一种基于少模光纤的表面粗糙度测量系统的制作方法

1.本发明涉及一种表面粗糙度测量系统，具体是一种基于少模光纤的表面粗糙度测量系统，属于分析及测量控制技术领域。


背景技术：

2.表面粗糙度是描述物体表面微观形貌最常用的参数，它代表的是物体表面的形状误差，是表面质量的直接反映。这些形状误差的幅值以及密集程度对物体的耐磨性、配合稳定性、抗疲劳能力、抗腐蚀性和密封性等特性有很大的影响，这种影响在精密加工、电子、医学、光学等领域都有重要体现。因此，如何实现物体表面粗糙度的高精度测量一直是学术界研究的课题。
3.经过几十年的发展，现阶段对于物体表面粗糙度测量的方法主要有两大类：接触式测量和非接触式测量。所谓接触式测量是指将测量装置的测量探头与待测物体表面直接接触，记录待测平面几何信息的方法。使用接触式测量法可以直接得到待测平面的几何信息，不需要进行标定，但测量时必须要考虑待测平面的刚度，而且接触式测量方法会对待测平面造成损伤，因此该方法不适用于微纳尺寸器件表面的测量。
4.非接触式测量法是指利用光学中的干涉、散射等原理，在测量过程中不需与待测平面直接接触，因此在测量时不会给待测平面带来损伤，同时可以避免测量仪器与待测平面接触所带来的测量误差。非接触式测量法主要包括散射法、干涉法、共聚焦显微法、散斑测量法等，这些方法适用于软金属材料、波导纤维、或者超精密器件表面的几何参数测量，具有快速、高效、分辨率高等特点，并且可以用于在线测量。
5.但是现有的方法中大部分都只适用于较大物体外部表面上的粗糙度测量，而对与微米级的物体表面，及其他较难进入的缝隙深处表面进行粗糙度测量时仍很困难，尤其是对一些小尺寸元器件上的沟槽表面进行探测则更为困难。
6.为解决上述问题，申请号为201310150620.9的专利提出了一种光纤束式的表面粗糙度测量装置，由一根主发射光纤和若干收集光纤、一根副发射光纤和两块反射镜构成了一个光学腔，利用反射镜调整了出射光的方向，分别在主发射光纤和副发射光纤发射激光后接收反射光数据，并根据反射数据对物体表面粗糙度进行测量。使用光纤束进行测量，其集成度相较于空间光路测量装置有很大提高，器件尺寸可以设计的较小，但对于一些较窄、较深的沟槽表面仍旧无法测量。
7.申请号为201911047046.8和201911047074.x的专利中提出了两种基于微结构光纤的表面粗糙度探测装置，两种装置分别使用了环形芯光纤和多芯光纤，通过对光纤端面进行微加工，使出射光聚焦于一点，并通过反射光进行表面粗糙度测量。两种装置均采用单根光纤作为探测端，极大的缩小了探头尺寸，使得探头可以深入一些沟槽的较深处进行测量。但这两种方法都需要对光纤末端进行微加工，使端面形成锥角，在加工过程中，锥角的参数难以精确控制，在现阶段很难实现批量化的生产。
8.本发明针对以上在先技术存在的优点和不足，提出了一种基于少模光纤的表面粗
糙度测量系统。可用于在线测量物体表面的粗糙度，且适用于一些沟槽较深处的表面粗糙度的探测。本系统使用单根光线作为探测端，提高了整个探测系统的集成度，可以对更小区域内的物体表面进行探测，且探测端结构简单，便于批量生产。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、便于操作的基于少模光纤的表面粗糙度测量系统。
10.本发明的目的是这样实现的：
11.该测量系统由多通道光源1、单模光纤2、运动控制装置3、少模光纤探测装置4、光电探测器阵列5，多通道数据采集器6和计算机7组成。少模光纤探测装置包括光纤环形器阵列4011、4012
……
401n、光子灯笼402和少模光纤403。在所述系统中多通道光源1通过单模光纤2与光纤环形器阵列4011、4012
