CN113953933A - 一种光纤端面棱镜加工设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤端面棱镜加工设备，包括：光学面包板及分别固定设置于所述光学面包板上的打磨组件、姿态调整组件及监测组件，所述监测组件与打磨组件相对设置，所述姿态调整组件与监测组件均设置于打磨组件远离监测组件的一侧；所述监测组件包括第一平移台固定于所述第一平移台上的升降台、固定于所述升降台上的垂直支撑杆、与所述垂直支撑杆通过换向连接件垂直连接的水平支撑杆、与所述水平支撑杆固接的调焦轨道件及与所述调焦轨道相配合的镜头支撑架，所述镜头支撑架上套接有显微镜头，所述显微镜头螺纹连接有CCD摄像机。根据本发明，扩大了打磨角度，对光纤进行多平面打磨，可以进行实时监测，提高了打磨及抛光的效率。
Description
技术领域
本发明涉及机械设备的技术领域，特别涉及一种光纤端面棱镜加工设备。
背景技术
表面等离子体共振(SPR)效应在生物、化学、环境等传感领域有广泛的应用。1996年，J.Homola等人基于Kretschmann结构提出了光纤SPR传感结构(J.Homola,et al,“Fibre-optic sensor based on surface plasmon resonance”,Electronics Letters,32(5),480-482(1996))，其具有体积小、成本低、灵敏度高、抗电磁干扰、抗腐蚀等优点。其后，基于SPR的光纤传感结构不断被提出，这些结构主要包括光纤光栅、异芯光纤以及侧抛光纤等结构。特别是侧抛光纤结构由于具有D形的轴不对称性，2019年，Li等人提出了利用D型光纤结合磁流体的结构对磁场进行矢量传感(Yongxi Li,et al,“All-fiber-opticvector magnetic field sensor based on side-polished fiber and magneticfluid”,Optics Express,27(24),35182-35188(2019))。
由于D形结构不能直接有效地调整入射光角度，从而调节SPR所产生的波段，进而实现多通道分布式传感，因此，Liu等人在2015年提出对光纤端面打磨出不同的角度，形成不同角度的棱镜结构，利用级联的光纤棱镜实现基于SPR效应的分布式传感结构(ZhihaiLiu,et al,“Distributed fiber surface plasmon resonance sensor based on theincident angle adjusting method”,Optics Letters,40(19),4452-4455(2015))，并在同年提出了打磨双芯光纤形成楔形棱镜结构实现基于SPR效应的光纤传感器(Zhihai Liu,et al,“Twin-core fiber SPR sensor”,Optics Letters,40(12),2826-2829(2015))。
现有产品对光纤端面加工大部分是用固定角度的陶瓷模具，因此，光纤只能被加工出单个斜面，且调整角度需要定制新的模具，加工成本高、效率低。KRELLTECH公司的产品“NOVATMBare FiberPolishing System”不需要固定模具，可以在加工过程中进行实时监测，但打磨角度可调整范围仅有0°-50°，而SPR效应对入射角要求约为70°-85°，且光纤轴向上没有旋转自由度，只能进行单个平面的打磨。KRELLTECH公司的其它同类产品除了仍然有上述缺点外，额外去除了部分功能。北京利恩和通讯技术公司的产品“透镜光纤研磨机ULTRAPOL”支持轴向旋转，加工精度高，不需要模具，打磨角度可调节范围达到了0°-80°，但不能对打磨过程进行实时监测，且用于固定光纤的组件为特定光纤纺锤组件，光纤加工完成后不利于连同固定组件一同取下以确保实时掌握所打磨面的朝向。同为北京利恩和通讯技术公司产品的“经济型裸光纤研磨机Nanopol”除了具有“ULTRAPOL”的缺点外还去除了其它部分功能。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种光纤端面棱镜加工设备，扩大了打磨角度，对光纤进行多平面打磨，可以进行实时监测，提高了打磨及抛光的效率。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种光纤端面棱镜加工设备，包括：
