CN115406357B - 基于共焦探测的大深径比微孔测量传感装置 - Google Patents

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Abstract

基于共焦探测的大深径比微孔测量传感装置属于精密仪器制造及测量技术领域，适用于大深径比微孔的测量；在装配台上将激光光源、准直透镜、分光棱镜、偏振分光棱镜A、四分之一波片A、显微物镜A、收集物镜A、光电探测器A、偏振分光棱镜B、四分之一波片B、显微物镜B、收集物镜B、光电探测器B分别装配在第一连接架A、第二连接架A、第三连接架A、第四连接架A、第五连接架A、第六连接架A、第七连接架A、第八连接架A、第四连接架B、第五连接架B、第六连接架B、第七连接架B、第八连接架B上，在二维调整架上安装有光纤探针测头的光纤杆。本装置具有制作简单，分辨力高，实时性好，测量力小，具有测量大深径比微孔能力的特点。

Description

基于共焦探测的大深径比微孔测量传感装置
技术领域
本发明属于传感器，主要设计一种基于共焦探测的大深径比微孔测量传感装置。
背景技术
随着制造技术的发展进步，在航空航天、国防等领域的应用越来越多，对于精密机械的需求也越来越大，因此精密机械的测量技术成了提高精度的关键；其中，精密机械中的微孔便是常见的测量问题，尤其是一些大深径比的微孔就成了探针研究的热点之一；基于光纤制作的探针具有测量力小，探针直径小的优点。
而现有针对大深径比微孔测量的光纤探针方法主要包括下面几种方法：
1.申请号201510381711.2所描述的“基于共扼焦点跟踪探测技术的探针传感装置”利用了光栅结构的光纤对光的反射，再利用共焦的方式进行探测的装置。
相似专利申请有：基于光束扫描共焦探测技术的探针传感方法及装置(申请号：201510381702.3)。
2.申请号201510381723.5所描述的“基于光纤出射光探测的组合悬臂梁探针传感方法及装置”是将一个光纤探针固定在一个有出射光的悬臂光纤上，当光纤探针接触到物体时，从而带动悬臂光纤发生偏转，通过检测出射光的偏转进行探测。
相似专利申请有：一种基于光束扫描探测的组合悬臂探针传感装置及传感方法(申请号：20161065142.2)、一种基于光纤出射光准直探测的组合悬臂梁探针传感装置及其传感方法(申请号：201610165130.X)。
3.申请号201810316350.7所描述的“一种基于侧面激光耦合的光纤探针传感装置、传感方法及探针制备方法”将激光耦合进光纤中，利用共焦检测原理将光纤中出射的光收集到光电传感器上，通过弹性膜片检测光纤位移量。
相似专利申请有一种光纤侧面荧光物质沉积微型探针三维传感装置、传感方法及探针制备方法(申请号：201810315887.1)、一种表面荧光增强微型探针二维传感装置、传感方法及探针制备方法(申请号：201810316931.0)。
4.申请号200910071624.1所描述的“基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法与装置”把光纤作为一个柱透镜，然后将光汇聚到柱透镜的焦点上，投影到光电探测器上。
相似专利申请有：基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感方法与装置(申请号：200910071623.7)、正交光路二维微焦准直与三维坐标传感器(申请号：201110456022.5)、基于正交二维微焦准直的微孔测量装置与方法(申请号：201110438936.9)。
