一种光学表面间距非接触式测量装置和方法，其可实现光学表面间距的非接触式测量，当该装置器件繁多结构复杂，不易于实现装置的小型集成化。所以现在需要一种更可靠的方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种小型简易光学间距非接触低相干测量装置。

本发明采用的技术方案是：一种小型简易光学间距非接触低相干测量装置，包括箱体、计算机、测量臂以及设置在所述箱体内部的光纤干涉探测盒、扫频光源、指示光源和参考臂；

所述光纤干涉探测盒内设置有光纤耦合器、环形器、波分复用器和平衡探测器；

所述参考臂包括第一准直器、反射镜以及用于安装所述反射镜且可对所述反射镜的位置进行调节的反射镜安装座，所述测量臂包括第二准直器和待测样品；

所述扫频光源发出的光进入所述环形器的第一接口，再由所述环形器的第二接口输出至所述波分复用器，与所述指示光源输入至所述波分复用器的光复合；所述波分复用器输出的光进入所述光纤耦合器后被分为两束，分别进入所述测量臂和参考臂；所述参考臂的返回光和测量臂的返回光再进入所述光纤耦合器发生干涉后再分成两束，一束进入所述平衡探测器，另一束经过所述波分复用器后进入所述环形器的第二接口，再由所述环形器的第三接口输出至所述平衡探测器；所述平衡探测器的输出信号传输至所述计算机。

优选的是，所述扫频光源设置在所述箱体的底板上，所述箱体的底板上还设置有支架，所述光纤干涉探测盒和参考臂均设置在所述支架上。

优选的是，所述箱体的前侧板外壁上设置有测量头，所述测量头包括外罩和设置在所述外罩内的所述第二准直器；

所述测量头的下方还设置有用于装载样品的样品架。

优选的是，所述反射镜安装座包括底座、可转动设置在所述底座上的反射镜筒座以及可转动设置在所述反射镜筒座内的反射镜筒，所述反射镜设置在所述反射镜筒内；

所述反射镜筒座可带动所述反射镜相对所述底座绕Z轴转动，所述反射镜筒可带动所述反射镜相对所述反射镜筒座绕Y轴转动。

优选的是，所述底座的中部沿Z轴开设有轴孔，所述反射镜筒座底部连接有可转动设置在所述轴孔内的转轴；

所述底座的侧部开设有与所述轴孔连通的螺纹锁紧孔，所述螺纹锁紧孔内配合设置有锁紧螺钉。

优选的是，所述反射镜筒座中部沿X轴开设有用于安装所述反射镜筒的安装通孔；

所述转轴内部沿Z轴贯穿开设有弹簧孔，所述弹簧孔的底部固定设置有弹簧压圈，所述弹簧孔的顶部设置有顶球，所述顶球和弹簧压圈之间设置有弹簧；

所述反射镜筒座底部开设有连通所述弹簧孔和安装通孔的顶球孔，所述顶球的上部可伸出所述顶球孔以与设置在所述安装通孔内的反射镜筒的底部顶压；

所述顶球的直径大于所述顶球孔的直径。

优选的是，所述反射镜筒座的上端开设有贯通至所述安装通孔的两个沿X轴间隔设置的调节螺纹孔，所述调节螺纹孔内配合设置有内端与所述反射镜筒顶压的调节螺丝；

所述反射镜筒座的两侧开设有关于Z轴对称的两固定螺纹孔，所述固定螺纹孔内配合设置有内端与所述反射镜筒顶压的固定螺丝。

优选的是，所述反射镜筒内还设置有用于顶压所述反射镜的反射镜压圈。

优选的是，所述反射镜筒座的底面处于所述转轴外周的位置设置有环形滑圈，所述底座的上端面开设有与所述环形滑圈配合的环形滑槽，所述环形滑圈可在所述环形滑槽内配合转动。

优选的是，所述环形滑圈的截面为圆形或椭圆形，且其内部中空；

所述转轴的外周开设有用于供所述锁紧螺钉的内端插入的环形锁紧槽；所述环形锁紧槽的内壁上部为水平面，其内壁下部具有弧形倾斜面。

本发明的有益效果是：本发明的小型简易光学间距非接触低相干测量装置，可用于小型光学表面间距非接触测量，具有结构简单紧凑、易于调整组装、便于移动、测量无损伤等优点；本发明通过反射镜安装座，能实现反射镜的位置的方便调节，以保证从反射镜返回的光线能再次进入第一准直器，方便装置的光路调节。

