一种用于等离子体检测的多模光纤焦平面调节装置的制作方法

本发明涉及分析仪器领域，具体涉及一种用于等离子体检测的多模光纤焦平面调节装置。

背景技术：

光谱仪是通用的光谱分析仪器，通过衍射光栅将成分复杂的光分解为不同波长的光，应用光学原理，对物质的结构和成分进行观测、分析和处理，广泛应用于各个领域。如在IC装备研发中，通过将光谱仪与光电倍增管等其他元件组合可以对等离子体辉光放电产生的光谱信息进行采集分析，实时检测反应现象，得到等离子体物理参数，在多种等离子体检测设备中具有非侵入式、响应快速等优点。同时，对于处于非恒定态的等离子体中复杂的物理化学过程，通常需要采集除了主要的强谱线外的许多微弱谱线，检测难度很大。

目前对光谱谱线主要采用的检测手段主要有两种：一种是通过光谱仪分光，通过出口狭缝调节配合光电倍增管采集单个波长的光信号；另一种是通过具有二维面阵的CCD相机，可以采集不同波长范围内的光谱信号。第一种检测方法具有灵敏度高、响应快速等优点，特别是光电倍增管作为目前灵敏度最高的光学检测原件，可以实现单光子纳秒级的时间分辨测量。而普通的CCD相机灵敏度和时间分辨能力较差，目前出现的增强型CCD相机虽然也可以达到纳秒级检测精度，但是受光阴极材料和荧光板发光效率等因素的限制，增强型CCD相机的检测效率低于光电倍增管，并且无法用于瞬态不重复光信号的测量。

为此，本领域中已开始考虑通过用阵列光纤代替CCD阵列作为光谱采集元件，然后在阵列光纤的输出端接入光电倍增管阵列进行光电信号转换，而且光电倍增管是目前已知的最灵敏的光探测元件，因而，这种系统所采用的光纤阵列需要与光路结构中出口焦平面的位置高度重合才能采集到精确的光谱信号。然而，目前并没有针对这种多模光纤与焦平面之间位置关系的调节装置，现有技术中都是将光谱仪直接固定到光学平台上，虽然保证了光谱仪的稳定性，但是无法实现将光谱仪的出口焦平面与光纤阵列面重合，导致精度较低。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种用于等离子体检测的多模光纤焦平面调节装置，其能够方便地实现多模光纤入射平面与光谱仪出口焦平面的快速柔性调节对焦。

为实现上述目的，采用的技术方案如下：

一种用于等离子体检测的多模光纤焦平面调节装置，其用于将多模光纤的入射平面与切尼-特纳光路结构的出射焦平面调节至重合，其包括多模光纤调整座、以及并列设置的第一调整装置和第二调整装置，其中，所述切尼-特纳光路结构安装在第一调整装置上，所述多模光纤调整座安装在第二调整装置上，所述第一调整装置和所述第二调整装置各自具有多个自由度，所述多模光纤容置在所述多模光纤调整座中，使得多模光纤的入射面朝向所述切尼-特纳光路结构的出口，所述第一调整装置包括：能够绕第一方向转动的第一调整组件；安装在所述第一调整组件上的、能够绕第二方向转动的第二调整组件；其中所述第一方向不同于所述第二方向，其中，所述切尼-特纳光路结构安装在所述第二调整组件上。

,优选地，所述第一调整组件和/或第二调整组件包括：

固定底板，所述固定底板上设置有第一弧形导轨；

活动平台，所述活动平台设置有与所述第一弧形导轨相配合的第二弧形导轨；

固定连接在所述活动平台下方的顶块，所述顶块具有接触表面；

固定安装在所述固定底板上的推杆装置，所述推杆装置具有可伸缩的推杆，所述推杆顶推所述顶块的接触表面时，驱动所述活动平台相对于所述固定底板转动。

优选地，所述推杆装置为电动推杆装置。

优选地，所述接触表面包括多段平滑连接的平面段和/或曲面段。

优选地，所述接触表面包括弧面段和位于所述弧面段上下两侧的平面段。

优选地，所述多模光纤调整座包括：

固定连接到所述第二调整装置的固定座；

光纤安装管，其第一端连接到所述固定座，第二端朝向所述切尼-特纳光路结构的出口，所述多模光纤间隙配合地安装在所述光纤安装管中，所述多模光纤的入射平面位于所述光纤安装管的第二端。