光学面包板及分别固定设置于所述光学面包板上的打磨组件、姿态调整组件及监测组件，所述监测组件与打磨组件相对设置，所述姿态调整组件与监测组件均设置于打磨组件远离监测组件的一侧；
所述监测组件包括第一平移台固定于所述第一平移台上的升降台、固定于所述升降台上的垂直支撑杆、与所述垂直支撑杆通过换向连接件垂直连接的水平支撑杆、与所述水平支撑杆固接的调焦轨道件及与所述调焦轨道相配合的镜头支撑架，所述镜头支撑架上套接有显微镜头，所述显微镜头螺纹连接有CCD摄像机。
优选的，所述调焦轨道件一端面上开设有轨道槽、与所述轨道槽相邻的一对侧面上分别设置有调焦旋钮及与轨道槽相对一端面上设置有调焦轨道锁紧螺丝。
优选的，所述镜头支撑架包括竖直段、与所述竖直段相垂直的设置的水平段及固定于所述竖直段远离水平段一端上的环件段，所述显微镜头穿过所述环件段，且所述水平段的端面上设置有轨道，所述轨道与轨道槽相匹配。
优选的，所述姿态调整组件包括第一直角架、固定于所述第一直角架上第二平移台、固定于所述第二平移台的滑块上的旋转平台、固定与所述旋转平台上的空心步进电机支架及固定于所述空心步进电机支架上的空心步进电机。
优选的，所述空心步进电机的输出轴上固定有光纤适配器支架，所述光纤适配器支架中开设有一嵌合槽，所述嵌合槽内通过螺钉固定有光纤适配器。
优选的，所述打磨组件包括第三平移台、固定于所述第三平移台的滑块上的第一手动平移台、固定于所述第一手动平移台上的第二直角架、固定于所述第二直角架上的第二手动平移台、固定于所述第二手动平移台上的第三直角架。
优选的，所述第三直角架上固定连接有电机支架、固定于所述电机支架上的高速直流无刷电机、固定于所述高速直流无刷电机上的打磨盘及固定于所述打磨盘上的砂纸。
优选的，所述光学面包板上固定有直流稳压电源、电机控制器电源、直流无刷电机控制器与步进电机控制器，所述直流无刷电机控制器与步进电机控制器通过底部接口与电机控制器电源连接，直流无刷电机控制器和步进电机控制器通过USB数据线分别与高速直流无刷电机和空心步进电机连接。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
(1)打磨角度范围达到0°-85°，打磨盘、打磨电机通过三维平台进行X-Y方向(平行于地面方向)粗调，Z轴微调。通过X-Y方向的粗调可将光纤加工位置移动到打磨盘的边缘以进行大角度的打磨。通过Z轴微调实现打磨精度的控制，尤其在大角度打磨过程中，防止打磨台面抬升过高导致光纤弯曲，打磨角度不准。
(2)支持光纤轴向旋转，可以对光纤进行多个平面的打磨，形成棱镜结构：
光纤穿过空心步进电机及通过固定支架固定在空心步进电机上的光纤适配器，通过步进电机的旋转，精确控制所打磨的多个棱镜面的相对角度。
支持实时监测，可以在打磨过程中实时观察、测量打磨的角度、深度等：监测系统采用64×-800×显微镜头及CCD摄像机进行实时监测，并使用配套的软件进行角度及打磨深度的测量。
打磨盘采用高速直流无刷电机，转速最高可调至10000rad/min，有效提高了光纤的打磨及抛光效率：为尽可能保证打磨电机的稳定性，打磨电机选用10000-12000rad/min的硬盘电机，并配套设计转向、转速控制系统及打磨盘片。
(5)光纤固定组件采用通用的FC/PC光纤适配器，打磨完成后可将适配器一同取下进行后续操作，确保实时掌握光纤棱镜的姿态：光纤适配器通过支架与空心电机连接，通过拆卸螺丝可以将光纤适配器轻松取下并进行后续操作。
附图说明
图1为根据本发明的光纤端面棱镜加工设备的三维结构示意图；
图2为根据本发明的光纤端面棱镜加工设备的打磨组件三维爆炸结构示意图；
