CN113091614A - 复合显微干涉检测校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合显微干涉检测校准装置及校准方法，其中，复合显微干涉检测校准装置，包括检测调节机构、显微干涉机构、载物机构；所述检测调节机构包括基座、支撑柱、支撑连接件及驱动电机，所述支撑柱纵向设置于基座上，所述支撑连接件沿所述支撑柱滑动设置，所述驱动电机与支撑连接件连接并带动支撑连接件运动；所述显微干涉机构包括显微组件、安装部及显微调节部，所述显微组件均设于安装部上，所述安装部与显微调节部之间活动配合，所述显微调节部与支撑连接件连接；所述载物机构包括用于放置被测物体的载物扫描台。该复合显微干涉检测校准装置能扩充测量范围，提高校准精度，有效提高检测质量及效率。

Description

复合显微干涉检测校准装置及校准方法

技术领域

本发明属于微结构的精密干涉检测及校准技术领域，具体涉及一种复合显微干涉检测校准装置及校准方法。

背景技术

高端装备、高端仪器、光通讯及信息等领域的发展，以光纤器件为代表的超精加工电子元件的质量及其微表面检测技术的要求不断提高。其中，光纤芯关键几何参量的量值溯源技术越发成为相关零部件产品甚至整体系统的重要质量基础之一，复合关键参量精确控制对光通信信号传输质量至关重要。

光纤端面干涉仪是一种利用光干涉原理，快速测量光纤连接器插芯端面的光纤高度、曲率半径、顶点偏移、中心下陷、表面粗糙度等几何参数特征形貌的非接触式测量仪器，广泛应用于网络光通信领域，是评价和管控光纤连接器质量的重要测量设备。光纤端面干涉仪的结构和溯源性，直接影响测量结果的准确度和可信程度。

当前光纤微纳纤芯关几何参量由于其测量尺度小、测量精度要求高、实物标准量值单一等的问题，光纤端面干涉仪及标准光纤连接器关键参数的量值溯源链尚不完整，包括针对该类干涉仪的专用标样、显微干涉检测系统及校准方法不成体系，最终导致该领域测量结果离散间断且难于量值溯源，大大制约了检测质量和效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合显微干涉检测校准装置及校准方法，其中，该复合显微干涉检测校准装置能扩充测量范围，提高校准精度，有效提高检测质量及效率。

其技术方案如下：

复合显微干涉检测校准装置，包括检测调节机构、显微干涉机构、载物机构；所述检测调节机构包括基座、支撑柱、支撑连接件及驱动电机，所述支撑柱纵向设置于基座上，所述支撑连接件沿所述支撑柱滑动设置，所述驱动电机与支撑连接件连接并带动支撑连接件运动；所述显微干涉机构包括显微组件、安装部及显微调节部，所述显微组件均设于安装部上，所述安装部与显微调节部之间活动配合，所述显微调节部与支撑连接件连接；所述载物机构设于基座上，所述载物机构包括用于放置被测物体的载物扫描台。

在其中一个实施例中，所述检测调节机构还包括定位手轮，所述支撑连接件外嵌套于所述支撑柱上，所述定位手轮设于所述支撑连接件远离与显微调节部连接的一侧，所述定位手轮上设有定位轴，所述定位轴穿过支撑连接件并位于支撑连接件与支撑柱之间。

在其中一个实施例中，所述检测调节机构还包括安装底座，所述基座设于安装底座上，所述基座与安装底座设有垫块，所述垫块底面上设有正交线段的纹路。

在其中一个实施例中，所述安装部沿显微调节部的水平及竖直方向活动设置，所述显微组件包括第一显微测头及第二显微测头，所述第一显微测头及第二显微测头均位于所述安装部靠近载物扫描台的一侧，所述第一显微测头与第二显微测头之间左右间隔设置。