附图说明

图1为本发明的小型简易光学间距非接触低相干测量装置的内部结构示意图；

图2为本发明的小型简易光学间距非接触低相干测量装置的外部结构示意图；

图3为本发明的小型简易光学间距非接触低相干测量装置的原理框图；

图4为本发明的光纤干涉探测盒内部组件的连接示意图；

图5为本发明的反射镜安装座的结构示意图；

图6为本发明的反射镜安装座的沿X轴方向的剖视结构示意图；

图7为本发明的反射镜安装座的沿Y轴方向的剖视结构示意图；

图8为本发明的反射镜安装座与底座配合的结构示意图；

图9为本发明的反射镜安装座与底座的分解结构示意图；

图10为本发明的另一种实施例中的反射镜安装座与底座配合的剖视结构示意图；

图11为本发明的图10中A处的局部放大结构示意图；

图12为本发明的图10中B处的局部放大结构示意图。

附图标记说明：

1—箱体；2—扫频光源；3—指示光源；4—光纤干涉探测盒；5—测量臂；6—参考臂；7—计算机；8—样品架；10—底板；11—支架；12—测量头；13—外罩；14—盖板；15—侧板；16—走线口；17—安装板；40—环形器；41—波分复用器；42—光纤耦合器；43—平衡探测器；44—指示光源接口；45—扫频光源接口；46—参考臂接口；47—测量臂接口；48—探测器输出端口；50—第二准直器；51—待测样品；60—第一准直器；61—反射镜；62—反射镜安装座；620—底座；621—反射镜筒座；622—反射镜筒；6200—轴孔；6201—螺纹锁紧孔；6202—锁紧螺钉；6203—环形滑槽；6210—转轴；6211—安装通孔；6212—弹簧孔；6213—弹簧压圈；6214—顶球；6215—弹簧；6216—顶球6214孔；6217—调节螺纹孔；6218—固定螺纹孔；6219—环形滑圈；6220—反射镜压圈；62020—锥形端；62100—环形锁紧槽；62101—水平面；62102—弧形倾斜面；62170—调节螺丝；62180—固定螺丝。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1-4所示，本实施例的一种小型简易光学间距非接触低相干测量装置，包括箱体1、计算机7、测量臂5以及设置在箱体1内部的光纤干涉探测盒4、扫频光源2、指示光源3和参考臂6；

光纤干涉探测盒4内设置有光纤耦合器42、环形器40、波分复用器41和平衡探测器43；

参考臂6包括第一准直器60、反射镜61以及用于安装反射镜61且可对反射镜61的位置进行调节的反射镜安装座62，测量臂5包括第二准直器50和待测样品51；

扫频光源2发出的光进入环形器40的第一接口，再由环形器40的第二接口输出至波分复用器41，与指示光源3输入至波分复用器41的光复合；波分复用器41输出的光进入光纤耦合器42后被分为两束，分别进入测量臂5和参考臂6；参考臂6的返回光和测量臂5的返回光再进入光纤耦合器42发生干涉后再分成两束，一束进入平衡探测器43，另一束经过波分复用器41后进入环形器40的第二接口，再由环形器40的第三接口输出至平衡探测器43，实现平衡探测；平衡探测器43的输出信号传输至计算机7，实现测量。其中，指示光源3的作用为：由于扫频光源一般采用的是中心波长为1310nm的肉眼不可见的红外光，在光路调整时极其不便。指示光源采用可见光，可选用波长650nm的红光，用于引导光路装调对准，便于判断光路是否返回进入准直器，在测试过程中和不需要调整时，可将此光源关闭。

该系统通过扫频光学相干层析(SSOCT)原理实现测量，该原理为现有技术，可参照中国专利：2018104473568一种光学表面间距非接触式测量装置和方法，此专利的方案中需要设置导轨，用于移动参考臂的反射镜，实现干涉，测量精度依赖于导轨的精度；或201910155886.X大量程无接触光学间距测量系统及其测量方法等，该方案结构复杂，调整麻烦，不易于实现。

