专利名称：透镜光纤制造工艺的质量控制方法
技术领域：
本发明涉及一种透镜光纤制造工艺，特别是涉及一种透镜光纤制造工艺的质量控制方法。
根据光学的基本原理，提高光耦合效率的途径是使耦合系统的远场(或数值孔径)实现良好匹配，具体方法是在耦合系统中加入光学透镜。目前，在通过耦合系统中加入光学透镜实现耦合系统的远场(或数值孔径)匹配有如下两种方式1.在耦合系统中加入独立的光学透镜；2.在光纤的端部直接制造透镜。
第一种方式需要增加零件(即独立的光学透镜)，不仅使光通讯系统复杂化、成本增加，因而会降低光通讯系统的可靠性。第二种方式显然要优于第一种方式，因而被广泛采用。端部带有透镜的光纤被称为透镜光纤。目前制造透镜光纤的法有如下三种
1.用树脂制造一个光学透镜，然后将其粘接在光纤的端部；2.将光纤端部熔融后拉断，利用熔融态二氧化硅的表面张力形成球状透镜；3.用机械的方法在光纤端部加工出一个光学透镜。
上述第一种方法的缺点是不仅工艺复杂，而且由于树脂与光纤材料的光学折射率不同，造成二者之间的耦合效率低。第二种方法的缺点是形成的光学透镜的几何形状不可控，形成的透镜光纤的质量较差。第三种方法的优点是工艺相对简单，而且透镜的几何形状完全可控，可以制造出高质量的透镜光纤，因此目前一般采用这种方法。
现有的透镜光纤制造工艺的质量控制方法如下如图1所示，现有的透镜光纤制造工艺是利用一个透镜光纤对光纤的端部磨削出一个透镜，从而制造出透镜光纤1来。其质量控制方法是在透镜光纤的制造过程中，利用一台摄像机2实时检测光纤端部的几何曲率半径，随时调整加工头3的工作状态，最后光纤端部加工出一个几何曲率半径符合设计要求的透镜。
上述现有的透镜光纤制造工艺的质量控制方法的缺点在于实际上透镜光纤端部透镜的几何曲率半径与透镜光纤的关键光学参数(透镜光纤的远场和数值孔径)并不是同一个概念，就是说即使加工出的透镜光纤端部透镜的几何曲率半径完全符合要求，也不能保证透镜光纤的远场和数值孔径符合要求。如图2所示，当光纤芯中心线与其端部加工出来的光学透镜的光学中心线不重合时，尽管透镜光纤端部透镜的几何曲率半径是合格的，但是由于它的光学中心线偏离了光纤芯中心线，致使透镜光纤的远场和数值孔径不符合要求，这种透镜光纤的光耦合质量依然很差，不能满足实际需要。
发明内容
如上文所述，在光耦合系统中，一个关键问题就是要使耦合双方的远场(或数值孔径)匹配，制造透镜光纤的目的就在于改变光纤的远场(或数值孔径)，使之与其它光学器件实现远场(或数值孔径)匹配。在本发明透镜光纤制造工艺的质量控制方法中，是通过控制透镜光纤的远场半角θ或数值孔径NA来加工透镜光纤使之达到远场(或数值孔径)匹配的。其数学根据如下如图4所示，透镜光纤的远场呈椭圆形，意味着其数值孔径在X-Y平面上是变化的，椭圆长轴方向上数值孔径最大，短轴方向上数值孔径最小，其它方向上的数值孔径的数值则处于两者之间。其最大数值孔径的计算公式可根据图5推导出来tgθ=W/2L]]>式中θ为透镜光纤的远场半角；L为透镜光纤端部透镜的焦点与探测器之间的距离；W为强度降为峰值的5％时远场分布曲线的宽度。θ=arctgW2L---(1)]]>根据数值孔径NA的定义NA=nsinθ=nsin[arctgW2L]---(2)]]>式中n为光传播介质的折射率。
考虑到本发明中光的传播介质是空气，故n≈1，故上式可以写成NA=sinθ=sin[arctgW2L]---(3)]]>从图5中可以看出，由于透镜光纤端部透镜的焦距F与L相比很小，故在计算数值孔径NA时，为了计算方便，L可以用透镜光纤端部与探测器之间的距离(L+F)来代替。
在上述公式(1)和公式(1)中，由于L是常数，所以根据摄像机传送的透镜光纤的远场像，计算机就能计算出远场半角θ或数值孔径NA来。
根据远场半角θ或数值孔径NA计算机可进一步计算出透镜光纤端部透镜的几何曲率半径R来。
