CN113624337B - 一种可检测、控制光强一体化的光路装置 - Google Patents

一种可检测、控制光强一体化的光路装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可检测、控制光强一体化的光路装置，上述光路装置包括操作台、固定安装在所述操作台上的至少八组支撑体、设置在所述操作台上的步进电机、设置在所述步进电机上的固定组件、活动安装在所述步进电机上的滤光轮、激光器、输入光纤、输出光纤、三组平凸透镜、分束镜以及光电二极管。固定组件包括固定安装在所述步进电机上的第一弹簧、与所述第一弹簧固定连接的台座、卡接在所述台座上的垫片、第二弹簧以及套头。本发明集可检测、控制光强一体化，实现从紫外到近红外不同波段的有效检测以及对光功率输出进行调制，滤光轮与步进电机的转轴同轴度高，转动角吻合，滤光轮防偏心、防滑动效果优异，光路装置光强调控和输出的精确度高。

Description

一种可检测、控制光强一体化的光路装置
技术领域
本发明涉及光电检测技术领域，具体涉及一种可检测、控制光强一体化的光路装置。
背景技术
在信息技术中，光电传感技术是一种极其重要的传感技术，目前，光电检测相关的光源是通过特定波长、特定波段的光源功率进行光强调控，而光强检测也是独立出来的另一套系统，单价比较高，并且现有的多波段检测，往往用于检测材料的全波段光谱透过率、反射率的测量，在多波段连续光功率检测与调控一体化方面仍然短缺。
当下光路装置，需要配备独立的光强检测系统来进行检测，并且不能实现从紫外到近红外不同波段的有效检测以及对光功率输出进行调制，影响了连续光电检测。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的不能实现从紫外到近红外不同波段的有效检测以及对光功率输出进行调制的问题，而提出的一种可检测、控制光强一体化的光路装置。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种可检测、控制光强一体化的光路装置，包括操作台、固定安装在所述操作台上的至少八组支撑体、激光器、输入光纤、输出光纤；
所述光路装置还包括：
设置在所述操作台上的步进电机；
设置在所述步进电机上的固定组件，其包括固定安装在所述步进电机上的第一弹簧、与所述第一弹簧固定连接的台座、卡接在所述台座上的垫片、第二弹簧以及套头；
活动安装在所述步进电机上的滤光轮，其用于控制光强；
三组平凸透镜；
分束镜，其用于将所述平凸透镜聚焦的激光光束分为检测光和输出光；以及
光电二极管，其用于对所述检测光进行光强检测。
上述光路装置集可检测、控制光强一体化，实现从紫外到近红外不同波段的有效检测以及对光功率输出进行调制。滤光轮与步进电机转轴同轴度高，转动角吻合，滤光轮防偏心、防滑动效果优异，并且，滤光轮与步进电机整体光强调控的精确度高。
作为上述方案的进一步改进，所述垫片背向所述步进电机设置；所述第二弹簧固定连接在所述垫片和所述套头之间，且套头背向所述第一弹簧设置。
进一步地，所述第一弹簧和第二弹簧均采用不锈钢材质，且第一弹簧的规格为0.5*6*10mm，所述第二弹簧的规格为0.5*9*5mm；
第一弹簧和第二弹簧相结合来提供足够的压力，使得滤光轮紧贴台座与垫片，增大摩擦力，即使在步进电机的转轴处于较高的转速也不会出现滤光轮因摩擦力不足而未跟随转轴转动的情况。
作为上述方案的进一步改进，所述滤光轮通过所述固定组件与所述步进电机活动连接；所述滤光轮设置在三组所述平凸透镜的中间位置；
所述分束镜设置在所述滤光轮背向所述步进电机的位置，且分束镜位于所述滤光轮和相邻所述平凸透镜之间处。
作为上述方案的进一步改进，所述检测光和输出光的功率比例为6：1。
作为上述方案的进一步改进，所述光路装置还包括单片机和光电探测模块；所述光电探测模块用于将所述光电二极管检测到的光强信息转换为电压信号。
作为上述方案的进一步改进，所述步进电机、激光器、输入光纤、平凸透镜、分束镜、光电二极管以及输出光纤均固定安装在对应支撑体上；
所述步进电机、激光器、输入光纤、平凸透镜、分束镜、光电二极管以及输出光纤均位于所述操作台的上方。
进一步地，所述输入光纤背向所述步进电机的一端与所述激光器固定连接。
作为上述方案的进一步改进，所述光强控制方法的步骤如下：
S1提供所述光路装置，其内装配有光强光路控制软件；
S2输入需要的目标光强，所述光路装置换算得到与所述目标光强相对应的电压信号值；