……
401n中各环形器a端口相连，环形器b端口与光子灯笼402的各输入端相连，光子灯笼输出端连接一段少模光纤403，运动控制装置3控制少模光纤的移动。
12.多通道光源1其中一个通道发出的光经与之相联的环形器(如4011)传输至光子灯笼402的一个入射端，通过光子灯笼402后激发少模光纤403中的某一对应模式，经少模光纤403出射至待测物体表面404。经物体表面反射的光入射至少模光纤403，由于存在不同的入射角，因此反射回的光将激发少模光纤中的不同模式，各激发模式经光子灯笼传输至对应的入射光纤，通过对应环形器的c端口传输至光电探测器阵列5，多通道数据采集器6收集各个电探测器探测到的信息，最终通过相关算法解算，在计算机7上显示出物体的表面粗糙度。
13.该测量系统主要是利用了光纤对光的传输特性。当一束光以某一角度入射到待测物体表面时，假定表面是理想光滑的，入射光将沿镜面反射方向全部反射；而当表面是非光滑时，入射至表面的光其部分或全部会产生漫散射并偏离镜面反射角，因此空间某角度内的光能变化，可以反映表面粗糙度的特征。对于镜面反射，其反射光满足菲涅尔定律，物体表面越光滑，反射的能量越大。据此，若将被测表面反射(包括散射)的光信号加以接收，则可通过反射光强的大小来评定表面粗糙度。
14.对于该少模光纤探测装置，当某一模式入射到非光滑的物体表面时，会同时发生镜面反射和漫散射，如图3所示，反射光和散射光再度被少模光纤接收，由于存在不同的入射角，接收的光在少模光纤中会以不同的模式传输，通过光子灯笼402、光电探测器阵列5，多通道数据采集器6和计算机7可对各个模式所携带的信息进行分析，得到物体表面该位置的粗糙度。然后通过运动控制装置3控制少模光纤403移动，对物体表面不同位置进行测量，最终得到整个表面的粗糙度信息。本系统所述的运动控制装置3为高精度三维位移装置，移动的大小和方向均可通过计算机进行控制。
15.为了能够更好的控制少模光纤中激发的模式，本系统中所用的光源1为多通道光源，其通道数量不少于少模光纤的模式数，每一个通道都与一个光纤环形器相连。此外，为了便于对接收的信号对比分析，光源每一通道的开关和入射光功率都可以单独控制，并且能够在计算机上实时显示。
16.本系统所使用的少模光纤403为弱模间耦合少模光纤，此类光纤也可称为低模间
串扰少模光纤，此类少模光纤的特点是纤芯中的每一个模式都可单独传输且不受其他模式的影响。
17.本系统所述的光子灯笼402为模式选择型光子灯笼，即少模光纤中的每一模式都可以通过光子灯笼的其中一个入射端单独激发。光子灯笼的入射端为单模光纤，入射端的数量与少模光纤所能传输的模式数相同，出射端与系统所用的少模光纤相匹配，具有较低的插入损耗和模式相关损耗。
18.本系统所述的少模光纤探测装置4，可以由单根少模光纤403和一个光子灯笼402构成，也可以由一根多芯少模光纤和多个光子灯笼构成。相比于单根少模光纤构成的系统，多芯少模光纤的多个纤芯均可接收反射信号，因此其信号所携带的物体表面信息可更为详细的得到分析。使用多芯少模光纤除了可对表面粗糙度进行测量，通过对多芯少模纤芯排布的设计或通过对端面进行加工，可以实现对物体表面纹理方向的探测。
19.本系统所述的光电探测器阵列5负责接收经各光纤环形器c端口出射的信号，该探测阵列可以是多个探测模块集成在一起的多端口探测系统，可也以是由多个探测器构成的阵列，该阵列探测端口的数量不少于少模光纤的模式数。
20.本发明的有益效果在于：
