CN210036602U - 一种光谱共焦位移传感探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种光谱共焦位移传感探头，包括探头壳体，入射光纤，所述入射光纤的出光端固定设置在所述探头壳体内，所述入射光纤的入光端用于连接光源耦合器；半透半反光学镜，所述半透半反光学镜固定设置在所述入射光纤的出光端的正下方；反光镜，所述反光镜固定设置在所述探头壳体的内侧壁上，所述反光镜用于反射所述半透半反光学镜所反射的光；接收光纤，所述接收光纤的入光端位于所述反光镜的上方，所述接收光纤的出光端用于连接光谱仪中。通过入射光纤和接收光纤的单独设置，避免两种光信号产生内部串扰，提高信噪比，有利于提取有效信号，提高整个传感系统的稳定性。

Description

一种光谱共焦位移传感探头

技术领域

本实用新型涉及光学测量领域，尤其涉及的是一种光谱共焦位移传感探头。

背景技术

光谱共焦位移测量是利用共焦原理(confocal principle)和光学的轴向色差现象(phenomenon of an axial chromatic aberration)对被测物的位移进行测量的光学测量过程，其中的共焦原理是指，从光源的成像面上接收到的光以缩小光圈(stop down)的方式形成反射光；光学的轴向色差现象是光源的像发生光轴方向上的颜色漂移(colordrift)的现象。

现有光谱共焦位移测量传感器包括有光源，探头，及光谱分析仪；探头设计中需要发射多色光到测量物体，再接收测量物体反射回的光进行分析，现有探头的光路中所采用的方式为入射光纤发射多色光，接收光纤接收反射光，但发射光纤和接收光纤在探头内耦合成一条光纤，形成Y型光纤，由Y型光纤的下端进行发射和接收，再在Y型光纤的上端对发射光线和接收光线进行分开，这样会产生内部串扰，降低信噪比，影响有效信号的提取和整个系统的稳定性。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种光谱共焦位移传感探头，通过入射光纤和接收光纤的单独设置，使入射光线和接收光线直接分离，避免两种光线产生内部串扰，从而提高信噪比，有利于提取有效信号，提高整个传感系统的稳定性。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种光谱共焦位移传感探头，包括有探头壳体，还包括：

入射光纤，所述入射光纤的出光端固定设置在所述探头壳体内，所述入射光纤的入光端用于连接光源耦合系统；

半透半反光学镜，所述半透半反光学镜固定设置在所述入射光纤的出光端的正下方；

反光镜，所述反光镜固定设置在所述探头壳体的内侧壁上，所述反光镜用于反射所述半透半反光学镜所反射出的光；

接收光纤，所述接收光纤的入光端位于所述反光镜的上方且固定设置在所述探头壳体内，所述接收光纤的出光端用于连接光谱仪系统。

进一步，所述半透半反光学镜包括有上三棱镜，与上三棱镜胶合的下三棱镜，所述胶合面镀有半透半反膜，所述半透半反膜与所述入射光纤的出光端射出的光线呈45°设置。

进一步，所述上三棱镜和所述下三棱镜均采用等边直角棱镜，所述上三棱镜和所述下三棱镜的直角边相等。

进一步，所述半透半反膜为分光比为1:1的半透半反膜。

进一步，所述上三棱镜上背向所述反光镜的一面设置为哑光面。

进一步，在所述探头壳体的内设置有镜座，所述反光镜固定设置在所述镜座上，所述反光镜的反光面与所述探头壳体的轴向呈45°。

进一步，所述探头壳体上设置有用于提示检测物体是否在测量最佳位置的提示组件。

进一步，所述探头壳体的末端固定设置有用于对光线进行色散聚焦的色散镜头。

进一步，所述色散镜头包括有准直镜组和色散聚焦镜组，所述准直镜组设置在光源的一侧，用于多色光的准直；所述色散聚焦镜组设置在被测物的一侧，用于将多色光分别聚焦，并产生轴向色散。

进一步，所述准直镜组与色散聚焦镜组同轴设置，且所述准直镜组和色散聚焦镜组共焦点。

采用上述方案的有益效果是：本实用新型提出的一种光谱共焦位移传感探头，采用入射光纤和接收光纤分离的方式，使发射光和反射光在不同的光路中传输，从而避免光线在传输过程中产生内部干扰，提高了光谱共焦系统的信噪比，而且通过发射光和反射光的单独通道，光路更顺畅，其发射光和发射光分别在入射光纤和接收光纤中传播时不会出现自身反射，利于有效信号的提取，提高整个系统的稳定性。

