CN111289519B - 匀光棒端面检测装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种匀光棒端面检测装置，包括：光源；扩束镜组，扩束镜组和光源之间具有用于放置匀光棒的位置空间；接收镜组，接收镜组光轴与扩束镜组的光轴共线；相机，相机安装在接收镜组的出射光的光路上，并且相机的成像面与位于接收镜组的出射光的焦面上；以及图像处理模块，图像处理模块与相机连接。由于设有光源、扩束镜组、接收镜组、相机和图像处理模块，并且光源和扩束镜组之间具有放置匀光棒的位置空间，使得扩束镜组能够接收匀光棒出射的均化光，接收镜组、相机和图像处理模块可对均化光分别进行会聚、成像和处理，得到匀光棒的崩边尺寸、表面疵病类型和尺寸，从而可自动化、高精度和高效率的检测匀光棒端面。

Description

匀光棒端面检测装置

技术领域

本申请涉及光学元件的检测技术领域，具体涉及一种匀光棒端面检测装置。

背景技术

匀光棒通常采用光学玻璃材质制造，属于光学元件。光学元件表面检测是光学加工制造的必备环节，标准的检测项是表面疵病类别及等级。但是这种标准检测项直接用于评估匀光棒端面效果不够理想，匀光棒端面检测只关注对均匀性影响较为明显的疵病。匀光棒与透镜等光学元件相比具有其特殊性，匀光棒起光斑整形、匀化作用，由匀光棒入口端面导入光源，出口输出匀化、整形后的光斑。对匀光棒表面检测的目的是保证表面出光均匀性及端面有效面积。崩边过大会导致端面有效面积不足，表面疵病或污染物会导致有效出光面积内的均匀性劣化。因此匀光棒端面检测主要有两项，一是匀光棒边缘崩边尺寸，二是表面疵病是否影响到均匀性。对表面疵病的测量仅仅找出对均匀性有影响的斑点数量及尺寸，超出要求即为不合格品。

光学元件表面检测不仅是保证出厂元件合格率的重要环节，也是监控生产过程的有效方法。目前，光学元件检测主要针对表面疵病，依然采用人工检测的方式完成，而人工检测很大程度上依赖于检测人员的经验和技术，且易受主观因素、个体差异等因素影响，误检率较高。

虽然现有技术中有自动化检测，但主要针对光学镜片表面疵病检测，而匀光棒端面的检测目标有所不同，因此直接用于匀光棒端面检测是不理想的。匀光棒的目的是得到足够面积的均匀的照明，即匀光棒崩边小、出口端光斑均匀，只关注影响到均匀性的疵病尺寸及影响程度，而不关注疵病类型。因此，匀光棒端面检测需要测量崩边尺寸和疵病尺寸及疵病引起的非均匀性。目前能够适用于该目标的匀光棒端面检测方法及专用的装置尚未有报道。

发明内容

本申请提供一种自动化、高精度和高效率的匀光棒端面检测装置。

一种实施例中提供一种匀光棒端面检测装置，包括：

光源，光源用于发射检测光；

扩束镜组，扩束镜组安装在光源的发射光的光路上，并且扩束镜组和光源之间具有用于放置匀光棒的位置空间，扩束镜组用于接收经过匀光棒均化后的均化光，并将均化光扩束后射出平行光；

接收镜组，接收镜组安装在扩束镜组的出射光的光路上，并且接收镜组光轴与扩束镜组的光轴共线，接收镜组用于接收扩束镜组的平行光，并将射出会聚光；

相机，相机安装在接收镜组的出射光的光路上，并且相机的成像面与位于接收镜组的出射光的焦面上，相机用于接收会聚光生成匀光棒图像；

以及图像处理模块，图像处理模块与相机连接，用于获取相机生成的匀光棒图像，并对匀光棒图像进行分析判断匀光棒端面是否合格。

进一步地，光源连接有光纤，光源通过光纤发射检测光。

进一步地，还包括光纤调节装置，光纤的出射端安装在光纤调节装置上，光纤调节装置用于调节光纤的出射端在垂直光轴的平面上移动。

进一步地，光纤调节装置包括内环和外环，光纤的出射端固定安装在内环的中部，内环可径向移动的安装在外环内，外环的外圆周安装有至少三个第一调节螺钉，第一调节螺钉与外环螺纹连接，并延伸至与内环连接。

