CN103630337B - 透镜前端焦距测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种透镜前端焦距测量装置和方法，其中，装置包括光源模块、入射模块、反射模块和接收模块；入射模块和反射模块同光轴设置，被测透镜同光轴设置在入射模块和反射模块之间，反射模块与被测透镜相对固定且能够沿光轴方向一同移动；入射模块用于将光源模块发射的光变换成汇聚光，并将汇聚光传输给被测透镜，入射模块还用于折射反射模块反射的反射光和被测透镜前端面反射的反射光；反射模块用于反射透过被测透镜的光；接收模块用于接收入射模块折射回的反射光并分别检测反射模块反射的反射光的强度和被测透镜前端面反射的反射光的强度。本发明提供的透镜前端角度测量装置和方法，测量精度较高。

Description

透镜前端焦距测量装置和方法

技术领域

本发明涉及光学测试技术，尤其涉及一种透镜前端焦距测量装置和方法。

背景技术

光纤通信的原理是：在发送端首先将传送的信息变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。

在光纤通信系统中，激光器将电信息信号转换为激光信号，再耦合到光纤中进行传输。光信号的发射和接收都均需要很高的耦合效率，实现高耦合效率不仅要求激光器芯片具有小的发散角，还要求透镜具有很好的聚光性及精确的前端焦距和后端焦距。特别是对于大规模工业化生产，由于各类组装件及工序的标准化，光收发器件中透镜焦距的微小偏移会给整个器件的光功率带来很大的影响，因此，需要精确控制透镜的焦距，以提高光收发器件的成品率。

申请公布号为CN102564736A的中国专利文献公开了一种用于测量透镜焦距的装置，如图1所示，该装置包括光源模块10、反射模块20和接收模块30，待测透镜40和反射模块20依次设置在光源模块10输出的光路上，光源模块10的出光面与接收模块30的接收面共面，接收模块30可在该平面内平移。光源模块10的输出光经待测透镜40第一次折射后射向反射模块20（图1中实线所示），反射模块20将光线反射，再经上述待测透镜40第二次折射后形成汇聚光束（图1中虚线所示），并由接收模块30接收并在接收模块30的接收面上形成光斑。调整光源模块10、接收模块30与待测透镜40之间的距离，当呈现在接收模块30上的光斑最小时，测得待测透镜40到接收模块30的距离即为待测透镜40的焦距。

由上述现有技术方案可知，反射模块20将透过待测透镜40的平行光反射回待测透镜40，再通过待测透镜40聚光后投射在接收模块30的接收面上，通过肉眼判断接收模块30上的光斑达到最小时，测量待测透镜40到接收模块30的距离得到待测透镜40的焦距。由于通过肉眼观测接收模块30上光斑的大小，因此误差较大，导致测量的待测透镜40焦距的精度较低。

发明内容

本发明提供一种透镜前端焦距测量装置和方法，用于解决现有技术中透镜焦距测量装置和方法所测得的透镜焦距精度较低的技术缺陷。

本发明提供的一种透镜前端焦距测量装置，包括光源模块、入射模块、反射模块和接收模块；所述入射模块和反射模块同光轴设置，被测透镜同光轴设置在所述入射模块和所述反射模块之间，所述反射模块与所述被测透镜相对固定且能够沿光轴方向一同移动；

所述入射模块用于将所述光源模块发射的光变换成汇聚光，并将所述汇聚光传输给所述被测透镜，所述入射模块还用于折射所述反射模块反射的反射光和所述被测透镜前端面反射的反射光；

所述反射模块用于反射透过所述被测透镜的光；

所述接收模块用于接收所述入射模块折射回的反射光并分别检测所述反射模块反射的反射光的强度和所述被测透镜前端面反射的反射光的强度。

本发明还提供一种透镜前端焦距测量方法，包括：

入射模块将光源模块发射的光变换成用于发射给被测透镜的汇聚光，并折射反射模块反射的反射光和被测透镜前端面反射的反射光；

沿光轴方向上一同移动所述反射模块和被测透镜，接收模块检测所述入射模块折射的反射模块反射的反射光和被测透镜前端面反射的反射光的强度；

当所述接收模块检测到所述被测透镜前端面的反射光强度最大时，记录所述反射模块的位置坐标值Z₀；当所述接收模块检测到所述反射模块反射的反射光强度最大时，记录所述反射模块的位置坐标值Z₁；

