多功能匀光耦合装置及标定检测的方法

1.本公开涉及光学测量技术领域，具体涉及一种多功能匀光耦合装置及标定检测的方法。


背景技术：

2.随着光学测量技术的不断提高和发展，对测量精度提出了更高要求，光谱仪是测量位置信息的一种有效手段，为提高光谱仪测量精度，需在投入使用前对光谱仪进行标定，则需要在标定光和测量光间进行切换。同时，为保证检测用光的均匀度满足要求，需对光源发出的光进行匀化。另外，测试过程中还需要照明系统能提供稳定且灵活调控的光路，该光路能按需要进行通断，或改变照明面积的大小。由于需要不同光路的切换，如果直接将输入光的光纤直接与接收光纤连接，由于光纤的发光角度大，将导致能量无法充分耦合，造成能量的损失，因此亟需设计一种能实现不同光路切换、具有匀光功能、可灵活进行调控、能量充分耦合的装置。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.针对上述问题，本公开提供了一种多功能匀光耦合装置及标定检测的方法，用于解决传统装置能量损失大、光路不稳定、难以灵活调控等技术问题。
5.(二)技术方案
6.本公开一方面提供了一种多功能匀光耦合装置，用于光谱仪的标定检测，多功能匀光耦合装置沿光路方向依次包括：光源切换单元，包括位移调节台、光纤固定板和入射光纤，入射光纤包括第一光纤和第二光纤；第一光纤、第二光纤固定于光纤固定板上，通过位移调节台进行光纤的切换；匀光耦合单元，包括镜筒、光棒和多个透镜，光棒用于将光纤中的光束进行耦合并匀化，多个透镜用于将发散角较大的光束转化为发散角较小的光束并进行会聚；视场可调单元，用于调节光束的照明面积和照明形状；接收光纤，用于接收匀化后的光束并传递至后续光路。
7.进一步地，多功能匀光耦合装置还包括：光开关可控单元，设于光源切换单元与接收光纤之间的任意位置，用于控制待到达接收光纤的光束的开启或关闭。
8.进一步地，位移调节台包括：电机、导轨和载物台，电机带动载物台在导轨上前后移动，光纤固定板固定在载物台上。
9.进一步地，第一光纤为标定光纤，与标定光源连接，用于光谱仪的标定过程；第二光纤为测量光纤，与测量光源连接，用于光谱仪的测量过程。
10.进一步地，光棒的横截面形状包括矩形和正六边形中的一种；光棒与第一光纤或第二光纤同心装配，且光棒的通光面直径大于第一光纤的通光面直径和第二光纤的通光面直径。
11.进一步地，多个透镜包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第
六透镜；其中，第一透镜为凸透镜，第二透镜、第三透镜为弯月透镜，第四透镜为平凸透镜，第五透镜为凸透镜，第六透镜(l7)为弯月透镜；多个透镜的材料为h-k9l光学玻璃。
12.进一步地，视场可调单元为视场光阑；视场可调单元可拆卸更换。
13.进一步地，接收光纤、入射光纤的通光面直径根据拉式不变量进行确定。
14.本公开另一方面提供了一种根据前述的多功能匀光耦合装置对光谱仪进行标定检测的方法，包括：s1，利用入射光纤中的第一光纤引入第一光束；s2，利用匀光耦合单元对第一光束进行耦合并匀化，将发散角较大的第一光束转化为发散角较小的第一光束并进行会聚；s3，利用视场可调单元调节第一光束的照明面积和照明形状；s4，利用接收光纤接收匀化后的第一光束并传递至后续光路，进行光谱仪的标定过程，得到标定曲线。
15.进一步地，还包括：s5，利用位移调节台带动光纤固定板切换至入射光纤中的第二光纤，引入第二光束；s6，利用匀光耦合单元对第二光束进行耦合并匀化，将发散角较大的第二光束转化为发散角较小的第二光束并进行会聚；s7，利用视场可调单元调节第二光束的照明面积和照明形状；s8，利用接收光纤接收匀化后的第二光束并传递至后续光路，进行光谱仪的测量过程，得到响应光谱曲线。
16.(三)有益效果
