一种用于光纤熔接机纤芯识别的显微成像物镜及其成像方法与流程

本发明涉及一种用于光纤熔接机纤芯识别和对准的高精度显微成像物镜及其成像方法，具体涉及一种将大孔径光纤端面高倍放大并高质量成像到探测器光敏面上，用于纤芯识别和高精度对准的显微光学成像镜头及其成像方法。

背景技术：

光纤熔接机是一种应用于光通信领域的基本设备，主要用于连接各种光纤、并对连接点进行热缩保护，可广泛地应用于各种光缆线路施工、线路维护、应急抢修的工程中，以及相干光通信、干涉型光纤传感器和光电子交换技术等方面，也可用于光纤器件的生产测试。按照对准方式的不同，光纤熔接机可以分为两大类：包层对准式和纤芯对准式，其中纤芯对准式光纤熔接机采用纤芯探测系统，其工作原理参见附图1，主要由照明光源、平面反射镜、高性能显微成像物镜、ccd探测器、驱动马达等构成。光源发出的光束首先入射到平面反射镜，经两块平面反射镜转折光路后入射到需要对准的两根光纤的端面上，两端面分别经同一棱镜的两个面转折后入射到同一光路中，再经高性能显微成像物镜消像差高倍放大后，成像在ccd探测器上，根据成像灰度的不同，利用一定的算法，通过控制电路驱动马达实现光纤的聚焦和对准，同时通过显示系统把图像显示在屏幕上。

纤芯对准式光纤熔接机的质量取决于其高精度显微成像物镜的性能，为了实现低熔接损耗，光纤纤芯必须高精度对准，须配备高精度的光学显微成像物镜，对拟配准的两个光纤端面进行高质量成像，同时实现光纤类型识别和高精度对准，以保证光纤的熔接质量。这种高性能显微成像物镜不仅要求相对孔径大、分辨率高；受特殊用途要求，还要求其具有高的方法倍率；受特定光路限制，还要求其具有较大的视场，普通的成像物镜难以同时满足视场要求和大相对孔径，再要求获得高的放大倍率，难度更大，成像性能难以满足纤芯对准式光纤熔接机的要求。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种相对孔径大、分辨率高、成像性能优、结构简单紧凑、稳定性好的用于光纤熔接机纤芯识别和对准的高精度显微成像物镜及其成像方法。

实现本发明发明目的的技术方案是提供一种用于光纤熔接机纤芯识别的显微成像物镜，它采用同轴透射式的光学成像结构，包括双胶合透镜组构成的前组、双凸球面正透镜和两块双分离弯月形球面透镜构成的后组；所述的双胶合透镜组由双胶合透镜的凹凸球面正透镜和双胶合透镜的弯月形球面负透镜胶合而成；沿光线入射方向，依次为双胶合透镜的凹凸球面正透镜、双胶合透镜的弯月形球面负透镜、双凸球面正透镜、后组的弯月形球面负透镜和弯月形球面厚正透镜，各光学透镜元件的焦距依次对应为f’11、f’12、f’2、f’3、f’4，相对于成像物镜焦距的归一化时的取值范围为：0.55≤f’11≤0.65、-1.0≤f’12≤-0.85、1.10≤f’2≤1.45、-2.10≤f’3≤-1.81、8.45≤f’4≤9.05；孔径光阑位于双凸球面正透镜上，物镜关于孔径光阑对称；前组双胶合透镜组弯向光线入射方向，背向双凸球面正透镜前表面；双凸球面正透镜后表面背向后组的弯月形球面负透镜的前表面；后组的两块弯月形球面透镜均背向光线入射方向。

本发明所述的一种用于光纤熔接机纤芯识别的显微成像物镜，双胶合透镜的凹凸球面正透镜、双凸球面正透镜、后组的弯月形球面厚正透镜的材料折射率依次对应为n11、n2、n4，取值范围为1.50≤n11=n2=n4≤1.71；双胶合透镜的弯月形球面负透镜、后组的弯月形球面负透镜的材料折射率依次对应为n12、n3，取值范围为1.73≤n12=n3≤1.96。

本发明提供的一种用于光纤熔接机纤芯识别的显微成像物镜，其入瞳直径的取值范围d≥14mm，数值孔径n.a.的取值范围n.a.≥0.2；视场2.5mm，放大倍率达到5倍；其筒长小于40mm。

本发明技术方案还包括提供一种用于光纤熔接机纤芯识别的显微成像物镜的成像方法，步骤如下：

（1）光纤端面发出的光线入射到前组双胶合透镜组，所述的双胶合透镜组由双胶合透镜的凹凸球面正透镜和双胶合透镜的弯月形球面负透镜胶合而成；双胶合透镜组弯向光纤端面方向，以大孔径角接收来自光纤端面发出的光束，经双胶合透镜组消球差和色差，输出能量集中、分辨率高的发散光束；

（2）将步骤(1)得到的发散光束入射至双凸球面正透镜，孔径光阑位于双凸球面正透镜上，物镜关于孔径光阑对称，减小物镜畸变；双凸球面正透镜的两个光学表面与相邻的光学组最接近的光学表面背向放置，对前组获得的光束进行汇聚和中继成像，得到轴上和轴外光线光程差小、同心度高的汇聚光束；

（3）将步骤（2)得到的汇聚光束入射至两块双分离弯月形球面透镜构成的后组，后组中的弯月形球面负透镜将入射光束发散后接近平行地入射到弯月形球面厚正透镜，经精细校正光学像差，在探测器光敏面上获得放大5倍的光纤端面像。