优选地，所述多模光纤调整座还包括接口法兰和软管，其中，所述接口法兰固定连接到所述切尼-特纳光路结构的出口侧，所述光纤安装管的第二端伸入所述接口法兰的内孔中，所述光纤安装管的第二端的外径小于所述接口法兰的内孔的直径，所述软管由不透光材料制成，所述软管套设在所述光纤安装管的外围，所述软管的两端分别连接到所述接口法兰和所述固定座。

优选地，所述第二调整装置包括：

第三调整组件，其能够绕第三方向转动，其上安装有所述多模光纤调整座；

第一平动机构，其能够沿第一方向平动，其上安装有所述第三调整组件；

第二平动机构，其能够沿第二方向平动，其上安装有所述第一平动机构；

第三平动机构，其能够沿第三方向平动，其上安装有所述第二平动机构。

优选地，所述第一平动机构和/或所述第二平动机构包括：

支撑座，其上设有直线导轨；

平动台，其可沿所述直线导轨滑动；

丝杠螺母副，其连接所述支撑座和所述平动台。

优选地，所述第三平动机构包括：底板、固定平板、固定支撑杆、第三丝杠螺母副、螺母支撑板、第三平动台、以及滑动支撑杆，其中，所述固定支撑杆安装于所述底板上，所述固定平板安装于所述固定支撑杆的顶端，所述第三丝杠螺母副中的丝杠可旋转地支承于所述底板和所述固定平板之间，所述第三丝杠螺母副中的螺母固定于所述螺母支撑板上，所述滑动支撑杆滑动配合地穿过所述固定平板，所述滑动支撑杆的下端固定于所述螺母支撑板上，所述第三平动台固定于所述滑动支撑杆的上端。

优选地，所述第一平动机构的上表面的面积大于所述第三调整组件的底面的面积，所述第三调整组件经由直角块固定安装至所述第一平动机构；

和/或，第一平动机构、第二平动机构和第三平动机构中的任一个的底面的面积小于其下方的安装表面的面积，从而其经由直角块固定安装至下方的安装表面。

本发明的用于等离子体检测的多模光纤焦平面调节装置能够实现将多模光纤的入射平面与切尼-特纳光路结构的出射焦平面调节至重合，而且可以实现快速柔性地调节，从而提高等离子体光谱信息采集的灵敏度和精确度。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的多模光纤焦平面调节装置的外形结构示意图；

图2a和图2b分别是转动平台的装配图示意图和分解示意图；

图3a和3b分别是转动平台的活动平台部分的主剖视和左视结构示意图；

图4是切尼-特纳光路结构示意图；

图5a和5b分别是多模光纤调整座的分解示意图和装配示意图；

图6a和6b分别是多模光纤的端视和侧视结构示意图；

图7是第一平动平台的装配结构示意图；

图8是第一平动平台的左视分解示意图；

图9是第三平动平台的装配结构示意图；

图10是第三转动平台与第一平动平台之间的连接结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、光学平台；20、第一转动平台；30、第二转动平台；40、切尼-特纳光路结构；50、多模光纤调整座；60、第三转动平台；70、第一平动平台；80、第二平动平台；90、第三平动平台；100、固定底座；110a、110b、直角块；201、活动平台；202a,202b、弧形导轨；203、顶块；203a,203c、平面段；203b、弧面段；203d、连接部；204、固定底板；205、推杆固定座；206、推杆装置；206a、推杆；401、入射狭缝；402、准直反射镜；403、衍射光栅；404、聚焦反射镜；405、焦平面；501、固定座；501a、固定座内孔；502、软管；503、接口法兰；503a、接口法兰凹槽；503b、接口法兰内孔；504、多模光纤；504a、入射平面；504b、金属头；505、光纤安装管；505a、安装管凹槽；505b、光纤安装孔；505c、安装管内孔；505d、光纤安装管第一端；604、第三转动平台固定底板；701、平动台；702、螺母；703、丝杠；704、电机；705、导轨支撑件；706、支撑座；707,707a,707b、轴承支撑台；708a,708b、轴承；709、直线导轨；901、第三平动台；902、固定平板；903、固定支撑杆；904、底板；905、驱动电机；906、螺母；907、丝杠；908、滑动支撑杆；909、螺母支撑板。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明的实施例并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明提出了一种用于等离子体检测的多模光纤焦平面调节装置，其用于将多模光纤的入射平面与切尼-特纳光路结构的出射焦平面调节至重合。该调节装置包括多模光纤调整座、以及并列设置的第一调整装置和第二调整装置，其中，如图1所示，所述切尼-特纳光路结构40安装在第一调整装置上，所述多模光纤调整座50安装在第二调整装置上，所述第一调整装置和所述第二调整装置各自具有多个自由度，所述多模光纤容置在所述多模光纤调整座50中，使得多模光纤的入射面朝向所述切尼-特纳光路结构40的出口。