得到所述被测透镜的前端焦距f，f=Z₁-Z₀。

本发明提供的透镜前端焦距测量装置和方法，入射模块可以将光源模块发射的光变换成汇聚光，并且能够折射反射模块反射的反射光和被测透镜前端面反射的反射光；而接收模块能够接收入射模块折射回的反射光并分别检测反射模块反射的反射光的强度和被测透镜前端面反射的反射光的强度，当接收模块检测到被测透镜前端面反射的反射光强度最大时，记录反射模块的位置坐标，当接收模块检测到反射模块反射的反射光的强度最大时，记录反射模块的位置坐标，两者之差就是被测透镜的前端焦距，由于入射模块能够将光源模块发射的光变换成汇聚光并传输给被测透镜，将汇聚光作为被测光，使得被测透镜和反射模块反射的反射光可以为平行光，便于接收模块检测反射光强度的最大值，因而可以提高测量被测透镜前端焦距的精度，并且接收模块可以直接测得反射光的强度，不需要其他模拟分析方法确定光强的最大值，接收模块检测的反射光的强度最大值的数据较为精确，误差较小，与现有技术相比，该装置测量被测透镜的前端焦距的精度较高。

附图说明

图1为现有技术中的一种用于测量透镜焦距的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种透镜前端焦距测量装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种透镜前端焦距测量装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的透镜前端焦距测量方法的流程图；

图5为图4所示实施例中步骤100的一种具体实施方式的流程图。

附图标记：

1-光源模块； 2-入射模块； 3-反射模块；

4-接收模块； 5-位置控制台； 6-控制系统；

21-偏振分光镜； 22-第一透镜； 23-第二透镜；

24-波片； 41-感光器； 42-第三透镜。

具体实施方式

图2为本发明实施例提供的一种透镜前端焦距测量装置的结构示意图；如图2所示，本实施例提供的透镜前端焦距测量装置，包括光源模块1、入射模块2、反射模块3和接收模块4；入射模块2和反射模块3同光轴设置，被测透镜10同光轴设置在入射模块2和反射模块3之间，反射模块3与被测透镜10相对固定且能够沿光轴方向一同移动。

入射模块2用于将光源模块1发射的光变换成汇聚光，并将汇聚光传输给被测透镜10，入射模块2还用于折射反射模块3反射的反射光和被测透镜10前端面反射的反射光；反射模块3用于反射透过被测透镜10的光。

接收模块4用于接收入射模块2折射回的反射光并分别检测反射模块3反射的反射光的强度和被测透镜10前端面反射的反射光的强度。

具体地，光源模块1可以包括激光器和光纤，激光器的发射口与光纤的一端连接，光纤的另一端用于向入射模块2发射光束，光纤发射的光可以视为点发散光。当然，光源模块1也可以为其他能够发射光束的光源器件。反射模块4可以为平面反射镜。

入射模块2可以有多种实现形式，可以通过不同光学器件组合，将光源模块1发射的光变换成汇聚光，并且还可以实现折射反射模块3反射的反射光和被测透镜10前端面反射的反射光。

接收模块4可以包括感光器41；感光器41用于分别检测反射模块3反射的反射光的强度和被测透镜10前端面反射的反射光的强度。具体地，感光器41可以为CCD（Charge-coupled Device电荷耦合元件）感光器，通过CCD感光器检测反射模块3反射的反射光的强度和被测透镜10前端面反射的反射光的强度，当然，感光器41也可以为其他形式具有检测光强功能的感光器，在此不再一一举例。该透镜前端焦距测量装置在实际应用时，可以通过接收模块分别检测反射模块反射的反射光的强度和被测透镜前端面反射的反射光的强度，当接收模块检测到被测透镜前端面反射的反射光强度最大时，可以通过人工记录反射模块的位置坐标Z₀，当接收模块检测到反射模块反射的反射光的强度最大时，可以通过人工记录记录反射模块的位置坐标Z₁，通过人工方式计算Z₁与Z₀之差，两者之差就是被测透镜的前端焦距。

另外，还可以通过自动控制技术，当接收模块检测到被测透镜前端面反射的反射光强度最大时，自动记录反射模块的位置坐标Z₀，当接收模块检测到反射模块反射的反射光的强度最大时，自动记录记录反射模块的位置坐标Z₁，自动计算出Z₁与Z₀之差，两者之差就是被测透镜的前端焦距。本实施例提供的透镜前焦距测量装置，入射模块可以将光源模块发射的光变换成汇聚光，并且能够折射反射模块反射的反射光和被测透镜前端面反射的反射光；而接收模块能够接收入射模块折射回的反射光并分别检测反射模块反射的反射光的强度和被测透镜前端面反射的反射光的强度，由于入射模块能够将光源模块发射的光变换成汇聚光并传输给被测透镜，将汇聚光作为被测光，使得被测透镜和反射模块反射的反射光可以为平行光，便于接收模块检测反射光强度的最大值，因而可以提高测量被测透镜前端焦距的精度，并且接收模块可以直接测得反射光的强度，不需要其他模拟分析方法确定光强的最大值，接收模块检测的反射光的强度最大值的数据较为精确，误差较小，与现有技术相比，该装置测量被测透镜的前端焦距的精度较高。

