CN219416084U - 一种小口径轴对称式光谱共焦测头 - Google Patents

Abstract

本发明是一种小口径轴对称式光谱共焦测头，包括镜筒，所述镜筒内设有轴对称式光纤发射集成模块，镜筒的一端引入光纤并连通至轴对称式光纤发射集成模块中，在所述镜筒内且位于轴对称式光纤发射集成模块的输出光路上设有色散透镜组，使得轴对称式光纤发射集成模块将光纤引入的复色光发射至色散透镜组，不同波长的光束经过色散透镜组色散分离及屈光聚焦后，其焦点于光路轴线上随波长的变化而依次分布，将复色光的波长分布与被测空间的位置信息映射相关起来，利用被测物回光波长检测实现其空间位置的监测。本发明结构能在保证测头高测量精度的同时，使得测头轴对称式设置且口径较小，提高测头的可集成性。

Description

一种小口径轴对称式光谱共焦测头

技术领域

本发明涉及检测技术领域，具体涉及一种小口径轴对称式光谱共焦测头。

背景技术

针对日益广泛的高精度非接触精密测量需求，利用色散物镜将复色光波波长分布与空间位置映射相关的光谱共焦测量方式自1955年发明伊始即被各种精密测量行业所青睐，广泛应用于生物组织检测、化工原料精控、文物外形测绘、半导体制程监测等领域。随着半导体以及手机电脑3C行业的逐渐兴起，小微型零件的尺寸测量需求愈加强烈，小口径、集成性良好的光谱共焦测量测头逐渐成为精密测量研究的热点。

传统共焦测量测头一般采用光纤作为探测复色光源引入的方式，而光纤根据其发射端面的不同形制，主要存在垂直和倾斜两种标准。端面垂直式光纤可使光纤接头与共焦测量测头轴线重合配置，保证测头的径向尺寸可控，但此种方式会因光纤纤芯与空气界面的直接反射导致测量背景信号较高。端面倾斜的方式可显著减小端面的直接反射，但需进行倾斜安装，介于光纤接头的固有体积，此种非对称方式不可避免的会增加测头的径向尺寸，不利于测头在应用场景中的有效集成。

并且，为满足测头外形小型化设计，其内部透镜组亦愈发趋向于小微尺寸，介于现阶段透镜加工工艺以及镜筒加工水平，各透镜的装配不可避免的存在固有配合间隙，随着透镜尺寸的变小，配合间隙与透镜尺寸的相对比重愈发加大，因之导致的像差累积偏离则愈发明显。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种小口径轴对称式光谱共焦测头，在保证测头高测量精度的同时，使得测头轴对称式设置且口径较小，提高测头的可集成性。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种小口径轴对称式光谱共焦测头，包括镜筒，所述镜筒内设有轴对称式光纤发射集成模块，镜筒的一端引入光纤并连通至轴对称式光纤发射集成模块中，在所述镜筒内且位于轴对称式光纤发射集成模块的输出光路上设有色散透镜组，使得轴对称式光纤发射集成模块将光纤引入的复色光发射至色散透镜组，不同波长的光束经过色散透镜组色散分离及屈光聚焦后，其焦点于光路轴线上随波长的变化而依次分布，将复色光的波长分布与被测空间的位置信息映射相关起来，利用被测物回光波长检测实现其空间位置的监测。

进一步的，所述色散透镜组包括固定色散透镜组和像差补偿色散透镜组，所述固定色散透镜组和像差补偿色散透镜组位于镜筒内且在轴对称式光纤发射集成模块的输出光路上依次设置，分别用于色散分离和屈光聚焦，以降低整体镜组的像差总和。

进一步的，所述固定色散透镜组和像差补偿色散透镜组由若干个单透镜组成，并且固定色散透镜组和像差补偿色散透镜组均采用对称式结构。

进一步的，所述轴对称式光纤发射集成模块包括光束扩散头、扩散头固定套和旋紧光阑，所述光束扩散头设置于扩散头固定套内，所述扩散头固定套内设有光纤孔道，所述光纤穿入光纤孔道与光束扩散头的一端相连接，所述旋紧光阑位于光束扩散头的另一端并且通过螺纹与扩散头固定套旋合在一起，用于压紧光束扩散头并限制光束口径。