所述电压信号值根据数据库及函数比计算得出；所述计算公式为：电压信号值＝暗电压+目标光强*(校准电压值-暗电压)/校准光强值；
S3所述光路装置的控制电路向检测电路查询目前检测光的电压信号值，与S2的输入值进行比对，采用相对值对照法获得对应所需调整的步进电机旋转的角度；
S4所述光路装置驱动步进电机按所述所需调整的角度进行旋转。
进一步地，所述相对值对照法的操作为：对检测值和输入值的绝对值进行做差，得到差值大小；所述步进电机旋转的角度即为所述差值大小。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明，采用平凸透镜和分束镜构成的分光结构、光电二极管进行光强检测、步进电机和滤光轮构成的调光结构相结合，搭建得到兼具多波段分光检测和可调控光功率的特点的光路装置，可用于连续光功率探测的同时，也可调控光强输出，使得光路装置集可检测、控制光强一体化，实现从紫外到近红外不同波段的有效检测以及对光功率输出进行调制。
2、本发明，采用由第一弹簧、台座、垫片、第二弹簧和套头构成的固定组件来实现滤光轮和步进电机之间的装配，使得滤光轮与步进电机的转轴同轴度高，转动角吻合，滤光轮防偏心、防滑动效果优异，并且，滤光轮与步进电机整体光强调控的精确度高。第一弹簧将台座和垫片安装在步进电机上，由第二弹簧固定的套头将固定组件套接装配在步进电机的转轴上。将滤光轮通过第一弹簧和第二弹簧紧固于台座与垫片之间，从而使得滤光轮始终与步进电机的转轴处于同轴心的状态，并且将第一弹簧和第二弹簧相结合来提供足够的压力，使得滤光轮紧贴台座与垫片，增大摩擦力，即使在步进电机的转轴处于较高的转速也不会出现滤光轮因摩擦力不足而未跟随转轴转动的情况。
3、本发明，光路装置光强调控和输出的精确度高。
综上，本发明的光路装置集可检测、控制光强一体化，实现从紫外到近红外不同波段的有效检测以及对光功率输出进行调制。滤光轮与步进电机的转轴同轴度高，转动角吻合，滤光轮防偏心、防滑动效果优异，并且，滤光轮与步进电机整体光强调控的精确度高。光路装置光强调控和输出的精确度高。
附图说明：
图1所示为本发明提出的一种可检测、控制光强一体化的光路装置的结构示意图。
图2所示为本发明图1的主视图。
图3所示为本发明图1的俯视图。
图4所示为本发明图1的局部结构示意图。
图5所示为本发明图4的局部放大图。
图6所示为本发明图4中固定组件的爆炸图。
图7所示为本发明实施例2提出的一种光强控制方法的流程图。
图8示为本发明实施例2中10mW校准测验数据的散点图。
图9所示为本发明实施例2中5mW校准测验的数据散点图。
主要元件符号说明：
1、操作台；2、支撑体；3、步进电机；4、固定组件；41、第一弹簧；42、台座；43、垫片；44、第二弹簧；45、套头；5、滤光轮；6、激光器；7、输入光纤；8、平凸透镜；9、分束镜；10、光电二极管；11、输出光纤。
以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
请参阅图1-3，本实施例提供了一种可检测、控制光强一体化的光路装置，其用于光的输出功率进行调制。光路装置包括操作台1、固定安装在操作台1上的至少八组支撑体2、设置在操作台1上的步进电机3、设置在步进电机3上的固定组件4、活动安装在步进电机3上的滤光轮5、激光器6、输入光纤7、三组平凸透镜8、分束镜9、光电二极管10、输出光纤11、单片机以及光电探测模块。
步进电机3、激光器6、输入光纤7、平凸透镜8、分束镜9、光电二极管10以及输出光纤11均固定安装在对应支撑体2上。步进电机3、激光器6、输入光纤7、平凸透镜8、分束镜9、光电二极管10以及输出光纤11均位于操作台1的上方。输入光纤7背向步进电机3的一端与激光器6固定连接。支撑体2实现各组件在操作台1上的装配，从而构成光路装置。
滤光轮5通过固定组件4与步进电机3活动连接。滤光轮5设置在三组平凸透镜8的中间位置。分束镜9设置在滤光轮5背向步进电机3的位置，且分束镜9位于滤光轮5和相邻平凸透镜8之间处。滤光轮5通过改变光的强弱来控制光强。分束镜9用于将平凸透镜8聚焦的激光光束分为检测光和输出光。检测光和输出光的功率比例为6：1。光电二极管10用于对检测光进行光强检测。光电探测模块用于将光电二极管10检测到的光强信息转换为电压信号。