根据透镜几何曲率半径的定义R=Fn1-n2n2---(4)]]>根据图6可以推导出R与θ及NA的关系F=D2ctgθ---(5)]]>R=D2(n1-n2)n2ctgθ---(6)]]>考虑到对于空气n2≈1R=D(n1-1)2ctgθ---(7)]]>式中R为透镜光纤端部透镜的几何曲率半径；
F为透镜光纤端部透镜的焦距；D为透镜光纤模场直径(其数值由光纤厂商提供)；θ为透镜光纤远场半角；n1为光纤芯折射率(其数值由光纤厂商提供)；n2为光传播介质的折射率(对于空气n2≈1)值得指出的是，在实际应用中可以直接用透镜光纤的远场半角θ或数值孔径NA来控制透镜光纤的制造工艺质量，而无需将其转换为透镜光纤端部透镜的几何曲率半径。
本发明所要解决的技术问题是，提供一种新型的透镜光纤制造工艺的质量控制方法，通过在线测量透镜光纤远场来直接控制被加工光纤端部透镜的光学特性，从根本上克服上述现有透镜光纤制造工艺的质量控制方法的缺陷，提高透镜光纤加工工艺的效率和成品率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是本发明透镜光纤制造工艺的质量控制方法所针对的透镜光纤制造系统包括透镜光纤、摄像机、透镜光纤加工头、计算机、透镜光纤装卡控制器、导轨和半导体激光发生器；所述的摄像机、透镜光纤加工头和透镜光纤装卡控制器分别与计算机相连接；摄像机和透镜光纤加工头底座上的导轮分别与导轨相配合，摄像机和透镜光纤加工头可以沿导轨移动。
本发明透镜光纤制造工艺的质量控制方法是摄像机与透镜光纤加工头在计算机的实时控制下，反复交替切换到透镜光纤加工位置，分别执行摄取透镜光纤光学远场像和对透镜光纤的末端加工透镜的操作步骤，直至计算机根据摄像机传送的透镜光纤的光学远场像分析计算出的当前远场参数已经达到预先设定的远场参数标准，透镜光纤的制造过程便告结束。
具体来说，上述操作步骤包括1)透镜光纤加工头对透镜光纤的前端执行透镜初始加工工序；2)半导体激光器向透镜光纤的尾端注入激光束；3)摄像机摄取透镜光纤的光学远场像；4)计算机分析所摄取的光学远场像，获得被加工透镜光纤的当前远场参数，用预先设定的远场参数标准比较当前远场参数，若被加工透镜光纤的当前远场参数与预先设定的远场参数标准不相符，则进一步计算出透镜光纤的下一步加工参数，透镜光纤加工头根据计算机提供的下一步加工参数对透镜光纤的末端执行后续加工工序；5)重复上述3)～4)步骤，直至计算机根据透镜光纤的光学远场像分析计算出的当前远场参数已达到预先设定的标准，对透镜光纤的加工操作结束。
上述当前远场参数是指当前远场半角θ、当前远场分布曲线的宽度W或当前远场的数值孔径NA。
本发明的优点在于1.可以实时监测被加工透镜光纤的远场参数(远场半角或数值孔径)，调整加工工艺参数，使透镜光纤的加工工艺处于完全可控的状态。
2.克服了现有透镜光纤制造工艺的质量控制方法中单纯控制光纤端部透镜的几何参数而带来的几何参数合格而光学参数不合格的问题。
3.提高了透镜光纤的加工效率和成品率。
图1为现有的透镜光纤制造工艺的质量控制方法示意图；图2为现有的透镜光纤制造工艺的质量控制方法的缺点示意图；图3为一种透镜光纤的椭圆形远场示意图；图4为透镜光纤远场半角及数值孔径计算公式推导依据图；图5为透镜光纤远场半角及数值孔径与透镜光纤末端透镜几何曲率半径关系推导依据图；图6为本发明透镜光纤制造工艺的质量控制方法具体实施方式
的示意图；图7为根据本发明透镜光纤制造工艺的质量控制方法具体实施方式
制造出的锥形透镜光纤的显微照片；图8为根据本发明透镜光纤制造工艺的质量控制方法具体实施方式
制造出的锥形透镜光纤的远场像；图9为根据现有透镜光纤制造工艺的质量控制方法制造出的锥形透镜光纤的远场像。
