CN208721249U - 一种光学探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光学探头，包括沿光束传播方向依次布置的前置光学组件、均光组件、成像组件和光探测组件；均光组件包括光纤束，光纤束包括主光纤束和由主光纤束分出的至少一束分支光纤束；前置光学组件用于将光束耦合至均光组件中主光纤束的光输入端；均光组件中的光纤束用于光束进行均光，并将均光后的光束耦合至成像组件；成像组件用于将均光组件中各分支光纤束的光输出端输出的光束分别聚焦至光探测组件；光探测组件用于各光束进行探测。本实用新型的光学探头，采用光纤束对输入的光束进行均光，光的传输效率高，提高检测设备的检测精度和灵敏度，光学探头结构简单，实现光学探头小型化。

Description

一种光学探头

技术领域

本实用新型实施例涉及光学检测设备领域，尤其涉及一种光学探头。

背景技术

光学探头是一种用于采集被检测设备发出的光线，将光信号转换为电信号并将电信号传输给检测设备的部件。为了提高检测精度和灵敏度，光学探头通常包括均光组件，用于将来自被检测设备上多个发光点的发出的光线均匀化，使其均匀地照射到同一个面上。

现有光学探头中，采用扩散板或者均光透镜组作为均光组件，虽然可以非常有效的实现均光，但以扩散板作为均光组件会降低检测设备的灵敏度，而以透镜组作为均光组件，单路光学系统不会降低仪器的灵敏度，但如果想要实现多路光学系统，将会非常困难，即使实现了多路光学系统，也是以牺牲灵敏度为代价。此外，采用现有的均光组件的光路系统中，光传播过程中，光的损耗较大，光的传输效率太低，需要较高放大倍数的光电转换电路，且易受杂光的干扰，无法对超低亮度的被检测设备进行检测。而且，采用现有的均光组件的光学探头体积大、结构复杂，均光透镜组制作难度大、制造成本高。

实用新型内容

本实用新型提供一种光学探头，以提高光的传输效率，提高检测设备的检测精度和灵敏度，并实现光学探头的小型化。

本实用新型实施例提供了一种光学探头，包括：

前置光学组件、均光组件、成像组件和光探测组件，前置光学组件、均光组件、成像组件和光探测组件沿光束传播方向依次布置；

均光组件包括光纤束，光纤束包括主光纤束和由主光纤束分出的至少一束分支光纤束；

其中，前置光学组件用于将光束耦合至均光组件中主光纤束的光输入端；均光组件中的光纤束用于对耦合至均光组件的光束进行均光，并将均光后的光束耦合至成像组件；成像组件用于将均光组件中各分支光纤束的光输出端输出的光束分别聚焦至光探测组件；光探测组件用于对经成像组件聚焦的各光束进行探测。

可选的，均光组件还包括套筒，光纤束设置于套筒内；

套筒的一端开设有一个光纤输入孔，另一端开设有至少一个光纤输出孔；

主光纤束上的光输入端置于光纤输入孔中，每束分支光纤束上的光输出端置于一个光纤输出孔中。

可选的，主光纤束和分支光纤束为单分或者多分。

可选的，光纤束中光纤的长度与光纤的直径的比值大于或等于25。

可选的，均光组件还包括设置于套筒内的紧固结构，紧固结构用于固定光纤束。

可选的，紧固结构为填充满套筒内部空隙的树脂。

可选的，成像组件包括分别设置于各分支光纤束的光输出端的透镜，光探测组件包括与分支光纤束一一对应设置的光探测器；

透镜用于将分支光纤束输出的光束聚焦至对应的光探测器上，光探测器用于接收并探测对应分支光纤束输出的光束。

可选的，光学探头还包括设置于透镜和光探测器之间的滤光片，滤光片用于滤出所需颜色的光束，以使所需颜色的光束聚焦至光探测器上。

可选的，光学探头还包括设置于前置光学组件和均光组件之间的光阑，以使光束的入射角满足均光组件中光纤的数值孔径。

本实用新型实施例提供的光学探头中，均光组件包括光纤束，利用光纤束中的单根光纤由于在制造工艺中产生的局部光纤纤芯与硅玻璃包层的折射率差不同、局部粗细不同以及存在弯曲等特性，使入射光束的出射角度与入射角度无关，出射光束将以光纤固有的数值孔径值出射(出射角度小于光纤数值孔径值对应的角度)，使得入射光束不论以什么角度(小于光纤数值孔径值的任何角度)入射，出射角度被随机混合，出射角度被均匀化，且光强按照出射角度呈高斯分布，进而实现光纤束对输入至光输入端的光束进行均光，使得光束从光输出端均匀出射，克服了采用扩散板或透镜的均光系统存在光的传输效率低、结构复杂、制作难度大以及成本高的问题，提高了光的传输效率，提高检测设备的检测精度和灵敏度，并实现了光学探头的小型化。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种光学探头的结构示意图；