由激光器6发射的激光光束从输入光纤7输入，后经过平凸透镜8以及用于控制光强的滤光轮5聚焦于分束镜9上，分束镜9将汇聚而来的光按6：1的功率比例分为检测光和输出光，输出光向后输出，检测光输出到光电二极管10进行检测，光电探测模块通过光电二极管10将检测光的光强信息转换为电压信号，此时，单片机中的控制电路按照数据库(检测光的光强与电压之间的对应关系的数据集)对应的光强与电压之间的关系，与用户输入的光强值进行对比，后驱动控制与滤光轮5相连的步进电机3转动，进而控制在进入分束镜9之前的光束的光强，通过调控光强来实现输出特定光强激光的效果。
本实施例，采用平凸透镜8和分束镜9构成的分光结构、光电二极管10进行光强检测、步进电机3和滤光轮5构成的调光结构相结合，搭建的光路装置兼具多波段分光检测和可调控光功率的特点，可用于连续光功率探测的同时，可调控光强输出，使得光路装置集可检测、控制光强一体化，实现从紫外到近红外不同波段的有效检测以及对光功率输出进行调制。
请继续参阅图4-6，固定组件4包括固定安装在步进电机3上的第一弹簧41、与第一弹簧41固定连接的台座42、卡接在台座42上的垫片43、第二弹簧44以及套头45。第一弹簧41将台座42和垫片43安装在步进电机3上，由第二弹簧44固定的套头45将固定组件4套接装配在步进电机3的转轴上。垫片43背向步进电机3设置。第二弹簧44固定连接在垫片43和套头45之间，且套头45背向第一弹簧41设置。滤光轮5通过第一弹簧41和第二弹簧44紧固于台座42与垫片43之间，从而使得滤光轮5始终与步进电机3的转轴处于同轴心的状态。第一弹簧41和第二弹簧44均采用304不锈钢材质，且第一弹簧41的规格为0.5*6*10mm，第二弹簧44的规格为0.5*9*5mm。第一弹簧41和第二弹簧44相结合来提供足够的压力，使得滤光轮5紧贴台座42与垫片43，增大摩擦力，即使在步进电机3的转轴处于较高的转速也不会出现滤光轮5因摩擦力不足而未跟随转轴转动的情况。
本实施例，采用由第一弹簧41、台座42、垫片43、第二弹簧44和套头45构成的固定组件4来实现滤光轮5和步进电机3之间的装配，使得滤光轮5与步进电机3的转轴同轴度高，转动角吻合，滤光轮5工作时防偏心、防滑动效果优异，并且，滤光轮5与步进电机3整体光强调控的精确度高。第一弹簧41将台座42和垫片43安装在步进电机3上，由第二弹簧44固定的套头45将固定组件4套接装配在步进电机3的转轴上。将滤光轮5通过第一弹簧41和第二弹簧44紧固于台座42与垫片43之间，从而使得滤光轮5始终与步进电机3的转轴处于同轴心的状态，并且将第一弹簧41和第二弹簧44相结合来提供足够的压力，使得滤光轮5紧贴台座42与垫片43，增大摩擦力，即使在步进电机3的转轴处于较高的转速也不会出现滤光轮5因摩擦力不足而未跟随转轴转动的情况。
综上，本实施例提出的光路装置，相较于当下光路装置，具备下述优点：本实施例的光路装置集可检测、控制光强一体化，实现从紫外到近红外不同波段的有效检测以及对光功率输出进行调制。滤光轮5与步进电机3的转轴同轴度高，转动角吻合，滤光轮5工作时防偏心、防滑动效果优异，并且，滤光轮5与步进电机3整体光强调控的精确度高。
实施例2
请参阅图7，本实施例提供了一种光强控制方法，其应用于如实施例1的可检测、控制光强一体化的光路装置中。光强控制方法的步骤如下：
S1提供光路装置，其内装配有光强光路控制软件。
S2输入需要的目标光强，光路装置换算得到与目标光强相对应的电压信号值；
用户手动输入需要的目标光强，输入值被利用labview软件编写的光强光路控制软件接收后，根据先前的数据库及函数比计算出对应的电压信号值。
电压信号值根据数据库及函数比计算得出。计算公式为：电压信号值＝暗电压+目标光强*(校准电压值-暗电压)/校准光强值。
S3光路装置的控制电路向检测电路查询目前检测光的电压信号值，与S2的输入值进行比对，采用相对值对照法获得对应所需调整的步进电机3旋转的角度。
相对值对照法的操作为：对检测值和输入值的绝对值进行做差，得到差值大小。步进电机3旋转的角度即为差值大小。
S4光路装置驱动步进电机3按所需调整的角度进行旋转；
光路装置驱动步进电机3按所需调整的角度进行旋转后，重复S3，直至当前光强达到输入值。
本实施例，采用相对值对照法的光强检测方式，代替了绝对光强的测量和控制。在每次使用前先用标准光强进行指定光强标定。具体过程和检测结果如下：
(1)在10mW光强处，对应数据采集2.92V标定光强，通过输入目标光强得到输出2mW-10mW范围内光强。目标光强和实测光强对应的采集电压的关系图如图8，图8所示为10mW校准测验数据的散点图。数据最终表现出光强在2mW-10mW范围内高精度的一一对应关系，实际光强偏差<0.4mW。
