CN112254932A - 变密度滤光片旋转测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属密度片测试领域，尤其涉及一种变密度滤光片旋转测试装置，包括多维光纤调整器（1）、光纤准直器支架（2）、步进电机（3）、步进电机支架（4）及升降台（5）；所述步进电机（3）固定设于步进电机支架（4）之上；所述升降台（5）固定设于步进电机支架（4）的底部；所述光纤准直器支架（2）位于多维光纤调整器（1）与步进电机支架（4）之间；在所述多维光纤调整器（1）的顶部平台及光纤准直器支架（2）上分别固定设有光纤准直器（6）；所述步进电机（3）动力输出端固定设有圆形变密度片（7）。本发明测试效率高，样品无需准确放置，测量精度理想，适应广泛。
Description
技术领域
本发明属密度片测试领域，尤其涉及一种变密度滤光片旋转测试装置。
背景技术
变密度滤光片是一种光密度随位置按特定规律变化的特殊滤光片，其作用是调节光学***的光能。变密度滤光片不仅光密度可调，而且光谱呈中性，在各类精密光学***中得到了广泛应用，如光谱检测、光显示、光纤通讯、精密显微***、生物医药检测等领域。变密度滤光片是各类光学***中调整检测***对比度、提高信噪比等性能的关键元件。按照光密度变化形式划分，常见的变密度滤光片有六种：圆形变密度滤光片、条形变密度滤光片、圆形阶梯密度滤光片、条形阶梯密度滤光片、径向渐小密度滤光片（“牛眼”密度片）和径向渐大密度滤光片（反“牛眼”密度片）。
由于变密度滤光片的光密度是随位置发生变化的，而且不同的变密度片其变化趋势也不相同，为检验光密度随位置的变换情况是否满足设计要求，就必须逐点检测滤光片的光密度。我们将按变密度滤光片渐变方向逐点检测光密度的过程称之为线性测试。很显然，测量点越密，光密度变化趋势就能够描绘的越详细。线性测试不仅是产品质量检验的必要过程，也是产品研发的重要依据。
项目实施前，线性测试一般采用分光光度计。由于分光光度计的束斑较大，可测量的点一般较少，测量结果的精度较低；而小尺寸的滤光片则没法测，也就无法生产。另外，滤光片的等分移动也没有精密的机构，靠打印纸带进行分度，所以测量时的定位也不是很准。线性测试时，检测人员要重复移动滤光片和记录测量数据，几个回合下来，很容易出现错误。在这样的情况下，进行一次线性测试少则30分钟，多则1小时，效率非常低下。由于线性测试效率很低，变密度滤光片批量生产时，线性只能少量抽样检测，产品存在不合格出厂的风险。近年来，变密度滤光片的产量不断增加，种类也越来越多，低效率的线性测试越来越影响产品的生产。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种测试效率高，样品无需准确放置，测量精度理想，适应广泛的变密度滤光片旋转测试装置。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种变密度滤光片旋转测试装置，包括激光光源、光功率计、主控部分、多维光纤调整器、光纤准直器支架、步进电机、步进电机支架及升降台；所述步进电机固定设于步进电机支架之上；所述升降台固定设于步进电机支架的底部；所述光纤准直器支架位于多维光纤调整器与步进电机支架之间；在所述多维光纤调整器的顶部平台及光纤准直器支架上分别固定设有光纤准直器；所述步进电机动力输出端固定设有圆形变密度片；所述圆形变密度片介于两个光纤准直器之间；所述主控部分包括计算机、单片机控制板及步进电机驱动模块；所述计算机的数据传输端口与单片机控制板的数据传输端口相接；所述单片机控制板的数据传输端口经步进电机驱动模块与步进电机的数据传输端口相接；所述光功率计的数据传输端口与计算机的数据传输端口相接；激光光源发出的激光光源通过光纤输出到一个光纤准直器上，然后从该光纤准直器射出；激光经过测试样品后，进入另一个光纤准直器，再经过光纤进入光功率计。