17.本公开的多功能匀光耦合装置及标定检测的方法，利用匀光耦合单元中的光棒和多个透镜，将光束经耦合匀化后传递到接收光纤，提升了能量利用率；利用光源切换单元中的位移调节台和光纤固定板，可以准确地实现光纤对准，便捷地进行光源光纤的切换，提高了对准精度同时减少了对光纤的磨损；同时，利用视场可调单元调节照明面积和照明形状、利用光开关可控单元实现光路的通断，能为标定检测过程提供稳定且可灵活调控的光路。
附图说明
18.图1示意性示出了根据本公开实施例中多功能匀光耦合装置的结构示意图；
19.图2示意性示出了根据本公开实施例中匀光耦合单元的结构示意图；
20.图3示意性示出了根据本公开实施例匀光耦合单元中多个透镜的光路示意图；
21.图4示意性示出了根据本公开实施例中位移调节台的结构示意图；
22.图5示意性示出了根据本公开实施例中视场可调单元的结构示意图；
23.图6示意性示出了根据本公开实施例中光开关连接件的结构示意图；
24.图7示意性示出了根据本公开实施例中光开关的结构示意图；
25.图8示意性示出了根据本公开实施例中匀光耦合单元的光斑均匀性示意图；
26.附图标记说明：
27.1，位移调节台；2，光纤固定板；3，第一光纤；4，第二光纤；5，匀光耦合单元；6，光开关可控单元；7，视场可调单元；8，接收光纤；9，光开关连接件；10，导轨；11，载物台；12，电机；l1，光棒；l2，第一透镜；l3，第二透镜；l4，第三透镜；l5，第四透镜；l6，第五透镜；l7，第六透镜。
具体实施方式
28.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
29.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
30.需要说明，若本公开实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
31.光谱仪波长标定的基本原理是：采用具有特征谱线的光源，精确确定标定谱线对应的像元位置，通过多项式拟合、最小二乘法等算法，得出光谱仪的标定方程，实现ccd像元与波长的数学关系式。标定用的光源所含的已知特征光谱线数量越多，分布越均匀标定结果就越准确。在某一标定光源的波长范围内对光谱仪进行标定后，光谱仪可用于该波段范围内的测量，测量结果具备可信性和可靠性。
32.基于此，本公开提供了一种多功能匀光耦合装置，用于光谱仪的标定检测，请参见图1，多功能匀光耦合装置沿光路方向依次包括：光源切换单元，包括位移调节台1、光纤固定板2和入射光纤，入射光纤包括第一光纤3和第二光纤4；第一光纤3、第二光纤4固定于光纤固定板2上，通过位移调节台1进行光纤的切换；匀光耦合单元5，包括镜筒、光棒l1和多个透镜，光棒l1用于将光纤中的光束进行耦合并匀化，多个透镜用于将发散角较大的光束转化为发散角较小的光束并进行会聚，光棒l1和多个透镜安装在镜筒内，镜筒用于固定光棒和透镜；视场可调单元7，用于调节光束的照明面积和照明形状；接收光纤8，用于接收匀化后的光束并传递至后续光路。光源切换单元、匀光耦合单元5均安装在底座上，视场可调单元7、接收光纤8安装在匀光耦合单元5上。
33.光纤固定板2为一块l型板，包括水平面和竖直面，不同光源光纤固定在该竖直面上，位移调节台1与光纤固定板2固定连接，通过位移调节台1的移动带动光纤移动，从而实现不同光源光纤的切换。相对于传统插拔式替换光纤的方法来说，本公开利用位移调节台和光纤固定板，可以准确地实现光纤对准、便捷地实现光源的切换，提高了对准精度同时减少了对光纤的磨损。进一步地，利用匀光耦合单元，将光束经耦合匀化后传递到接收光纤，可实现能量的充分耦合，提升了能量利用率；利用视场可调单元，在不同应用场景下提供所需的照明面积和照明形状，实现对光路的灵活控制。该装置在机械设计上布局合理、紧凑，安装方便。
34.在上述实施例的基础上，多功能匀光耦合装置还包括：光开关可控单元6，设于光源切换单元与接收光纤8之间的任意位置，用于控制待到达接收光纤8的光束的开启或关闭。
