CN102520509A - 光子晶体光纤熔接成像*** - Google Patents

光子晶体光纤熔接成像*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体光纤熔接成像***，包括第一成像单元和第二成像单元，分别用于获取正对放置的被熔接的两根光子晶体光纤的端面图像；第一成像单元包括：光源模块，设置在被熔接的第一光子晶体光纤端面一侧，将发出的光线照射在端面上；显微成像模块，位于光源模块所在的一侧，用于接收端面反射的光线，并获取端面图像；第二成像单元的结构与第一成像单元的结构相同，其包括的各模块相对于被熔接的第二光子晶体光纤端面的设置位置与第一成像单元各模块相对于第一光子晶体光纤端面的设置位置相同。本发明充分考虑了杂散光、反射光、相干光等因素的影响，设计了转折光路，同时获取两被熔光纤的端面图像，结构简单，图像清晰，满足熔接需求。

Description

光子晶体光纤熔接成像***
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤熔接技术，特别是涉及一种光子晶体光纤熔接成像***。
背景技术
PCF（Photonic Crystal Fiber，光子晶体光纤）又称HF（Holey Fiber，多孔光纤）或MOF （Microstructure Optical Fibers，微结构光纤），自其问世就引起各国学者的广泛关注。PCF具有很多普通光纤所没有的奇异特性，如高非线性、色散可控特性、高双折射率、无限单模特性、大单模模场等，能广泛的应用于通信、成像、光谱学和生物医学等领域。随着对PCF特性及生产工艺的深入研究，人们开始广泛探索研究它的应用，如开发PCF传感器、PCF激光器、PCF非线性应用和光子晶体保偏光纤应用等。在这些应用中都面临着PCF的熔接技术问题，这已经引起了很多学者的极大关注。PCF复杂的几何结构使熔接过程变得更加复杂，在熔接时，两根光纤的精确对准，熔接***提供的功率、熔接的时间、低损耗的计算等等，都需要获取PCF的端面信息。但是，采用传统光纤熔接机的成像***对光子晶体光纤成像时，图像的清晰度较低，而且由于PCF包层空气孔的存在，使成像***很难找到光纤的纤芯，采用PCF外边缘作为对准基准又会增加对准偏差，使熔接质量降低，不能满足熔接需求。所以，针对PCF，需要有特定的成像***来满足其熔接的需要。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种光子晶体光纤熔接成像***，以克服现有技术在光子晶体光纤熔接过程中，图像清晰度低，不能满足熔接需求的缺陷。
（二）技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种光子晶体光纤熔接成像***，其包括：第一成像单元和第二成像单元，分别用于获取正对放置的被熔接的两根光子晶体光纤的端面图像；
所述第一成像单元包括：光源模块，设置在被熔接的第一光子晶体光纤端面一侧，用于将发出的光线照射在所述端面上；显微成像模块，位于所述光源模块所在的一侧，用于接收所述端面反射的光线，并获取所述端面图像；
所述第二成像单元的结构与所述第一成像单元的结构相同，其包括的各模块相对于被熔接的第二光子晶体光纤端面的设置位置与第一成像单元各模块相对于第一光子晶体光纤端面的设置位置相同。
其中，所述光源模块包括：
发光光源；
准直透镜，设置在所述发光光源前方，用于对所述发光光源发出的光线进行准直处理；
偏振分光棱镜，设置在所述准直透镜前方，用于对经过所述准直透镜处理后的准直光线进行分光处理，分成P光和S光，P光透射，S光全反射；
反射镜，设置在所述第一光子晶体光纤端面前方，其反射面与P光光线和第一光子晶体光纤轴线均成45°夹角，用于将P光反射后照向第一光子晶体光纤端面；
1/4波片，设置在所述第一光子晶体光纤端面和反射镜之间，用于透过P光，并将两次透过的P光转换为S光。
其中，所述显微成像模块包括：