附图说明

图1是本实用新型的一种光谱共焦位移传感探头的实施例的外部结构示意图。

图2是本实用新型的一种光谱共焦位移传感探头的实施例的光源耦合器的结构示意图。

图3是本实用新型的一种光谱共焦位移传感探头的实施例的结构示意图。

图4是本实用新型的一种光谱共焦位移传感探头的实施例的光谱仪示意图。

图5是本实用新型的一种光谱共焦位移传感探头的实施例的光路示意图。

图6是本实用新型的一种光谱共焦位移传感探头的实施例的半透半反光学镜的结构示意图。

图7是传统分光镜的光路示意图。

图8本实用新型的一种光谱共焦位移传感探头的实施例的色散镜头的光路示意图。

图9本实用新型的一种光谱共焦位移传感探头的实施例的提示组件的结构示意图。

图中：1000、光源耦合器；1100、多色光光源；2000、光谱共焦位移传感探头；2100、入射光纤；2200、接收光纤；2300、半透半反光学镜；2310、上三棱镜；2311、哑光面；2320、下三棱镜；2330、半透半反膜；2400、反光镜；2410、镜座；2500、色散镜头；2510、准直镜组；2520、色散聚焦镜组；3000、提示组件；3100、探头壳体；3110、上壳体；3111、沉孔；3120、下壳体；3210、发光件；3300、导光光纤；3400、插槽；3500、滤光片；3600、透光镜；3700、保护套；4000、光谱仪。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不限定本实用新型。

如图1、图2所示，本实用新型提出一种光谱共焦位移传感探头2000，包括有探头壳体3100，探头壳体3100优先采用圆柱形壳体，用于对探头内的光学元件进行安装支撑且对结构进行保护，易于想到的是，探头壳体3100可设置有方形，多边形或其他特定形状。在所述探头壳体3100内的尾端可装配连接有入射光纤2100，入射光纤2100另一端可装配连接在光源耦合器1000上，光源耦合器1000为与光谱共焦位移传感探头2000分开设置的单独部件，光源耦合器1000为整个光谱共焦位移测量系统提供多色光光源1100，入射光纤2100连接在光源耦合器1000中的一端为入射光纤2100的入光端，入射光纤2100用于接收并传导所述光源耦合器1000所发出的多色光；入射光纤2100连接在探头壳体3100的一端为入射光纤2100的出光端；如图3、图5所示，在所述探头壳体3100上固定连接有接收光纤2200，所述接收光纤2200的入光端固定设置在所述探头壳体3100内的尾端，如图4所示，在接收光纤2200的另一端可装配连接光谱仪4000，光谱仪4000为与光谱共焦位移传感探头2000分开设置的单独部件，接收光纤2200与光谱仪4000连接的一端为接收光纤2200的出光端，所述光谱仪4000带有感光元件并用于把被测物的反射光进行色散聚焦到感光元件上且量化成光谱曲线。在所述探头壳体3100内固定设置有半透半反光学镜2300，所述半透半反光学镜2300位于所述入射光纤2100的出光端的正下方；所述半透半反光学镜2300对通过入射光纤2100传导后的多色光实现一半透射一半反射，而当透射的光线经过被测物反射形成反射光后照射到半透半反光学镜2300上，半透半反光学镜2300对反射光进行一半透射一半反射；在所述探头壳体3100的内侧壁上固定设置有反光镜2400，所述反光镜2400用于反射所述半透半反光学镜2300所接收到的反射光，即反光镜2400对半透半反光学镜2300所反射的光线进行再次反射，所述接收光纤2200入光端位于所述反光镜2400的上方，通过反光镜2400所反射的反射光选择性进入到接收光纤2200的入光端，再通过接收光纤2200传递反射光到光谱仪4000。

采用入射光纤2100和接收光纤2200分别对发射光和反射光进行处理，使发射光和反射光从不同的光路中传输，从而避免光线在传输过程中产生内部干扰，可以提高光谱共焦系统的信噪比，而且发射光和反射光的单独通道，使光路顺畅，其发射光和发射光分别在入射光纤2100和接收光纤2200中传播时不会出现自身反射，可以避免自身干扰和能量损失。而传统的光路设置过程中，采用的是Y型光纤，入射光纤和接收光纤在探头内耦合成一条光纤，形成Y型光纤，这样会产生内部串扰，降低信噪比，影响有效信号的提取和整个系统的稳定性。而本方案中的入射光纤2100和接收光纤2200单独进行设置，可以避免传统Y型光纤的问题，使光的传播更加稳定。