上述文件及其提到的对比文献中所描述的不足之处有：(1)由于光纤杆刚度较低，检测悬挂在弹性膜片上的光纤杆，会出现迟滞较大、灵敏度较低的现象；(2)基于光纤设计的探针采用的悬臂夹持装置，一方面悬臂制造较为困难，另一方面悬臂夹持测量时存在一定的测量力，影响精度；(3)探针结构工艺复杂，弹性膜片较难制作；(4)利用电控平台的位移跟踪测量的响应会有损失。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有的技术存在的问题，设计一种基于共焦探测的大深径比微孔测量传感装置，达到高分辨力、实时性好、测量力小、结构微型化，具备二维探测的能力。
本发明的目的是这样实现的：
基于共焦探测的大深径比微孔测量传感装置，其特征在于在装配台上安装第一连接架A、第二连接架A、第三连接架A、第四连接架A、第五连接架A、第六连接架A、第七连接架A、第八连接架A、第四连接架B、第五连接架B、第六连接架B、第七连接架B、第八连接架B和二维调整架，激光光源、准直透镜、分光棱镜、偏振分光棱镜A、四分之一波片A、显微物镜A、收集物镜A、光电探测器A、偏振分光棱镜B、四分之一波片B、显微物镜B、收集物镜B、光电探测器B分别装配在第一连接架A、第二连接架A、第三连接架A、第四连接架A、第五连接架A、第六连接架A、第七连接架A、第八连接架A、第四连接架B、第五连接架B、第六连接架B、第七连接架B、第八连接架B上，在二维调整架上安装有光纤探针测头的光纤杆；
准直透镜、分光棱镜、偏振分光棱镜A、四分之一波片A、显微物镜A依次位于激光光源的第一直射光路上；准直透镜、分光棱镜、偏振分光棱镜B、四分之一波片B、显微物镜B、收集物镜B、光电探测器B依次位于激光光源的第二直射光路上；
收集物镜A、光电探测器A位于偏振分光棱镜A的第一反射光路上，光纤探针的光纤杆位于激光光源直射光路经显微物镜A聚焦的焦点上；收集物镜B、光电探测器B位于偏振分光棱镜B的第二反射光路上，光纤探针的光纤杆位于激光光源直射光路经显微物镜B聚焦的焦点上。
光电探测器18前方的光路汇聚点配置有针孔20，针孔20与光电探测器18固定。
激光光源11直射的光束汇聚点在光纤探针19处，其表面加工有反射层19a。
激光光源11射出的光经准直透镜12准直后，由分光棱镜13分成两路相互正交的光线，分别被第一探测系统和第二探测系统接收。
经分光棱镜13反射后的光路进入到第一探测系统，被偏振分光棱镜A14a接收反射，依次经过四分之一波片A15a，由显微物镜A16a聚焦在光线探针表面的反射层19a上，后经反射的光，由显微物镜A16a准直，经四分之一波片A15a，由偏振分光棱镜A14a透射，被收集物镜A17a收集后，聚焦在带有针孔20的光电探测器A18a上；经分光棱镜13透射后的光路进入到第二探测系统的原理同第一探测系统。
当光纤探针的探测触头接触到物体时，探测触头的横向位移为X，汇聚光的反射层处的位移为x，在小范围时，X与x成相似三角形的对应边关系。由于光纤探针发生了移动，则光纤探针的反射光在光电探测器的汇聚光的光强发生了变化；在光电探测器前面设置有针孔，可以将中心之外的光挡住，可以提高光纤探针的轴向探测分辨力；光电探测器探测的光强变化即可计算出探测触头的轴向位移。
本发明的优点是：(1)具备二维探测能力；(2)分辨力高；(3)进行大深径比测量；(4)探针结构简单。
附图说明
图1为微深孔测量图
图2为本发明结构示意图
图3为图2的仰视图
图4为一维光路原理示意图
图5为图4探针局部偏转图
图6为一维归一化光强图
图7为一维探针偏转响应图