图3为根据本发明的光纤端面棱镜加工设备的姿态调整组件的三维结构示意图；
图4为根据本发明的光纤端面棱镜加工设备的监测组建的额三维爆炸结构示意图；
图5为根据本发明的光纤端面棱镜加工设备的控制系统的三维爆炸结构示意图。
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。
参照图1-5，一种光纤端面棱镜加工设备，包括：光学面包板29及分别固定设置于所述光学面包板29上的打磨组件、姿态调整组件及监测组件，所述监测组件与打磨组件相对设置，所述姿态调整组件与监测组件均设置于打磨组件远离监测组件的一侧；所述监测组件包括第一平移台17固定于所述第一平移台17上的升降台18、固定于所述升降台18上的垂直支撑杆19、与所述垂直支撑杆19通过换向连接件20垂直连接的水平支撑杆22、与所述水平支撑杆22固接的调焦轨道件25及与所述调焦轨道25相配合的镜头支撑架26，所述镜头支撑架26上套接有显微镜头28，所述显微镜头28螺纹连接有CCD摄像机27，55-112mm升降台18通过底部的通孔阵列，用M5螺丝固定在300mm第一平移台的位移平台上，300mm第一平移台17的集成控制器位于右侧，55-112mm升降台18的调节杆指向前方；直径25mm的垂直支撑杆19通过底部的M8螺纹孔，用M8转M5螺丝固定在设有M5螺纹孔阵列的55-112mm升降台18上；直径25mm的水平支撑杆22通过设有两个垂直的直径25mm的换向连接件20与垂直支撑杆19保持垂直连接，并用换向连接件锁紧螺丝21调整水平支撑杆22的高度及前后位置；CCD摄像机27通过镜头除的螺纹凸起与显微镜头28连接，并穿过配套的镜头支撑架26；镜头支撑架26通过梯形轨道与调焦轨道件25连接，并通过调焦旋钮23对CCD摄像机27和显微镜头28的前后位置进行微调；调焦轨道件25上方设有直径25mm通孔并通过顶部M8螺纹通孔，用调焦轨道锁紧螺丝24固定在水平支撑杆22上，并通过调焦轨道锁紧螺丝24的松紧，大致调整CCD摄像机27和显微镜头28的前后位置。
进一步的，所述调焦轨道件25一端面上开设有轨道槽、与所述轨道槽相邻的一对侧面上分别设置有调焦旋钮23及与轨道槽相对一端面上设置有调焦轨道锁紧螺丝24，所述镜头支撑架26包括竖直段、与所述竖直段相垂直的设置的水平段及固定于所述竖直段远离水平段一端上的环件段，所述显微镜头28穿过所述环件段，且所述水平段的端面上设置有轨道，所述轨道与轨道槽相匹配。
进一步的，所述姿态调整组件包括第一直角架11、固定于所述第一直角架11上第二平移台10、固定于所述第二平移台10的滑块上的旋转平台12、固定与所述旋转平台12上的空心步进电机支架13及固定于所述空心步进电机支架13上的空心步进电机14，所述空心步进电机14的输出轴上固定有光纤适配器支架15，所述光纤适配器支架15中开设有一嵌合槽，所述嵌合槽内通过螺钉固定有光纤适配器16，300mm第二平移台10轨道底部的沉孔阵列用M5螺丝固定在300×102mm第一直角架11的300mm平面上，且300mm第二平移台10的集成控制器位于上方，300×102mm第一直角架11的300mm平面法向向前，102mm平面的法向垂直向下；旋转平台12通过四角沉孔用M5螺丝固定在设有M5螺纹孔阵列的300mm第二平移台10的位移平台上；空心步进电机支架13通过三个沉孔用M5螺丝固定在设有对应螺纹孔的旋转平台12上；空心步进电机14的转轴所在平面设有四个M2.5螺纹孔，与空心步进电机支架13的四个沉孔配合；光纤适配器支架15通过顶部的M2.5螺丝固定在空心步进电机14上；光纤适配器16固定在光纤适配器支架15上，通过光纤适配器支架15前面的螺丝，对光纤适配器16进行夹紧或取下。通过300mm第二平移台10可以对光纤适配器16及其它组件进行上下位置的调节。
