古安泰--工业内窥镜专业研发、生产厂家
打造一流民族工业内窥镜、汽车内窥镜、电子内窥镜、警用软管窥镜、红外内窥镜、管道内窥镜品牌
0755-89728626

深圳市古安泰自动化技术有限公司,成立于2012年,是专业从事工业内窥镜、汽车内窥镜、警用内窥镜、孔探仪、智能型检测机器人、可视化人工智能设备,集研发、生产、销售、技术服务于一体的国家高新技术企业

新闻动态 >

产品中心 >
公司动态

无损检测仪器——工业内窥镜光源的研究

2020-10-16 13:38:10 点击数:2091 文章来源:古安泰工业内窥镜

      1806年外科医生菲利普·博兹尼使用花瓶状光源、蜡烛和一系列镜片组成的器械来观察直肠,这是内窥镜的前身。之后经历了两百年长时间的技术更迭,从简易的装置发展到电子视频内窥镜,要能够看到清晰细致的内部空间结构,更为明亮的光源仍是最为关键问题之一。工业内窥镜作为一种用于替代人肉眼对无法观察到的一些密闭空间结构的无损检测仪器,广泛应用于航天航空、石油化工、汽车制造、特检、食品药机、警用安全、军工装备等多个领域。普遍情况下工业内窥镜光源采前端LED灯照明或者后置光纤导光,而后者可以为观测提供了更好的照明条件,因此具有明显的优势。


1.LED灯在内窥镜的应用

LED又称为发光二极管,是一种直接能够将电能转化成光能的固态半导体元件,无损检测技术中主要选用较小封装的贴片LED灯珠,例如0805、0603、0402、0201封装LED灯珠,根据内窥镜管径大小的不同配置2-6颗灯珠,使用环氧树脂封装,放置于内窥镜前端为内窥镜的探头提供照明。当然LED的流明值与色温也是重要的测试指标。


2.光纤导光在内窥镜中的应用

光纤实际上就是光导纤维,一种由玻璃或者塑料制成的纤维,无损检测领域中光纤主要应用为光的传递,将大功率LED灯的光源,通过光纤高导光性传输至前端为内窥镜的探头提供照明,相比于LED灯直接照明的优点在于光纤导光光线照射距离远,照度高,探头前端温度低。当然,光纤除了良好的导光性能外,目前医学、工业检测、科研、军事等领域也广泛应用光纤传像技术


3.光源耦合在内窥镜中的应用及实现方法

自 20 世纪 70 年代初 ,美国康宁公司成功地研制出世界上第一根实用化石英光纤以来 ,以光纤为传输媒介的光纤通信和由此派生出来的光纤传感器技术得到了飞速的发展。在使用光纤传送光束的光路结构中 ,往往以半导体激光器 (LED) 作光源 ,光纤与LD之间利用耦合技术来实现连接的 ,所以 ,耦合效率的高低直接影响光纤导光的性能。半导体激光器同光纤的耦合系统概括起来可分为两大类 :采用分立的小型或微型光学元件构成的耦合系统和 采用在 光纤端面制作微透镜的耦合系统。后一类系统的优点是灵活方便 ,易于集成封装和加工制作。


1.半导体激光器与光纤的耦合方式

半导体激光器与光纤的耦合可以分为两大类,一种是分离透镜耦合 ,即在光源和光纤之间插入光学元件的方法 ,如插入透镜、棱镜等 ;另一种是光纤直接耦合 ,即光纤和光源直接耦合 ,而不经过任何系统。无论哪种方法 ,目的都是对激光器发出的光场进行整形 ,使入射光场与光纤本征光场分布达到最大可能的匹配。分离透镜耦合,耦合系统内部各光学元件之间以及耦合系统与光纤是分立的 ,此时对半导体激光器、光学耦合系统和光纤之间的共轴准直要求较高。在进行组件封装时 ,为了保证较高的共轴性 ,通常采用一些形状特殊、加工精度较高的支承件固定各光学元件 ,这就使成本较高 ,并且整体尺寸较大 ;为减小体积 ,系统中光学元件的尺寸一般在毫米量级 ,因而加工困难 ,价格昂贵。然而 ,这类耦合系统的一个突出优点是通过精确设计和加工 (如采用精密的消球差结构和在光学元件端面镀制减反膜等) 可以最大限度地减少反射损耗、消除像差影响、改善光束非圆对称性 ,从而实现高效率耦合。下面介绍几种典型的由分光元件构成的光学耦合系统。