进一步的，所述光束扩散头与光纤的纤芯材质相同，并且二者之间通过高能激光熔融连接，使得光纤导入的光线无损的由其端面传输至光束扩散头中，并经光束扩散头扩散后大大减小由器件端面导致的直接反射。

进一步的，所述旋紧光阑的中部设有开口向外的光阑通孔，用于通过光线，旋紧光阑的边缘对光束扩散头的边缘光线进行遮挡，用于约束光束孔径。

进一步的，在所述光束扩散头与旋紧光阑相对的端面上蒸镀有多层介质增透膜，用于进一步减小端面反射。

进一步的，所述光束扩散头由圆台段和圆柱段一体组成，所述圆柱段连接在圆台段的下底面上，圆台段的上底面连接光纤，并且圆柱段的直径大于圆台段的下底面直径，形成扩散式发射端面。

本发明的有益效果是:

本发明采用发射端面扩散式结构，扩大光纤端面反射面积的同时辅以多层介质增透膜加持，有效降低光纤端面的直接反射且保证发射光纤的同轴配置，用以减小测头的整体口径，增强光谱共焦测头的可适用性。

本发明在固定色散透镜组的基础上增加像差补偿色散透镜组，在保证光谱共焦测头色散范围的同时，降低整体镜组的像差总和，提高测头测量性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中的轴对称式光纤发射集成模块结构图；

图3为本发明中的固定色散透镜组和像差补偿色散透镜组的像差列表图。

图中标号说明：1、轴对称式光纤发射集成模块，11、光束扩散头，12、扩散头固定套，13、旋紧光阑，2、固定色散透镜组，3、像差补偿色散透镜组，4、光纤，5、镜筒。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

如图1所示，一种小口径轴对称式光谱共焦测头，包括镜筒5，所述镜筒5内设有轴对称式光纤发射集成模块1，镜筒5的一端引入光纤4并连通至轴对称式光纤发射集成模块1中，在所述镜筒5内且位于轴对称式光纤发射集成模块1的输出光路上设有色散透镜组，使得轴对称式光纤发射集成模块1将光纤4引入的复色光发射至色散透镜组，不同波长的光束经过色散透镜组色散分离及屈光聚焦后，其焦点于光路轴线上随波长的变化而依次分布，将复色光的波长分布与被测空间的位置信息映射相关起来，利用被测物回光波长检测实现其空间位置的监测。

所述色散透镜组包括固定色散透镜组2和像差补偿色散透镜组3，所述固定色散透镜组2和像差补偿色散透镜组3位于镜筒5内且在轴对称式光纤发射集成模块1的输出光路上依次设置，分别用于色散分离和屈光聚焦，以降低整体镜组的像差总和。

所述固定色散透镜组2和像差补偿色散透镜组3由若干个单透镜组成，并且固定色散透镜组2和像差补偿色散透镜组3均采用对称式结构。

在本实施例中，对色散透镜组的选用尺寸进行约束，光谱共焦测头的镜筒5内径D为8mm，其工作波段[λ₁，λ₂]内，λ₁、λ₂分别为工作波段的短波及长波极限，使色散透镜组满足：式中，1～n为自测头光源发射物面始光线依次经过的单透镜的序列号，D_i为第i个单透镜的有效通光口径，/>为第i个单透镜的光焦度，v′_i为第i个单透镜于光谱共焦测头工作波段内的相对阿贝数，MR为光谱共焦测头的测量范围；