35.在光源切换单元与接收光纤8之间还可包括光开关可控单元6，光开关可控单元6通过光开关连接件9固定在镜筒上。光开关连接件9的结构如图6所示，光开关连接件9上包括多个螺丝孔和一个顶丝孔，光开关连接件9通过螺钉穿过螺丝孔与光开关可控单元6相连，光开关连接件通过顶丝孔固定在镜筒上，光开关可控单元6例如为光开关，光开关的结构如图7所示，光开关连接件9例如为法兰。
36.光开关可控单元6可控制要到达接收光纤8光束的开启关闭；由于光源从开始启动到稳定运行需要很长的时间，而在测试过程中，单次测量所需照明时间又很短，因此在此装置上使用光开关可控单元6能在保证向外提供稳定光束的基础上，实现对光路通断的灵活
控制。
37.在上述实施例的基础上，如图4所示，位移调节台1包括：包括电机12、导轨10和载物台11，导轨10固定在底座上，电机12运行时推动载物台11在导轨10上前后滑动。光纤固定板2安装在载物台11上。
38.位移调节台1工作时，首先给电机12通电，使其运转，电机12带动载物台11在导轨10上进行前后移动，载物台11进而带动光纤固定板2前后移动，完成光纤的切换。
39.在上述实施例的基础上，第一光纤3为标定光纤，与标定光源连接，用于光谱仪的标定过程；第二光纤4为测量光纤，与测量光源连接，用于光谱仪的测量过程。
40.标定光源可以为he-ne激光、氚灯、汞灯等具有特征光谱的光源，标定光源以汞灯为例，汞灯光纤连接汞灯光源用于光谱仪的标定，汞灯光源是利用汞放电时产生汞蒸气获得光的电光源，由于其产生的光谱为线光谱、特征光谱多，便于选取一些强度较高的特征谱做标定，因此常用于光谱仪的标定。汞灯光源的谱段宽度为200nm～1100nm，测量光源以卤素灯光源为例，卤素灯光纤连接卤素灯光源，用于光谱仪的测量过程，卤素灯光源的谱段宽度为400nm～900nm，汞灯光源的谱段宽度覆盖了卤素灯光源的谱段宽度，光谱仪标定后，在卤素灯光源的谱段宽度内的测量结果具有可靠性。
41.在上述实施例的基础上，如图2所示，光棒l1的横截面形状包括矩形和正六边形中的一种；光棒l1与第一光纤3或第二光纤4同心装配，且光棒l1的通光面直径大于第一光纤3的通光面直径和第二光纤4的通光面直径。
42.优选地，本公开中采用光棒l1作为匀光器件，光棒l1的横截面形状优选为矩形或正六边形，其它横截面形状的光棒反射形成的子光源在空间分布不均匀，不利于实现均匀照明。光束在光棒l1内经一定次数的反射后，正六边形横截面形状的光棒比矩形横截面形状的光棒产生的子光源数量多，更容易形成均匀照明。同时考虑正六边形的光棒与圆形截面光纤能量耦合效率更高，本方案更优选地采用正六边形光棒；光棒l1与光源切换单元中的入射光纤同心装配，且光棒l1的通光面直径大于入射光纤的通光面直径，以确保所有光都能进入到光棒l1中。
43.光棒l1输出端面光照度的均匀性与光束在光棒l1内的反射次数有关，在其它条件相同的情况下，反射次数越多，输出端面的光照度越均匀。但是，光棒l1过长会导致能量损耗增加，同时会增加加工难度。在设计中需要综合考虑均匀性和能量利用率，通过计算不同长度下输出光场，得到最优长度。
44.在上述实施例的基础上，多个透镜包括第一透镜l2、第二透镜l3、第三透镜l4、第四透镜l5、第五透镜l6和第六透镜l7；其中，第一透镜l2为凸透镜，第二透镜l3、第三透镜l4为弯月透镜，第四透镜l5为平凸透镜，第五透镜l6为凸透镜，第六透镜l7为弯月透镜。
45.如图2和图3所示，经光棒出射的光束发散角度较大，通过第一透镜l2、第二透镜l3和第三透镜l4组合实现将发散角较大的光束转化为发散角较小的光束；第四透镜l5、第五透镜l6和第六透镜l7组成的成像光路把经光棒匀化后的光会聚传递到接收端，保证光的充分耦合，使能量更集中，从而提高了能量利用率。
46.在上述实施例的基础上，多个透镜的材料为h-k9l光学玻璃。
47.h-k9l光学玻璃在卤素灯光源的工作波段400nm～900nm内透过率高，且材料性能稳定，成本低、易购买，故选用该材料制备多个透镜。
48.在上述实施例的基础上，视场可调单元7为视场光阑；视场可调单元7可拆卸更换。