在其中一个实施例中，所述显微组件还包括第一进光部及第二进光部，所述第一进光部设于安装部的左侧，所述第二进光部设于安装部的右侧。

在其中一个实施例中，还包括干涉光源机构，所述干涉光源机构包括第一光源及第二光源，所述第一光源上设有第一出光部，所述第二光源上设有第二出光部，所述第一出光部与第一进光部连接，所述第二出光部与第二进光部连接。

在其中一个实施例中，所述载物机构还包括线性微调机构及倾斜微调机构，所述线性微调机构及倾斜微调机构设于载物扫描台与基座之间，所述载物扫描台位于显微干涉机构的下方。

在其中一个实施例中，还包括信号控制器、控制数据光纤及计算机，所述信号控制器与载物扫描台之间通过控制数据光纤连接，所述计算机与信号控制器电性连接。

在其中一个实施例中，还包括隔振底座，所述检测调节机构、显微干涉机构、载物机构均安装于所述隔振底座上。

如图2所示，复合显微干涉检测校准装置的校准方法，包括以下步骤：

S10、将被测物体放置于载物扫描台上，驱动电机工作，驱动支撑连接件沿支撑柱移动，支撑连接件带动显微干涉机构的安装部移动，显微组件靠近被测物体；

S20、通过调整显微调节部，调节显微组件至得到微区表面清晰图像的范围内；

S30、当显微组件采集的干涉零级条纹不明显时，通过调整载物扫描台，获得不超过两级干涉条纹；

S40、调节显微干涉机构与被测物体的相对位置，在复合干涉场波列相干区间内采集干涉仪信号并计算与被测物体的示值差。

本发明所提供的复合显微干涉检测校准装置及校准方法，其中，该复合显微干涉检测校准装置能扩充测量范围和减少非同步干涉求解特征峰等引入测量不确定影响量，提高校准精度、有利于光纤端面干涉仪及标准光纤连接器关键参数的校准及功能扩展，另外，该装置结构紧凑、模块完整、容易复现光纤端面量值，操作步骤简单，提高了检测质量和效率。

附图说明

此处的附图，示出了本发明所述技术方案的具体实例，并与具体实施方式构成说明书的一部分，用于解释本发明的技术方案、原理及效果。

除非特别说明或另有定义，不同附图中，相同的附图标记代表相同或相似的技术特征，对于相同或相似的技术特征，也可能会采用不同的附图标记进行表示。

图1是本发明实施例复合显微干涉检测校准装置的整体结构示意图。

图2是本发明实施例复合显微干涉检测校准装置的校准方法流程图。

附图标记说明：

10、检测调节机构；11、基座；12、支撑柱；13、支撑连接件；14、驱动电机；15、定位手轮；16、安装底座；17、垫块；20、显微干涉机构；21、第一显微测头；22、第二显微测头；23、第一进光部；24、第二进光部；25、安装部；26、显微调节部；31、载物扫描台；32、线性微调机构；33、倾斜微调机构；40、控制机构；50、计算机；60、干涉光源机构；61、第一光源；611、第一出光部；62、第二光源；621、第二出光部；63、第一调整旋钮；64、第二调整旋钮；70、隔振底座。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照说明书附图对本发明的具体实施例进行更详细的描述。

除非特别说明或另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在结合本发明的技术方案以现实的场景的情况下，本文所使用的所有技术和科学术语也可以具有与实现本发明的技术方案的目的相对应的含义。

除非特别说明或另有定义，本文所使用的“第一、第二…”仅仅是用于对名称的区分，不代表具体的数量或顺序。

除非特别说明或另有定义，本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，当元件被认为“固定于”另一个元件，它可以是直接固定在另一个元件上，也可以是存在居中的元件；当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件，也可以是同时存在居中元件；当一个元件被认为是“安装在”另一个元件，它可以是直接安装在另一个元件，也可以是同时存在居中元件。当一个元件被认为是“设在”另一个元件，它可以是直接设在另一个元件，也可以是同时存在居中元件。