本实施例中采用的入射光纤2100和接收光纤2200的纤芯直径均为微米级，直径通常为50-100毫米，非常小，当反射光的焦点落在接收光纤2200的纤芯之外时，无法对反射光进行接收，而需要测量的相应波长的反射光可以顺利通过接收光纤2200的纤芯，被顺利接收和传导，实现对不同波长的反射光进行选择或物理过滤，因此可以通过缩小光纤的纤芯直径来使采样信号更锐利，从提高采样信号的信噪比和测量精确度。

如图5、图6所示，本实施例中的半透半反光学镜2300包括有上三棱镜2310，与上三棱镜2310通过胶水粘接的下三棱镜2320，胶合面镀有半透半反膜2330，所述半透半反膜2330为分光比为1:1的半透半反膜2330，半透半反膜2330采用超薄的膜片，厚度为微米级，通过半透半反膜2330可让多色光透过膜片，在所述半透半反膜2330与所述入射光纤2100的出光端射出的光线呈45°设置，所述上三棱镜2310和所述下三棱镜2320均采用等边直角棱镜，所述上三棱镜2310和所述下三棱镜2320的直角边相等，这样形成的半透半反膜2330实现多面通光，当多色光沿轴向射入半透半反光学镜2300后，由于光线从上三棱镜2310的直角边的法线方向射入，在上棱镜上不产生折射，当光线射到半透半反膜2330上时，一部分光线进行透射到下三棱镜2320上，一部分光线进行反射，反射到背向所述反光镜2400的一面，在上三棱镜2310背向所述反光镜2400的一面上进行涂黑处理从而成为哑光面2311，当光被半透半反膜2330反射到哑光面2311上时，被哑光面吸收，因此可以减少整个系统的杂散光，提高信噪比。射到下三棱镜2320上的光线由于半透半反膜2330的厚度很小，因此产生的折射后的偏移量小，这样可认为多色光从下三棱镜2320上射出时，基本不发生位置偏移，从下三棱镜2320上射出的光线的光轴与从入射光线的出光端射出的光轴重合。这样实现所有多色光的波长共光轴，而且不发生光轴偏移，有利于后续对多色光进行色散和聚焦。

如图7所示，而传统的探头中采用的是分光镜，分光镜有一定的厚度，使光波产生了垂直光轴方向的横向偏移，而波长不同，其横向偏移不相等，导致各种波长的光轴发生分离，经过色散物镜后的聚焦点不在光轴上，其连线也不是一条直线，所以会产生较大的轴向像差和横向像差而降低MTF值，使整个系统产生较大误差，难以保证整个系统的测量精度。因此，本方案采用的半透半反光学镜2300实现所有多色光的波长共光轴，不发生光轴偏移，即发射光线和接收光线沿光轴完全对称，而且没有垂直光轴方向的偏移，可以更好的消除像差，同时其结构简单，提高了机械结构的可加工性。

如图3、图5所示，本实施例中在所述探头壳体3100的内壁上一体成型设置有镜座2410，所述反光镜2400粘接固定设置在所述镜座2410上，所述反光镜2400的反光面与所述探头壳体3100的轴向呈45°设置。通过镜座2410对反光镜2400形成稳定支撑，使反光镜2400的反光面与所述探头壳体3100的轴向呈45°，便于对光线进行反射，使通过被测物反射后的光线经半透半反光学镜2300呈90°转向后到达反光镜2400，反光镜2400对其进行90°转向，使光线顺利进入接收光纤2200的入光端。

如图3、图8所示，所述探头壳体3100的末端固定设置有用于对光线进行色散聚焦的色散镜头2500，所述色散镜头2500包括有准直镜组2510和色散聚焦镜组2520，所述准直镜组2510固定设置在靠近光谱光源的一侧，用于多色光源的准直；所述色散聚焦镜组2520设置在被测物的一侧，用于产生轴向色散，并将多色光分别聚焦在不同的高度。从半透半反光学镜2300射出的光线到达色散镜头2500，先通过准直镜组2510对多色光进行准直，使出射光变成轴向平行光，轴向平行光到达色散聚焦镜组2520，色散聚焦镜组2520射出的各色光由于波长的不同而聚焦在不同的高度，各焦点高度按波长的顺序沿轴向依次排列。

所述准直镜组2510与色散聚焦镜组2520同轴设置，且所述准直镜组2510和色散聚焦镜组2520共焦点。使准直镜组2510与色散聚焦镜组2520形成4F光学系统，进一步减小杂散光。准直镜组2510与色散聚焦镜组2520结构简单，易于加工装配和调整，同时可以实现轴向位移与波长有较好的函数关系的优点。例如，轴向位移与波长产生三次函数关系时，有利于加快后续处理数据的运算速度。