放大模块，设置在所述偏振分光棱镜一侧，用于对所述第一光子晶体光纤端面反射后依次经1/4波片、反射镜和偏振分光棱镜的带有第一光子晶体光纤端面信息的S光进行光学放大；
成像模块，与所述放大模块相连，用于对所述第一光子晶体光纤端面进行成像。
其中，所述放大模块包括同轴设置的物镜和目镜。
其中，所述成像模块为CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）显微成像模块。
其中，所述***还包括：控制单元，与所述反射镜和1/4波片相连，用于在显微成像模块获取第一光子晶体光纤端面图像后将反射镜和1/4波片移走。
其中，所述反射镜和1/4波片封装在一个平台上。
其中，所述反射镜为双面反射镜，其两个反射面分别与被熔接的两根光子晶体光纤的轴线成45°夹角。
其中，所述发光光源为LED（Light Emitting Diode，发光二极管）光源。
其中，所述偏振分光棱镜为格兰-泰勒偏振分光棱镜。
（三）有益效果
本发明的光子晶体光纤熔接成像***，充分考虑了杂散光、反射光、相干光等因素的影响，利用偏振光的选择通过性，一方面可以减少光能损失，同时也可以避免干涉现象的发生，提高成像质量；控制单元能够实现对反射镜和1/4波片的控制，当获取到待熔光纤的端面图像后，将其移走，为接下来的对准和熔接工作做准备；CCD显微成像模块经过光学物镜和目镜放大之后，又采用数字放大，整体可以达到1500倍以上的放大倍数，能够满足光纤端面图像后续识别的需要。本发明的光子晶体光纤熔接成像***能实时获得被熔光纤的端面信息，为光子晶体光纤熔接提供充分的参数依据。
附图说明
图1是本发明实施例的一种光子晶体光纤熔接成像***的原理图。
其中，1：第一PCF；2：第二PCF；3：第一准直透镜；4：第一偏振分光棱镜；5：双面反射镜；6：第一1/4波片；7：第一物镜；8：第一目镜；9：第二准直透镜；10：第二偏振分光棱镜；11：第二1/4波片；12：第二物镜；13：第二目镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明实施例的一种光子晶体光纤熔接成像***的原理图如图1所示，所述***包括第一成像单元和第二成像单元，分别用于获取正对放置的被熔接的两根光子晶体光纤的端面图像。本实施例中，两根被熔的光子晶体光纤分别记为第一PCF1和第二PCF2，成像***同时获取第一PCF1和第二PCF2的端面图像。用于获取两根光纤的端面图像的成像单元的结构完全相同，第一成像单元中各模块相对于第一PCF1的设置位置与第二成像单元中各模块相对于第二PCF2的设置位置相同。下面以第一成像单元为例，来详细介绍其结构和工作原理。
第一成像单元主要包括光源模块和显微成像模块，光源模块用于将其发出的光线照射到第一PCF1的被熔端面上，显微成像模块用于接收被熔光纤端面反射的光线，获取被熔光纤端面图像。本实施例中，光源模块具体包括作为发光光源的LED光源；设置在LED光源前方、且与LED光源发出的光线同轴的第一准直透镜3，第一准直透镜3用于对LED光源发出的光线进行准直处理；第一准直透镜3前方设置有第一偏振分光棱镜4，用于对第一准直透镜3处理后的准直光线进行分光处理，分成相对于第一偏振分光棱镜4透射的P1光和全反射的S1光；在第一偏振分光棱镜4前方，还设置有双面反射镜5，双面反射镜5同时位于第一PCF1被熔端面的前方，且其反射面分别与经第一偏振分光棱镜4透射的P1光光线和第一PCF1轴线成45°夹角，使得照射到第一PCF1被熔端面上的光线能够按照原路返回；双面反射镜5与第一PCF1被熔端面之间还设置有第一1/4波片6，第一1/4波片6能够透过P1光，并且能够将连续两次透过的P1光转换为S2光，使S2光经双面反射镜5反射，再经第一偏振分光棱镜4全反射，在第一偏振分光棱镜4的一侧射出。
