CN105157625A

CN105157625A - 一种基于变焦成像透镜的光纤端面显微干涉测量***

Info

Publication number: CN105157625A
Application number: CN201510289781.5A
Authority: CN
Inventors: 宋凝芳; 罗鑫凯; 李慧鹏; 李皎; 徐宏杰
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明公开了一种基于变焦成像透镜的光纤端面显微干涉测量***，属于光学干涉测量技术领域。该测量***由白光光源、聚光镜A、孔径光阑、视场光阑、聚光镜B、分光棱镜、Mirau干涉物镜、压电陶瓷扫描台、压电陶瓷扫描台驱动器、电动平移台、电动平移台驱动器、待测光纤、变焦成像透镜、CCD和上位机构成；本发明满足了不同视场条件下检测光纤端面的需求；有效解决了更换显微物镜的高成本和图像拼接造成的边缘模糊问题。

Description

一种基于变焦成像透镜的光纤端面显微干涉测量***

技术领域

本发明涉及一种基于变焦成像透镜的光纤端面显微干涉测量***，属于光学干涉测量技术领域。

背景技术

随着光纤传感和传输技术的飞速发展，光纤已成为各种尖端科学仪器、光通讯产业、军用核心部件等应用领域的基础器件。在光纤使用过程中，光纤端面质量的好坏直接决定到光信号在光纤中的传递性能。因此，光纤端面形态的检测在光纤传输、传感领域至关重要。显微干涉测量技术是基于光波干涉原理测量微细结构表面轮廓的一种超精密检测方法。光源出射的光线经分光棱镜分成参考光和测量光两束，其中测量光经显微物镜投射至待测表面，参考光投射至参考表面，再经反射至成像物镜处，经汇聚到达图像检测***中，形成干涉图样，通过计算干涉图样的灰度值，可得到待测表面的高度信息。该测量***中，显微物镜起着显微放大的作用，将待测表面的放大成像至图像检测***中，整个***的放大倍率由显微物镜与成像物镜共同决定。

实际测量中，常需要在不同视场条件下观测物体，即在低倍率下观测被测物全貌，在高倍率下观测被测物局部特征，通常的方法是更换显微物镜或者采用图像拼接。更换显微物镜价格成本高，图像拼接的原理为：进行多次测量，每次仅测量大平面的一部分，并使各部分稍有重叠，然后将多次测量的结果拼接起来，从而得到整个平面的面形。该***的测量对象为铌酸锂包裹的保偏光纤，需要在低倍率下观测整个铌酸锂表面，在高倍率下观测光纤区域，侧面图如图1所示。图中矩形区域为铌酸锂表面I，圆形区域为保偏光纤II，两者之间边缘区域III用胶固定。这样，就在铌酸锂I、边缘区域III、保偏光纤II部分形成了三种不同材料的表面，在研磨加工中，边缘区域III极易造成塌陷，若采用图像拼接，边缘区域III会产生边缘模糊，造成较大误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于变焦成像透镜的光纤端面显微干涉测量***，可以实现不同视场条件下检测光纤端面的目的，有效解决了更换显微物镜的高成本和图像拼接造成的边缘模糊问题。

一种基于变焦成像透镜的光纤端面显微干涉测量***，该测量***由白光光源、聚光镜A、孔径光阑、视场光阑、聚光镜B、分光棱镜、Mirau干涉物镜、压电陶瓷扫描台、压电陶瓷扫描台驱动器、电动平移台、电动平移台驱动器、待测光纤、变焦成像透镜、CCD和上位机构成；所述的聚光镜A和聚光镜B同光轴设置，设为光轴A，所述的Mirau干涉物镜和变焦成像透镜同光轴设置，设为光轴B，所述的光轴A垂直于光轴B；所述的分光棱镜位于光轴A和光轴B的交点处，并且能够将沿光轴A的光进行90°反射到达Mirau干涉物镜，同时，将Mirau干涉物镜的反射光进行180°折射后到达变焦成像透镜；CCD位于变焦成像透镜的成像面上，并与上位机连接；所述的孔径光阑和视场光阑顺序设置在聚光镜A和聚光镜B之间的光路上；所述的Mirau干涉物镜固定在压电陶瓷扫描台上，待测光纤固定在电动平移台上，电动平移台通过电动平移台驱动器与上位机连接，压电陶瓷扫描台通过压电陶瓷扫描台驱动器与上位机连接。