图中：1-装配台，2-第一连接架，3-第二连接架，4-第三连接架，5a-第四连接架A，5b-第四连接架B，6a-第五连接架A，6b-第五连接架B，7a-第六连接架A，7b-第六连接架B,8a-第七连接架A，8b-第七连接架B，9a-第七连接架A，9b-第七连接架B，10-二维调整架，11-激光光源，12-准直透镜，13-分光棱镜，14-偏振分光棱镜，14a-偏振分光棱镜A，14b-偏振分光棱镜B，15-四分之一波片，15a-四分之一波片A，15b-四分之一波片B，16-显微透镜，16a-显微透镜A，16b-显微透镜B，17-收集物镜，17a-收集物镜A，17b-收集物镜B，18-光电探测器，18a-光电探测器A，18b-光电探测器B，19-光纤探针，19a-反射层，20-针孔，21-微孔，22-检测前光斑，23-检测后光斑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细描述。
基于共焦探测的大深径比微孔测量传感装置，其特征在于在装配台上安装第一连接架A、第二连接架A、第三连接架A、第四连接架A、第五连接架A、第六连接架A、第七连接架A、第八连接架A、第四连接架B、第五连接架B、第六连接架B、第七连接架B、第八连接架B和二维调整架，激光光源、准直透镜、分光棱镜、偏振分光棱镜A、四分之一波片A、显微物镜A、收集物镜A、光电探测器A、偏振分光棱镜B、四分之一波片B、显微物镜B、收集物镜B、光电探测器B分别装配在第一连接架A、第二连接架A、第三连接架A、第四连接架A、第五连接架A、第六连接架A、第七连接架A、第八连接架A、第四连接架B、第五连接架B、第六连接架B、第七连接架B、第八连接架B上，在二维调整架上安装有光纤探针测头的光纤杆；
准直透镜、分光棱镜、偏振分光棱镜A、四分之一波片A、显微物镜A依次位于激光光源的第一直射光路上；准直透镜、分光棱镜、偏振分光棱镜B、四分之一波片B、显微物镜B、收集物镜B、光电探测器B依次位于激光光源的第二直射光路上；
收集物镜A、光电探测器A位于偏振分光棱镜A的第一反射光路上，光纤探针的光纤杆位于激光光源直射光路经显微物镜A聚焦的焦点上；收集物镜B、光电探测器B位于偏振分光棱镜B的第二反射光路上，光纤探针的光纤杆位于激光光源直射光路经显微物镜B聚焦的焦点上。
光电探测器18前方的光路汇聚点配置有针孔20，针孔20与光电探测器18固定。
激光光源11直射的光束汇聚点在光纤探针19处，其表面加工有反射层19a。本发明的工作原理如下：
激光光源11射出的光经准直透镜12准直后，由分光棱镜13分成两路相互正交的光线，分别被第一探测系统和第二探测系统接收。
经分光棱镜13反射后的光路进入到第一探测系统，被偏振分光棱镜A14a接收反射，依次经过四分之一波片A15a，由显微物镜A16a聚焦在光线探针表面的反射层19a上，后经反射的光，由显微物镜A16a准直，经四分之一波片A15a，由偏振分光棱镜A14a透射，被收集物镜A17a收集后，聚焦在带有针孔20的光电探测器A18a上；经分光棱镜13透射后的光路进入到第二探测系统的原理同第一探测系统。
如图所示，当光纤探针的探测触头接触到物体时，探测触头的横向位移为X，汇聚光的反射层处的位移为x，在小范围时，X与x成相似三角形的对应边关系。由于光纤探针发生了移动，则光纤探针的反射光在光电探测器的汇聚光的光强发生了变化；在光电探测器前面设置有针孔，可以将中心之外的光挡住，光电探测器探测的就是点，可以提高光纤探针的轴向探测分辨力；光电探测器探测的光强变化即可计算出探测触头的轴向位移；光电探测器用来测量汇聚的光强，一般采用APD、PMT或CCD等能够测量光强的器件实现；针孔也可替换为光纤，使用光纤收集聚焦的光点，然后传输到光电探测器的探测面处。
共焦显微原理针孔光电探测器处的轴向光强公式：
如图所示，光纤探针在未工作时处于准焦面，光电探测器所探测的光强x向分布，在光电探测器的焦面处光强最大；根据公式(1)可知，当光纤杆处于近焦或远焦时，x向光强图的光强最大的位置发生移动，同时光电探测器的焦面上所探测的光强也发生变化；随着光纤杆偏转量增大，光电探测器所检测到的光强逐渐变小。