进一步地，还包括匀光棒安装座，匀光棒安装座位于光纤和扩束镜组之间，用于可拆卸的安装匀光棒，及用于调节匀光棒沿光轴方向的移动和匀光棒的出射端在垂直光轴的平面上移动。

进一步地，匀光棒安装座包括内筒、外筒和调节法兰，内筒用于安装匀光棒，内筒可旋转和轴向移动安装在外筒内，外筒上安装有用于固定内筒的锁紧螺钉，外筒的出射端安装在调节法兰上，调节法兰上安装有至少三个第二调节螺钉，第二调节螺钉与外筒连接，用于调节外筒在垂直光轴的平面上移动。

进一步地，内筒和外筒的上端沿轴向切有开口，内筒的上端开口可拆卸的安装有盖板，盖板用于将匀光棒盖装在内筒内；盖板上设有朝下延伸的弹片，弹片用于紧固匀光棒。

进一步地，内筒内还安装有夹持件，夹持件具有夹持端，夹持端用于夹持限位匀光棒。

进一步地，夹持件的夹持端或整个夹持件为光滑不粘接材质。

进一步地，内筒的外表面安装有轴向调节块，轴向调节块的调节端沿着径向延伸穿设在外筒上，外筒上安装有轴向调节螺钉，轴向调节螺钉与轴向调节块连接，用于调节内筒的轴向移动。

依据上述实施例的匀光棒端面检测装置，由于设有光源、扩束镜组、接收镜组、相机和图像处理模块，并且光源和扩束镜组之间具有放置匀光棒的位置空间，使得扩束镜组能够接收匀光棒出射的均化光，接收镜组、相机和图像处理模块可对均化光分别进行会聚、成像和处理，得到匀光棒的崩边尺寸、表面疵病类型和尺寸，从而可自动化、高精度和高效率的检测匀光棒端面。

附图说明

图1为一种实施例中匀光棒端面检测装置的结构框图；

图2为一种实施例中光纤调节装置和匀光棒安装座的立体结构示意图；

图3为一种实施例中光纤调节装置和匀光棒安装座的俯视结构示意图；

图4为图3的B-B剖视图；

图5为一种实施例中匀光棒端面检测装置的局部结构示意图；

图6为另一种实施例中光纤调节装置和匀光棒安装座的轴向剖视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种实施例中提供了一种匀光棒端面检测装置，本检测装置主要用于检测匀光棒两个端面的崩边尺寸、表面疵病类型和尺寸，以确认匀光棒是否符合设计要求。

如图1所示，本实施例的匀光棒端面检测装置主要包括光源10、扩束镜组20、接收镜组30、相机40和图像处理模块50，优选的，光源10、扩束镜组20、接收镜组30和相机40排列在一条直线上，光源10出射光的光轴、扩束镜组20的光轴、接收镜组30的光轴和相机40成像面的中心共线。

光源10为LED光源或激光光源，用于发射检测光。

扩束镜组20安装在光源10的发射光的光路上，并且扩束镜组20和光源10之间具有放置匀光棒60的位置空间，光源10可将检测光射入匀光棒60的入射端，匀光棒60将检测光均化后，从出射端射出均化光。扩束镜组20内包括若干个透镜，扩束镜组20的入射端用于接收匀光棒60的照射，接收均化光，并将均化光进行扩束后从出射端射出平行光。

接收镜组30安装在扩束镜组20的出射光的光路上，接收镜组30的入射端用于接收扩束镜组20出射的平行光，接收镜组30内具有凸透镜，接收镜组30的出射端射出会聚光。

相机40安装在接收镜组30的出射光的光路上，并且相机40的成像面位于接收镜组30出射端的焦面上。相机40用于接收会聚光生成匀光棒图像。

图像处理模块50与相机40连接，用于获取相机40生成的匀光棒图像，该图像主要反映匀光棒的出射端端面情况。图像处理模块50用于对匀光棒图像进行分析，可计算得出匀光棒60的崩边尺寸、表面疵病类型和尺寸，再将崩边尺寸、表面疵病类型和尺寸与存储的值和类型对比，从而判断光棒图端面是否合格。