本发明的优点在于：

(1)满足了不同视场条件下检测光纤端面的需求；

(2)有效解决了更换显微物镜的高成本和图像拼接造成的边缘模糊问题。

附图说明

图1是被测光纤端面侧面图；

图2是光纤端面显微干涉测量***光路图；

图3是变焦成像透镜图。

图中：

I-铌酸锂表面II-保偏光纤III-边缘区域

1-白光光源2-聚光镜A3-孔径光阑

4-视场光阑5-聚光镜B6-分光棱镜

7-Mirau干涉物镜8-压电陶瓷扫描台9-压电陶瓷扫描台驱动器

10-电动平移台11-电动平移台驱动器12-待测光纤

13-变焦成像透镜14-CCD15-上位机

16-双胶合透镜A17-光阑18-双胶合透镜B

19-双胶合透镜C20-成像面

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于变焦成像透镜的光纤端面显微干涉测量***，如图2所示，该测量***由白光光源1、聚光镜A2、孔径光阑3、视场光阑4、聚光镜B5、分光棱镜6、Mirau干涉物镜7、压电陶瓷扫描台8、压电陶瓷扫描台驱动器9、电动平移台10、电动平移台驱动器11、待测光纤12、变焦成像透镜13、CCD14和上位机15构成。所述的聚光镜A2和聚光镜B5同光轴设置，设为光轴A，所述的Mirau干涉物镜7和变焦成像透镜13同光轴设置，设为光轴B，所述的光轴A垂直于光轴B。所述的分光棱镜6位于光轴A和光轴B的交点处，并且能够将沿光轴A的光进行90°反射到达Mirau干涉物镜7，同时，将待测光纤12的反射光进行180°折射后到达变焦成像透镜13。CCD14位于变焦成像透镜13的成像面20上，并与上位机15连接。所述的孔径光阑3和视场光阑4顺序设置在聚光镜A2和聚光镜B5之间的光路上。所述的Mirau干涉物镜7固定在压电陶瓷扫描台8上，待测光纤12固定在电动平移台10上，控制电动平移台10通过电动平移台驱动器11与上位机15连接，压电陶瓷扫描台8通过压电陶瓷扫描台驱动器9与上位机15连接。

白光光源1经聚光镜A2成像在孔径光阑3处，因此改变孔径光阑3的大小能够改变白光光源1的成像大小，再经聚光镜B5和分光棱镜6成像在Mirau干涉物镜7的前焦面处，给待测光纤12端面提供均匀的照明；视场光阑4设置在孔径光阑3和聚光镜B5之间的位置，经过视场光阑4的光经聚光镜B5、分光棱镜6和Mirau干涉物镜7成像在待测光纤12端面上，因此改变视场光阑4的大小能够改变待测光纤12端面照明区域的大小。经白光光源1出射的光线经分光棱镜6反射至Mirau干涉物镜7，在Mirau干涉物镜7内的分光板上分成参考光与测量光两束，分别照射至待测光纤12端面处，再经待测光纤12端面反射，从分光棱镜6处反射至变焦成像透镜13，最后汇聚至CCD14处成像；所述的变焦成像透镜13由三个双胶合透镜(双胶合透镜A16、双胶合透镜B18、双胶合透镜C19)和一个光阑17构成，如图3所示，在光线到达成像面20的光路上依次设置，双胶合透镜A16、光阑17、双胶合透镜B18和双胶合透镜C19，光阑17在其中限制了成像视场，改变双胶合透镜B18和双胶合透镜C19相对于双胶合透镜A16的位置，进而改变变焦成像透镜13的焦距，达到变焦的目的。Mirau干涉物镜7固定在压电陶瓷扫描台8上，待测光纤12固定在电动平移台10上；上位机15输出控制信号给电动平移台驱动器11，控制电动平移台10运动，进而带动电动平移台10上的待测光纤12沿Mirau干涉物镜7的光轴方向进行低精度运动，使待测光纤12处于Mirau干涉物镜7的成像焦面处；对焦结束后，上位机15输出控制信号给压电陶瓷扫描台驱动器9，控制压电陶瓷扫描台8沿Mirau干涉物镜7的光轴方向进行高精度扫描运动，进而带动压电陶瓷扫描台8上的Mirau干涉物镜7进行扫描运动，形成干涉扫描。

在本发明中，待测光纤12位于Mirau干涉物镜7的物方焦面处，因此从待测光纤12端面处反射回Mirau干涉物镜7的光为平行光，这种设计为共轭距离为无限远的光路设计，该成像光路中***放大倍率β由下式决定：