其中，阿贝数v′_i的计算公式为：式中，n_iF、n_iC、分别为第i个单透镜于F、C光以及光谱共焦测头工作波段波长极限处对应折射率；

光谱共焦测头在其工作波段[λ₁，…，λ₀，…，λ₂]内特定波长λ₀处，其对应后截距短波极限λ₁、长波极限λ₂对应后截距与之差值绝对值均为1.5mm，即：

-Δ₁＝Δ₂＝1.5；

光谱共焦测头于波长λ₀出射光线焦点处，见图1中，最大孔径光线与光轴夹角：

如图2所示，所述轴对称式光纤发射集成模块1包括光束扩散头11、扩散头固定套12和旋紧光阑13，所述光束扩散头11设置于扩散头固定套12内，所述扩散头固定套12内设有光纤孔道，所述光纤4穿入光纤孔道与光束扩散头11的一端相连接，所述旋紧光阑13位于光束扩散头11的另一端并且通过螺纹与扩散头固定套12旋合在一起，随后可整体点胶固定，用于压紧光束扩散头11并限制光束口径。

所述光束扩散头11与光纤4的纤芯材质相同，在本实施例中，都选石英材质，光纤4数值孔径为0.22mm，并且二者之间通过高能激光熔融连接，以保证石英材料于空间上的流畅连续，使得光纤4导入的光线无损的由其端面传输至光束扩散头11中，光线扩散至光束扩散头11的端面S处发生部分反射，反射光继续反向扩散，由于光纤端面相对反向扩散面比例极小，因此将仅有极少量光线直接返回光纤4，大大减小由器件端面导致的直接反射。若光纤4端面于自由空间中径直发射，光纤纤芯石英材质与空气由于不同材料折射率的差异将在光纤端面产生部分反射，部分反射光经由光纤包层束缚以致全部返回，将导致背景信号的增强，本发明结构则避免了前述问题。

所述旋紧光阑13的中部设有开口向外的光阑通孔，用于通过光线，光线经光束扩散头11继续传播至图2中的端面S处，旋紧光阑13的边缘对光束扩散头11的边缘光线进行遮挡，将光束初始数值孔径na＝n₁sinθ₀＝0.22约束至NA＝n₁sinθ₁＝0.1。

在光谱共焦测头的工作波段[λ₁，λ₂]内，在所述光束扩散头11与旋紧光阑13相对的端面(图2中的端面S处)上蒸镀有多层介质增透膜，以降低部分反射程度，光纤4所能接收回光强度几近为零，其背景信号极低，信噪比较好。

所述光束扩散头11由圆台段和圆柱段一体组成，所述圆柱段连接在圆台段的下底面上，圆台段的上底面连接光纤4，并且圆柱段的直径大于圆台段的下底面直径，形成扩散式发射端面。

另外，在本实施例中，关于固定色散透镜组2和像差补偿色散透镜组3中单透镜的规格选用，可直接参考图3中的固定色散透镜组2和像差补偿色散透镜组3的像差列表图；由于固定色散透镜组2和像差补偿色散透镜组3均采用对称式结构，根据本技术领域中对称式结构特点，固定色散透镜组2与像差补偿色散透镜组3的垂轴像差：

彗差：∑S_{II fix}、∑S_{II com}；畸变：∑S_{V fix}、∑S_{V com}；倍率色差：∑C_{II fix}、∑C_{II com}均为0；

优化矫正使得光谱共焦测头轴向总像差如下：

∑S_{I sum}＝∑S_{I fix}+∑S_{I com}＝0

∑S_{III sum}＝∑S_{III fix}+∑S_{III com}＝0

∑S_{IV sum}＝∑S_{IV fix}+∑S_{IV com}＝0

∑C_{I sum}＝∑C_{I fix}+∑C_{I com}＝MR；

当其中固定色散透镜组2因实际加工误差导致轴向像差存在偏差∑Δ(S_{I fix})、∑Δ(S_{III fix})、∑Δ(S_{IV fix})时，可以通过调节像差补偿色散透镜组3与之相对距离来改变光线投射其上的位置，使其产生与固定色散透镜组2符号相反数值相同的像差偏差∑Δ(S_{I com})、∑Δ(S_{III com})、∑Δ(S_{IV com})，用以抵消加工误差对光谱共焦测头的影响，即：