光源10为了更好的将检测光照射到待检测的匀光棒60上，光源10连接有光纤70，光纤70可弯曲设置，从而方便光源10的安装，将光纤70的出射端固定与匀光棒60的入射端对齐即可。

如图2和图3所示，为了使得光纤70的出射端对准匀光棒60的入射端，光纤70的出射端安装在一个光纤调节装置80上，光纤调节装置80用于调节光纤70的出射端在垂直光轴的平面上移动。本实施例中为了方便描述，将光轴的方向定义为Z轴，垂直光轴的两个方向为X轴和Y轴，从而光纤调节装置80可调节光纤70的出射端在X轴和Y轴方向移动。

光纤调节装置80包括内环81和外环82，光纤70的出射端固定在内环81上，内环81安装在外环82内，并且内环81与外环82之间具有调节的间隙。外环82的外圆周上安装有至少有三个第一调节螺钉83，例如在外环82的外圆周上均匀分布安装有四个第一调节螺钉83，第一调节螺钉83与外环82螺纹连接，并且第一调节螺钉83的端部延伸至与内环81连接，通过四个第一调节螺钉83可实现光纤70的出射端在X轴和Y轴方向移动，可实现调节光纤70的出射端与匀光棒60的入射端对齐。

如图2和图3所示，为了安装固定待检测的匀光棒60，在光纤70和扩束镜组20之间安装有匀光棒安装座90，匀光棒安装座90用于可拆卸的安装匀光棒60，并且可用于调节匀光棒60沿Z轴向移动和旋转，及用于调节匀光棒60的出射端沿X轴和Y轴方向移动。匀光棒60可沿X、Y和Z轴位移及Z轴向旋转调节，初始装调要使得匀光棒60水平并位于扩束镜组20中心，即匀光棒60成像位于相机40的靶面中心位置，以保证均匀性测试结果具有可重复性，并便于数据处理。

匀光棒安装座90包括内筒91、外筒92和调节法兰93，内筒91和外筒92的两端均为开口设计，外筒92的中轴线与光轴共线设置安装，内筒91安装在外筒92内，内筒91可相对外筒92沿着轴向滑动和旋转，光纤调节装置80的外环82与内筒91固定连接。外筒92的外圆周上安装有若干个锁紧螺钉94，锁紧螺钉94用于延伸至与内筒91连接，并锁紧内筒91。若内筒91需要调节时，需先松开锁紧螺钉94。外筒92的出射端安装在调节法兰93上，调节法兰93上至少安装有三个第二调节螺钉95，第二调节螺钉95与调节法兰93螺纹连接，并且延伸至与外筒92连接，通过第二调节螺钉95可实现调节外筒92的出射端沿着X轴和Y轴方向移动，即可实现对匀光棒60的出射端的调节。

为了更好拆卸匀光棒60，内筒91和外筒92的上端沿着轴向切有开口，内筒91和外筒92内表面露出，匀光棒60可从上端直接放置到内筒91内。在内筒91的上端通过螺钉盖装有盖板96，盖板96用于将匀光棒60封在内筒91内，盖板96上具有朝下的弹片96a，优选的，弹片96a具有两个，对称设置在盖板96上，两个弹片96a对匀光棒60施加朝下的力，可将匀光棒60卡在内筒91内。当需要更换其他匀光棒60或对匀光棒60的两端对调检测时，将盖板96拆开，通过镊子等工具取出匀光棒60即可，拆装方便。

为了更好的将匀光棒60固定在内筒91内，在内筒91设有夹持件97，夹持件97包括两个上下安装的夹持条，夹持条两端相对的面上设有凸出的夹持端，夹持端具有圆弧凹槽，上下对称的夹持条可将匀光棒60夹持固定在内筒91上，并可使得匀光棒60的光轴与内筒91的中心轴共线，有利于对齐调节。