需要理解的是，系统的原理并非本发明的改进点，故对其原理只作简单介绍：频域相干干涉的本质上是有一个迈克尔逊干涉仪构成，光源发出的光经分束镜分成两部分，其中一束光进入参考臂6，另一束光进入样品臂，当样品臂的后向散射或反射光与参考光光程差小于光源的相干长度时发生干涉。由于频域相干干涉采用的光源是具有窄脉冲、宽光谱的快速可调谐激光器，它能够周期性的输出一段宽光谱的光波，在每个周期内，光源按照时间先后输出一个可近似认为是单波长的窄带光束，相当于光源将输出的光波进行了时间编码。因此光的干涉信号是时间的函数，用点探测器就可以探测到不同时间的干涉信号，由傅里叶变换获得信号中携带的样品深度信息。

本实施例中，箱体1包括底板10、盖板14和侧板15，扫频光源2设置在箱体1的底板10上，箱体1的底板10上还设置有支架11，光纤干涉探测盒4和参考臂6均设置在支架11上，第一准直器60和反射镜61均设置在安装板17上，安装板17再固接到支架11上。箱体1的背部的侧板15上设置有走线口16，用于扫频光源2、指示光源3和平衡探测器43的输出线缆的走线。

其中，箱体1的前侧板15外壁上设置有测量头12，测量头12包括外罩13和设置在外罩13内的第二准直器50；

测量头12的下方还设置有用于装载样品的样品架8。样品架8的位置可调整(通过常规多维调节机构实现即可)，用于放置和调整待测样品51，以使其处于第二准直器50正下方。

其中，参照图4，光纤干涉探测盒4上设置有指示光源接口44、扫频光源接口45、参考臂接口46、测量臂接口47和探测器输出端口48。指示光源3(本实施例中采用红光指示光源3)通过指示光源接口44与波分复用器41连接；扫频光源2通过扫频光源接口45与环形器40的第一接口连接，环形器40的第二接口与波分复用器41连接，环形器40的第二接口与平衡探测器43连接，波分复用器41和平衡探测器43与耦合器(2×2耦合器)的两个第一端口连接，耦合器的另外两个第二端口分别连接第一准直器60和第二准直器50；平衡探测器43通过线缆经探测器输出端口48与外部计算机7连接。

反射镜安装座62用于安装反射镜61并对反射镜61的位置进行调节，以保证从反射镜61返回的光线能再次进入第一准直器60。反射镜61主要是需要实现方位角度(绕Z轴的旋转角度)和俯仰角度(绕Y轴的旋转角度)的微调，参照图5-7中的方向示意。在一种优选的实施例中，通过以下结构实现。参照图5-9。

反射镜安装座62包括底座620、可转动设置在底座620上的反射镜筒座621以及可转动设置在反射镜筒座621内的反射镜筒622，反射镜61设置在反射镜筒622内；反射镜筒座621可带动反射镜61相对底座620绕Z轴转动，反射镜筒622可带动反射镜61相对反射镜筒座621绕Y轴转动。

底座620的中部沿Z轴开设有轴孔6200，反射镜筒座621底部连接有可转动设置在轴孔6200内的转轴6210；

底座620的侧部开设有与轴孔6200连通的螺纹锁紧孔6201，螺纹锁紧孔6201内配合设置有锁紧螺钉6202。

反射镜筒座621中部沿X轴开设有用于安装反射镜筒622的安装通孔6211；

转轴6210内部沿Z轴贯穿开设有弹簧孔6212，弹簧孔6212的底部固定设置有弹簧6215压圈6213，弹簧孔6212的顶部设置有顶球6214，顶球6214和弹簧6215压圈6213之间设置有弹簧6215；

反射镜筒座621底部开设有连通弹簧孔6212和安装通孔6211的顶球孔6216，顶球6214的上部可伸出顶球孔6216以与设置在安装通孔6211内的反射镜筒622的底部顶压；

顶球6214的直径大于顶球孔6216的直径。

反射镜筒座621的上端开设有贯通至安装通孔6211的两个沿X轴间隔设置的调节螺纹孔6217，调节螺纹孔6217内配合设置有内端与反射镜筒622顶压的调节螺丝62170；

反射镜筒座621的两侧开设有关于Z轴对称的两固定螺纹孔6218，固定螺纹孔6218内配合设置有内端与反射镜筒622顶压的固定螺丝62180。

反射镜筒622内还设置有用于顶压反射镜61的反射镜压圈6220，反射镜61安装在反射镜筒622内，然后通过反射镜压圈6220固定。

在弹簧6215的弹力作用下，顶球6214始终与反射镜筒622的底部保持顶压，配合上部的两个调节螺丝62170和两侧的两个固定螺丝62180的顶压，使反射镜筒622能稳定设置在反射镜筒座621内。由于两个调节螺丝62170处于顶球6214两侧，顶球6214其支点作用，所以通过两个调节螺丝62170旋入深度的调节可实现反射镜筒622的俯仰角度的调节。