如图所示，当光纤杆处于单方向的偏转时，不同的偏转量x所引起的光强变化量不同，根据公式(1)可以得到归一化后x向偏转量x＝0,x＝2,x＝4,x＝6所探测的光强图，随着离焦量地的增大，光电探测面处(x＝0处)的光强逐渐减弱。
如图所示，在光线探针的光纤表面加工一个反射层，所述反射层可以采用镀膜的加工方式加工。

Claims (1)

1.基于共焦探测的大深径比微孔测量传感装置，其特征在于在装配台(1)上安装第一连接架(2)、第二连接架(3)、第三连接架(4)、第四连接架A(5a)、第五连接架A(6a)、第六连接架A(7a)、第七连接架A(8a)、第八连接架A(9a)、第四连接架B(5b)、第五连接架B(6b)、第六连接架B(7b)、第七连接架B(8b)、第八连接架B(9b)和二维调整架(10)，激光光源(11)、准直透镜(12)、分光棱镜(13)、偏振分光棱镜A(14a)、四分之一波片A(15a)、显微物镜A(16a)、收集物镜A(17a)、光电探测器A(18a)、偏振分光棱镜B(14b)、四分之一波片B(15b)、显微物镜B(16b)、收集物镜B(17b)、光电探测器B(18b)分别装配在第一连接架(2)、第二连接架(3)、第三连接架(4)、第四连接架A(5a)、第五连接架A(6a)、第六连接架A(7a)、第七连接架A(8a)、第八连接架A(9a)、第四连接架B(5b)、第五连接架B(6b)、第六连接架B(7b)、第七连接架B(8b)、第八连接架B(9b)上，在二维调整架(10)上安装有光纤探针测头的光纤杆(19)；
准直透镜(12)、分光棱镜(13)、偏振分光棱镜A(14a)、四分之一波片A(15a)、显微物镜A(16a)依次位于激光光源(11)的第一直射光路上；准直透镜(12)、分光棱镜(13)、偏振分光棱镜B(14b)、四分之一波片B(15b)、显微物镜B(16b)、收集物镜B(17b)、光电探测器B(18b)依次位于激光光源(11)的第二直射光路上；
收集物镜A(17a)、光电探测器A(18a)位于偏振分光棱镜A(14a)的第一反射光路上，光纤探针的光纤杆(19)位于激光光源直射光路经显微物镜A(16a)聚焦的焦点上；收集物镜B(17b)、光电探测器B(18b)位于偏振分光棱镜B(14b)的第二反射光路上，光纤探针的光纤杆(18)位于激光光源直射光路经显微物镜B(16b)聚焦的焦点上；
所述光电探测器(18)前方的光路汇聚点配置有针孔(20)，所述针孔(20)与光电探测器(18)固定；
所述的激光光源(11)直射的光束汇聚点在光纤探针(19)处，其表面加工有反射层(19a)；
激光光源(11)射出的光经准直透镜(12)准直后，由分光棱镜(13)分成两路相互正交的光线，分别被第一探测系统和第二探测系统接收；
经分光棱镜(13)反射后的光路进入到第一探测系统，被偏振分光棱镜A(14a)接收反射，依次经过四分之一波片A(15a)，由显微物镜A(16a)聚焦在光线探针表面的反射层(19a)上，后经反射的光，由显微物镜A(16a)准直，经四分之一波片A(15a)，由偏振分光棱镜A(14a)透射，被收集物镜A(17a)收集后，聚焦在带有针孔(20)的光电探测器A(18a)上；经分光棱镜(13)透射后的光路进入到第二探测系统的原理同第一探测系统；
当光纤探针的探测触头接触到物体时，探测触头的横向位移为X，汇聚光的反射层处的位移为x，在小范围时，X与x成相似三角形的对应边关系；由于光纤探针发生了移动，则光纤探针的反射光在光电探测器的汇聚光的光强发生了变化；在光电探测器前面设置有针孔，可以将中心之外的光挡住，可以提高光纤探针的轴向探测分辨力；光电探测器探测的光强变化即可计算出探测触头的轴向位移。
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