作为一种优选方案，本发明所述多维光纤调整器采用5轴光纤调整器。
进一步地，本发明所述升降台可采用剪式升降台。
进一步地，本发明所述步进电机动力输出端与圆形变密度片采用密度片夹持组件固定相接；所述密度片夹持组件包括双向夹持螺栓、径向锁紧螺母及轴向锁紧螺母；所述双向夹持螺栓一端与径向锁紧螺母螺纹旋接；所述双向夹持螺栓另一端与轴向锁紧螺母螺纹旋接。本发明采用计算机程序控制步进电机带动密度片运动同时对光密度测试数据进行采集记录，完全获得了角度-光密度的数据对应关系，实现了圆形变密度片光密度线性度的精准扫描测试。本发明密度片采用了双向夹持螺栓的方式进行安装，简化了结构，提高了安装精度，避免了变密度片的晃动，提高了测量的精确度。本发明采用了光纤准直器作为测量光束，有效减小了测量光斑，极大提高了扫描测量的密度。本发明采用了5轴光纤调整器来实现光纤准直器的对正。本发明样品台采用了升降机构来实现测量位置的调整，实现不同尺寸规格变密度片的测量。
本发明主要主要技术指标如下。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明密度片夹持组件结构示意图；
图3为本发明单片机控制板电路原理图。
图中：1、多维光纤调整器；2、光纤准直器支架；3、步进电机；4、步进电机支架；5、升降台；6、光纤准直器；7、圆形变密度片；8、光纤准直器座；9、激光光源；10、光功率计；11、光纤；12、双向夹持螺栓；13、径向锁紧螺母；14、轴向锁紧螺母；15、计算机；16、单片机控制板；17、步进电机驱动模块。
具体实施方式
如图所示，一种变密度滤光片旋转测试装置，包括激光光源9、光功率计10、主控部分、多维光纤调整器1、光纤准直器支架2、步进电机3、步进电机支架4及升降台5；所述步进电机3固定设于步进电机支架4之上；所述升降台5固定设于步进电机支架4的底部；所述光纤准直器支架2位于多维光纤调整器1与步进电机支架4之间；在所述多维光纤调整器1的顶部平台及光纤准直器支架2上分别固定设有光纤准直器6；所述步进电机3动力输出端固定设有圆形变密度片7；所述圆形变密度片7介于两个光纤准直器6之间；所述主控部分包括计算机15、单片机控制板16及步进电机驱动模块17；所述计算机的数据传输端口与单片机控制板16的数据传输端口相接；所述单片机控制板16的数据传输端口经步进电机驱动模块17与步进电机3的数据传输端口相接；所述光功率计10的数据传输端口与计算机15的数据传输端口相接；激光光源9发出的激光光源通过光纤11输出到一个光纤准直器6上，然后从该光纤准直器6射出；激光经过测试样品后，进入另一个光纤准直器6，再经过光纤进入光功率计。
参见图2所示，本发明所述步进电机3动力输出端与圆形变密度片7采用密度片夹持组件固定相接；所述密度片夹持组件包括双向夹持螺栓12、径向锁紧螺母13及轴向锁紧螺母14；所述双向夹持螺栓12一端与径向锁紧螺母13螺纹旋接；所述双向夹持螺栓12另一端与轴向锁紧螺母14螺纹旋接。
本发明为变密度滤光片旋转测试装置，该装置由光密度测量组件、光纤准直组件、样品支持和旋转组件、步进电机运动控制组件及计算机数据采集***构成。
光密度测量组件由激光光源9、光功率计10、光纤准直器6及光纤11构成，其中，光功率计10具有数据输出功能，便于计算机数据采集，以实现自动测试。采用激光光源9的目的是减小测量束斑，提高测量密度。
光密度测量光线通过光纤准直器6发射和接收，测量前需要准确对正，以减小初始损耗。当光纤准直器6间不放置任何物品时，光功率计10记下一个参比值，然后放入被测样品，光功率计10上便显示了被测样品的光密度（衰减量）。
光纤准直器6的口径非常小，只有当两个光纤准直器6对得十分准确，从一个光纤准直器射出的光才能进入另一个光纤准直器，所以本发明包含一套光纤准直组件。该组件由固定的光纤准直器座8和多维光纤调整器1构成。