与上述光源模块结构相对应，显微成像模块具体包括由第一物镜7和第一目镜8组成的放大模块和成像模块；放大模块设置在第一偏振分光棱镜4透射出带有第一PCF1被熔端面信息的S2光的一侧，用于对S2光进行光学放大；成像模块与放大模块相连，以对第一PCF1被熔端面进行成像，实施例中成像模块为CCD显微成像模块。
本实施例中，选择LED光源作为发光光源，是因为LED光源具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，更重要的是，LED光源对图像处理来说有着相当重要的特性，即它是直流驱动，光亮度能够长时间保持恒定，而普通的卤族和荧光灯都是交流驱动，光亮度也会相应成正弦曲线变化，特别是当高速相机采集的频率高于了光源的频率时，采集图像时就很难获得一致的照度，甚至会出现“黑场”。LED光源的照明方式选用同轴前光源照明方式，此种照明方式，光源与镜头同方向出去，乍看之下，仿佛镜头本身是一个光源，使用一个半透镜以45°角置于摄影机前方，从镜子的旁边打扩散光，一半的光线会经由镜子反射到物体上，另一半则穿过镜子而消失掉，至于从物体反射回来的光线，一半传回来穿过镜子，而在摄影机上成像，另一半则穿过镜子而消失掉，该原理所述就如同上述的光源模块结构一样，采用偏振分光棱镜和反射镜来实现同轴前光源照明方式。
本实施例中，第一偏振分光棱镜4选用格兰-泰勒偏振分光棱镜，因为格兰-泰勒偏振分光棱镜在能够将LED光源发出的光分成透射的P光和全反射的S光的同时，具有更宽的透过波段及更高的光束透过率。其透过波长可延伸至紫外波段，由于其入射光线在空气界面上的入射角接近布儒斯特角，使得反射损失降到最低。在进行光线反射，使光线按照原路返回的设计中，本实施例选用双面反射镜5，其作用是利用一个光学元件，同时实现第一成像单元和第二成像单元中光线的反射功能，减少两根被熔光纤端面之间所设置的光学元件的数量，使两根被熔光纤端面在尽可能接近的情况下获取其端面图像，实现其对准和熔接；当然采用两个单面反射镜分别作为第一成像单元和第二成像单元的反射镜也是可以的。
本实施例中，第一1/4波片6的选择，是基于如下原理：当线偏振光以与1/4波片快轴夹角为45°角垂直入射到波片后，当此左旋圆偏振光经过反射，再次垂直通过1/4波片后，出射光线为线偏振光，此出射线偏振光相对于原入射线偏振光，振动方向转过                                                
Figure 201110402683X100002DEST_PATH_IMAGE001
。基于此，由第一偏振分光棱镜4分出的P光两次垂直通过第一1/4波片6之后，转换为了S光，S光原路返回至第一偏振分光棱镜4时，实现全反射，与最初由LED光源射向第一偏振分光棱镜4的光线成90°夹角偏离，为显微成像模块的设置提供充足的空间。
本实施例中，为了满足两被熔光纤在尽可能接近的情形下获取其端面图像，以减少后续对准过程的误差，降低熔接损耗，需要将全反射镜5、两个1/4波片6和11封装在一个小平台上，通过控制单元控制小平台在待熔光纤处的位置，当获取到待熔光纤的端面图像后，将其移走，为接下来的对准和熔接工作做准备。
将成像***按照上述结构进行搭建之后，即可用于光子晶体光纤熔接过程中被熔光纤端面图像的获取，其工作过程为：第一成像单元和第二成像单元的LED光源分别发光，第一成像单元的LED光源发出的光线经第一准直透镜3将光束准直成一束平行光，然后通过第一偏振分光棱镜4分成P1光和S1光，此处分光棱镜的作用是对P1光实现透射，S1光全反射；分束后的P1光通过双面反射镜5反射后经第一1/4波片6后照射到第一PCF1端面上，带有第一PCF1被熔端面信息的P1光再次通过第一1/4波片6后照射到双面反射镜5上（P光经过两次1/4波片后变为S光）；返回的S2光经双面反射镜5和第一偏振分光棱镜4反射后进入CCD显微成像***成像。