1.1单球透镜耦合
由单个球透镜构成的耦合系统 ,球透镜本身的圆对称性使其装配要比其他透镜方便。单个球透镜的球差与透镜的焦距成正比 ,因此 ,减小球差来提高
耦合效率是这种耦合方法的关键。为了消除球差的影响 ,这种耦合系统中的球透镜一般具有直径小(短焦距) 、折射率高的特点。这种方式的耦合效率主要取决于光纤与透镜的距离和激光器与透镜的距离。其系统结构如图 1 所示。


                  图 1  单球透镜耦合系统的示意图


1.2.利用自聚焦透镜

自聚焦透镜是利用离子交换技术在圆柱状玻璃基棒内产生径向的折射率分布制成的 ,它的聚光能力是依靠折射率的渐变分布来实现的 ,焦距由透镜长度决定。平端自聚焦透镜球差较严重 ,会聚光斑较大 ,可把前端研磨成球面 ,补偿透镜的球差 ,耦合损耗可降为 1 db 左右。自聚焦透镜外形尺寸较小 ,数值孔径较大 ,损耗较低 ,但透镜的折射率分布优化需精密测量和复杂计算 ,透镜的加工过程需要对曲率球面进行精密研磨 ,增大了制作难度和成本。图 2 为利用自聚焦透镜耦合示意图。

                      图 2 自聚焦耦合系统示意图
1.3利用组合透镜

在许多光纤耦合系统中 ,常利用柱透镜、球透镜、自聚焦透镜及锥形光纤等相互组合来提高耦合效率。其组合方式较多 ,典型的如图 3 所示。利用组合透镜可将耦合效率大幅度提高 ,通常可达到 75 %以上。但装配时需要用专用精密夹具来精图 密调整 ,增加了工作难度 ,并且封装阶段要求较高。


3 几种组合透镜式光学耦合系统示意图

2.光纤直接耦合

光纤直接耦合包括平端光纤直接耦合和对光纤进行加工耦合的方法 ,如在光纤端面制造球形、锥形等。这种耦合系统灵活方便 ,易于集成封装和加工制作 ,因而得到广泛的应用。下面介绍几种常用的光纤直接耦合方法。


2. 1 平端光纤直接耦合

平端光纤直接耦合是指把端面已处理的平头光纤直接对向半导体激光器的发光面。影响耦合效率的主要因素是光源的发光面积和光纤芯径总面积的匹配以及光源发散角和光纤数值孔径角的匹配。半导体激光器与光纤之间存在严重的模失配 ,采用平端光纤直接耦合 ,损耗将会很大 ,耦合方式效率较低。图 4 为平端光纤直接耦合示意图。


图 4 LD 和平端光纤直接耦合


2. 2球形端面光纤直接耦合

获得球形光纤端面的方法有很多种。一种比较简单的方案是在光纤端面上制造一个树脂的半球透镜 ;另一种更实用的方案是在光纤的端面烧制出特殊形状的端球 ,烧制的热源可以采用电弧、气体火焰或大功率激光器。光纤端面在这些热源的作用下 ,熔化后再自然冷却 ,在表面张力的作用下就会形成各种弧度的圆球形端面 ,圆球的曲率半径与热源的温度和光纤与热源的距离有关。采用球形光纤端面不仅可以提高半导体激光器与光纤的耦合效率 ,而且利于实验光路调试。图 5 是利用光纤熔接机的电极放电获得的几种球端面 ,图 6 是 LD 和球形端面光纤直接耦合示意图。