如图3、图9所示，本实施例中的光谱共焦位移传感探头还包括有提示组件3000，光源耦合器1000作为单独结构与探头壳体3100分开设置。提示组件包括在光源耦合器1000内，通过卡扣可拆卸设置，用于产生提示光的发光件3210；发光件3210也可直接固定在光源耦合器1000内。所述发光件3210为双色LED灯，当探头操作正常且被测物在有效测量区域时，由控制系统发出控制信号点亮发光件3210，发光件3210发出绿色光，提醒使用者操作正常，可以继续操作。当探头操作不正常或被测物不在有效测量区域时，由控制系统发出控制信号点亮发光件3210，发光件3210发出红光，提示使用者操作出现问题，需要更正。发光件3210发出不同颜色的光便于使用者了解探头的使用情况，增加便利性。易于想到的是，发光件3210还可设置为发射多色光，如当被测物体放置在有效测量区域但不是最佳位置时，发光件3210发出黄光等。光源耦合器1000和探头壳体3100之间设置有导光光纤3300，导光光纤3300的入光端可拆卸连接在光源耦合器1000中，优选的连接方式为导光光纤3300的入光端正对发光件3210的发光面，探头壳体3100上开有插槽3400，导光光纤3300的另一端(出光端)通过插槽3400可拆卸连接在探头壳体3100的侧壁上，导光光纤3300用于将光源耦合器1000中的发光件3210发出的光传导到探头壳体3100的侧壁，从而实现提示光从探头壳体3100的侧壁上发出，当手握探头壳体3100进行位置测量时，方便人眼获取探头壳体3100上发出的指示光信号，通过指示光的不同颜色，从而判断物体的摆放位置的状态。本实施例中通过采用可拆卸连接便于导光光纤3300的维护和更换。所述的发光件3210可设置为一个或多个，当设置为一个时，导光光纤3300均传递一个发光件3210的光，这样会导致传递到探头壳体3100上的光较弱，从而导致光线的辨识度不高，因此本实施例中的所述发光件3210设置有多个，根据数量不同按照不同排列方式排列在光源耦合器1000中，所述的导光光纤3300设置有多个，发光件3210和导光光纤3300的关系为一一对应连接关系，多个导光光纤3300呈对称分布或圆周阵列分布在探头壳体3100的侧壁上，这样由导光纤一一对应传递发光件3210产生的光，使光从探头壳体3100上发出后辨识度高。优选的，在本实施例中发光件设置有2个，在保证良好提示效果的前提下，采用更少的发光件以减少发热对探头的影响，发光件3210左右对称布置在光源耦合器1000中，通过卡扣和螺纹连接固定在光源耦合器1000中，导光光纤3300也设置有2个，分别通过插槽3400与发光件3210连接，两个导光光纤3300的出光端在探头壳体3100上呈左右对称设置，发光件3210发出的指示光能通过导光光纤3300的传导，从各个方向射出，使用者能从各个角度观察到探头工作情况。

如图2所示，所述发光件3210和导光光纤3300的入光端之间，固定设置有滤光片3500，滤光片3500固定设置在发光件和导光光纤3300之间，滤光片3500用于过滤红外线，以减少探头壳体3100的发热变形而影响探头精度。

如图9所示，所述探头壳体3100的侧壁上开有沉孔3111，连接导光光纤3300的出光端的插槽3400开在沉孔3111底部，且导光光纤3300的出光端与沉孔3111的底部插槽3400可拆卸连接；通过沉孔3111的设置，在探头壳体3100上形成对导光光纤3300连接位进行避让，避免使用者在使用过程中触碰到导光光纤3300，从而影响影响导光光纤3300，或损伤导光光纤3300与探头壳体3100的连接位。

如图9所示，位于所述沉孔3111的开口端，通过粘接固定设置有透光镜3600，透光镜3600为玻璃材质或塑料材质，透光镜3600可以为平面镜或凹透镜，平面透光镜3600的设置可以对导光光纤3300的出光端进行保护，本实施例中优选凹透镜，凹透镜可以将导光光纤3300从发光件3210传导过来的光发散传导到探头外，使光的指示范围更广，更有利于使用者观察。

如图9所示，所述的探头壳体3100设置为两部分，包括有上壳体3110和下壳体3120，上壳体3110和下壳体3120均为圆柱形，上壳体3110和下壳体3120通过螺纹或卡扣配合实现可拆卸连接，导光光纤3300的出光端连接在上壳体3110的沉孔3111上；而探头的其他精密光学部件设置在下壳体3120上，这样导光光纤3300传导从发光件3210发出来的光时，不可避免的会产生热量，通过上壳体3110与下壳体3120的分开设置，从而上壳体3110和下壳体3120之间装配过程中产生配合间隙，导光光纤300的热量大部分会传导到上壳体3110上，上壳体3110与下壳体3120的配合间隙会抵消上壳体3110因受热而产生的形变量，从而减少产生的热量对下壳体3120及对下壳体3120中的高精度元件的影响，提高探头精度。