图2为图1中均光组件的结构示意图；

图3为图2中均光组件的光输入端的端面图；

图4为图2中均光组件的光输出端的端面图；

图5为理论上光在光纤中传输的示意图；

图6为实际上光在光纤中传输的示意图；

图7为经本实用新型实施例提供的光纤束均光后的光强分布图；

图8为CIE1931规定的人眼视觉曲线红色曲线图；

图9为本实用新型实施例中一种主光纤束的端面图；

图10为本实用新型实施例中另一种主光纤束的端面图；

图11为本实用新型实施例中又一种主光纤束的端面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

本实用新型实施例提供了一种光学探头，该光学探头可用于光学检测设备中(例如亮度计和色彩分析仪等)，用于采集被检测设备发出的光束，并将光信号转换为电信号输出。图1为本实用新型实施例提供的一种光学探头的结构示意图，如图1所示，该光学探头包括前置光学组件10、均光组件20、成像组件30和光探测组件40，前置光学组件10、均光组件20、成像组件30和光探测组件40沿光束传播方向依次布置。

图2为图1中均光组件的结构示意图，图3为图2中均光组件的光输入端的端面图，图4为图2中均光组件的光输出端的端面图，如图2-4所示，均光组件20包括光纤束200，光纤束200包括主光纤束210和由主光纤束分出的至少一束分支光纤束211，在本实用新型实施示例中主光纤束210分出3束分支光纤束211。光束自主光纤束210的光输入端212输入，经均光后，自各分支光纤束211的光输出端213输出。

其中，前置光学组件10用于将被检测设备发出的光束耦合至均光组件20的光输入端。参考图2，前置光学组件10可包括沿光束传播方向依次布置的第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13的透镜组，用于将被检测设备发出的光束耦合至均光组件20中主光纤束210的光输入端212；均光组件20中的光纤束200用于对耦合至均光组件20的光束进行均光，并将光束分成3路，分别通过一束分支光纤束211输出，并将均光后的光束耦合至成像组件30；成像组件30用于将均光组件20中各分支光纤束211的光输出端213输出的光束分别聚焦至光探测组件40；光探测组件40用于对经成像组件30聚焦的各光束进行探测，并将光信号转换为电信号。

实用新型人发现，单根光纤由于在制造工艺中产生的局部光纤纤芯与硅玻璃包层的折射率差不同、局部粗细不同以及存在弯曲等特性，使入射光束的出射角度与入射角度无关。具体的，图5为理论上光在光纤中传输的示意图，图6为实际上光在光纤中传输的示意图，如图5和图6所示，光纤束中的光纤通常包括三层：中心为高折射率玻璃纤芯201(芯径一般为50或62.5μm)，中间层为低折射率硅玻璃包层202(直径一般为125μm)，最外层为加强用的树脂涂层(图中未示出)。参考图5，当入射光与光纤端面法线的夹角θ在某个角度α范围内时，光线透不过硅玻璃包层202，会在玻璃纤芯201和硅玻璃包层202界面发生全反射，继续在玻璃纤芯201内向前传送，其中，角度α的正弦值称为光纤的数值孔径NA，即NA＝sinα。由于光在光纤中以全反射形式传输，光的入射角等于出射角。然而，实际情况并非如此，由于制造工艺的影响，光纤内会存在折射率的局部差异，光纤的粗细也并非处处相同，且光纤会存在弯曲的情况，这些都会导致光在光纤中的反射变得随机，不再是全反射。参考图6，由于制造工艺造成的上述光纤特性，使得光的出射角度将变得随机，出射角θ2不等于入射角θ1，但出射光与端面法线的夹角始终小于光纤的数值孔径NA的反正弦。基于此，将多根光纤组成光纤束时发现，经由光纤束出射的光的出射角度可被均匀化，进而实现均光的效果，且可达到与扩散板及光学镜片相同的均光效果。此外，经均光后，出射光的光强按照出射角度呈高斯分布，图7为经本实用新型实施例提供的光纤束均光后的光强分布图，图中横坐标表示出射光与分支光纤束端面法线的夹角，纵坐标表示光强。如图7所示，沿光输出端法线出射的光即0度角光最强，角度越大，光线强度越弱。因此，本实用新型实施例使用光纤束替代现有的扩散板及光学镜片，将光纤束作为光学探头的均光系统，可提高光的传输效率，提高检测设备的检测精度和灵敏度，简化光学探头的结构；且在多路光学系统中，可设置对应数量的多个分支光纤束，此时光纤束可同时起到分光的作用，进一步简化了光学探头的结构及实现光学探头小型化。