图中1.透镜光纤2.摄像机3.透镜光纤加工头 4.计算机5.透镜光纤装卡控制器 6.导轨7.半导体激光发生器8.成像屏本发明透镜光纤制造工艺的质量控制方法是在计算机4的控制下执行下列操作步骤1.透镜光纤装卡控制器5将待加工的光纤安装到加工位置，半导体激光发生器7开启，向待加工透镜光纤的尾端注入激光束；2.透镜光纤加工头3根据计算机4的指令沿导轨6移动到加工位置，开始在待加工透镜光纤的前端进行透镜的初始加工工序，初始加工工序结束后，透镜光纤加工头3沿导轨6移动到等待位置；3.摄像机2根据计算机4的指令沿导轨6移动到加工位置，摄取透镜光纤1形成在成像屏8上的光学远场像，并将摄取的光学远场像传送给计算机4进行分析计算，获得被加工透镜光纤1的当前远场半角θ，根据当前远场半角θ进一步计算出透镜光纤1的下一步加工参数，并将下一步加工参数传送给透镜光纤加工头3，摄像机2沿导轨6移动到等待位置；4.透镜光纤加工头3根据计算机4提供的下一步加工参数对光纤末端进行透镜的后序加工工序，该后序加工工序结束后，透镜光纤加工头3沿导轨6移动到等待位置；
5.重复上述3～4步骤，直至计算机4根据摄像机2传送的透镜光纤1的光学远场像分析计算出的当前远场半角θ已经达到设计要求，透镜光纤1的制造过程便告结束。
实施方式2如图6所示，本发明透镜光纤制造工艺的质量控制方法所针对的透镜光纤制造系统包括透镜光纤1、摄像机2、透镜光纤加工头3、计算机4、透镜光纤装卡控制器5、导轨6和半导体激光发生器7；摄像机2、透镜光纤加工头3和透镜光纤装卡控制器5分别与计算机4相连接；摄像机2和透镜光纤加工头3的底座上的导轮分别与导轨6相配合，摄像机2和透镜光纤加工头3可以沿导轨移动。
本发明透镜光纤制造工艺的质量控制方法是在计算机4的控制下执行下列操作步骤1.透镜光纤装卡控制器5将待加工的光纤安装到加工位置，半导体激光发生器7开启，向待加工透镜光纤的尾端注入激光束；2.透镜光纤加工头3根据计算机4的指令沿导轨6移动到加工位置，开始在待加工透镜光纤的前端进行透镜的初始加工工序，初始加工工序结束后，透镜光纤加工头3沿导轨6移动到等待位置；摄像机2根据计算机4的指令沿导轨6移动到加工位置，摄取透镜光纤1形成在成像屏8上的光学远场像，并将摄取的光学远场像传送给计算机4进行分析计算，获得被加工透镜光纤1的当前数值孔径NA，根据当前数值孔径NA进一步计算出透镜光纤1的下一步加工参数，并将下一步加工参数传送给透镜光纤加工头3，摄像机2沿导轨6移动到等待位置；4.透镜光纤加工头3根据计算机4提供的下一步加工参数，对光纤末端进行透镜的后序加工工序，该后序加工工序结束后，透镜光纤加工头3沿导轨6移动到等待位置；5.重复上述3～4步骤，直至计算机4根据摄像机2传送的透镜光纤1的光学远场像分析计算出的当前数值孔径NA已经达到设计要求，透镜光纤1的制造过程便告结束。
实施方式3如图6所示，本发明透镜光纤制造工艺的质量控制方法所针对的透镜光纤制造系统包括透镜光纤1、摄像机2、透镜光纤加工头3、计算机4、透镜光纤装卡控制器5、导轨6和半导体激光发生器7；摄像机2、透镜光纤加工头3和透镜光纤装卡控制器5分别与计算机4相连接；摄像机2和透镜光纤加工头3的底座上的导轮分别与导轨6相配合，摄像机2和透镜光纤加工头3可以沿导轨移动。
本发明透镜光纤制造工艺的质量控制方法是在计算机4的控制下执行下列操作步骤1.透镜光纤装卡控制器5将待加工的光纤安装到加工位置，半导体激光发生器7开启，向待加工透镜光纤的尾端注入激光束；2.透镜光纤加工头3根据计算机4的指令沿导轨6移动到加工位置，开始在待加工透镜光纤的前端进行透镜的初始加工工序，初始加工工序结束后，透镜光纤加工头3沿导轨6移动到等待位置；3.摄像机2根据计算机4的指令沿导轨6移动到加工位置，摄取透镜光纤1形成在成像屏8上的光学远场像，并将摄取的光学远场像传送给计算机4进行分析计算，获得被加工透镜光纤1的当前远场分布曲线的宽度W，根据当前远场分布曲线的宽度W进一步计算出透镜光纤1的下一步加工参数，并将下一步加工参数传送给透镜光纤加工头3，摄像机2沿导轨6移动到等待位置；4.透镜光纤加工头3根据计算机4提供的下一步加工参数，对光纤末端进行透镜的后序加工工序，该后序加工工序结束后，透镜光纤加工头3沿导轨6移动到等待位置；5.重复上述3～4步骤，直至计算机4根据摄像机2传送的透镜光纤1的光学远场像分析计算出的当前数值孔径NA已经达到设计要求，透镜光纤1的制造过程便告结束值得指出的是，属于本发明总体技术构思范围内的其他实施方式(例如切换透镜光纤装卡控制器5而固定摄像机2或透镜光纤加工头3)亦在本发明的保护范围之内。
