一种便携式焦比测量装置

本发明涉及焦比测量，尤其涉及一种便携式焦比测量装置。

背景技术：

1、光纤焦比指的是光纤垂直于出射方向的光斑直径d与该光斑距光纤端面的距离f的比值f＝f/d。在数值孔径的限定下，理想情况中光纤的出射焦比与入射焦比相同，但现实中由于光纤的弯曲，光纤端面处理等因素影响，光纤的出射焦比总会小于入射焦比，光束更加发散。天文光谱的获取和分析，是天文学中研究天体的重要手段，利用天体的光谱,不但能够确定天体的化学组成，而且可以确定天体的温度、压力、密度、磁场和运动速度等物理条件，而光纤在天文望远镜中的应用大大提高了望远镜对光谱的观测效率。

2、而从第一个基于光纤传输的天文仪器使用以来，光纤焦比退化使得光能量更加分散，一直影响着光谱观测的效率与准确性。虽然光纤的焦比退化特性是无法完全消除的，但必须最小化并了解焦比退化的数值来设计与优化整体天文光谱观测系统。随着望远镜中光纤数量的急剧增加，对光纤出射焦比的高效测量需求愈发明显。

3、现在测量焦比退化主要有两种方法，如图4所示，方法一是模拟望远镜工作状态，411为激光光源，412为白光光源，41、46和47为光纤连接器，42和44为光阑，43和45为透镜，48为ccd相机，49为中控系统；47、48、49所构成的为待测光纤出射焦比的测量部分，其原理是47垂直于48表面出射，48前后移动多个不同位置并拍摄记录光斑，如图5所示，再对光斑图片数据处理进行线性拟合，光板大小随拍摄距离变化的斜率即为出射焦比，一圆形范围平行光通过透镜汇聚到光纤中，47处的出射焦比结果表达为48在某一出射焦比范围内可以收集到整个出射光能量的90％，模拟了该光纤在仪器中的实际表现；方法二是用一个给定角度的准直光束入射光纤，结果表达为输出环的高斯半峰全宽(fwhm)，对应为光纤对该特定角度光的传输模式弥散程度，这些方法均需要较多光学器件，仅适用于实验室内测量且依赖于外接计算机进行数据处理，实时性较差，因此具有待改进的空间。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种便携式焦比测量装置。其优点在于集成光路，简化测量方法，实现了高效的便携式焦比测量，不局限于实验室环境。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种便携式焦比测量装置，包括光源、第一光阑、第二光阑、第一透镜、第二透镜、光学套管、待测系统保护外壳、ccd成像靶面、显示器、中控系统、键盘、待测光纤和光纤连接器；

4、所述光源、第一光阑、第二光阑、第一透镜和第二透镜集成固定于光学套管内，所述光源放置于第一透镜的焦点位置，所述第一透镜和第二透镜之间为平行光，所述第一光阑遮挡杂散光，所述第二光阑用于确定入射于第二透镜上的光斑直径，记为d，所述第二透镜的焦距为记为f；所述光源、第一光阑、第二光阑、第一透镜、第二透镜和光学套管组成定焦比输出光源，其输出焦比为f/d的光斑，所述待测系统保护外壳作为定焦比输出光源与后续光斑处理模块的接口处，所述第二透镜距离待测系统保护外壳的垂直距离为第二透镜的焦距f，所述光学套筒套接于待测系统保护外壳内；

5、所述待测系统保护外壳、ccd、显示器、中控系统和键盘组成光斑处理模块，ccd拍摄光斑数据，中控系统进行处理于显示器输出结果。所述光纤连接器接于待测光纤上。

6、本发明进一步设置为，所述焦比测量装置具有两种操作方式，其一为定标操作：考虑到环境对ccd感光元件的影响，在测试待测光纤之前，将定焦比输出光源与光斑处理系统连接，输入定标光源的设定焦比f1，此时，中控系统会控制第二光阑调节孔径大小，达到设定焦比值，之后ccd拍照并计算光斑直径d1，保证定标数据与测试数据所受环境影响一致。

7、本发明进一步设置为，其二为测试操作：进行测试时，将光斑处理系统的入口装上待测光纤，待测光纤插入转接件，此时ccd记录光斑，计算得到光斑直径d2，利用光纤焦比计算公式即可计算可得该光纤焦比f2，显示于显示器上。

8、本发明进一步设置为，所述光纤焦比计算公式为

9、本发明进一步设置为，所述焦比测量装置考虑到环境对ccd感光元件的影响，在测试待测光纤之前，进行定标光斑拍摄；将定焦比输出光源与光斑处理系统连接，ccd拍照并计算其光斑直径d1，并手动输入该定标光斑的焦比f1，保证定标数据与测试数据所受环境影响一致；在已知待测光纤平均出射焦比的情况下，可以通过第二光阑调节定标光源，使得定标光源焦比接近待测光纤，减少由于ccd感光元件区域差异带来的误差。

10、本发明进一步设置为，所述焦比测量装置可根据待测光纤的不同接口情况，选用相对应的光纤转接器，常见的有fc/pc、fc/apc、sma；将光斑处理系统的入口装上待测光纤，待测光纤插入转接件，此时ccd记录光斑，计算得到光斑直径d2，则计算可得该光纤焦比f2显示于显示器上。