49.图5为视场可调单元7的结构示意图，视场可调单元7通过螺钉穿过螺钉孔固定在镜筒预留位置上，可以随意抽插更换，以改变不同通光孔径大小和通光形状。
50.在上述实施例的基础上，接收光纤8、入射光纤的通光面直径根据拉式不变量进行确定。
51.举例来说，若所需的照明视场为φ10mm，从现有尺寸中选取接收光纤8的通光面直径为φ10mm。由于照明面内中心光照强度高、四周光照强度低，照明面中心区域的均匀性较高，能满足光谱仪的使用要求，为保证接收光纤8输出视场边缘照明均匀，那么就要求与接收光纤8相对的匀光耦合单元5的出射面，即耦合光路照明面的面积有余量，直径需大于φ10mm。
52.根据拉式不变量j＝n1u1y1＝n2u2y2公式，可以计算得到耦合光路的照明面大小，其中j为拉式不变量，n为折射率，u为数值孔径，y为视场直径，1表示物方，2表示相方，由于该耦合装置在空气中，所以折射率相等，均为空气的折射率，n1＝n2，在光源光纤和匀光耦合单元5、匀光耦合单元5与接收光纤8之间运用两次拉式不变量公式，确定所需光纤的数值孔径和视场直径。由于汞灯发出的光角度大，为了尽可能多的收集汞灯发出的光，提供汞灯输出效率，通常选择较大数值孔径na的光纤，例如选用的汞灯光纤的na为0.57，视场直径为φ6.4mm，汞灯视场太小，需要对其放大，才能通过接收光纤向外提供φ10mm的视场。常规光纤的数值孔径为0.22，因此，这里选择接收光纤8的na为0.22，φ10mm，匀光耦合单元5的数值孔径与接收光纤相同，na为0.22。在光源光纤和匀光耦合单元5之间运用拉式不变量公式，并用上标1表示，计算出耦合光路照明面视场直径为：
[0053][0054]
根据该计算结果，得出该耦合光路照明面视场直径为φ16.6mm，此时能量可充分耦合，照满接收光纤8，保证了视场边缘照明均匀，有余量。因此耦合光路放大倍率β＝y2/y1＝16.6/6.4＝2.6，照明的能量能被接收面充分接收。
[0055]
汞灯光纤3的na为0.57，发光面大小为φ6.4mm，卤素灯光纤4的na为0.45，发光面大小为φ5mm；光棒l1的通光面直径为φ7mm，完全兼容汞灯光纤3和卤素灯光纤4的输入。
[0056]
本公开还提供了一种根据前述的多功能匀光耦合装置对光谱仪进行标定检测的方法，包括：s1，利用入射光纤中的第一光纤3引入第一光束；s2，利用匀光耦合单元5对第一光束进行耦合并匀化，将发散角较大的第一光束转化为发散角较小的第一光束并进行会聚；s3，利用视场可调单元7调节第一光束的照明面积和照明形状；s4，利用接收光纤8接收匀化后的第一光束并传递至后续光路，进行光谱仪的标定过程，得到标定曲线。
[0057]
在上述实施例的基础上，还包括：s5，利用位移调节台1带动光纤固定板2切换至入射光纤中的第二光纤4，引入第二光束；s6，利用匀光耦合单元5对第二光束进行耦合并匀化，将发散角较大的第二光束转化为发散角较小的第二光束并进行会聚；s7，利用视场可调单元7调节第二光束的照明面积和照明形状；s8，利用接收光纤8接收匀化后的第二光束并传递至后续光路，进行光谱仪的测量过程，得到响应光谱曲线。
[0058]
以标定光源采用汞灯光源、测量光源采用卤素灯光源为例，首先光谱仪采用汞灯光源进行光谱采集，汞灯光源波长为200nm～1100nm，通过多项式拟合、最小二乘法等算法，
精确确定光谱仪像元与波长的数学关系式，得出光谱仪的标定曲线，可以通过将标定曲线与标定光源的特征光谱相比较，得到该光谱仪的测量准确度。然后光谱仪采用卤素灯进行待检测系统响应光谱曲线的采集，卤素灯波段为400nm～900nm，得到待检测系统的真实光谱曲线。
[0059]
下面通过具体实施方式对本公开作进一步说明。在以下实施例中对上述多功能匀光耦合装置及标定检测的方法进行具体说明。但是，下述实施例仅用于对本公开进行例示，本公开的范围不限于此。
[0060]