21.本发明根据表面粗糙度非接触式测量的需求，并结合已有的表面粗糙度测量装置的优点，提出了基于少模光纤的表面粗糙度测量系统。一方面使用单根光纤作为探测端，提高了测量端的集成度，使得微小区域内的物体表面得到探测；另一方面，无需对探测端做加工处理，简化了系统的制备过程，使得批量生产成为可能。
附图说明
22.图1是基于少模光纤的表面粗糙度测量系统的结构示意图。
23.图2是少模光纤探测装置的结构示意图。
24.图3是少模光纤探测端工作原理图。
25.图4是系统测量的流程图。
26.图中：
27.1为多通道光源；2为单模光纤；3为运动控制装置；4为少模光纤探测装置，4011、4012
……
401n为光纤环形器阵列；402为光子灯笼；403为少模光纤；404为待测物体表面；5为光电探测器阵列；6为多通道数据采集器；7为计算机。
具体实施方式
28.下面结合附图以及具体实施例来进一步阐述本发明，但本发明的保护范围并不限于此。
29.以六模光纤为例，在本实施例中少模光纤403包括lp
01
，lp
11a
，lp
11b
，lp
21a
，lp
21b
，lp
02
六个模式，图1给出了基于少模光纤的表面粗糙度测量系统结构示意图。系统是由多通道光源1、单模光纤2、运动控制装置3、少模光纤探测装置4、光电探测器阵列5，多通道数据采集器6和计算机7组成。少模光纤探测装置如图2所示，包括光纤环形器阵列4011、4012
……
401n、光子灯笼402和少模光纤403，因为所使用的为六模光纤，所以在该实施例中n＝6，光子灯笼402具有6个入射端口，每个入射端口可激发少模光纤的一个模式。
30.在本系统中，多通道光源1的各个通道作为入射端通过单模光纤2与光纤环形器阵列4011、4012
……
4016中各个环形器的a端口相连，6个环形器的b端口与光子灯笼402的6个输入端相连，光子灯笼输出端连接一段六模光纤403，运动控制装置3负责控制少模光纤的移动。
31.当多通道光源1的一个通道发出的光经与之相联的环形器传输至光子灯笼入射端时，通过光子灯笼402后可以激发少模光纤403中的某一对应模式，经少模光纤403出射至待测物体表面404。经物体表面反射的光入射至少模光纤403，由于物体表面并不是光滑的镜面，因此会发生反射和散射，如图3所示，反射光和散射光会以不同的角度入射至少模光纤，在少模光纤中将激发不同的传输模式，各模式经光子灯笼反向传输至对应的入射光纤，然后通过各环形器的c端口传输至光电探测器阵列5，多通道数据采集器6收集光各个电探测器探测到的信息，最后通过相关算法解算，在计算机上显示出物体的表面粗糙度。
32.在实际探测时，首先需要建立该系统的粗糙度检测模型，首先选定一系列粗糙度标准件，然后测量不同模式入射至某一标准件时各通道探测到的反射信号，不同的模式经反射后所携带的信息不同，如表面颗粒的大小、表面沟槽的方向等，最后根据相关算法并结合深度学习，对不同粗糙度下测量到的信号建立该系统的粗糙度检测模型。
33.具体的测量过程如图4的流程图所示，刚开始，对光子灯笼的lp
01
端输入强度为i0光信号，通过光电探测器阵列和数据采集器接收并记录相关的信息并由计算机进行处理。随后，检测是否少模光纤所有的模式都已探测完成，若不是，则对光子灯笼的另一端口输入强度为i0光信号并进行探测；若所有模式都已探测完成，则根据建立的粗糙度检测模型计算该位置的表面粗糙度。然后检测是否完成了对整个平面的扫描，若未完成，则利用运动控制装置移动少模光纤至下一探测点，重复上面的步骤，直至完成整个平面的探测，最后根据探测到的各个位置的信息利用粗糙度检测模型还原出整个物体表面的粗糙度情况。
34.所属实施例为本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。