除非特别说明或另有定义，本文所使用的“所述”、“该”为相应位置之前所提及或描述的技术特征或技术内容，该技术特征或技术内容与其所提及的技术特征或技术内容可以是相同的，也可以是相似的。

毫无疑义，与本发明的目的相违背，或者明显矛盾的技术内容或技术特征，应被排除在外。

如图1所示，复合显微干涉检测校准装置，包括检测调节机构10、显微干涉机构20、载物机构、控制机构40、信号控制器、控制数据光纤及计算机50；所述检测调节机构10包括基座11、支撑柱12、支撑连接件13及驱动电机14，所述支撑柱12纵向设置于基座11上，所述支撑连接件13沿所述支撑柱12滑动设置，所述驱动电机14与支撑连接件13连接并带动支撑连接件13运动；所述显微干涉机构20包括显微组件、安装部25及显微调节部26，所述显微组件均设于安装部25上，所述安装部25沿显微调节部26的水平及竖直方向活动设置，所述显微调节部26与支撑连接件13连接；所述载物机构设于基座11上，所述载物机构包括用于放置被测物体的载物扫描台31，所述载物扫描台31上设有压电陶瓷；所述信号控制器与载物扫描台31之间通过控制数据光纤连接，所述计算机50与信号控制器电性连接，所述控制机构40控制驱动电机14、载物机构。

在本实施例中，该复合显微干涉检测校准装置采用显微光干涉精密测量技术，检测时，通过调节驱动电机14工作，电机驱动支撑连接件13沿支撑柱12在竖直方向上移动，支撑连接件13带动显微干涉机构20的安装部25移动，使得显微组件靠近被测物体，通过调整显微调节部26在水平及竖直方向的精度校准，调节显微组件至得到微区表面清晰图像的范围内，使显微组件相对于被测样品的空间位置干涉仪信号处于零级条纹明显状态，再通过改变显微干涉机构20与被检测光纤相对位置，落于干涉场波列相干区间，产生的干涉仪信号被显微组件采集，载物扫描台31以压电原理同步微纳米位移扫描被测物体及比对标准器，分别实时显示，干涉仪信号与采集空间位置逐一映射并与信号控制器和计算机50通信、处理，用不同算法对映射区干涉特征峰的快速信号解算，就可以计算出表面高度差，从而计算出物体表面干涉光照射点的位置高度，实现用显微干涉测量物体的几何参量，具有操作步骤简单，检测结果集中精确的效果，提高了检测质量和效率。

在本实施例中，支撑连接件13通过精密丝杆与驱动电机14连接，实现竖直方向毫米范围的精确定位，支撑连接件13经双频激光检测校准，安装部25与显微调节部26，水平和竖直方向微米级定位，经双频激光检测校准。显微干涉机构20组合(0～1000)nm标准光纤标样或标准台阶进行同步干涉比对，(0～200)mm的玻璃线纹尺对去干涉标定，可使被检测光纤、标准连接器等的尺寸能够溯源到长度基准，有利于提高检测的准确性。

所述检测调节机构10还包括定位手轮15，所述支撑连接件13外嵌套于所述支撑柱12上，所述定位手轮15设于所述支撑连接件13远离与显微调节部26连接的一侧，所述定位手轮15上设有与支撑连接件13螺纹连接的定位轴，所述定位轴穿过支撑连接件13并位于支撑连接件13与支撑柱12之间。当驱动电机14带动显微干涉机构20至指定位置后，为减少机械机构及振动对检测的影响，可通过旋拧定位手轮15，使得定位轴逐渐靠近并抵紧支撑柱12，从而实现显微干涉机构20的固定。

所述检测调节机构10还包括安装底座16，所述基座11设于安装底座16上，所述基座11与安装底座16设有垫块17，所述垫块17底面上设有正交线段的纹路。通过设置有正交纹路的垫块17，增加基座11与安装底座16之间的抗滑移系数，使得检测调节机构10整体不容易受驱动电机14运动影响发生位移。

