CN1242082A - 带有增强的场均匀度及更佳耦合效率的将来自单根光纤的光耦合到多光纤束上的方法 - Google Patents

Abstract

一种调节从光纤光导出口的光的照明角的设备。第一光导(51)具有用于从光源发射光的第一数值孔径,及从第一光导出口的光具有第一光强度角分布。第二光导(25)具有用于接收来自第一光导的光的第二数值孔径,及从第二光导出口的光具有第二光强度角分布。来自第一光导的光被包含布置在第一光导与第二光导之间的至少一个第一表面的设备所散射,使得来自第一光导的具有第一光强度分布的光照射在第一表面上,及修正照射在第二光导上的光的角强度分布,以便使第二光强度角分布得以修正。第一光导最好具有单根光纤,而第二光导最好具有光纤束。最好用GRIN透镜(10)与具有叙端面(22)的光纤束,或者用GRIN透镜(10)、具有斜端面的固定光纤束与具有斜端面的可转动的光纤束来实现散射。

Description

带有增强的场均匀度及更佳耦合效率的 将来自单根光纤的光耦合到多光纤束上的方法

本发明涉及将来自第一光纤的光耦合到第二光纤的方法与装置，更具体地涉及将来自单根光纤的光耦合到多光纤束、例如内窥镜的多光纤上的方法与装置。

下面的背景技术描述代表本发明人对与背景技术相关的功能、用途、问题等的知识，这些知识本技术中的人员不一定知道。

光源与内窥镜(用于工业及医学应用的柔性及刚性两种类型)之间的耦合通常是用光纤束缆进行的。这种光缆在护套内包含数千小直径的光纤。重量重并且各单根光纤是易碎的且在正常搬运与清洁中容易在光缆中断裂。光缆的传输效率也是相对低的，这取决于光缆长度、光纤封装因子及光缆内部的断裂光纤的数目。

例如，内窥镜的输出强度分布部分地取决于两个因素：内窥镜远端上的照度分布及内窥镜与光纤束缆之间的耦合。能根据它来测定性能的质量标准是在内窥镜的视野上的照度均匀度。完美的均匀场具有跨越视野从边到边的光学平坦的强度分布。场是否是光学平坦的部分地取决于观察方法。通常，内窥镜是与电视摄象机一起使用的，其中心增益大于边上的增益。从而，通过电视摄象机观察到的均匀场相当于视野的中心略低于边上的实际强度分布(诸如，下面讨论的“圈饼分布”)。

现实中，达到这一分布是的困难的，因为诸如内窥镜内部的等大多数光纤束具有随机的光纤封装。在光纤不是随机的范围内，如果发送给内窥镜的光是类似地分布的，才有可能建立“圈饼分布”(下面讨论)。对于具有随机光纤束的内窥镜，光学平坦的照明场要求对内窥镜的输入也是均匀的。

许多内窥镜在其输入端上包含设计成将来自大直径的光集中到较小直径的焦点上以匹配内部束的直径的聚光锥。在这一方法中，光的数值孔径(NA)增加并损失光，除非内窥镜内部的光纤具有大到足以接受来自聚光锥的聚焦的光的增加的NA的NA。在内窥镜的输入端上存在聚光锥时建立均匀场对在远端上发送均匀的照明场包含不同的要求。在这一情况中，均匀度取决于锥的特征及内部光纤的随机度两者。

在光纤束光发送缆的直径与光柱直径匹配的程度上，照明的视野的强度分布取决于上述特征。当光发送***为直径大约为1mm或更小的单根光纤时，适用附加的考虑。通常，需要扩张来自单根光纤的光以匹配光柱等的直径。此外，需要修正强度分布以便不致引起对光柱的热破坏。如果包含光锥来将光集中到较小的光纤束中，应将单根光纤的输出端调节成与光锥的光学性能匹配。