在上述实施例技术方案的基础上，优选地，入射模块2可以包括偏振分光镜21；偏振分光镜21用于透过光源模块1发射的光并折射反射模块3反射的反射光和被测透镜10前端面反射的反射光。偏振分光镜21可以直接透过o光，不对o光产生折射，偏振分光镜21可以对e光可以产生90°的折射。o光就是寻常光，沿不同方向传播速度相同，o光的振动方向垂直于o光的主平面。e光沿不同方向传播速率不同，e光的振动方向在e光的主平面内。

本实施例中，可以通过偏振分光镜21透过光源模块1发出的光，并折射反射模块3反射的反射光和被测透镜10前端面反射的反射光。

入射模块2还包括第一透镜22，第一透镜22与偏振分光镜21同轴设置，第一透镜22位于光源模块1和偏振分光镜21之间，用于对光源模块1发射的光准直为平行光，并将平行光传输给偏振分光镜21。优选地，第一透镜22可以为准直透镜，第一透镜22与光源模块1中的光纤端部的距离等于第一透镜22的前端焦距，也就是说，光源模块1中的光纤发光点处于第一透镜22的前端焦点处，第一透镜22可以将光源模块1发射的发散光准直为平行光。

入射模块2还包括第二透镜23，第二透镜23与第一透镜22同轴设置，第二透镜23位于偏振分光镜21和被测透镜10之间，用于对透过偏振分光镜21的光进行汇聚，并将汇聚后的光发给被测透镜10，优选地，第二透镜23可以为准直透镜。

进一步地，入射模块2还包括设置于偏振分光镜21与第二透镜23之间的波片24；波片24用于改变透过偏振分光镜21的光的振动方向、反射模块3反射回来的反射光的振动方向和被测透镜10前端面反射回来的反射光的振动方向。优选地，波片24可以为1/4波片，该1/4波片用于将透过偏振分光镜21的平行光的振动方向、反射模块3反射回来的反射光的振动方向和被测透镜前端面10反射回来的反射光的振动方向旋转45度。

上述实施例中，光源模块1发射的光经过第一透镜22准直为平行光，该平行光可以为o光，透过第一透镜22的平行光可以透过偏振分光镜21，透过偏振分光镜21的平行光经过1/4波片，将该平行光的振动方向旋转45度，进入第二透镜23，第二透镜23将平行光汇聚。经过被测透镜10和反射模块3反射的反射光再一次经过1/4波片，1/4波片将反射光的振动方向再次旋转45度，反射光变成与o光振动方向正交的e光，反射光经偏振分光镜21折射90度后进入接收模块4。

上述实施例中，通过第一透镜22和第二透镜23将光源模块1发出的光转换成汇聚光并传输给被测透镜10和反射模块3，将汇聚光作为被测光，使得被测透镜10和反射模块3反射的反射光可以为平行光，便于接收模块4检测反射光强度的最大值，因而可以提高测量被测透镜前端焦距的精度。

在上述实施例技术方案的基础上，进一步地，可以将反射模块3设置于被测透镜10的后端焦点处。当光源模块1采用激光器时，激光器发出的光为高斯光束，透过被测透镜10的光也为高斯光束，该高斯光束的束腰位于被测透镜10的后端焦点处。将反射模块3设置在被测透镜10的后端焦点处，使得反射模块3的反射面位于高斯光束的束腰处，可以提高发射模块3反射的反射光强度，更有利于接收模块4检测反射模块3反射的反射光强度。

优选地，接收模块4还包括第三透镜42；第三透镜42设置在偏振分光镜21和感光器41之间，用于汇聚偏振分光镜21折射出来的光，第三透镜42也可以为准直透镜。由于接收模块4还第三透镜42，可以汇聚振分光镜21折射出来的光，再传输给感光器41，因此可以减小感光器41的接收面积，并且可以提高感光器41的检测精度。

图3为本发明实施例提供的另一种透镜前端焦距测量装置的结构示意图；如图3所示，在上述实施例技术方案的基础上，进一步地，该透镜前端焦距测量装置还包括位置控制台5；反射模块3和被测透镜10固定设置在位置控制台5上，位置控制台5用于调整反射模块3和被测透镜10沿光轴方向的位置并能标示反射模块3的位置坐标值。本实施例中，通过位置控制台5驱动被测透镜10及反射模块3一通运动，并且可以精确确定反射模块3的位置坐标，可以进一步提高透镜前端焦距测量装置测量透镜前端角度的精度。