∑Δ(S_{I fix})+∑Δ(S_{I com})＝0

∑Δ(S_{III fix})+∑Δ(S_{III com})＝0

∑Δ(S_{IV fix})+∑Δ(S_{IV com})＝0，由于调节位移较小，不会破坏两个透镜组的设计对称状态，因此垂轴像差总和依旧保持为0。通过上述对称式色散分组结构以及调节方式，可有效抵消加工误差对光谱共焦测头像差的影响，保证光谱共焦测头的完美测量性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小口径轴对称式光谱共焦测头，包括镜筒(5)，其特征在于，所述镜筒(5)内设有轴对称式光纤发射集成模块(1)，镜筒(5)的一端引入光纤(4)并连通至轴对称式光纤发射集成模块(1)中，在所述镜筒(5)内且位于轴对称式光纤发射集成模块(1)的输出光路上设有色散透镜组，使得轴对称式光纤发射集成模块(1)将光纤(4)引入的复色光发射至色散透镜组，不同波长的光束经过色散透镜组色散分离及屈光聚焦后，其焦点于光路轴线上随波长的变化而依次分布，将复色光的波长分布与被测空间的位置信息映射相关起来，利用被测物回光波长检测实现其空间位置的监测。

2.根据权利要求1所述的小口径轴对称式光谱共焦测头，其特征在于，所述色散透镜组包括固定色散透镜组(2)和像差补偿色散透镜组(3)，所述固定色散透镜组(2)和像差补偿色散透镜组(3)位于镜筒(5)内且在轴对称式光纤发射集成模块(1)的输出光路上依次设置，分别用于色散分离和屈光聚焦，以降低整体镜组的像差总和。

3.根据权利要求2所述的小口径轴对称式光谱共焦测头，其特征在于，所述固定色散透镜组(2)和像差补偿色散透镜组(3)由若干个单透镜组成，并且固定色散透镜组(2)和像差补偿色散透镜组(3)均采用对称式结构。

4.根据权利要求2所述的小口径轴对称式光谱共焦测头，其特征在于，所述轴对称式光纤发射集成模块(1)包括光束扩散头(11)、扩散头固定套(12)和旋紧光阑(13)，所述光束扩散头(11)设置于扩散头固定套(12)内，所述扩散头固定套(12)内设有光纤孔道，所述光纤(4)穿入光纤孔道与光束扩散头(11)的一端相连接，所述旋紧光阑(13)位于光束扩散头(11)的另一端并且通过螺纹与扩散头固定套(12)旋合在一起，用于压紧光束扩散头(11)并限制光束口径。

5.根据权利要求4所述的小口径轴对称式光谱共焦测头，其特征在于，所述光束扩散头(11)与光纤(4)的纤芯材质相同，并且二者之间通过高能激光熔融连接，使得光纤(4)导入的光线无损的由其端面传输至光束扩散头(11)中，并经光束扩散头(11)扩散后大大减小由器件端面导致的直接反射。

6.根据权利要求5所述的小口径轴对称式光谱共焦测头，其特征在于，所述旋紧光阑(13)的中部设有开口向外的光阑通孔，用于通过光线，旋紧光阑(13)的边缘对光束扩散头(11)的边缘光线进行遮挡，用于约束光束孔径。

7.根据权利要求6所述的小口径轴对称式光谱共焦测头，其特征在于，在所述光束扩散头(11)与旋紧光阑(13)相对的端面上蒸镀有多层介质增透膜，用于进一步减小端面反射。

8.根据权利要求7所述的小口径轴对称式光谱共焦测头，其特征在于，所述光束扩散头(11)由圆台段和圆柱段一体组成，所述圆柱段连接在圆台段的下底面上，圆台段的上底面连接光纤(4)，并且圆柱段的直径大于圆台段的下底面直径，形成扩散式发射端面。