按照本发明，提供了在将光纤耦合到诸如内窥镜等中之前修正其光强度分布的装置。本发明的两个显著特征包含：(a)能将输出端扩张成与内窥镜或其它光纤束设备的输入光柱的直径匹配；以及(b)能将扩张的束的强度分布修正成与聚光锥的聚焦性质一致的匹配。

按照本发明的一个方面，提供了用于调节从光纤光导出口的光的照明角的设备，它包括：用于从光源发射光的具有第一数值孔径的第一光导，从第一光导出口的光具有第一光强度角分布；用于接收来自第一光导的光的具有第二数值孔径的第二光导，从第二光导出口的光具有第二光强度角分布；用布置在第一光导与第二光导之间的至少一个第一表面散射来自第一光导的光散射件，使得来自第一光导的具有第一光导强度分布的光照射在第一表面上及修正照射在第二光导上的光的角强度分布以便从第二分布的中心向第二分布的周边重新分布该强度角分布的光。

按照本发明的另一方面，调节从光纤光导出口的光的照明角的方法包括下述步骤：(a)通过具有第一数值孔径的第一光导从光源发送光，从所述第一光导出口的光具有第一光强度角分布；(b)用具有第二数值孔径的第二光导接收从第一光导出口的光，从第二光导出口的光具有第二光强度角分布；以及(c)用布置在第一光导与第二光导之间的至少一个第一表面散射来自第一光导的光，使得来自第一光导的具有第一光强度分布的光照射在第一表面上，并修正照射第二光导的光的角强度分布以便从第二分布的中心向第二分布的周边重新分布该强度角分布的光。

按照本发明的另一方面，光散射件包含GRIN透镜及具有斜的端面的光纤束。

按照本发明的又一方面，光散射件包含GRIN透镜、具有斜的端面的固定光纤束及具有斜的端面的可转动光纤束。

按照本发明的另一方面，第一光导最好是单根光纤；作为替代，第一光导可以是光纤束。类似地，按照本发明的另一方面，第二光导最好具有光纤束。

除了其它优点，本发明提供了带有增强的场均匀度及更佳耦合效率的例如从单根光纤将光耦合到多光纤束的改进的方法。从下面与附图及权利要求书一起采取的其较佳实施例的描述中，本发明的上述与其它优点、特征及方面将更容易理解。

在附图中以示例方式而非限制方式示出本发明，其中相同的参照数字指示相同的部件，附图中：

图1为展示部件的布置及传输通过这些部件的光的强度分布的本发明的第一实施例的说明性并有些示意性的侧视图。

图2为诸如在图1右侧所示的出口光强度分布图；

图3为具有可变强度分布输出端的本发明的第二实施例的说明性侧视图；

图4为具有与内窥镜等的输入端成角度的源光纤输出端的本发明的替代的第三实施例的有些示意性的侧视图。

来自第一光导5的具有诸如强度分布12的光束11的扩张例如可用与诸如内窥镜的输入端25的NA匹配的透镜完成。在较佳实施例中，诸如梯度折射率棒状透镜(GRIN透镜)10等准直镜片扩张光束11。能适当地选择的GRIN透镜10与内窥镜的输入端之间的实际间隔允许将光柱的直径与光束的直径匹配。GRIN透镜10本身便足以将光耦合到内窥镜的远端上的几乎任何光纤配置的光纤束中，但不是为均匀的输出优化的。然而，对于具有聚光锥的内窥镜，小的NA(即光的低发散角)并不与锥的所需输入强度分布匹配来生成大到足以填满内窥镜的内部束的聚光光束。其后果是在内窥镜的远端上的不均匀的强度分布。