通过第一调整装置和第二调整装置的多个自由度的调整，能够实现将多模光纤的入射平面与切尼-特纳光路结构的出射焦平面调节至彼此重合。

具体参见图1，其中示出了根据本发明的优选实施方式的多模光纤焦平面调节装置的示意图。为了便于指示方向，在图1中示出了由X、Y和Z方向三个方向所组成的坐标系，其中X方向表示为水平面上的横向，Y方向表示为水平面上的纵向，Z方向表示为垂直于水平面的竖向。如图1所示，其中示出了例如放置于地面上的支架，例如光学平台10，该光学平台10用于安放该多模光纤焦平面调节装置。

示例地，该多模光纤焦平面调节装置中，所述第一调整装置包括：能够绕第一方向(如Y方向)转动的第一调整组件，例如第一转动平台20；安装在所述第一调整组件上的、能够绕第二方向(如X方向)转动的第二调整组件，例如第二转动平台30；其中所述第一方向不同于所述第二方向，并且其中，所述切尼-特纳光路结构40安装在所述第二调整组件30上。

示例地，所述第二调整装置包括：

第三调整组件，其能够绕第三方向(如Z方向)转动，例如为第三转动平台60，其上安装有所述多模光纤调整座50；

第一平动机构，其能够沿第一方向平动，例如为第一平动平台70，其上安装有所述第三调整组件；

第二平动机构，其能够沿第二方向平动，例如为第二平动平台80，其上安装有所述第一平动机构；

第三平动机构，其能够沿第三方向平动，例如为第三平动平台90，其上安装有所述第二平动机构。

示例地，光学平台10上还有固定底座100，第三平动平台90安装于固定底座100上。

因此，切尼-特纳光路结构40可以经由第一转动平台20和第二转动平台30调节两个方向的转动自由度，多模光纤则可以经由第三转动平台60、第一平动平台70、第二平动平台80和第三平动平台90调节三个方向的平动以及一个方向的转动自由度，从而实现全部六个自由度的调节，最终可方便地将多模光纤的入射平面与切尼-特纳光路结构的出射焦平面调节至重合。

在图2a-3b中详细示出了根据本发明的第一转动平台20的结构示意图，在本发明中，第一、第二和第三转动平台可以具有相同的机械结构，作为示例，仅对第一转动平台20进行描述。

如图2a-3b所示，第一转动平台20由上下两部分组成，其中下部分包括用于将第一转动平台自身进行固定的固定底板204，上部分则包括用于提供转动运动的活动平台201。其中，所述固定底板204上设置有第一弧形导轨202b，所述活动平台201则设置有与所述第一弧形导轨202b相配合的第二弧形导轨202a，当第二弧形导轨202a和第一弧形导轨202b之间发生相对移动时，活动平台201即相对于固定底板202产生转动。

为方便地实现活动平台201相对于固定底板202的转动，在所述活动平台201下方固定连接有顶块203，所述顶块203具有接触表面，其例如借助于连接部204d连接在活动平台201的下表面上；同时，在所述固定底板204上固定安装有推杆装置206，优选电动推杆装置，所述推杆装置具有可伸缩的推杆206a，以用于顶推顶块203的接触表面，从而驱动所述活动平台201相对于所述固定底板204转动。

为保证推杆206a能够始终可靠地顶推顶块203的接触表面，顶块203的横截面优选设置成燕尾形，因而其接触表面包括多段平滑连接的平面段和/或曲面段。优选地，所述接触表面包括弧面段203b和位于所述弧面段203b上下两侧的平面段203c和203a，推杆206主要顶推弧面段203b。