本实施例中，光源模块1中的激光器可以为发射半导体激光器芯片，具体地可以为未封帽TO，TO是半导体激光器的一种标准封装方式。被测透镜10可以为TO封装用非球透镜。位置控制台5可以为多维位置控制台，至少可进行4维位置调整，即上下、左右、前后及被测透镜10的面外偏转。激光器芯片发射的光束通常为线偏振光，可以精确控制激光器芯片与偏振分光镜21的空间位置，使得激光器芯片发射的线偏振光经过偏振分光镜21时不被折射，也就是相对于偏振分光镜21为o光。

被测透镜10可以通过透镜夹具固定在位置控制台5上，反射模块3也固定在位置控制台5上，被测透镜10和反射模块3与入射模块2同光轴，反射模块3可以为平面反光镜，该平面反光镜位于被测透镜10的后端焦点处。接收模块4可以包括CCD感光器，由于被测透镜10位置稍有偏移，则被测透镜10前端面和反射模块3反射的反射光会在CCD感光器端形成较大位置偏移，因而该CCD感光器的面积应足够大，可使降低测试难度，具体地，CCD感光器的面积可以设置为20mm×20mm。

进一步地，如图3所示，该透镜前端焦距测量装置还包括控制系统6；控制系统6用于控制位置控制台5的位置，并读取接收模块4中的CCD感光器检测的反射光的强度以及反射模块3的位置坐标值。本实施例通过控制系统6能够精确控制位置控制台5的位置，并且通过控制系统6能够精确读取接收模块中的CCD感光器检测的反射光的强度以及发射模块3的位置坐标值，并且能够精确自动计算出被测透镜的前端焦距，可以进一步提高透镜前端焦距测量装置测量透镜前端角度的测量精度。

图4为本发明实施例提供的透镜前端焦距测量方法的流程图，如图4所示，本实施例提供的透镜前端焦距测量方法，应用上述实施例提供的透镜前端焦距测量对被测透镜的前端焦距进行测量，该方法包括：

步骤100，入射模块将光源模块发射的光变换成用于发射给被测透镜的汇聚光，并折射反射模块反射的反射光和被测透镜前端面反射的反射光。

具体地，光源模块可以为激光器芯片，具体为未封冒的TO，反射模块可以为平面反光镜，被测透镜可以为以TO封装用非球透镜。

步骤200，沿光轴方向上一同移动所述反射模块和被测透镜，接收模块检测所述入射模块折射的反射模块反射的反射光和被测透镜前端面反射的反射光的强度。

具体地：通过控制系统控制位置控制台运动，驱动反射模块和被测透镜沿光轴方向移动；控制系统控制感光器检测偏振分光镜折射的反射光的强度。

图5为图4所示实施例中步骤100的一种具体实施方式的流程图。如图5所示，优选地，步骤100可以包括：

步骤101，第一透镜将光源模块发射的光准直成平行光，所述平行光透过偏振分光镜，并由第二透镜进行汇聚。具体地：第一透镜将光源模块发射的发散光准直成平行光。该平行光为线偏振光，通过精确控制激光器芯片与偏振分光镜的空间位置，使得激光器芯片发射的线偏振光经过偏振分光镜时不被折射，也就是相对于偏振分光镜为o光。透过偏振分光镜的平行光经1/4波片将振动方向旋转45度。旋转45度的平行光通过第二透镜进行汇聚。

步骤102，偏振分光镜将反射模块反射的反射光和被测透镜前端面反射的反射光折射。

步骤300，当所述接收模块检测到所述被测透镜前端面的反射光强度最大时，记录所述反射模块的位置坐标值Z₀；当所述接收模块检测到所述反射模块反射的反射光强度最大时，记录所述反射模块的位置坐标值Z₁。

具体地，当感光器检测到所述被测透镜前端面的反射光强度最大时，控制系统读取位置控制台的位置坐标值Z₀；需要说明的是，被测透镜前端面与第二透镜发出的汇聚光的焦点重合时，感光器检测到所述被测透镜前端面的反射光强度最大。当感光器检测到反射模块反射的反射光强度最大时，控制系统读取位置控制台的位置坐标值Z₁。