本方案中，将光源耦合器1000与光谱共焦位移传感探头2100分开设置，设置在光源耦合器1000中的发光件2210实现发光，并通过导光光纤2300进行传导光后在探头壳体2100上显示，从而实现产生热量的发光件2210与探头壳体2100分离，而不影响探头壳体2100，从而减少发光件2210发光时产生的热量对光谱共焦位移传感探头2100精度的影响，减少测量误差，提高测量精度；通过滤光片2500过滤红外线，进一步减小发热量和传导的热量。将探头壳体3100设置成可拆卸的上壳体3110和下壳体3120两部分，产生的少量热量集中在上壳体3110上而不对下壳体3120上的主要光学部件产生影响，从而减少测量误差，提高测量精度。

在本方案中，所述入射光纤2100，接收光纤2200，多个导光光纤3300外表面套设有保护套3700，所述保护套3700一端固定设置在探头壳体3100内。这样通过保护套3700使入射光纤2100，接收光纤2200，多个导光光纤3300形成一条连接结构，实现便于装配的同时，对入射光纤2100，接收光纤2200，多个导光光纤3300进行保护。

综上所述，本实用新型提出的一种光谱共焦位移传感探头，采用入射光纤和接收光纤分别对发射光和反射光进行处理，从而使发射光和反射光从不同的光路中传输，从而避免光线在传输过程中产生内部干扰，没有反射光的干扰，提高了光谱共焦位移检测过程中的信噪比，而且通过发射光和反射光的单独通道传导光线，使光路顺畅，其发射光和发射光分别在入射光纤和接收光纤中传播不会出现自身反射，利于有效信号的提取，提高整个系统的稳定性。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光谱共焦位移传感探头，包括有探头壳体，其特征在于，还包括：

入射光纤，所述入射光纤的出光端固定设置在所述探头壳体内，所述入射光纤的入光端用于连接光源耦合器；

半透半反光学镜，所述半透半反光学镜固定设置在所述入射光纤的出光端的正下方；

反光镜，所述反光镜固定设置在所述探头壳体的内侧壁上，所述反光镜用于反射所述半透半反光学镜所反射的光；

接收光纤，所述接收光纤的入光端位于所述反光镜的上方且固定设置在所述探头壳体内，所述接收光纤的出光端用于连接光谱仪。

2.根据权利要求1所述的光谱共焦位移传感探头，其特征在于，所述半透半反光学镜包括有上三棱镜，与上三棱镜胶合的下三棱镜，所述胶合面镀有半透半反膜，所述半透半反膜与所述入射光纤的出光端射出的光线呈45°设置。

3.根据权利要求2所述的光谱共焦位移传感探头，其特征在于，所述上三棱镜和所述下三棱镜均采用等边直角棱镜，所述上三棱镜和所述下三棱镜的直角边相等。

4.根据权利要求2所述的光谱共焦位移传感探头，其特征在于，所述半透半反膜为分光比为1:1的半透半反膜。

5.根据权利要求2所述的光谱共焦位移传感探头，其特征在于，所述上三棱镜上背向所述反光镜的一面设置为哑光面。

6.根据权利要求1所述的光谱共焦位移传感探头，其特征在于，在所述探头壳体的内设置有镜座，所述反光镜固定设置在所述镜座上，所述反光镜的反光面与所述探头壳体的轴向呈45°。

7.根据权利要求1所述的光谱共焦位移传感探头，其特征在于，所述探头壳体上设置有用于提示检测物体是否在测量最佳位置的提示组件。

8.根据权利要求1-7任一所述的光谱共焦位移传感探头，其特征在于，所述探头壳体的末端固定设置有用于对光线进行色散聚焦的色散镜头。

9.根据权利要求8所述的光谱共焦位移传感探头，其特征在于，所述色散镜头包括有准直镜组和色散聚焦镜组，所述准直镜组设置在光源的一侧，用于多色光的准直；所述色散聚焦镜组设置在被测物的一侧，用于将多色光分别聚焦，并产生轴向色散。

10.根据权利要求9所述的光谱共焦位移传感探头，其特征在于，所述准直镜组与色散聚焦镜组同轴设置，且所述准直镜组和色散聚焦镜组共焦点。

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