反射镜安装座62的调节原理为：

方位角度(绕Z轴的旋转角度)的调节：旋松锁紧螺钉6202，然后转动反射镜筒座621，使反射镜筒座621相对底座620绕Z轴旋转，从而实现反射镜61方位角度的调节，调节好后，拧紧锁紧螺钉6202，锁紧螺钉6202的内端与转轴6210的外壁顶压实现锁紧，使反射镜筒座621相对底座620固定；

俯仰角度(绕Y轴的旋转角度)的调节：通过旋转两个调节螺丝62170的旋入深度，使反射镜筒622可绕Y轴旋转，实现俯仰调节。由于俯仰角度调节过程中是通过下面弹簧6215、顶珠顶球6214和两个调节螺丝62170实现的三点定位，在长期使用中，弹簧6215可能出现变形导致结构不稳定，故增加下方两个固定螺丝62180，在俯仰角度调整好后，通过两个固定螺丝62180与上方两个调节螺丝62170一起实现反射镜筒622的固定。

另一方面，通过调节两个固定螺丝62180的旋入深度，还能实现反射镜61在ZY平面内的位置的调节。例如，将固定螺丝62180的旋入深度减小，将两个调节螺丝62170的旋入深度增加，顶球6214可被挤压向下移动，反射镜筒622沿Z轴向下移动。

通过反射镜安装座62的上述结构设置，能方便实现反射镜61的方位角度、俯仰角度以及在ZY平面内的位置的调节，且该结构小巧简单，操作方便。

参照图10-12，在一种进一步优选的实施例中，反射镜筒座621的底面处于转轴6210外周的位置设置有环形滑圈6219，底座620的上端面开设有与环形滑圈6219配合的环形滑槽6203，环形滑圈6219可在环形滑槽6203内配合转动。环形滑圈6219与环形滑槽6203的配合能减小反射镜筒座621和底座620之间的摩擦力，利于旋转反射镜筒座621。环形滑槽6203的尺寸与环形滑圈6219配合。环形滑圈6219优选为具有一定弹性的材质，如具有一定弹性的不锈钢或硬质塑料等材质。

环形滑圈6219的截面为圆形或椭圆形，且其内部中空；转轴6210的外周开设有用于供锁紧螺钉6202的内端插入的环形锁紧槽62100；环形锁紧槽62100的内壁上部为水平面62101，其内壁下部具有弧形倾斜面62102。其中，锁紧螺钉6202的内端具有锥形端62020，且其尺寸需小于环形锁紧槽62100的上下宽度，以保证锁紧螺钉6202的内端能深入环形锁紧槽62100内一定距离。

由于调节反射镜筒座621时，需要其相对底座620进行转动，故转动时摩擦力越小越好，所以设置了上述环形滑圈6219与环形滑槽6203配合的结构。但锁紧时，则需要尽量增大摩擦力，保证锁紧牢固。本实施例中，锁紧反射镜筒座621时，将锁紧螺钉6202旋入，锁紧螺钉6202的锥形端62020顶入环形锁紧槽62100，能增大摩擦力，使锁紧更加牢固。进一步的，由于环形锁紧槽62100的内壁上部为水平面62101、下部具有弧形倾斜面62102，锁紧螺钉6202顶入环形锁紧槽62100时，锥形端62020与弧形倾斜面62102配合，会顶压环形锁紧槽62100的内壁下部的弧形倾斜面62102，给转轴6210施加水平顶压力的同时还会在转轴6210上形成向下的竖直拉力，从而带动转轴6210产生向下的移动趋势，促使环形滑圈6219压入环形滑槽6203内；由于环形滑圈6219内部中空，环形滑圈6219具有一定的可压缩性，环形滑圈6219产生形变，与环形滑槽6203相互挤压，两者之间的摩擦力大大提高，从而使锁紧时反射镜筒座621与底座620之间的摩擦力大大提高，使锁紧更加牢固，防止调节好后反射镜筒座621出现松动。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种小型简易光学间距非接触低相干测量装置，其特征在于，包括箱体、计算机、测量臂以及设置在所述箱体内部的光纤干涉探测盒、扫频光源、指示光源和参考臂；