本发明所述多维光纤调整器1采用5轴光纤调整器。本发明所述升降台5可采用剪式升降台。5轴光纤调整器属通用公知技术，其中5轴光纤调整器可以实现X、Y、Z、θy、θz方向的精密调整。
本发明样品夹持与旋转组件由升降台5、步进电机支架4、步进电机3以及双向夹持螺栓构成。升降台5可采用剪式升降台。剪式升降台用于调节变密度片的高低，以调整测量的位置，进一步可以实现不同大小变密度片的检测。步进电机3用于拖动变密度片旋转，从而实现圆周方向的光密度测量。双向夹持螺栓用于将变密度片安装固定在步进电机转轴上，以随步进电机旋转。
步进电机3动力输出端与圆形变密度片7采用密度片夹持组件固定相接；所述密度片夹持组件包括双向夹持螺栓12、径向锁紧螺母13及轴向锁紧螺母14；所述双向夹持螺栓12一端与径向锁紧螺母13螺纹旋接；所述双向夹持螺栓12另一端与轴向锁紧螺母14螺纹旋接。
变密度片夹持组件由双向夹持螺栓12和两个螺母（径向锁紧螺母13、轴向锁紧螺母14）构成。双向夹持螺栓12的一端在径向锁紧螺母13的紧固下向径向夹紧，实现双向夹持螺栓12与转轴的紧密连接；另一端紧固轴向锁紧螺母14时，螺母产生轴向压力，实现了圆形变密度片7与双向夹持螺栓12的紧密连接。采用该夹持安装方式可确保圆形变密度片7的旋转轴心与电机的轴心相同，从而保证了入射角度的一致性，确保了检测的精度。
本发明针对旋转运动，圆形变密度片7可以直接安装在步进电机的轴上，实现起来比较简单。但是圆形变密度片的大小也有很大差别，为使测量点处于滤光片的镀膜中心，加装了一个剪式升降台。
光密度测量***包含两个部分，一是光源，另一个是光探测器。分光光度计是非常好的光谱测量仪器，然而其光源束斑相对较大（2X6mm），检测变密度滤光片时检测点的密度较低。为了提高检测点密度以及实现小尺寸滤光片的检测，必须减小束斑。直接采用光阑来减小束斑是行不通的，因为光阑会减小光通量造成测量结果就不准。若采用透镜组汇聚，那么要达到测量光斑小于0.5mm的程度，则光路会变得很复杂。有效的办法是提高光能量密度，于是我们选用了激光。激光具有非常高的能量密度，束斑能够做的很小，很适合于变密度片的线性检测。虽然激光波长有限，但根据变密度片中性良好的特性，只需选取几个典型的波长点，即可覆盖我们当前所用到的所有波段。于是我们选用了635nm、850nm、1310nm和1550nm这四个常用波长。与激光器相对应的是激光光功率计。光功率计是一种既能显示实际光强又能显示相对光强的光能测量仪器。为方便用户进行二次开发，大多数台式光功率计都具有数据通讯接口。
激光器发出的光在单模光纤内传输，经过一个激光准直器6发射出来，然后到达被测样品。穿过被测样品，激光又经过另一个激光准直器6耦合进入另一根单模光纤，然后到达光功率计。单模光纤的芯径非常小，约10um，经准直器后，激光的束斑最大不超过0.5mm，这就要求两个激光准直器几乎在一条直线上。为对准这两个光纤准直器，本发明设置了多维光纤调整器1（5轴光纤调整器）。
为实现变密度片的位移，本发明采用步进电机作驱动。步进电机3可以比较精确地进行位置控制，而且可以开环控制，这样可以简化结构，节约成本。步进电机3的运行只需一个驱动模块即可。通过步进电机驱动模块，只需两个信号——驱动脉冲和方向电平就可以让步进电机3运转起来。但对普通计算机来说，要输出这两个信号却不那么容易，需要采用中转控制器。计算机通过对中转控制器发送控制命令，然后由控制器解读并执行命令，从而实现对步进电机的间接控制。本发明采用单片机控制板做中转控制器。计算机自动测试控制部分包括计算机对步进电机的运动控制和计算机与光功率计之间的数据通信。