本发明通过加入将光扩散到更大角度上的第二光学元件来避免上述问题。最好，为了再生光纤束的远端场强度分布，第二镜片应重新分布高斯分布以建立均匀的或“圈饼强度分布”。这是在较佳实施例中用一短段熔化光纤束20，实际上是熔化棒，完成的。熔化棒20在输出端21上是平面抛光的，例如具有垂直表面，而在输入端22上是成斜角抛光的，如图1中所示。熔化光纤棒20包含数千根小直径光纤23，其中各光纤只抽样一小部分进入的光束。斜角抛光端22的角θ导致来自GRIN透镜的准直光具有大于从GRIN透镜发射的角度的有效入射角，导致从其中输出的更多的光30散布到输出光束的周边上而建立“圈饼强度分布”40。从而，在棒的输出端面21上，将来自熔化棒的各光纤的光重组以生成圈饼形分布43。如图1与2中所示，分布43是围绕中心轴X大致上对称的，使得凹入的中心41位于峰值强度环或圈饼42内。凹入的中心的大小取决于光棒输入端面22上的光束入射角θ。从而，通过调节熔化棒的入射角，可将输出强度分布从典型的高斯分布修正到相对平坦的分布或圈饼形分布。通过改变角度，本发明能在第二光导的输出端上产生各式各样的强度分布。在替代实施例中，可用在输出端上平面抛光而在输入端上成斜角抛光的诸如包覆的棒替换熔化的光纤束。也能将图1中在35上示意性地示出的聚光锥布置在第二光导25与光散射件之间。

如图1与2中所示，熔化的光纤束的端面22的角θ将确定强度分布43的修正程度。在下面讨论的实施例中，将此角设定在大约24°上；但是，这只是一个示范性实施例而本发明的概念可用于使用广范围的角。虽然有可能找到对内窥镜内部的大多数光纤束配置接近最优的角度θ，也有可能建立可调节的分布来为各特定光纤束优化强度分布。

这一方面，图3中示出了本发明的第二实施例，其中设备2是构造成建立可变的强度分布的。第二实施例的较佳构造用两个类似的棒50与60替换单根斜面抛光的熔化光纤棒。通过相对于另一棒转动一根棒，可根据意愿将光束入射角调节成匹配第二熔化的光纤棒的入射角。以这一方式，能相应地改变强度分布的中心降低的程度。这得出从高斯分布到中心强度严重抑制的圈饼分布范围内的强度分布。

按照本发明的第三实施例，如图4中所示，将源光纤70的输出端上的GRIN透镜10设定在与内窥镜80等的输入端85(如，带或不带过渡锥的光纤束)成角度θ。通过改变角θ，该设备能产生类似于分布43的强度分布输出90。可包含支承连接器75来根据意愿保持角θ。支承连接器也能包含用于调节角θ的装置。只要角度是按照本发明正确地保持的，支承连接器可选自任何已知支承件。

按照一较佳构件，GRIN透镜为带有抛物线型折射系数分布的圆柱形透镜。通过将光纤源末端压在GRIN透镜的输入表面上，借此输出光束基本上是准直的。然后将成斜角抛光的光纤束(它是熔化的)定位在适当距离上，使得它与来自GRIN透镜的输出光束的大小(如直径)匹配。

一个示范性实施例包括：a)具有1.8mm直径及3.6mm长度(0.25间距)及0.6数值孔径的GRIN透镜，以及b)具有4.2mm直径、7mm长度、0.66数值孔径，与法线n成大约24°的抛光角θ、及束中各光纤的直径为10μm的熔化的光纤束。作为一个示例，GRIN透镜可以是NSG美国公司，Somerset，N.J.的SELFOC透镜。如应理解的，上面的尺寸、数值孔径等只是为了示范目的的，并能按照特定要求根据意愿改变。

光传输效率主要取决于部件的数值孔径(NA)失配及熔化的光纤棒的光纤封装因子。通过选择匹配的部件及高封装因子棒，能达到至少80％的高光传输效率。

虽然已参照当前设想为实施本发明的最佳模式的较佳实施例示出与描述了本发明，应理解可在不脱离这里所公开的及后面的权利要求书所包括的广阔的创造性概念而在使本发明时适应不同的实施例中作出各种改变。

Claims (24)