进一步的，所述打磨组件包括第三平移台9、固定于所述第三平移台9的滑块上的第一手动平移台8、固定于所述第一手动平移台8上的第二直角架6、固定于所述第二直角架6上的第二手动平移台7、固定于所述第二手动平移台7上的第三直角架5，所述第三直角架5上固定连接有电机支架4、固定于所述电机支架4上的高速直流无刷电机3、固定于所述高速直流无刷电机3上的打磨盘2及固定于所述打磨盘2上的砂纸1，砂纸1通过背胶粘在打磨盘2上；打磨盘2通过底部M10螺纹孔固定在设有M10螺纹转轴的高速直流无刷电机3上；高速直流无刷电机3每120°设有一个沉孔，通过沉孔用3个M5螺丝固定在设有对应螺纹孔的电机支架4上；电机支架4四角设有4个沉孔，通过沉孔用4个M5螺丝固定在设有M5螺纹孔阵列的80×56mm第三直角架5的80mm平面上；80×56mm第三直角架5的56mm平面设有沉孔阵列，用M5螺丝固定在设有M5螺纹孔阵列的50mm第二手动平移台7的位移平台上，且80×56mm第三直角架5的80mm平面法向与50mm第二手动平移台7的调节旋钮指向均为垂直地面向上，50mm第二手动平移台7的平台面法向向左，通过50mm第二手动平移台7实现打磨盘2的上下微调；50mm第二手动平移台7通过底部所设沉孔阵列，用M5螺丝固定在另一个80×56mm第二直角架6的80mm平面上，且80×56mm第二直角架6的56mm平面法向垂直向下；80×56mm第二直角架6通过其56mm平面的沉孔阵列，用M5螺丝固定在另一个50mm第一手动平移台8上，且50mm第一手动平移台8的调节旋钮指向前方；50mm第一手动平移台8通过底部的沉孔阵列，用M5螺丝固定在设有M5螺纹孔阵列的300mm第三平移台9的位移平台上，且300mm第三平移台9的集成控制器置于右侧。
进一步的，所述光学面包板29上固定有直流稳压电源31、电机控制器电源34、直流无刷电机控制器32与步进电机控制器33，所述直流无刷电机控制器32与步进电机控制器33通过底部接口与电机控制器电源34连接，直流无刷电机控制器32和步进电机控制器33通过USB数据线分别与高速直流无刷电机3和空心步进电机14连接，电脑35通过USB数据线与集成了控制器的300mm第三平移台9、300mm第二平移台10、300mm第一平移台17以及步进电机控制器33连接并进行程序控制，此外上述设备同时具有手动控制的功能；把手30通过两侧沉孔，用M5螺丝固定在600×600mm光学面包板29两边。
打磨系统可以使砂纸进行最高约10000rad/min的高速旋转，大大提高了打磨效率，且打磨电机采用的所述高速直流无刷电机3为硬盘电机，出厂经过严格检测，具有良好的稳定性；通过50mm第二手动平移台7，可以对砂纸进行上下微调，精密控制光纤打磨时的应力，防止在打磨时由于压力过大导致的光纤弯曲使得打磨角度出现误差；通过50mm第一手动平移台8和300mm第三平移台9，可以对砂纸进行前后、左右的调节，以充分利用砂纸的各个位置，防止砂纸的同一位置因打磨产生的碎屑降低打磨效率，提高砂纸的利用率。亦可在必要时大范围左右调整砂纸位置，以提供更换砂纸规格的操作空间，防止光纤在更换砂纸的操作中被碰断；打磨盘2三面无遮挡，可以在进行大角度打磨时，调整砂纸位置，将光纤置于砂纸边缘处进行打磨，防止光纤适配器16因体积更大而先于光纤接触到砂纸或碰到其它部位，提高了光纤的打磨角度。
姿态调整系统通过300mm第二平移台10可以调整光纤的上下位置，在打磨前将光纤抬升到远离砂纸的合适高度，方便对光纤的姿态进行调整。通过旋转平台12设置好打磨角度并锁紧后通过300mm第二平移台10将光纤移动到贴近砂纸的位置，然后开启电机，调整打磨系统的50mm第二手动平移台7开始打磨。一个面打磨完成后，将光纤抬升到安全高度，可以通过空心步进电机14旋转设定的角度，再次重复上述操作即可打磨其余的面，形成光纤棱镜。光纤穿过空心步进电机的转轴并用光纤适配器16固定，样品加工完毕后通过光线适配器支架前部的螺丝可将光纤适配器16及光纤样品整体取下，省去了在进行其它操作时对光纤打磨平面朝向的标记的步骤。
实时监测系统采用高分辨率的CCD摄像机27和可调倍率的显微镜头28对打磨过程进行实时监控，为精确调整光纤和砂纸的相对位置提供可视化条件，并通过配套的软件，对打磨角度及打磨深度进行实时测量。通过300mm第一平移台17及55-112mm升降台18可以根据光纤的位置进行左右上下调节，并通过调焦轨道25进行前后微调。