本实用新型实施例提供光学探头，均光组件包括光纤束，利用光纤束中的单根光纤由于在制造工艺中产生的局部光纤纤芯与硅玻璃包层的折射率差不同、局部粗细不同以及存在弯曲等特性，使入射光束的出射角度与入射角度无关，出射光束将以光纤固有的数值孔径值出射(出射角度小于光纤数值孔径值对应的角度)，使得入射光束不论以什么角度(小于光纤数值孔径值的任何角度)入射，出射角度被随机混合，出射角度被均匀化，且光强按照出射角度呈高斯分布，进而实现光纤束对输入至光输入端的光束进行均光，使得光束从光输出端均匀出射，克服了采用扩散板或透镜的均光系统存在光的传输效率低、结构复杂、制作难度大以及成本高的问题，提高了光的传输效率，提高检测设备的检测精度和灵敏度，并实现了光学探头的小型化。

继续参考图2-4，可选的，均光组件20还包括套筒100，光纤束200设置于套筒100内。套筒100的一端开设有一个光纤输入孔101，另一端开设有至少一个光纤输出孔102。光纤束200包括主光纤束210和由主光纤束210分出的3束分支光纤束211，主光纤束210上的光输入端212置于光纤输入孔101中，每束分支光纤束211上的光输出端213置于一个光纤输出孔102中。

其中，光纤束200包括多根光纤，光纤数量可根据均光组件所配合的至少一路光学系统的路数及各路光学系统所需能量确定。上述套筒100并不对其形状进行限定，该套筒100可以为圆柱形，也可以为多面体等三维图形；相应的，套筒100如图3和图4所示的两端面可以为圆形、矩形和三角形等图形。

继续参考图2-4，可选的，主光纤束210的光输入端212和各分支光纤束211的光输出端213的端面经光学抛光处理，满足光学指标设计要求，且保证主光纤束210的端面与主光纤束210垂直，分支光纤束211的端面与分支光纤束211垂直，使得预先设定的前置光学系统出射的满足光纤数值孔径要求的光束全部进入光纤束200中传输，以及由光纤束200出射的光束全部由预先设定的后置光学系统接收，进而减少光在传输过程中的损耗。

继续参考图2-4，可选的，均光组件20还包括设置于套筒100内的紧固结构300，紧固结构300用于固定光纤束200。

可选的，在本实用新型实施例中，紧固结构300为填充满套筒100内部空隙的树脂，可采用热溶技术使树脂与光纤束200紧密结合在一起，防止光纤束200中的光纤在套筒100内部弯曲和晃动等。

可选的，继续参考图1，成像组件30包括分别设置于各分支光纤束211的光输出端213的透镜，光探测组件40包括与各分支光纤束211一一对应设置的光探测器。该透镜用于将分支光纤束211输出的光束聚焦至对应的光探测器上，光探测器用于接收并探测对应分支光纤束211输出的光束，并将光信号转换为电信号。

可选的，继续参考图1，光学探头还包括与分支光纤束211一一对应设置，位于透镜和光探测器之间的滤光片50，滤光片50用于滤出所需颜色的光束，以使所需颜色的光束聚焦至光探测器上。如图1中所示，包括3个滤光片50，可以分别为红色光、蓝色光和绿色光滤光片。经均光组件20输出端输出的三束光，通过透镜聚光，并经过对应的滤光片50后，形成红、绿、蓝三种色光，三种色光分别耦合至对应的光探测器，光探测器将三种色光的亮度和色度信息转换为电信号。

可选的，光学探头还包括设置于前置光学组件10和均光组件20之间的光阑(图中未示出)，以使光束的入射角满足均光组件20中光纤的数值孔径的要求。前置光学组件10将被检测设备上多个点发出的光束汇聚成一圆形光斑，该光斑形成在光阑处，在其中一实施例中，光纤的数值孔径NA＝δ，对应的角度α＝arcsinδ度，则入射角度在-α～α度之外光束将无法通过光阑。

