一种光纤侧面荧光物质沉积微型探针三维传感装置、传感方法及探针制备方法制造方法及图纸

一种光纤侧面荧光物质沉积微型探针三维传感装置、传感方法及探针制备方法，属于微尺寸测量技术领域；本发明专利技术是为了解决现有光纤探针所面临的光耦合效率低，结构复杂，不具备轴向探测能力或轴向探测能力受限的问题。通过光纤熔融挤压或拉伸方式改变纤芯结构，通过物理气相沉积工艺在光纤侧面沉积荧光物质，使侧向入射的荧光从光纤包层耦合进入纤芯内部进而从端面出射，通过弹性膜片实现对光纤探针的悬挂及导向，结合共焦探测原理获得高分辨力的三维光纤探针系统。本发明专利技术的特点是：探针重量轻且结构简单、探测信号为高质量光斑且光强稳定、分辨力高且具有轴向探测能力。

A 3-D Sensing Device, Sensing Method and Preparation Method of Micro-probe for Side Fluorescent Material Deposition in Optical Fiber

The invention relates to a three-dimensional sensing device, a sensing method and a preparation method of a micro probe for depositing fluorescent material on the side of an optical fiber, belonging to the technical field of micro-size measurement; the invention aims to solve the problems of low optical coupling efficiency, complex structure, lack of axial detection ability or limited axial detection ability faced by the existing optical fiber probe. The structure of the fiber core is changed by melt extrusion or stretching of the fiber. The fluorescent material is deposited on the side of the fiber by physical vapor deposition. The side-incident fluorescence is coupled from the fiber cladding into the core and then emitted from the end. The fiber probe is suspended and guided by an elastic diaphragm. The principle of confocal detection is combined. High resolution 3D optical fiber probe system. The probe has the advantages of light weight, simple structure, high quality spot detection signal, stable light intensity, high resolution and axial detection ability.