电源及控制系统通过USB数据线相互连接，其中直流无刷电机控制器32、步进电机控制器33以及300mm电动一维平台中所集成的控制器均有手动和电脑程序控制两种操作方式。
所有系统均固定在600×600mm光学面包板29上，提高整体的稳定性及便携性。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不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和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种光纤端面棱镜加工设备，其特征在于，包括：
光学面包板(29)及分别固定设置于所述光学面包板(29)上的打磨组件、姿态调整组件及监测组件，所述监测组件与打磨组件相对设置，所述姿态调整组件与监测组件均设置于打磨组件远离监测组件的一侧；
所述监测组件包括第一平移台(17)固定于所述第一平移台(17)上的升降台(18)、固定于所述升降台(18)上的垂直支撑杆(19)、与所述垂直支撑杆(19)通过换向连接件(20)垂直连接的水平支撑杆(22)、与所述水平支撑杆(22)固接的调焦轨道件(25)及与所述调焦轨道(25)相配合的镜头支撑架(26)，所述镜头支撑架(26)上套接有显微镜头(28)，所述显微镜头(28)螺纹连接有CCD摄像机(27)。
2.如权利要求1所述的一种光纤端面棱镜加工设备，其特征在于，所述调焦轨道件(25)一端面上开设有轨道槽、与所述轨道槽相邻的一对侧面上分别设置有调焦旋钮(23)及与轨道槽相对一端面上设置有调焦轨道锁紧螺丝(24)。
3.如权利要求1所述的一种光纤端面棱镜加工设备，其特征在于，所述镜头支撑架(26)包括竖直段、与所述竖直段相垂直的设置的水平段及固定于所述竖直段远离水平段一端上的环件段，所述显微镜头(28)穿过所述环件段，且所述水平段的端面上设置有轨道，所述轨道与轨道槽相匹配。
4.如权利要求1所述的一种光纤端面棱镜加工设备，其特征在于，所述姿态调整组件包括第一直角架(11)、固定于所述第一直角架(11)上第二平移台(10)、固定于所述第二平移台(10)的滑块上的旋转平台(12)、固定与所述旋转平台(12)上的空心步进电机支架(13)及固定于所述空心步进电机支架(13)上的空心步进电机(14)。
5.如权利要求4所述的一种光纤端面棱镜加工设备，其特征在于，所述空心步进电机(14)的输出轴上固定有光纤适配器支架(15)，所述光纤适配器支架(15)中开设有一嵌合槽，所述嵌合槽内通过螺钉固定有光纤适配器(16)。
6.如权利要求1所述的一种光纤端面棱镜加工设备，其特征在于，所述打磨组件包括第三平移台(9)、固定于所述第三平移台(9)的滑块上的第一手动平移台(8)、固定于所述第一手动平移台(8)上的第二直角架(6)、固定于所述第二直角架(6)上的第二手动平移台(7)、固定于所述第二手动平移台(7)上的第三直角架(5)。
7.如权利要求6所述的一种光纤端面棱镜加工设备，其特征在于，所述第三直角架(5)上固定连接有电机支架(4)、固定于所述电机支架(4)上的高速直流无刷电机(3)、固定于所述高速直流无刷电机(3)上的打磨盘(2)及固定于所述打磨盘(2)上的砂纸(1)。
8.如权利要求1所述的一种光纤端面棱镜加工设备，其特征在于，所述光学面包板(29)上固定有直流稳压电源(31)、电机控制器电源(34)、直流无刷电机控制器(32)与步进电机控制器(33)，所述直流无刷电机控制器(32)与步进电机控制器(33)通过底部接口与电机控制器电源(34)连接，直流无刷电机控制器(32)和步进电机控制器(33)通过USB数据线分别与高速直流无刷电机(3)和空心步进电机(14)连接。
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