如图4所示，为了防止匀光棒60在拆装和夹持检测过程中的损伤，夹持件97的夹持端或整个夹持件97为光滑不粘接材质，例如聚四氟乙烯材料。当然，内筒91和外筒92也可由聚四氟乙烯材料制成，对匀光棒60起到有效保护。

为了调节内筒91，内筒91的上端向上延伸有调节部91a，工作人员可通过调节部91a调节内筒91沿轴向移动和旋转。

如图6所示，在其他实施例中，内筒91上安装有一个调节块91b，调节块91b穿过外筒92露出于外筒92，调节块91b同样可起到对内筒91的调节作用。也可将外筒92和调节法兰93设置成一体式结构。

如图5所示，本实施例中，还包括工作台100，工作台上安装有第一支架110和第二支架120，匀光棒安装座90安装在第一支架110上，接收镜组30和相机40安装在第二支架120上，并且第二支架120可对接收镜组30和相机40的相对位置进行调节，接收镜组30和相机40之间连接有过渡件，过渡件由圆筒和法兰盘构成，将接收镜组30和相机40的空间密封，起到防尘的作用。

本实施例中，匀光棒60的检测原理如下：

匀光棒60一般为两个端面，其安装装置应便于拆装以利于双面检测和批量生产。匀光棒60对洁净度要求较高，尤其用于激光匀化的匀光棒60。测试前需要清洗匀光棒端面，清理油污和灰尘。匀光棒60检测过程中容易有灰尘附着到端面上，影响检测结果，因此对工作环境洁净度较高，要求在洁净间或洁净台上实现测试过程。即便在洁净环境中，检测过程仍难免有灰尘附着，应及时擦拭，判定无法擦掉的暗点或暗区域才是疵病，因此匀光棒安装座90设计时应考虑到方便不拆卸的情况下清洗端面，即内筒91和外筒92的上端沿着轴向切有开口。相机40及附近光学元件应洁净无灰尘，避免对匀光棒60检测时产生误判。

匀光棒60用于基因测序仪照明系统激发光源(激光或氙灯等)的光束整、匀化，激发光由匀光棒60匀化后经物镜会聚照射到测序芯片表面。要求照明均匀，无明显的黑点与黑斑，均匀性计算公式为

其中Max指光强的最大值，Min指光强的最小值。要求照明的光强均匀性优于90％，若低于90％则判定匀光棒60的端面均匀性不合格。匀光棒60的端面均匀性的检测可检测出匀光棒60表面疵病类型和尺寸。

崩边尺寸是通过匀光棒60在相机40上所成的图像进行分析和测量的，通过图像可以直接观察到边缘破损(崩边)情况，能够分辨崩边区域和精确计算崩边尺寸。本检测装置以光学系统放大倍率M＝4.6、相机40分辨率约为8k×6k、像素尺寸D＝4.6μm为例，对相机40输出的匀光棒图像进行分析，假设得到崩边大小为N pixel(像素)，那么匀光棒60的崩边尺寸(单位mm)N₀为

一般要求匀光棒崩边尺寸小于0.02mm，若检测的匀光棒60的崩边尺寸大于等于0.02mm则判断该匀光棒60的崩边尺寸不合格。

在一种具体的实施例中，光源10为LED光源，光纤70的纤芯直径为800μm，数值孔径为0.22，接口型号为SMA905，匀光棒60尺寸为5mm(W)×5mm(H)×200mm(L)，光纤70与扩束镜组20数值孔径匹配，扩束镜组20设计的数值孔径为0.28，能够完全接收光纤70导入的能量。要求光纤70与匀光棒60距离0.1mm±0.05mm。

光纤调节装置80用于调节光纤70与匀光棒60的距离Z及X、Y方向位置，调节分辨率优于0.02，通过调节能够保证匀光棒60有效实现光束整形、匀化作用；匀光棒安装座90用于调节匀光棒60相对于扩束镜组的Z向距离，X、Y向位置及Z向旋转量；第二支架120用于相机40装调，使得相机40位于接收镜组30最佳焦面附近，相机40靶面与接收镜组30光轴垂直；工作台100用于整机安装平台；接收镜组30和扩束镜组20保证光轴近似等高，通过在第一支架110和第二支架120底部加垫片调节两者光轴共线，夹角要求小于1′。相机40采用CMV50000芯片，分辨率约为8k×6k，位深12bit。系统能够测试端面尺寸小于8mm×6mm的匀光棒，物方分辨率优于0.005mm，对崩边和疵病尺寸检测足够。