【技术实现步骤摘要】
一种光纤侧面荧光物质沉积微型探针三维传感装置、传感方法及探针制备方法
本专利技术涉及一种光纤探针传感装置、传感方法及探针制备方法，具体涉及一种光纤侧面荧光物质沉积微型探针三维传感装置、传感方法及探针制备方法，属于微尺寸技术测量领域。
技术介绍
目前三坐标测量机和探针组合使用实现微尺寸的接触式测量，探针的性能参数制约了测量的范围和精度。光纤探针由于具有直径微小、弹性模量大、测量力小等诸多优势，因此被广泛的使用在微尺寸测量领域。(1)申请号200510072254.5所描述的“双光纤耦合接触式微测量力瞄准传感器”，其提出了一种新结构传感器，利用两根光纤烧制耦合球的方式实现光的反向传输，并对出射光进行探测。相似专利申请有：带有端面微结构的双光纤共球耦合微测量力瞄准传感器(申请号：201410118922.2)、基于三光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器(申请号：201410118924.1)、基于双入射光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器(申请号：201410118968.4)。(2)申请号200910071623.7所描述的“基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感方法与装置”，利用光纤作为柱透镜对点光源准直成像从而实现探测。相似专利申请有：基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法与装置(申请号：200910071624.1)、基于正交二维微焦准直的微孔测量装置与方法(申请号：201110438936.9)、正交光路二维微焦准直与三维坐标传感器(申请号：201110456022.5)。(3)申请号201110456011.7所描述的“基于光纤布拉格光栅的微孔尺寸测量装置及方法”，利用了光纤布拉格光栅受外力导致栅距变化进而致其反射光中心波长改变的性质进行探测。相似专利申请有：基于光纤布拉格光栅的接触式温度无感三维探测传感器(申请号：201110456051.1)、基于四芯光纤光栅的三维微尺度测量装置及方法(申请号：201410030736.3)、基于三芯光纤光栅的二维微尺度测量装置及方法(申请号：201410030737.8)、基于双芯光纤光栅的二维微尺度测量装置及方法(申请号：201410030738.2)、基于双光纤光栅的二维微尺度测量装置及方法(申请号：201410030739.7)。(4)申请号201410118970.1所描述的“基于偏振态检测的双入射保偏平光纤耦合球微尺度传感器”，利用光纤烧制的耦合球实现光反向传输，通过检测出射光的偏振态来实现探测。相似专利申请有：基于偏振态检测的保偏平光纤耦合球微尺度传感器(申请号：201410118966.5)。(5)申请号201510381711.2所描述的“基于共扼焦点跟踪探测技术的探针传感装置”，在该专利中，提出了一种能实现三维探测的光纤探针传感装置。(6)申请号201510381723.5所描述的“基于光纤出射光探测的组合悬臂梁探针传感方法及装置”，其提出了一种新结构传感器，所述探针由光纤悬臂梁与探针垂直胶接而成。目前，光纤探针面临着光耦合效率低，结构复杂，信号处理复杂，无三维探测能力或三维探测能力弱的瓶颈。因此，探究一种一种光纤侧面荧光物质沉积微型探针三维传感装置、传感方法及探针制备方法具有重要意义。
技术实现思路
在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。鉴于此，本专利技术的目的是提供一种光纤侧面荧光物质沉积微型探针三维传感装置及传感方法，所述探针能达到在不显著增加光纤重量的前提下使光纤具备自发光出射能力且可被共焦探测的目的，它具有更高的频率响应、更高的分辨力以及微型探针所不具备的轴向测量能力。方案一：本专利技术提供了一种光纤侧面荧光物质沉积微型探针三维传感装置，包括弹性膜片、固定装置、宽场照明系统、光纤侧面荧光耦合探针、准直透镜、滤波片、管镜和CCD探测器；所述光纤侧面荧光耦合探针通过弹性膜片悬挂在固定装置上，宽场照明系统置于弹性膜片上方，提供光源照射在光纤侧面荧光耦合探针侧面的被荧光物质包裹区域，在光纤侧面荧光耦合探针的出射光路上依次配置准直透镜、滤波片、管镜和CCD探测器。进一步地：所述光纤侧面荧光耦合探针包括单模光纤，单模光纤的中部部分区域为被荧光物质包裹区域，该区域为外凸形结构；单模光纤一端为切平面，作为探针的出射端面；单模光纤另一端熔融有球状测头。方案二：本专利技术提供了一种光纤侧面荧光物质沉积微型探针三维传感方法，其依托方案一所述三维传感装置实现，具体为：宽场照明系统发出的光束照射在光纤侧面荧光耦合探针的被荧光物质包裹区域激发荧光，荧光从光纤侧面荧光耦合探针的包层耦合进入光纤侧面荧光耦合探针内部进而从出射端面出射，通过光学系统将出射光束聚焦形成与之共轭的光斑，所述光学系统由准直透镜、滤波片、管镜和CCD探测器构成；弹性膜片与光纤侧面荧光耦合探针接触的位置构成探针摆动支点，由于弹性膜片为光纤侧面荧光耦合探针提供摆动支点，当光纤侧面荧光耦合探针的球状测头绕支点发生偏转时，光纤侧面荧光耦合探针的出射端面的出射光束发生同步偏转；当光纤侧面荧光耦合探针的球状测头发生轴向移动时，光纤侧面荧光耦合探针出射端面的出射光束发生相同的轴向位移，利用CCD探测器探测光斑中心位置的偏移，从而获得球状测头的横向偏移量，通过CCD探测器上有限像素的灰度值之和，从而获得球状测头的轴向偏移量。方案三：本专利技术提供了一种光纤侧面荧光耦合探针的制备方法，其所述的探针即为方案一和方案二中所述的光纤侧面荧光耦合探针，具体制备方法为：取一段已剥除涂覆层的单模光纤，将单模光纤中部置于光纤熔接机的两个电极之间，将单模光纤两端分别固定在一维电动位移台和三维手动位移台上；通过三维手动位移台的调节使一维电动位移台的移动方向沿着单模光纤轴线移动，在光纤熔接机的电极放电的同时移动一维电动位移台实现对光纤熔融区域的挤压或拉伸，从而改变光纤熔融区域的纤芯形状，再通过物理气相沉积法将荧光物质均匀沉积在光纤上述区域的包层上；使用光纤切割刀对单模光纤的一个端面进行切平处理，将其作为探针的出射端面；通过熔融光纤末端得到探针的球状测头，探针制备完成。有益效果：本专利技术的探针能达到在不显著增加光纤重量的前提下使光纤具备自发光出射能力且可被共焦探测的目的，它具有更高的频率响应、更高的分辨力以及微型探针所不具备的轴向测量能力。本专利技术的传感方法，它利用CCD探测光斑中心位置的偏移，从而获得球状测头的横向偏移量，通过对CCD上软针孔范围内的有限像素的灰度值求和作为光斑光强，从而获得球状测头的轴向偏移量，因此传感原理简单，有很高的横向分辨力，以及有一般光纤探针所不具备的轴向测量能力。本专利技术的探针制备方法，它具有制作工艺简单的优点。附图说明图1为本专利技术一种光纤侧面荧光物质沉积微型探针三维传感装置的结构示意图；图2为本专利技术探针结构示意图；图3为本专利技术的探针光路图；图4为本专利技术光纤侧面荧光耦合探针的侧面加工示意图。具体实施方式在下文中将结合附图对本专利技术的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤侧面荧光物质沉积微型探针三维传感装置，其特征在于，包括弹性膜片(1)、固定装置(2)、宽场照明系统(3)、光纤侧面荧光耦合探针(4)、准直透镜(5)、滤波片(6)、管镜(7)和CCD探测器(8)；所述光纤侧面荧光耦合探针(4)通过弹性膜片(1)悬挂在固定装置(2)上，宽场照明系统置于弹性膜片上方，提供光源发出的光束照射在光纤侧面荧光耦合探针(4)侧面的被荧光物质包裹区域，在光纤侧面荧光耦合探针(4)的出射光路上依次配置准直透镜(5)、滤波片(6)、管镜(7)和CCD探测器(8)。