β = - \frac{f_{1}^{'}}{f_{2}^{'}}

其中，f′₁为变焦成像透镜13焦距，f′₂为Mirau干涉物镜7焦距，本发明基于这个原理，通过改变变焦成像透镜13的焦距来调整***的放大倍率，进而达到改变***视场的目的。

本发明的基于变焦成像透镜13的光纤端面显微干涉测量***的工作原理是：光线从白光光源1出射后，经由分光棱镜6投射出的光线进入Mirau干涉物镜7，在Mirau干涉物镜7内的分光板上分成参考光与测量光两束，分别照射至待测光纤12端面处，再经待测光纤12端面反射，从分光棱镜6处反射至变焦成像透镜13，最后汇聚至CCD14处成像；上位机15输出控制信号给电动平移台驱动器11，控制电动平移台10运动，带动电动平移台10上的待测光纤12进行运动，使之处于Mirau干涉物镜7的物方焦面处，在CCD14上得到待测光纤12端面清晰的像；调整孔径光阑3和视场光阑4的大小，使待测光纤12端面得到均匀而充分的照明，且待测光纤12端面充满CCD14靶面；根据测量放大倍率要求，调整变焦成像透镜13焦距，改变***视场；上位机15通过控制压电陶瓷驱动器9使压电陶瓷扫描台8带动Mirau干涉物镜7形成微位移扫描，从而改变待测面和参考面之间的相对距离，进而改变测量光和参考光的光程差，在CCD14上得到整个待测光纤12端面的干涉条纹图像，经由上位机15进行图像处理得出光纤端面的三维表面图像，并分析表面形貌特征。

Claims

1.一种基于变焦成像透镜的光纤端面显微干涉测量***，其特征在于：该测量***由白光光源、聚光镜A、孔径光阑、视场光阑、聚光镜B、分光棱镜、Mirau干涉物镜、压电陶瓷扫描台、压电陶瓷扫描台驱动器、电动平移台、电动平移台驱动器、待测光纤、变焦成像透镜、CCD和上位机构成；所述的聚光镜A和聚光镜B同光轴设置，设为光轴A，所述的Mirau干涉物镜和变焦成像透镜同光轴设置，设为光轴B，所述的光轴A垂直于光轴B；所述的分光棱镜位于光轴A和光轴B的交点处，并且能够将沿光轴A的光进行90°反射到达Mirau干涉物镜，同时，将Mirau干涉物镜的反射光进行180°折射后到达变焦成像透镜；CCD位于变焦成像透镜的成像面上，并与上位机连接；所述的孔径光阑和视场光阑顺序设置在聚光镜A和聚光镜B之间的光路上；所述的Mirau干涉物镜固定在压电陶瓷扫描台上，待测光纤固定在电动平移台上，电动平移台通过电动平移台驱动器与上位机连接，压电陶瓷扫描台通过压电陶瓷扫描台驱动器与上位机连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于变焦成像透镜的光纤端面显微干涉测量***，其特征在于：所述的变焦成像透镜由双胶合透镜A、双胶合透镜B、双胶合透镜C和一个光阑构成，依次设置在成像面之前的光路上。

3.根据权利要求1所述的一种基于变焦成像透镜的光纤端面显微干涉测量***的测量方法，其特征在于：光线从白光光源出射后，经由分光棱镜投射出的光线进入Mirau干涉物镜，在Mirau干涉物镜内的分光板上分成参考光与测量光两束，分别照射至待测光纤端面处，再经待测光纤端面反射，从分光棱镜处反射至变焦成像透镜，最后汇聚至CCD处成像；上位机输出控制信号给电动平移台驱动器，控制电动平移台运动，带动电动平移台上的待测光纤进行运动，使之处于Mirau干涉物镜的物方焦面处，在CCD上得到待测光纤端面清晰的像；调整孔径光阑和视场光阑的大小，使待测光纤端面得到均匀而充分的照明，且待测光纤端面充满CCD靶面；根据测量放大倍率要求，调整变焦成像透镜焦距，改变***视场；上位机通过控制压电陶瓷驱动器使压电陶瓷扫描台带动Mirau干涉物镜形成微位移扫描，从而改变待测面和参考面之间的相对距离，进而改变测量光和参考光的光程差，在CCD上得到整个待测光纤端面的干涉条纹图像，经由上位机进行图像处理得出光纤端面的三维表面图像，并分析表面形貌特征。