所述安装部25沿显微调节部26的水平及竖直方向活动设置，所述显微组件包括第一显微测头21、第二显微测头22、第一进光部23及第二进光部24，所述第一显微测头21及第二显微测头22均位于所述安装部25靠近载物扫描台31的一侧，所述第一显微测头21与第二显微测头22之间左右间隔设置，所述第一进光部23精密安装于安装部25的左侧，所述第二进光部24精密安装于安装部25的右侧。在本实施例中，显微干涉机构20为双融合光路结构，通过光源双束分光以垂直扫描在被测物体表面，另一部分则作为参照光与之传播过程差进入融合光路，形成对应形貌的干涉仪条纹，干涉仪强弱信号被第一、第二显微测头22实时采集；当被测物体置于第一显微测头21下方波列相干区间时，第一进光部23所进光源在显微干涉机构20融合光路中可形成多级干涉条纹，第一进光部23采集显微干涉机构20中一路干涉仪信号，当第一显微测头21所采集的干涉零级条纹不明显时，可通过显微调节部26调节空间位置使信号处于第一显微测头21视场大致中间部位；同理，当被测物体置于第二显微测头22下方波列相干区间时，采取相同的调节方式，使信号处于第二显微测头22视场大致中间部位，此处不再进行赘述；另外，该装置可实现用显微干涉测量物体的几何参量外，还可进行单干涉及复合干涉测量。

在本实施例中，通过(0～10)mm的玻璃线纹尺对第一显微测头21和第一显微测头21水平及竖直方向的精度精度校准，可使装置溯源到长度基准的校准值，且显微干涉机构20的融合光路要求较高，有利于提高检测结果的精度和准确性。

还包括干涉光源机构60，所述干涉光源机构60包括第一光源61及第二光源62，所述干涉光源机构60上设有第一调整旋钮63、第二调整旋钮64、第一光源61开关及第二光源62开关，所述第一光源61上设有第一出光部611，所述第二光源62上设有第二出光部621，所述第一出光部611通过光纤与第一进光部23连接，所述第二出光部621通过光纤与第二进光部24连接。干涉光源机构60设置显微呈高斯分布的光源的低相干干涉，光源波长经光谱仪校准后，在显微干涉机构20融合光路中参与光波干涉，出现干涉信号强弱叠加形成微区干涉，可控制第一光源61及第二光源62的开关及强弱等状态；当干涉仪信号处于较弱状态时，可将第一调整旋钮63和第二调整旋钮64调节至大致相同的均匀光强，使第一显微测头21和第二显微测头22接受的光束易于在显微干涉机构20为融合光路中产生均匀稳定的微区干涉。

所述载物机构还包括线性微调机构32及倾斜微调机构33，在本实施例中，载物机构执行压电、线性、倾斜动作，所述线性微调机构32及倾斜微调机构33设于载物扫描台31与基座11之间，所述载物扫描台31位于显微干涉机构20的下方，所述线性微调机构32及倾斜微调机构33与驱动电机14电性连接。将被检测光纤置于载物扫描台31上，当位移区间较大时由控制机构40控制驱动电机14带动显微干涉机构20在测量范围内的目标区间位置内升降，当位移区间较微小时，由控制机构40发送微步距脉冲控制线性微调机构32及倾斜微调机构33带动载物扫描台31与被检测光纤在测量范围内的目标区间位置内升降，进而改变显微干涉机构20与被检测光纤相对位置，落于干涉场波列相干区间；通过不同脉冲间隔的激励运动，产生一系列干涉仪信号被第一显微测头21及第二显微测头22采集，并通过控制数据光纤，传输到信号控制器，最后通过通讯数据线与计算机50连接，并实时显示和不同算法的快速信号解算，实现人机交互，进而提高了检测质量和效率。