【技术特征摘要】
1.一种光纤侧面荧光物质沉积微型探针三维传感装置，其特征在于，包括弹性膜片(1)、固定装置(2)、宽场照明系统(3)、光纤侧面荧光耦合探针(4)、准直透镜(5)、滤波片(6)、管镜(7)和CCD探测器(8)；所述光纤侧面荧光耦合探针(4)通过弹性膜片(1)悬挂在固定装置(2)上，宽场照明系统置于弹性膜片上方，提供光源发出的光束照射在光纤侧面荧光耦合探针(4)侧面的被荧光物质包裹区域，在光纤侧面荧光耦合探针(4)的出射光路上依次配置准直透镜(5)、滤波片(6)、管镜(7)和CCD探测器(8)。2.根据权利要求1所述的一种光纤侧面荧光物质沉积微型探针三维传感装置，其特征在于，所述光纤侧面荧光耦合探针(4)包括单模光纤，单模光纤的中部部分区域为被荧光物质包裹区域，该区域为外凸形结构；单模光纤一端为切平面，作为探针的出射端面；单模光纤另一端熔融有球状测头。3.一种光纤侧面荧光物质沉积微型探针三维传感方法，其依托权利要求1或2所述三维传感装置实现，其特征在于，具体为：宽场照明系统(3)发出的光束照射在光纤侧面荧光耦合探针(4)的被荧光物质包裹区域激发荧光，荧光从光纤侧面荧光耦合探针(4)的包层耦合进入光纤侧面荧光耦合探针(4)内部进而从出射端面出射，通过光学系统将出射光束聚焦形成与之共轭的光斑，所述光学系统由准直透镜(5)、滤波片(6)、管镜(...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹丽敏，倪赫，李博，郭清源，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23