本实施例提供了一种匀光棒端面检测装置，由于设有光源10、扩束镜组20、接收镜组30、相机40和图像处理模块50，并且光源10和扩束镜组20之间具有放置匀光棒60的位置空间，使得扩束镜组30能够接收匀光棒60出射的均化光，接收镜组30、相机40和图像处理模块50可对均化光分别进行会聚、成像和处理，得到匀光棒60的崩边尺寸、表面疵病类型和尺寸，从而可自动化、高精度和高效率的检测匀光棒端面。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (7)

1.一种匀光棒端面检测装置，其特征在于，包括：

光源，所述光源用于发射检测光，所述光源连接有光纤，所述光源通过所述光纤发射检测光；

扩束镜组，所述扩束镜组安装在所述光源的发射光的光路上，并且所述扩束镜组和光源之间具有用于放置匀光棒的位置空间，所述扩束镜组用于接收经过匀光棒均化后的均化光，并将均化光扩束后射出平行光；

接收镜组，所述接收镜组安装在所述扩束镜组的出射光的光路上，并且所述接收镜组光轴与扩束镜组的光轴共线，所述接收镜组用于接收所述扩束镜组的平行光，并将射出会聚光；

相机，所述相机安装在所述接收镜组的出射光的光路上，并且所述相机的成像面与位于所述接收镜组的出射光的焦面上，所述相机用于接收会聚光生成匀光棒图像；

以及图像处理模块，所述图像处理模块与所述相机连接，用于获取所述相机生成的匀光棒图像，并对匀光棒图像进行分析判断匀光棒端面是否合格；

还包括匀光棒安装座，所述匀光棒安装座位于所述光纤和扩束镜组之间，用于可拆卸的安装匀光棒，及用于调节匀光棒沿光轴方向的移动和匀光棒的出射端在垂直光轴的平面上移动；

所述匀光棒安装座包括内筒、外筒和调节法兰，所述内筒用于安装匀光棒，所述内筒可旋转和轴向移动安装在所述外筒内，所述外筒上安装有用于固定内筒的锁紧螺钉，所述外筒的出射端安装在所述调节法兰上，所述调节法兰上安装有至少三个第二调节螺钉，所述第二调节螺钉与所述外筒连接，用于调节外筒在垂直光轴的平面上移动。

2.如权利要求1所述的匀光棒端面检测装置，其特征在于，还包括光纤调节装置，所述光纤的出射端安装在所述光纤调节装置上，所述光纤调节装置用于调节所述光纤的出射端在垂直光轴的平面上移动。

3.如权利要求2所述的匀光棒端面检测装置，其特征在于，所述光纤调节装置包括内环和外环，所述光纤的出射端固定安装在内环的中部，所述内环可径向移动的安装在所述外环内，所述外环的外圆周安装有至少三个第一调节螺钉，所述第一调节螺钉与外环螺纹连接，并延伸至与所述内环连接。

4.如权利要求1所述的匀光棒端面检测装置，其特征在于，所述内筒和外筒的上端沿轴向切有开口，所述内筒的上端开口可拆卸的安装有盖板，所述盖板用于将匀光棒盖装在所述内筒内；所述盖板上设有朝下延伸的弹片，所述弹片用于紧固匀光棒。

5.如权利要求1所述的匀光棒端面检测装置，其特征在于，所述内筒内还安装有夹持件，所述夹持件具有夹持端，所述夹持端用于夹持限位匀光棒。

6.如权利要求5所述的匀光棒端面检测装置，其特征在于，所述夹持件的夹持端或整个夹持件为光滑不粘接材质。

7.如权利要求1所述的匀光棒端面检测装置，其特征在于，所述内筒的外表面安装有轴向调节块，所述轴向调节块的调节端沿着径向延伸穿设在所述外筒上，所述外筒上安装有轴向调节螺钉，所述轴向调节螺钉与所述轴向调节块连接，用于调节内筒的轴向移动。

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