由图7所示的根据本发明透镜光纤制造工艺的质量控制方法具体实施方式
制造出的锥形透镜光纤的显微照片可以看出，光纤末端锥形透镜的光学中心线与光纤芯中心线相当吻合。将图8和图9加以对比，可以清楚地看出根据本发明透镜光纤制造工艺的质量控制方法具体实施方式
制造出的锥形透镜光纤的远场(图8)效果相当理想，而根据现有透镜光纤制造工艺的质量控制方法制造出的锥形透镜光纤的远场(图9)效果非常差。说明本发明透镜光纤制造工艺的质量控制方法比现有透镜光纤制造工艺的质量控制方法优越得多。
权利要求
1.一种透镜光纤制造工艺的质量控制方法，其特征在于透镜光纤(1)的制造过程结束与否取决于由摄像机(2)摄取的透镜光纤(1)的当前光学远场像所导出的当前远场参数或其它当前参数是否已经达到预先设定的标准。
2.根据权利要求1所述的透镜光纤制造工艺的质量控制方法，其特征在于所述的摄像机(2)与透镜光纤加工头(3)在计算机(4)的实时控制下，反复交替切换到透镜光纤加工位置，分别执行摄取透镜光纤(1)的光学远场像和对透镜光纤(1)的末端加工透镜的操作步骤。
3.根据权利要求1或2所述的透镜光纤制造工艺的质量控制方法，其特征在于所述的操作步骤包括1).透镜光纤加工头(3)对透镜光纤(1)的前端执行透镜初始加工工序；2).半导体激光器(7)向透镜光纤(1)的尾端注入激光束；3).摄像机(2)摄取透镜光纤(1)的光学远场像；4).计算机(4)分析所摄取的光学远场像，获得被加工透镜光纤(1)的当前远场参数，用预先设定的远场参数标准比较当前远场参数，若被加工透镜光纤(1)的当前远场参数与预先设定的远场参数标准不相符；则进一步计算出透镜光纤(1)的下一步加工参数，透镜光纤加工头(3)根据计算机(4)提供的下一步加工参数对透镜光纤(1)的末端执行后续加工工序；5).重复上述3)～4)步骤，直至计算机(4)根据透镜光纤(1)的光学远场像分析计算出的当前远场参数已达到预先设定的标准，对透镜光纤(1)的加工操作结束。
4.根据权利要求1、2或3所述的透镜光纤制造工艺的质量控制方法，其特征在于所述的当前远场参数为远场半角θ。
5.根据权利要求1、2或3所述的透镜光纤制造工艺的质量控制方法，其特征在于所述的其它当前参数为透镜光纤的数值孔径NA。
6.根据权利要求1、2或3所述的透镜光纤制造工艺的质量控制方法，其特征在于所述的当前远场参数为远场分布曲线的宽度W。
7.根据权利要求1、2或3所述的透镜光纤制造工艺的质量控制方法，其特征在于所述的其它当前参数为透镜光纤的曲率半径R。
全文摘要
本发明公开了一种透镜光纤制造工艺的质量控制方法，在计算机的控制下，摄像机和透镜光纤加工头不断交替被切换到透镜光纤的加工位置，分别完成对透镜光纤远场参数的实时检测和加工。本发明的优点在于1.可以实时监测被加工透镜光纤的远场参数(远场半角或数值孔径)，调整加工工艺参数，使透镜光纤的加工工艺处于完全可控的状态。2.克服了现有透镜光纤制造工艺的质量控制方法中单纯控制光纤端部透镜的几何参数而带来的几何参数合格而光学参数不合格的问题。3.提高了透镜光纤的加工效率和成品率。
文档编号G02B6/32GK1445572SQ02103728
公开日2003年10月1日 申请日期2002年3月15日 优先权日2002年3月15日
发明者戴瑜钟 申请人:天津新技术产业园区科艺光纤技术有限公司