优选地，在固定底板204的上表面上，在顶块203的两侧对称地设置有一对推杆装置206，而顶块203两侧也具有对称的接触表面，从而可以保证在两个方向同时顶推顶块203，以保证活动平台201的转动位置的准确性和可靠性。例如，当位于右侧的推杆206a向左伸长运动时(同时布置在左侧的推杆也向左缩进运动)，推杆206a与顶块203的抵接便推动第一转动平台20的上部分沿着导轨202a和202b滑动，从而实现了第一转动平台20的绕Y方向的顺时针转动，对Y方向的转动自由度进行调节。

其中，该推杆装置包括连接到固定底板204的上表面的推杆固定座205，在该推杆固定座205的上设置有例如由电机驱动的电动推杆，其中电动推杆中的推杆206a可以在电机的作用下实现伸缩运动。

优选地，第二弧形导轨202b为交叉滚子弧形导轨。

本领域技术人员能够理解，基于相同的结构和原理，也能够实现第二和第三转动平台分别绕X方向和Z方向的转动。

在图4中示出了根据本发明的切尼-特纳光路结构40，其中该光路结构包括：入射狭缝401，其中待检测的连续光谱通过该入射狭缝401进入到光路结构中；准直反射镜402，其接受来自入射狭缝401的入射光并将其反射成为平行光；衍射光栅403，该衍射光栅403接受到达的平行光，经将其衍射后使衍射光到达聚焦反射镜404；聚焦反射镜404，该聚焦反射镜使得不同波长的单色光聚焦到焦平面405的不同位置处；以及与入射狭缝401同侧的焦平面405。

在图5a和5b中示出了本发明中的多模光纤调整座50，图5b中该多模光纤调整座中安装有多模光纤504。

其中该多模光纤调整座包括：

固定座501，例如直角固定座，该多模光纤调整座50经由该固定座501连接到第二调整装置中的第三转动平台60上，在该固定座501的竖直段上设置有固定座内孔501a；

光纤安装管505，其第一端连接到所述固定座501，例如配合地安装在固定座内孔501a中，使得其第二端505d朝向所述切尼-特纳光路结构40的出口，所述多模光纤504间隙配合地安装在所述光纤安装管505中，所述多模光纤504的入射平面504a位于所述光纤安装管505的第二端，从而能够朝向所述切尼-特纳光路结构40的出口，以便于与焦平面调节重合。

光纤安装管505外部设有向外凸出的环形凸台，环形凸台的端面可以用于对光纤安装管自身进行限位。光纤安装管505内部设有光纤安装孔505b，该光纤安装孔505b设置在第二端处，用于与多模光纤504的金属头504b(参见图6a和6b)间隙配合。除了该光纤安装孔505b之外，光纤安装管的内孔505c的其余部分直径变大，以便于光纤无干涉地穿过。在使用时将光纤安装管505的左端插入到固定座501的固定座内孔501a中，即可完成二者之间的装配。

优选地，多模光纤调整座还包括接口法兰503和软管502。其中，接口法兰503优选通过螺纹紧固件连接到切尼-特纳光路结构40的出口侧，该接口法兰503具有环形凸台和法兰内孔503b，所述光纤安装管505的第二端伸入所述接口法兰503的内孔503b中，其中该接口法兰内孔503b的直径大于光纤安装管505的第二端505d的直径，从而使得光纤安装管505能够相对于接口法兰503进行径向位置调整。该软管502优选为不透光材质并且具有良好的弹性，软管502的两端分别安装在接口法兰503的凸台与安装管505的凸台处，套设在所述光纤安装管505的外围，优选地可以在接口法兰503的凸台径向外表面上加工凹槽503a，在安装管505的凸台的径向外表面上加工凹槽505a，然后可通过卡带将软管502的两端固定于两个凹槽处。

光纤安装管505的右端安装在固定座501的内孔501a内，优选地还通过顶丝固定(未示出)。当固定座501带动光纤安装管505运动时，多模光纤504可以实现柔性运动，通过各运动结构的运动，可以使得多模光纤504的入射端面504a与切尼-特纳光路结构40的焦平面405重合。