与现有技术相比，本发明通过采用经优化设计的同轴透射式光学结构，通过沿光线方线不同位置的透镜采用不同的弯曲方向，克服了大相对孔径、大成像视场和高放大倍率成像物镜的设计难度，实现了大视场和大相对孔径物镜的像差校正；同时，通过前组、后组中各透镜采用不同的光焦度，实现了高放大倍率。从而保证了两待熔接的光纤端面的高精度对准，减少了熔接损失，保证了熔接效率和质量。

附图说明

图1是光纤熔接机的工作原理示意图；

图2是本发明实施例提供的用于光纤熔接机纤芯识别和对准的高精度显微成像物镜的成像光路图；

图3是本发明实施例提供的用于光纤熔接机纤芯识别和对准的高精度显微成像物镜的光线追迹点列图；

图4是本发明实施例提供的用于光纤熔接机纤芯识别和对准的高精度显微成像物镜的能量集中度曲线；

图5是本发明实施例提供的用于光纤熔接机纤芯识别和对准的高精度显微成像物镜的畸变曲线；

图6是本发明实施例提供的用于光纤熔接机纤芯识别和对准的高精度显微成像物镜的调制传递函数曲线。

图中：11.双胶合透镜的凹凸球面正透镜；12.双胶合透镜的弯月形球面负透镜；2.双凸球面正透镜；3.弯月形球面负透镜；4.弯月形球面厚正透镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明技术方案作进一步的具体阐述。

实施例1：

本实施例的技术方案是提供一种用于光纤熔接机纤芯识别和对准的高精度显微成像物镜，它的工作波段为780～820nm，系统数值孔径0.21，视场为2.5mm。

参见附图2，它是本实施例提供的用于光纤熔接机纤芯识别和对准的显微成像物镜的成像光路图；该显微物镜由前组双胶合透镜、双凸球面正透镜、和后组两块分离的弯月形球透镜构成，沿光线入射方向，依次为双胶合透镜的凹凸球面正透镜11；双胶合透镜的弯月形球面负透镜12；双凸球面正透镜2；弯月形球面负透镜3；弯月形球面厚正透镜4。

孔径光阑位于双凸球面正透镜2的后表面，前组双胶合透镜和后组双分离弯月形球透镜位于光阑两侧，物镜关于孔径光阑对称，垂轴像差，如畸变、倍率色差可得到较好地校正；前组双胶合透镜弯向光线入射方向、背向双凸球面正透镜前表面，后组的两块弯月形负透镜均背向光线入射方向、也背向双凸球面正透镜后表面，可很好地控制轴上与轴外点光束的光程差，平衡像散像差，获得好的聚焦性能。

对应各透镜的相关参数如下：系统的焦距为17.96mm，双胶合透镜的凹凸球面正透镜11、双胶合透镜的弯月形球面负透镜12、双凸球面正透镜2、弯月形球面负透镜3、弯月形球面厚正透镜4的前后表面的曲率半径依次分别为-105.8mm、-7.58mm、-7.58mm、-26.36mm、18.65mm、-180.21mm、14.78mm、8.45mm、10.68mm、8.67mm；沿光线入射方向，各光学面的距离依次为6.42mm、0mm、3.72mm、4.53mm、3.78mm、0.19mm、3.23mm、7.25mm、6.65mm；各透镜的折射率依次为1.68、1.74、1.68、1.74、1.68；全部透镜安装于一个镜筒内，筒长35.77mm。

本实施例提供的显微成像物镜的成像方法包括以下步骤：

（1）光纤端面发出的光线入射到前组双胶合透镜组，双胶合透镜组由双胶合透镜的凹凸球面正透镜和双胶合透镜的弯月形球面负透镜胶合而成；双胶合透镜组弯向光纤端面方向，以大孔径角接收来自光纤端面发出的光束，经双胶合透镜组消球差和色差，输出能量集中、分辨率高的发散光束；

（2）将步骤(1)得到的发散光束入射至双凸球面正透镜，孔径光阑位于双凸球面正透镜上，物镜关于孔径光阑对称，减小物镜畸变；双凸球面正透镜的两个光学表面与相邻的光学组最接近的光学表面背向放置，对前组获得的光束进行汇聚和中继成像，得到轴上和轴外光线光程差小、同心度高的汇聚光束；

（3）将步骤（2)得到的汇聚光束入射至两块双分离弯月形球面透镜构成的后组，后组中的弯月形球面负透镜将入射光束发散后接近平行地入射到弯月形球面厚正透镜，经精细校正光学像差，在探测器光敏面上获得放大5倍的光纤端面像。

参见附图3，它是本实施例提供的高精度显微成像物镜的光线追迹点列图，即目标物经显微物镜后在其像平面上的情况。图中的黑色圆为成像物镜的艾里斑，可见，像面上各个波长的不同视场处的点列图都非常集中地聚焦在艾里斑以内，表明该成像物镜达到了衍射极限的成像特性。由附图4的能量集中度曲线也可以看出，像面上各视场处、成像光束在半径为10微米的范围内，能量集中度都在80%以上。

参见附图5，是本实施例提供的高精度显微成像物镜的畸变曲线，横坐标是畸变数值，纵坐标表示视场。可见，最大值小于0.3%。

参见附图6，是本实施例提供的高精度显微成像物镜的光学传递函数曲线，横坐标是空间频率，纵坐标是光学函数值。可见，在像面上25lp/mm处光学系统的传递函数值达到0.7，对应物面可分辨小于2μm的细节。