本实施例的多功能匀光耦合装置可实现光源模式切换、光开关可控、视场可调、光源可匀化耦合到输出光纤的功能，具体地，如图1所示，该装置从左到右依次为光源切换单元、匀光耦合单元5、光开关可控单元6、视场可调单元7和接收光纤8；其中，光源切换单元包括位移调节台1、光纤固定板2、第一光纤3、第二光纤4，第一光纤3为汞灯光纤，第二光纤4为卤素灯光纤，汞灯光纤、卤素灯光纤分别固定在光纤固定板2上，由位移调节台1连接光纤固定板2，带动不同光源光纤移动，实现不同光源切换。
[0061]
由拉式不变量j＝n1u1y1＝n2u2y2挑选入射光纤与接收光纤8的通光面直径；汞灯光纤3的na为0.57，发光面大小为φ6.4mm，卤素灯光纤4的na为0.45，发光面大小为φ5mm；接收光纤8的na为0.22、视场φ10mm，则耦合光路放大倍率定为2.6倍；所需通光面直径为φ10mm，为保证视场边缘照明均匀，有余量，则耦合光路放大倍率定为2.6倍，即照明面大小为φ16.5mm。
[0062]
如图2所示，匀光耦合单元5由光棒l1和多个会聚透镜组组成；匀光耦合单元5光学从左向右依次为光棒l1、第一透镜l2、第二透镜l3、第三透镜l4、第四透镜l5、第五透镜l6和第六透镜l7。匀光耦合单元5中会聚透镜的光学材料都为h-k9l。
[0063]
光棒l1的通光面大小φ7mm，完全兼容汞灯光纤和卤素灯光纤的输入。光学系统经光棒出射na为0.57，发散角度很大，第一透镜l2、第二透镜l3和第三透镜l4用于把大角度光进行收光后，会聚到孔径光阑处，其中第一透镜l2采用凸透镜，第二透镜l3和第三透镜l4采用弯月透镜，逐步把大角度光进行压缩。第四透镜l5为平凸透镜、第五透镜l6为凸透镜、第六透镜l7为弯月透镜，将经孔径光阑出射光进一步会聚到焦面处。其中第四透镜l5、第五透镜l6和第六透镜l7组成的镜组光焦度与第一透镜l2、第二透镜l3和第三透镜l4组成的镜组光焦度比值控制在2.6倍。最后通过照明仿真软件进行均匀性分析，反复修改优化光学系统，直至均匀性较好为止。
[0064]
光开关可控单元6为光开关，可控制要到达接收光纤8光束的开启和关闭，通过法兰固定在匀光耦合单元5镜筒的一端；视场可调单元7为视场光阑，可随时拆卸更换，保证不同应用场景时所需照明面积和照明形状。
[0065]
接收光纤8有效可用照明孔径为φ10mm，经仿真分析φ10mm有效孔径范围内，x和y方向光斑均匀性均可达95％以上，如图8所示，满足使用需求；实际使用测试中，与单纯光纤直接照射在接收光纤8时能量相比，光源能量利用率提升67％。
[0066]
以下针对光谱仪标定和测试功能切换时，汞灯白光光源与卤素灯的切换过程进行介绍。
[0067]
步骤1，利用入射光纤中的汞灯光纤引入第一光束；利用匀光耦合单元5对第一光束进行耦合并匀化，将发散角较大的第一光束转化为发散角较小的第一光束并进行会聚；
利用视场可调单元7调节所述第一光束的照明面积和照明形状；利用接收光纤8接收匀化后的第一光束并传递至后续光路，进行光谱仪的标定过程，得到标定曲线；通常标定后的光路可以直接用于测量，如果后续测量过程中需要引入不同的视场形状，可以利用视场可调单元7进行视场的调整，标定过程已经解决了光谱仪内在测量误差，之后测量过程中调整视场或调整接收光纤8后的测量光路，都不会对光谱仪的测量准确性产生影响。相当于上述步骤s1～s4。
[0068]
步骤2，利用位移调节台1带动光纤固定板2切换至入射光纤中的卤素灯光纤，引入第二光束；利用匀光耦合单元5对第二光束进行耦合并匀化，将发散角较大的所述第二光束转化为发散角较小的第二光束并进行会聚；根据实际测试需要，可利用视场可调单元7调节第二光束的照明面积和照明形状；测试过程中，光开关可控单元6实现控制待到达接收光纤8的光束的开启或关闭，对单次测量时间进行控制；利用接收光纤8接收匀化后的第二光束并传递至后续光路，进行光谱仪的测量过程，得到响应光谱曲线，即系统采集的真实光谱曲线；相当于上述步骤s5～s8。
[0069]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护之内。