在图6a和图6b中示出了根据本发明的多模光纤头的端视和侧视结构示意图。如图所示，多模光纤504的光纤入射平面504a呈矩形分布并镶嵌在金属头504b中，其中光纤入射平面504a中光纤的阵列数量可以根据实际需求进行定制，但光纤入射平面504a的尺寸需小于金属头504b的尺寸。

在图7-8中示出了第一平动平台70的结构。本发明中，第二平动平台80可以具有相同的机械结构，作为示例，仅对第一平动平台70进行描述。

具体来说，该第一平动平台为通过电机带动丝杠旋转以使螺母副带动平动台直线运动的机构。该第一平动平台包括：

支撑座706，其上设有直线导轨709，并且其用于固定安装该第一平台自身，直线导轨709借助于导轨支撑件705固定安装在支撑座706上；

平动台701，其可沿所述直线导轨709滑动，例如包括导轨滑块(未示出)；

丝杠螺母副，其连接所述支撑座706和所述平动台701，包括螺母702和丝杠703，例如，螺母702固定于平动台701下表面上，丝杠703经由轴承支撑台707(具体包括位于两端的两个轴承支撑台707a和707b)中的轴承708a和708b旋转地支承，轴承支撑台707固定连接在支撑座706上。丝杠703的一端连接有电机704。

当电机704旋转时，带动丝杠703旋转，由于螺母702与丝杠703之间为螺旋传动连接，随着丝杠703的旋转，螺母702会在丝杠703上发生沿直线方向上的位移，进而带动平动台701相对于支撑座706在X或Y方向上发生平动。

在图9中示出了Z方向上运动的第三平动平台90的结构图。其中该第三平动平台90包括：底板904、固定平板902、固定支撑杆903、第三丝杠螺母副(包括丝杠907和螺母906)、螺母支撑板909、第三平动台901、以及滑动支撑杆908。其中，所述固定支撑杆903安装于所述底板904上，所述固定平板902安装于所述固定支撑杆903的顶端，三者构成一个稳定的框架结构。所述第三丝杠螺母副中的丝杠907可旋转地支承于所述底板904和所述固定平板902之间，电机905在底端与所述丝杠907连接，所述第三丝杠螺母副中的螺母906固定于所述螺母支撑板909上，所述滑动支撑杆908滑动配合地穿过所述固定平板902，所述滑动支撑杆908的下端固定于所述螺母支撑板909上，所述第三平动台901固定于所述滑动支撑杆908的上端，螺母支撑板909、第三平动台901和滑动支撑杆908也构成一个稳定的框架结构。

当电机905旋转时，带动丝杠907旋转，由于螺母906与丝杠907之间为螺旋传动连接，随着丝杠907的旋转，螺母906会在丝杠907上发生沿竖直方向上的位移，进而带动螺母支撑板909和与之固定连接的第三平动台901在Z方向上发生平动。

在图10中示出了相邻的转动平台和/或平动平台之间的连接结构图。作为示例，其中示出了绕Z方向转动的第三转动平台60与沿X方向平动的第一平动平台70之间的连接结构图。其中第三转动平台60的底面(即固定底板604的底面)的面积小于其下方的安装表面(本例中，为第一平动平台70的上表面)的面积，在固定底板604的侧边加工有螺纹孔，第一平动平台70的平动台701的上表面上也加工有螺纹孔，通过直角块110a与110b便可以将平动台701与固定底板604固定到一起，也即，将第三转动平台60固定至第一平动平台70。类似地，本发明中，在光学平台10与绕Y方向转动的第一转动平台20之间，绕Y方向转动的第一转动平台20与绕X方向转动的第二转动平台30之间，沿X方向平动的第一平动平台70与沿Y方向平动的第二平动平台80之间，沿Y方向平动的第二平动平台80与沿Z方向平动的第三平动平台90之间，沿Z方向平动的第三平动平台90与固定底座100之间，固定底座100与光学平台10之间，等等，都可以采用这种直角块110a、110b进行安装定位。

下面将描述根据本发明的多模光纤焦平面调节装置的操作方法。

在使用时，通过第一调整装置可以实现绕Y方向和X方向的转动，而通过第二调整装置可以实现绕Z方向和沿XYZ三个方向上的平动，因此两者之间可以实现三维立体的6自由度调整，进而可以使切尼-特纳光路结构的焦平面与多模光纤的入射面实现严格重合，以精确地采集由切尼-特纳光路结构所传递的光谱信号。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。