同样，第二成像单元的LED光源发出的光线经第二准直透镜9将光束准直成一束平行光，然后通过第二偏振分光棱镜10分成P1光和S1光，此处分光棱镜的作用是对P1光实现透射，S1光全反射；分束后的P1光通过双面反射镜5反射后经第二1/4波片11后照射到第二PCF2端面上，带有第二PCF2被熔端面信息的P1光再次通过第二1/4波片11后照射到双面反射镜5上，返回的S2光经双面反射镜5和第二偏振分光棱镜10反射后进入CCD显微成像***成像。两个显微成像***同时对被熔光子晶体光纤端面图像进行成像，再进一步通过图像处理识别***获取端面图像信息，为光子晶体光纤的对准和熔接提供参考依据。
由以上实施例可以看出，本发明实施例充分考虑了杂散光、反射光、相干光等因素的影响，利用偏振光的选择通过性，一方面可以减少光能损失，同时也可以避免干涉现象的发生，提高成像质量；控制单元能够实现对反射镜和1/4波片的控制，当获取到待熔光纤的端面图像后，将其移走，为接下来的对准和熔接工作做准备；CCD显微成像模块经过光学物镜和目镜放大之后，又采用数字放大，整体可以达到1500倍以上的放大倍数，能够满足光纤端面图像后续识别的需要。本发明的光子晶体光纤熔接成像***能实时获得被熔光纤的端面信息，为光子晶体光纤熔接提供充分的参数依据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.光子晶体光纤熔接成像***，其特征在于，所述***包括第一成像单元和第二成像单元，分别用于获取正对放置的被熔接的两根光子晶体光纤的端面图像；
所述第一成像单元包括：光源模块，设置在被熔接的第一光子晶体光纤端面一侧，用于将发出的光线照射在所述端面上；显微成像模块，位于所述光源模块所在的一侧，用于接收所述端面反射的光线，并获取所述端面图像；
所述第二成像单元的结构与所述第一成像单元的结构相同，其包括的各模块相对于被熔接的第二光子晶体光纤端面的设置位置与第一成像单元各模块相对于第一光子晶体光纤端面的设置位置相同。
2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤熔接成像***，其特征在于，所述光源模块包括：
发光光源；
准直透镜，设置在所述发光光源前方，用于对所述发光光源发出的光线进行准直处理；
偏振分光棱镜，设置在所述准直透镜前方，用于对经过所述准直透镜处理后的准直光线进行分光处理，分成P光和S光，P光透射，S光全反射；
反射镜，设置在所述第一光子晶体光纤端面前方，其反射面与P光光线和第一光子晶体光纤轴线均成45°夹角，用于将P光反射后照向第一光子晶体光纤端面；
1/4波片，设置在所述第一光子晶体光纤端面和反射镜之间，用于透过P光，并将两次透过的P光转换为S光。
3.根据权利要求2所述的光子晶体光纤熔接成像***，其特征在于，所述显微成像模块包括：
放大模块，设置在所述偏振分光棱镜一侧，用于对所述第一光子晶体光纤端面反射后依次经1/4波片、反射镜和偏振分光棱镜的带有第一光子晶体光纤端面信息的S光进行光学放大；
成像模块，与所述放大模块相连，用于对所述第一光子晶体光纤端面进行成像。
4.根据权利要求3所述的光子晶体光纤熔接成像***，其特征在于，所述放大模块包括同轴设置的物镜和目镜。
5.根据权利要求3所述的光子晶体光纤熔接成像***，其特征在于，所述成像模块为CCD显微成像模块。
6.根据权利要求2所述的光子晶体光纤熔接成像***，其特征在于，所述***还包括：控制单元，与所述反射镜和1/4波片相连，用于在显微成像模块获取第一光子晶体光纤端面图像后将反射镜和1/4波片移走。
7.根据权利要求6所述的光子晶体光纤熔接成像***，其特征在于，所述反射镜和1/4波片封装在一个平台上。
8.根据权利要求2所述的光子晶体光纤熔接成像***，其特征在于，所述反射镜为双面反射镜，其两个反射面分别与被熔接的两根光子晶体光纤的轴线成45°夹角。
9.根据权利要求2至8任一项所述的光子晶体光纤熔接成像***，其特征在于，所述发光光源为LED光源。
10.根据权利要求2至8任一项所述的光子晶体光纤熔接成像***，其特征在于，所述偏振分光棱镜为格兰-泰勒偏振分光棱镜。
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