还包括隔振底座70，所述检测调节机构10、显微干涉机构20、载物机构、干涉光源机构60、控制机构40、信号控制器、控制数据光纤及计算机50均安装于所述隔振底座70上。通过设置隔振底座70，有利于隔离其他固有振动频率的同时，使控制机构40、计算机50和基座11的隔离同步，有利于提高装置整体性能。

在本实施例中，控制机构40采用微电脑控制，通过线缆连接控制电机、载物机构，可使精确控制检测调节机构10和载物机构升降起始位置的同时，实现远程控制，操作方便快捷；信号控制器及计算机50实时显示及获得不同算法的快速信号解算，可进行单干涉、复合干涉及去干涉测量模式。

在后续检测校准的过程中，实验室在满足温度(20±3)℃，室温每小时变化≤1℃，仪器在室内平衡温度的时间≥0.5h，检测标准器具在室内平衡温度的时间≥0.5h的条件下；使用对光源光波干涉法进行标定；(0～10)mm的玻璃线纹尺对第一显微测头21和第二显微测头22水平及竖直方向的精度校准；显微干涉机构20组合(0～1000)nm标准光纤标样或标准台阶进行同步干涉比对，以(0～200)mm的玻璃线纹尺对去干涉标定,最终，以获得本发明提供的复合显微干涉检测校准装置可溯源到长度基准的校准值。

另外，本发明还提供一种复合显微干涉检测校准装置的校准方法，具体包括以下步骤：

将被测光纤放置于载物扫描台31上，驱动电机14工作，驱动支撑连接件13沿支撑柱12移动，支撑连接件13带动显微干涉机构20的安装部25进行竖直方向的精度校准，第一显微测头21及第二显微测头22靠近被测光纤；

当驱动电机14带动显微干涉机构20至指定位置后，通过旋拧定位手轮15，使得定位轴逐渐靠近并抵紧支撑柱12，从而实现显微干涉机构20的固定；

通过调整显微调节部26，对第一显微测头21及第二显微测头22进行水平及竖直方向的精度校准，移动第一显微测头21及第二显微测头22至微区表面清晰图像的范围内，使第一显微测头21及第二显微测头22相对于被测光纤的空间位置使干涉信号处于零级条纹明显状态；

当显微组件采集的干涉零级条纹不明显时，通过调整线性微调机构32及倾斜微调机构33，使显微组件大致不超过两级干涉条纹为宜；

其中，当位移区间较大时，由控制机构40控制驱动电机14在测量范围内的目标区间位置内升降；

当位移区间较微小时，由控制机构40发送微步距脉冲控制载物扫描台31搭载被检测光纤在测量范围内的目标区间位置内升降，改变显微干涉机构20与被测物体的相对位置，落于干涉场波列相干区间内采集干涉仪信号；

当干涉仪信号处于较弱状态时，可将第一光源61调整旋钮和第二光源62调整旋钮调节至大致相同的均匀光强，使第一显微测头21和第二显微测头22接受的光束易于在显微干涉机构20为融合光路中产生均匀稳定的微区干涉；

通过不同脉冲间隔的激励运动，产生一系列干涉仪信号被第一显微测头21及第二显微测头22采集，通过控制数据光纤传输到信号控制器，最后由计算机50实时显示和不同算法的快速信号解算；

其中，由计算机50的界面读取所复现的一系列标准差值，并计算与被检测光纤的示值差，完成被检测光纤的示值误差的检测校准。

以上校准方法，具有操作步骤简单，检测结果集中精确的效果，提高了检测质量和效率。

本发明提供的复合显微干涉检测校准装置，结合显微光干涉精密测量技术和同步校准技术，是可适用于多种光纤等产品端面、标准光纤连接器、光纤端面干涉仪和异形表面微纳米测量的装置，可提高检测的准确性；该装置操作步骤简单，检测结果集中精确，有效提高检测质量和效率；可实现用显微干涉测量物体的几何参量外，还可进行单干涉及混合干涉测量；另外，可实现连续复现标准量值的方法、降低量值溯源的操作难度，可实现自动化数据处理过程；更有利于异形表面微纳米测量功能的扩展，效果良好。