图 5 光纤端部的球面图 

图6 LD 和球形端面光纤直接耦合


2. 3 锥形光纤直接耦合

制作锥形光纤的方法有腐蚀、磨削和加热三种方法 ,前两种方法将光纤包层制成锥体而保持芯径不变 ,后一种方法则利用电弧放电加热或者利用熔融拉锥机加热 ,使纤芯与包层一起成比例地拉伸成一定长度和锥度的锥体。这两种方法得到的锥形光纤系统有着不同的特性 ,利用加热方法制造的锥形光纤其芯层也为锥形结构 ,能够获得更高的耦合效率 ,在增大锥角以获得更大的耦合效率的同时 ,最佳工作距离也随之减小。这种耦合系统的耦合损耗一般在 4 dB~5 dB , x、y 、z 方向的 1 dB 失调容差分别为 1. 5μm、0. 7μm、8. 5μm。严格控制微透镜曲率半径可以获得 2 dB 的耦合损耗 ,光反馈损耗约为 - 38dB ,但 1 dB 失调容差也会有所降低。如果锥形末端制作一个高折射率长椭球微透镜 ,则耦合损耗还可进一步降低。当半导体激光器位于微透镜的前焦点时 ,在微透镜的后焦点可以获得高斯光束的新束腰 ;若光纤的端面位于微透镜的后焦点上 ,则高斯光束可以有效地耦合到光纤中。对于半球形微透镜而言 ,其焦距远大于透镜的厚度 R ,因此 ,不满足最佳耦合条件。我们利用熔融拉锥机在这方面开展了一些研究 ,其中所做的锥形光纤和半导体激光器的耦合效率最高可以达到 75 %。图 7 是 LD 和锥形光纤直接耦合示意图。


图 7 LD 和锥形光纤直接耦合


2. 4 锥端球面透镜直接耦合

在目前所有耦合方法中 ,锥端球面微透镜应用最广 ,其制作方法是先将光纤端部制成锥形 ,以减小端面半径 ,然后 ,在锥端形成微透镜。制作锥形光纤的方法如 3. 3 中所述。形成微透镜也有两种方法[12 ,13 ] 。一是直接电弧抛光、整形 ;二是把锥端处理后 ,浸入熔融高折射率玻璃中 ,控制浸入深度、时间长短从而得到不同大小及形状的锥端高折射率微透镜。锥端球面透镜耦和效率一般可达 50 %~60 % ,最大可达 80 %左右。蚀刻锥型传输效率受球面半径 R 影响较大 ,而熔拉锥型耦合效率受球面半径影响较小 ,实验结果显示 ,熔拉锥球面半径在 5μm~20μm 的范围内 ,耦合效率都能保持 80 %左右。图 8是 LD 和锥端球面透镜直接耦合示意图。

图 8 LD 和锥端球面光纤直接耦合


4小结

本文讨论了LED与光纤以及发光半导体与光纤相耦合的应用及实现方法,随着无损检测行业的蓬勃发展,LED灯与光纤的需求及应用越来越广泛,相信会有越来越多的新的技术、新的材料、新的工艺应用到无损检测行业。

相关推荐:

古安泰工业内窥镜C60系列的功能、特点以及应用
古安泰C50系列电动工业内窥镜的特点、功能以及运用
国内工业内窥镜行业发展现状以及供需状况
工件质量检测为什么选择古安泰工业内窥镜?
工业内窥镜检测涡轮增压器流道的现场应用案例

猜你喜欢:

内窥镜的基本构造及特点
工业内窥镜用于风机齿轮箱、叶片表面缺陷的检测应用
工业内窥镜用于铜管焊接焊缝缺陷检测的应用案例
工业内窥镜用于桥梁养护及隐患排查工作
工业内窥镜用于发动机内部状态的检测应用

【古安泰原创声明】:本公司郑重声明,我司所发布的文案内容,未经许可,任何团体和个人不得抄袭或引用,否则我们有权利追究相关人员责任。

Copyright(C)2020 深圳市古安泰自动化技术有限公司 版权所有 粤ICP备14033045号-1