参见图3所示，根据步进电机驱动模块需要一个脉冲信号和一个方向信号以及***能与计算机通信的要求，单片机控制板的电路原理图如图2。由于只需控制一个步进电机3，最小***即可满足要求。8051单片机内部有两个定时器，T1中断可用于与计算机通讯，T0中断正好用于脉冲输出。单片机的P1口用作为信号输出口，步进电机驱动模块信号输入的公共阳端接5V电源正极。当单片机复位后，P1口均为高电位，步进电机的状态不受影响。8051单片机已有串行通讯模块，但是TTL电平的，要变成标准RS-232口，需要添加一个电平转换器件——MAX232。
光密度测试组件：测量光源采用激光光源，通过光纤输出到一个光线准直器上，然后从准直器射出。激光经过测试样品后，进入另一个光纤准直器，再经过光纤进入光功率计。光功率计显示屏上可直接读出光密度数值，也可以通过数据端口输出测量数值。
光纤准直机构采用了一端固定，另一端为5轴光纤调整器的方式来实现，由此可以简化组件结果，提高调节精度。
样品台组件采用了剪式升降台作为测量位置的调节机构，进而实现不同大小变密度片的检测。变密度片圆周方向的旋转采用了步进电机作为驱动，可以实现360度旋转。变密度片与步进电机轴的连接采用了双向夹持螺栓，电机侧为径向锁紧，实现对轴的紧密连接，密度片侧为轴向锁紧，实现对密度片的紧密固定。
线性度测试时，计算机控制程序先发出转动指令给步进电机控制器（单片机控制板16），让步进电机旋转一定角度（这个角度大小可以设定），然后采集光功率计的测量数值，再发出转动指令，采集测量数值，如此往复，实现整个圆周的光密度检测。测量结束后程序将所有数据保存到计算机，以供进一步的分析处理。
本发明的描述中，需要理解的是，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语 “设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种变密度滤光片旋转测试装置，其特征在于，包括激光光源（9）、光功率计（10）、主控部分、多维光纤调整器（1）、光纤准直器支架（2）、步进电机（3）、步进电机支架（4）及升降台（5）；所述步进电机（3）固定设于步进电机支架（4）之上；所述升降台（5）固定设于步进电机支架（4）的底部；所述光纤准直器支架（2）位于多维光纤调整器（1）与步进电机支架（4）之间；在所述多维光纤调整器（1）的顶部平台及光纤准直器支架（2）上分别固定设有光纤准直器（6）；所述步进电机（3）动力输出端固定设有圆形变密度片（7）；所述圆形变密度片（7）介于两个光纤准直器（6）之间；所述主控部分包括计算机（15）、单片机控制板（16）及步进电机驱动模块（17）；所述计算机（15）的数据传输端口与单片机控制板（16）的数据传输端口相接；所述单片机控制板（16）的数据传输端口经步进电机驱动模块（17）与步进电机（3）的数据传输端口相接；所述光功率计（10）的数据传输端口与计算机（15）的数据传输端口相接；激光光源（9）发出的激光光源通过光纤（11）输出到一个光纤准直器（6）上，然后从该光纤准直器（6）射出；激光经过测试样品后，进入另一个光纤准直器（6），再经过光纤进入光功率计。
2.根据权利要求1所述变密度滤光片旋转测试装置，其特征在于：所述多维光纤调整器（1）采用5轴光纤调整器。
3.根据权利要求2所述变密度滤光片旋转测试装置，其特征在于：所述升降台（5）采用剪式升降台。
4.根据权利要求3所述变密度滤光片旋转测试装置，其特征在于：所述步进电机（3）动力输出端与圆形变密度片（7）采用密度片夹持组件固定相接；所述密度片夹持组件包括双向夹持螺栓（12）、径向锁紧螺母（13）及轴向锁紧螺母（14）；所述双向夹持螺栓（12）一端与径向锁紧螺母（13）螺纹旋接；所述双向夹持螺栓（12）另一端与轴向锁紧螺母（14）螺纹旋接。
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