1、一种用于重新分布从光纤光导出口的光的照明角的设备，包括：

用于从光源发射光的具有第一数值孔径的第一光导，从所述第一光导出口的光具有第一光强度角分布；

用于接收来自第一光导的具有第二数值孔径的第二光导，从所述第二光导出口的光具有第二光强度角分布；以及

光散射件，用于以布置在所述第一光导与所述第二光导之间的至少一个第一表面散射来自所述第一光导的光，使得来自所述第一光导的具有所述第一强度分布的光照射在所述第一表面上，及修正照射在所述第二光导上的光的角强度分布以便从所述第二分布的中心向所述第二分布的周边重新分布该强度角分布的光。

2、权利要求1的设备，其中所述第二分布是大致上平坦的。

3、权利要求1的设备，其中所述第二分布具有凹入的中心。

4、权利要求1的设备，其中所述光散射件包括具有至少一个斜端面的光纤束。

5、权利要求4的设备，其中所述光纤束是熔化的。

6、权利要求1的设备，其中所述第一光导是单根光纤。

7、权利要求1的设备，其中所述第一光导是光纤束。

8、权利要求1的设备，其中所述光散射件包含GRIN透镜及具有至少一个斜端面的光纤束。

9、权利要求8的设备，其中具有至少一个斜端面的所述光纤束是熔化的。

10、权利要求1的设备，其中所述光散射件包括GRIN透镜、具有斜端面的固定光纤束、及具有调节到所述固定光纤束的所述斜端面上的斜端面的可转动的光纤束。

11、权利要求10的设备，其中所述固定与可转动的光纤束是熔化的。

12、权利要求1的设备，其中所述第二光导是光纤束。

13、权利要求12的设备，其中将一聚光锥布置在所述第二光导与所述光散射件之间。

14、权利要求12的设备，其中所述光纤束是内窥镜的一部分。

15、一种调节从光纤光导出口的光的照明角的方法，包括下述步骤：

a)通过具有第一数值孔径的第一光导从光源发送光，从所述第一光导出口的光具有第一光强度角分布；

b)用具有第二数值孔径的第二光导接收从第一光导出口的光，从所述第二光导出口的光具有第二光强度角分布；以及

c)用布置在第一光导与第二光导之间的至少一个第一表面散射来自第一光导的光，使得来自第一光导的具有第一光强度分布的光照射在第一表面上，及修正照射在第二光导上的光的角强度分布以便从第二分布的中心向第二分布的周边重新分布该强度角分布的光。

16、权利要求15的方法，其中通过第一光导从光源发送光的所述步骤包括通过单根光纤发送光。

17、权利要求15的方法，其中通过第一光导从光源发送光的所述步骤包括通过光纤束发送光。

18、权利要求15的方法，其中所述散射步骤是用GRIN透镜与具有斜端面的光纤束进行的。

19、权利要求15的方法，其中所述散射步骤是用GRIN透镜及具有斜端面的固定光纤束及具有斜端面的可转动的光纤束进行的。

20、权利要求1的方法，其中用第二光导接收从第一光导出口的光的所述步骤包括用光纤束设置第二光导。

21、权利要求1的方法，其中用第二光导接收从第一光导出口的光的所述步骤包括用单根光束设置第二光导。

22、权利要求20的方法，其中所述光纤束是作为内窥镜的一部分设置的。

23、一种用于重新分布从光纤光导出口的光的照明角的设备，包括：

用于从光源发射光的具有第一数值孔径的第一光导，从所述第一光导出口的光具有第一光强度角分布；

用于接收来自第一光导的光的具有第二数值孔径的第二光导，从所述第二光导出口的光具有第二光强度角分布；

轴向对准在所述第一光导的输出端上的GRIN透镜；以及

支承连接器，它将所述第一光导与所述梯度折射率透镜保持在对所述第二光导的预定角朝向上，从而修正来自所述第一光导的具有所述第一光强度分布的光，以便从所述第二分布的中心向所述第二分布的周边重新分布该强度角分布的光。

24、权利要求23的设备，其中所述支承连接器包含用于调节所述角朝向以便能改变该角朝向的装置。

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