以上实施例的目的，是对本发明的技术方案进行示例性的再现与推导，并以此完整的描述本发明的技术方案、目的及效果，其目的是使公众对本发明的公开内容的理解更加透彻、全面，并不以此限定本发明的保护范围。

以上实施例也并非是基于本发明的穷尽性列举，在此之外，还可以存在多个未列出的其他实施方式。在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.复合显微干涉检测校准装置，其特征在于，包括检测调节机构、显微干涉机构、载物机构；所述检测调节机构包括基座、支撑柱、支撑连接件及驱动电机，所述支撑柱纵向设置于基座上，所述支撑连接件沿所述支撑柱滑动设置，所述驱动电机与支撑连接件连接并带动支撑连接件运动；所述显微干涉机构包括显微组件、安装部及显微调节部，所述显微组件均设于安装部上，所述安装部与显微调节部之间活动配合，所述显微调节部与支撑连接件连接；所述载物机构设于基座上，所述载物机构包括用于放置被测物体的载物扫描台。

2.如权利要求1所述复合显微干涉检测校准装置，其特征在于，所述检测调节机构还包括定位手轮，所述支撑连接件外嵌套于所述支撑柱上，所述定位手轮设于所述支撑连接件远离与显微调节部连接的一侧，所述定位手轮上设有定位轴，所述定位轴穿过支撑连接件并位于支撑连接件与支撑柱之间。

3.如权利要求2所述复合显微干涉检测校准装置，其特征在于，所述检测调节机构还包括安装底座，所述基座设于安装底座上，所述基座与安装底座设有垫块，所述垫块底面上设有正交线段的纹路。

4.如权利要求1所述复合显微干涉检测校准装置，其特征在于，所述安装部沿显微调节部的水平及竖直方向活动设置，所述显微组件包括第一显微测头及第二显微测头，所述第一显微测头及第二显微测头均位于所述安装部靠近载物扫描台的一侧，所述第一显微测头与第二显微测头之间左右间隔设置。

5.如权利要求4所述复合显微干涉检测校准装置，其特征在于，所述显微组件还包括第一进光部及第二进光部，所述第一进光部设于安装部的左侧，所述第二进光部设于安装部的右侧。

6.如权利要求5所述复合显微干涉检测校准装置，其特征在于，还包括干涉光源机构，所述干涉光源机构包括第一光源及第二光源，所述第一光源上设有第一出光部，所述第二光源上设有第二出光部，所述第一出光部与第一进光部连接，所述第二出光部与第二进光部连接。

7.如权利要求1所述复合显微干涉检测校准装置，其特征在于，所述载物机构还包括线性微调机构及倾斜微调机构，所述线性微调机构及倾斜微调机构设于载物扫描台与基座之间，所述载物扫描台位于显微干涉机构的下方。

8.如权利要求1至7任一项所述复合显微干涉检测校准装置，其特征在于，还包括信号控制器、控制数据光纤及计算机，所述信号控制器与载物扫描台之间通过控制数据光纤连接，所述计算机与信号控制器电性连接。

9.如权利要求1至7任一项所述复合显微干涉检测校准装置，其特征在于，还包括隔振底座，所述检测调节机构、显微干涉机构、载物机构均安装于所述隔振底座上。

10.复合显微干涉检测校准装置的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

将被测物体放置于载物扫描台上，驱动电机工作，驱动支撑连接件沿支撑柱移动，支撑连接件带动显微干涉机构的安装部移动，显微组件靠近被测物体；

通过调整显微调节部，调节显微组件至微区表面清晰图像的测量范围内；

当显微组件采集的干涉零级条纹不明显时，通过调整载物扫描台，获得不超过两级干涉条纹；

调节显微干涉机构与被测物体的相对位置，在复合干涉场波列相干区间内采集干涉仪信号并计算与被测物体的示值差。

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