(2)在5.02mW光强处，对应数据采集1.49V标定光强，通过输入目标光强得到输出0mW-5mW范围内光强。目标光强和实测光强对应的采集电压的关系图如图9，图9所示为5mW校准测验的。数据最终表现出光强在0mW-5mW范围内高精度的一一对应关系，实际光强偏差<0.01mW。说明光强输出已经达到了很高的精度要求。
通过结合图8和图9进行分析可知，图8和图9分别是对10mW和5mW的测验数据作线性拟合，从图8-9中可以看出，目标光强与实测光强的曲线几乎重合，拟合优度R2也均达到0.99以上，说明拟合程度非常好，这证明了本实施例的光强控制方法，其输出有着良好的精准度。
本实施例，采用相对值对照法，所需要的目标值越接近校准的标准值，结果就越精确。如同时调控4mW，用5mW校准就会比用10mW校准精确，测量和需要调控的光强的相对误差比较小，几乎都在3％以下，几乎不随量程的变化而变化。这证明了实施例1中的光路装置可精确的提供指定的光强调控以及输出。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可检测、控制光强一体化的光路装置，包括操作台(1)、固定安装在所述操作台(1)上的至少八组支撑体(2)、激光器(6)、输入光纤(7)、输出光纤(11)；
其特征在于，所述光路装置还包括：
设置在所述操作台(1)上的步进电机(3)；
设置在所述步进电机(3)上的固定组件(4)，其包括固定安装在所述步进电机(3)上的第一弹簧(41)、与所述第一弹簧(41)固定连接的台座(42)、卡接在所述台座(42)上的垫片(43)、第二弹簧(44)以及套头(45)；
活动安装在所述步进电机(3)上的滤光轮(5)，其用于控制光强；
三组平凸透镜(8)；
分束镜(9)，其用于将所述平凸透镜(8)聚焦的激光光束分为检测光和输出光；以及
光电二极管(10)，其用于对所述检测光进行光强检测，所述垫片(43)背向所述步进电机(3)设置；所述第二弹簧(44)固定连接在所述垫片(43)和所述套头(45)之间，且套头(45)背向所述第一弹簧(41)设置，所述第一弹簧(41)和第二弹簧(44)均采用304不锈钢材质，且第一弹簧(41)的规格为0.5*6*10mm，所述第二弹簧(44)的规格为0.5*9*5mm，所述滤光轮(5)通过所述固定组件(4)与所述步进电机(3)活动连接；所述滤光轮(5)设置在三组所述平凸透镜(8)的中间位置；
所述分束镜(9)设置在所述滤光轮(5)背向所述步进电机(3)的位置，
且分束镜(9)位于所述滤光轮(5)和相邻所述平凸透镜(8)之间处，所述检测光和输出光的功率比例为6：1，所述光路装置还包括单片机和光电探测模块；所述光电探测模块用于将所述光电二极管(10)检测到的光强信息转换为电压信号，所述步进电机(3)、激光器(6)、输入光纤(7)、平凸透镜(8)、分束镜(9)、光电二极管(10)以及输出光纤(11)均固定安装在对应支撑体(2)上；
所述步进电机(3)、激光器(6)、输入光纤(7)、平凸透镜(8)、分束镜(9)、光电二极管(10)以及输出光纤(11)均位于所述操作台(1)的上方。
2.根据如权利要求1所述的可检测、控制光强一体化的光路装置，其特征在于，所述输入光纤(7)背向所述步进电机(3)的一端与所述激光器(6)固定连接。
3.根据如权利要求1至2中任意一项的所述可检测、控制光强一体化的光路装置，其采用光强控制方法进行光强调控，其特征在于，所述光强控制方法的步骤如下：
S1提供所述光路装置，其内装配有光强光路控制软件；
S2输入需要的目标光强，所述光路装置换算得到与所述目标光强相对应的电压信号值；
所述电压信号值根据数据库及函数比计算得出；所述计算公式为：电压信号值＝暗电压+目标光强*(校准电压值-暗电压)/校准光强值；
S3所述光路装置的控制电路向检测电路查询目前检测光的电压信号值，与S2的输入值进行比对，采用相对值对照法获得对应所需调整的步进电机旋转的角度；
S4所述光路装置驱动步进电机按所述所需调整的角度进行旋转。
4.根据如权利要求3所述的可检测、控制光强一体化的光路装置，其特征在于，所述相对值对照法的操作为：
对检测值和输入值的绝对值进行做差，得到差值大小；
所述步进电机旋转的角度即为所述差值大小。
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