所述光纤干涉探测盒内设置有光纤耦合器、环形器、波分复用器和平衡探测器；

所述参考臂包括第一准直器、反射镜以及用于安装所述反射镜且可对所述反射镜的位置进行调节的反射镜安装座，所述测量臂包括第二准直器和待测样品；

所述扫频光源发出的光进入所述环形器的第一接口，再由所述环形器的第二接口输出至所述波分复用器，与所述指示光源输入至所述波分复用器的光复合；所述波分复用器输出的光进入所述光纤耦合器后被分为两束，分别进入所述测量臂和参考臂；所述参考臂的返回光和测量臂的返回光再进入所述光纤耦合器发生干涉后再分成两束，一束进入所述平衡探测器，另一束经过所述波分复用器后进入所述环形器的第二接口，再由所述环形器的第三接口输出至所述平衡探测器；所述平衡探测器的输出信号传输至所述计算机。

2.根据权利要求1所述的小型简易光学间距非接触低相干测量装置，其特征在于，所述扫频光源设置在所述箱体的底板上，所述箱体的底板上还设置有支架，所述光纤干涉探测盒和参考臂均设置在所述支架上。

3.根据权利要求2所述的小型简易光学间距非接触低相干测量装置，其特征在于，所述箱体的前侧板外壁上设置有测量头，所述测量头包括外罩和设置在所述外罩内的所述第二准直器；

所述测量头的下方还设置有用于装载样品的样品架。

4.根据权利要求1所述的小型简易光学间距非接触低相干测量装置，其特征在于，所述反射镜安装座包括底座、可转动设置在所述底座上的反射镜筒座以及可转动设置在所述反射镜筒座内的反射镜筒，所述反射镜设置在所述反射镜筒内；

所述反射镜筒座可带动所述反射镜相对所述底座绕Z轴转动，所述反射镜筒可带动所述反射镜相对所述反射镜筒座绕Y轴转动。

5.根据权利要求4所述的小型简易光学间距非接触低相干测量装置，其特征在于，所述底座的中部沿Z轴开设有轴孔，所述反射镜筒座底部连接有可转动设置在所述轴孔内的转轴；

所述底座的侧部开设有与所述轴孔连通的螺纹锁紧孔，所述螺纹锁紧孔内配合设置有锁紧螺钉。

6.根据权利要求5所述的小型简易光学间距非接触低相干测量装置，其特征在于，所述反射镜筒座中部沿X轴开设有用于安装所述反射镜筒的安装通孔；

所述转轴内部沿Z轴贯穿开设有弹簧孔，所述弹簧孔的底部固定设置有弹簧压圈，所述弹簧孔的顶部设置有顶球，所述顶球和弹簧压圈之间设置有弹簧；

所述反射镜筒座底部开设有连通所述弹簧孔和安装通孔的顶球孔，所述顶球的上部可伸出所述顶球孔以与设置在所述安装通孔内的反射镜筒的底部顶压；

所述顶球的直径大于所述顶球孔的直径。

7.根据权利要求6所述的小型简易光学间距非接触低相干测量装置，其特征在于，所述反射镜筒座的上端开设有贯通至所述安装通孔的两个沿X轴间隔设置的调节螺纹孔，所述调节螺纹孔内配合设置有内端与所述反射镜筒顶压的调节螺丝；

所述反射镜筒座的两侧开设有关于Z轴对称的两固定螺纹孔，所述固定螺纹孔内配合设置有内端与所述反射镜筒顶压的固定螺丝。

8.根据权利要求7所述的小型简易光学间距非接触低相干测量装置，其特征在于，所述反射镜筒内还设置有用于顶压所述反射镜的反射镜压圈。

9.根据权利要求6所述的小型简易光学间距非接触低相干测量装置，其特征在于，所述反射镜筒座的底面处于所述转轴外周的位置设置有环形滑圈，所述底座的上端面开设有与所述环形滑圈配合的环形滑槽，所述环形滑圈可在所述环形滑槽内配合转动。

10.根据权利要求9所述的小型简易光学间距非接触低相干测量装置，其特征在于，所述环形滑圈的截面为圆形或椭圆形，且其内部中空；

所述转轴的外周开设有用于供所述锁紧螺钉的内端插入的环形锁紧槽；所述环形锁紧槽的内壁上部为水平面，其内壁下部具有弧形倾斜面。

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