一种小口径轴对称式光谱共焦测头的制作方法

本发明涉及检测，具体涉及一种小口径轴对称式光谱共焦测头。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、本发明的有益效果是:

12、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。

13、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。

技术特征：

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。

技术总结
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。

技术研发人员：田发,戴霖,陈旺,刘钧,张文浩
受保护的技术使用者：苏州创视智能技术有限公司
技术研发日：20230301
技术公布日：2024/1/13