11、本发明进一步设置为，所述焦比测量装置作为定标操作的光源，除了如上述方式，其它可以提供指定焦比出射的点光源均作为定焦比出射模块，包括已知出射焦比的尾纤出射光源。

12、本发明进一步设置为，所述焦比测量装置作为连接待测光纤与光斑处理模块的光纤转接器需要根据实际待测光纤的接头类型更换，如果是裸光纤无标准规格光纤头，则需使用裸纤适配器夹持后再插入光纤转接器中。

13、本发明的有益效果为：

14、1、该便携式焦比测量装置，目前主流的焦比测量手段器件众多结构复杂，本发明集成光路，简化测量方法，实现了高效的便携式焦比测量，不局限于实验室环境。

15、2、该便携式焦比测量装置，不同环境下，ccd对同一光斑的响应有所不同，光斑数据的噪声与环境有关；本发明通过正式测试前的定标操作，减少了环境变化对测量的影响，提高测量精度。

16、3、该便携式焦比测量装置，普遍的测试方法中在一根光纤的焦比测量中需要在多个位置拍摄光斑，使用逐差法代替对待测光纤端面到ccd靶面实际距离的测量；本发明使用类比法计算待测光纤的出射焦比，对一根光纤仅需要一次拍摄即可计算出射焦比，提高测量效率。

技术特征：

1.一种便携式焦比测量装置，其特征在于，包括光源(101)、第一光阑(102)、第二光阑(104)、第一透镜(103)、第二透镜(105)、光学套管(106)、待测系统保护外壳(107)、ccd成像靶面(108)、显示器(109)、中控系统(110)、键盘(111)、待测光纤(112)和光纤连接器(113)；

2.根据权利要求1所述的一种便携式焦比测量装置，其特征在于，所述焦比测量装置具有两种操作方式，其一为定标操作：考虑到环境对ccd感光元件的影响，在测试待测光纤(112)之前，将定焦比输出光源与光斑处理系统连接，ccd拍照并计算其光斑直径d1，并输入该定标光斑的焦比f1。

3.根据权利要求2所述的一种便携式焦比测量装置，其特征在于，其二为测试操作：进行测试时，将光斑处理系统的入口装上待测光纤(112)，待测光纤(112)插入转接件，此时ccd记录光斑，计算得到光斑直径d2，利用光纤焦比计算公式即可计算可得该光纤焦比f2，显示于显示器(109)上。

4.根据权利要求3所述的一种便携式焦比测量装置，其特征在于，所述光纤焦比计算公式为

5.根据权利要求1所述的一种便携式焦比测量装置，其特征在于，所述焦比测量装置考虑到环境对ccd感光元件的影响，在测试待测光纤(112)之前，进行定标光斑拍摄；先输入定标光源的设定焦比f1，此时中控系统(110)会控制第二光阑(104)调节孔径大小，达到设定焦比值之后ccd拍照并计算光斑直径d1在已知待测光纤(112)平均出射焦比的情况下，可以通过第二光阑(104)调节定标光源，使得定标光源焦比接近待测光纤(112)。

6.根据权利要求5所述的一种便携式焦比测量装置，其特征在于，所述焦比测量装置可根据待测光纤的不同接口情况，选用相对应的光纤转接器，常见的有fc/pc、fc/apc、sma；将光斑处理系统的入口装上待测光纤(112)，待测光纤插入转接件，此时ccd记录光斑，计算得到光斑直径d2，则计算可得该光纤焦比f2显示于显示器(109)上。

7.根据权利要求6所述的一种便携式焦比测量装置，其特征在于，所述焦比测量装置作为定标操作的光源，除了如上述方式，其它可以提供指定焦比出射的点光源均作为定焦比出射模块，包括已知出射焦比的尾纤出射光源。

8.根据权利要求7所述的一种便携式焦比测量装置，其特征在于，所述焦比测量装置作为连接待测光纤(112)与光斑处理模块的光纤转接器需要根据实际待测光纤(112)的接头类型更换，如果是裸光纤无标准规格光纤头，则需使用裸纤适配器夹持后再插入光纤转接器中。

技术总结
本发明公开了一种便携式焦比测量装置，涉及焦比测量技术领域，包括光源、第一光阑、第二光阑、第一透镜、第二透镜、光学套管、待测系统保护外壳、CCD成像靶面、显示器、中控系统、键盘、待测光纤和光纤连接器；所述光源、第一光阑、第二光阑、第一透镜和第二透镜集成固定于光学套管内，所述光源放置于第一透镜的焦点位置，所述第一透镜和第二透镜之间为平行光，所述第一光阑遮挡杂散光，所述第二光阑用于确定入射于第二透镜上的光斑直径，记为D，所述第二透镜的焦距为记为F。本发明集成光路，简化测量方法，实现了高效的便携式焦比测量，不局限于实验室环境。

技术研发人员：严云翔,孙伟民,秦子馨,徐凯,汪盛佳,耿涛
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16