需要说明的是，本实用新型实施例中，可根据实际需求(实际需要连接光学系统的路数)设置分支光纤束211的分支数，可以为单分支(一束)、三分支或四分支或更多分支分支光纤束211，此时，套筒100端面上光纤输出孔102的个数等于或大于分支光纤束211分支数，以使各分支光纤束211的光输出端213置于彼此不同的一个光纤输出孔102中，以便于连接其他光学系统。示例性的，如图2-4所示，套筒100的左端开设有一光纤输入孔101，右端可开设有3个光纤输出孔102。相应的，光纤束200包括主光纤束210和由主光纤束分出的三束分支光纤束211，主光纤束210上的光输入端212置于光纤输入孔101中，每束分支光纤束211上的光输出端213置于一个光纤输出孔102中。

在一具体实施方式中，均光组件用于色彩分析仪时，主光纤束可以分出三束分支光纤束，将来自前置光学组件的光束分成3束，分别用于R、G、B三色光的检测。图8为CIE1931规定的人眼视觉曲线红色曲线图，图中横坐标表示红色光的波长，纵坐标表示红色光的三刺激值。如图8所示，因为CIE1931规定的人眼视觉曲线红色曲线是双峰，红色光一般难于通过单路光学系统制造出来，所以就需要分成两路光学系统来实现，这样就需要用到四束分支光纤束。当仅用于亮度检测时，主光纤束可以不分束，即单分支。图9为本实用新型实施例中一种主光纤束的端面图，图10为本实用新型实施例中另一种主光纤束的端面图，图11为本实用新型实施例中又一种主光纤束的端面图，光纤束由一定数量的光纤紧密组合而成，主光纤束和分支光纤束为单分或者多分，即所有光纤束可以分切成若干等份或不分切，例如可以分切成3等份、6等份或8等份的扇形区或其它任意形状等，如图8-10所示，当然也可以分切为其他任意数量的等份。并且根据需要，每一分支光纤束可以包括一个扇形区域或连续多个扇形区域内的光纤，来配合光学系统对能量的需求。

在本实用新型实施例中，可根据光学系统的需求来选定光纤的数值孔径值，例如根据前置光学系统可输出光束的角度范围以及后置光学系统可接收光束的角度范围来确定光纤的数值孔径值，也可根据选定的光纤的数值孔径值来设计相应的光学系统。

可选的，光纤束200中光纤的长度与光纤的直径的比值大于或等于25，保证光在光纤中的反射次数，避免光纤长度不够导致大部分光在光纤中的传输全部以全反射形式传输，以提高均光效果。

本实用新型实施例提供的光学探头可应用于亮度计、色彩分析仪、光谱分析设备和光学成像设备等光学设备中。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种光学探头，其特征在于，包括：

前置光学组件、均光组件、成像组件和光探测组件，所述前置光学组件、均光组件、成像组件和光探测组件沿光束传播方向依次布置；

所述均光组件包括光纤束，所述光纤束包括主光纤束和由所述主光纤束分出的至少一束分支光纤束；

其中，所述前置光学组件用于将所述光束耦合至所述均光组件中所述主光纤束的光输入端；所述均光组件中的光纤束用于对耦合至所述均光组件的所述光束进行均光，并将均光后的所述光束耦合至所述成像组件；所述成像组件用于将所述均光组件中各分支光纤束的光输出端输出的光束分别聚焦至所述光探测组件；所述光探测组件用于对经所述成像组件聚焦的各光束进行探测。

2.根据权利要求1所述的光学探头，其特征在于，所述均光组件还包括套筒，所述光纤束设置于所述套筒内；

所述套筒的一端开设有一个光纤输入孔，另一端开设有至少一个光纤输出孔；

所述主光纤束上的光输入端置于所述光纤输入孔中，每束所述分支光纤束上的光输出端置于一个所述光纤输出孔中。

3.根据权利要求1所述的光学探头，其特征在于，所述主光纤束和所述分支光纤束为单分或者多分。

4.根据权利要求1所述的光学探头，其特征在于，所述光纤束中光纤的长度与所述光纤的直径的比值大于或等于25。

5.根据权利要求2所述的光学探头，其特征在于，所述均光组件还包括设置于所述套筒内的紧固结构，所述紧固结构用于固定所述光纤束。

6.根据权利要求5所述的光学探头，其特征在于，所述紧固结构为填充满所述套筒内部空隙的树脂。

7.根据权利要求1所述的光学探头，其特征在于，所述成像组件包括分别设置于各所述分支光纤束的所述光输出端的透镜，所述光探测组件包括与所述分支光纤束一一对应设置的光探测器；

所述光探测器用于接收并探测对应分支光纤束输出的光束。

8.根据权利要求7所述的光学探头，其特征在于，所述光学探头还包括设置于所述透镜和所述光探测器之间的滤光片。

9.根据权利要求1所述的光学探头，其特征在于，所述光学探头还包括设置于所述前置光学组件和所述均光组件之间的光阑。