具体操作如下，控制系统控制位置控制台移动，沿光轴方向调整被测透镜和反射模块的位置，使被测透镜的前端面在第二透镜汇聚的入射光焦点附件移动，被测透镜前端面反射的反射光可经1/4波片再次旋转45°，从而与入射光偏振态垂直，从而经偏振分光镜可进行90°折射，折射后的光束经第三透镜汇聚后可被CCD感光器探测。通过CCD感光器扫描被测透镜前端面反射的反射光强度，当感光器探测光强最强时，记录位置控制台的位置坐标值Z₀，也就是反射模块的位置坐标值Z₀。

控制系统控制位置控制台继续移动，使得位置控制台带动被测透镜和反射模块沿光轴方向远离入射光焦点，通过CCD感光器扫描反射模块反射的反射光光强，当入射光焦点与被测透镜焦点重合则反射模块反射的反射光强最大，记录位置控制台的位置坐标值Z₁，也就是反射模块的位置坐标值Z₀。

步骤400，得到所述被测透镜的前端焦距f，f=Z₁-Z₀。

被测透镜相对于激光器芯片的前端焦距为：f=Z₁-Z₀。即说明将被测激光器芯片表面与被测透镜的前端面间距设置为f时，可获得最佳的聚光效果。

本实施例提供的透镜前端焦距测量方法，入射模块可以将光源模块发射的光变换成汇聚光，并且能够折射反射模块反射的反射光和被测透镜前端面反射的反射光；而接收模块能够接收入射模块折射回的反射光并分别检测反射模块反射的反射光的强度和被测透镜前端面反射的反射光的强度，当接收模块检测到被测透镜前端面反射的反射光强度最大时，记录反射模块的位置坐标Z₀，当接收模块检测到反射模块反射的反射光的强度最大时，记录反射模块的位置坐标Z₁，两者之差就是被测透镜的前端焦距，由于入射模块能够将光源模块发射的光变换成汇聚光并传输给被测透镜，将汇聚光作为被测光，使得被测透镜和反射模块反射的反射光可以为平行光，便于接收模块检测反射光强度的最大值，因而可以提高测量被测透镜前端焦距的精度，并且接收模块可以直接测得反射光的强度，不需要其他模拟分析方法确定光强的最大值，接收模块检测的反射光的强度最大值的数据较为精确，误差较小，与现有技术相比，该装置测量被测透镜的前端焦距的精度较高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种透镜前端焦距测量装置，其特征在于，包括光源模块、入射模块、反射模块和接收模块；所述入射模块和反射模块同光轴设置，被测透镜同光轴设置在所述入射模块和所述反射模块之间，所述反射模块与所述被测透镜相对固定且能够沿光轴方向一同移动；

所述入射模块用于将所述光源模块发射的光变换成汇聚光，并将所述汇聚光传输给所述被测透镜，所述入射模块还用于折射所述反射模块反射的反射光和所述被测透镜前端面反射的反射光；

所述反射模块用于反射透过所述被测透镜的光；

所述接收模块用于接收所述入射模块折射回的反射光并分别检测所述反射模块反射的反射光的强度和所述被测透镜前端面反射的反射光的强度。

2.根据权利要求1所述的透镜前端焦距测量装置，其特征在于，所述反射模块位于所述被测透镜的后端焦点处。

3.根据权利要求1所述的透镜前端焦距测量装置，其特征在于，

所述入射模块包括偏振分光镜；

所述偏振分光镜用于透过所述光源模块发射的光并折射所述反射模块反射的反射光和所述被测透镜前端面反射的反射光。

4.根据权利要求3所述的透镜前端焦距测量装置，其特征在于，所述入射模块还包括第一透镜，所述第一透镜位于所述光源模块和所述偏振分光镜之间，用于对所述光源模块发射的光准直为平行光，并将所述平行光传输给所述偏振分光镜。

5.根据权利要求4所述的透镜前端焦距测量装置，其特征在于，所述入射模块还包括第二透镜，所述第二透镜位于所述偏振分光镜和所述被测透镜之间，用于对透过所述偏振分光镜的光进行汇聚，并将汇聚后的光发给所述被测透镜。

6.根据权利要求5所述的透镜前端焦距测量装置，其特征在于，所述入射模块还包括设置于所述偏振分光镜与第二透镜之间的波片；所述波片用于改变透过所述偏振分光镜的光的振动方向、反射模块反射回来的反射光的振动方向和被测透镜前端面反射回来的反射光的振动方向。

7.根据权利要求6所述的透镜前端焦距测量装置，其特征在于，所述波片为1/4波片，所述1/4波片用于将透过所述偏振分光镜的平行光的振动方向、反射模块反射回来的反射光的振动方向和被测透镜前端面反射回来的反射光的振动方向旋转45度。

8.一种透镜前端焦距测量方法，其特征在于，包括：

入射模块将光源模块发射的光变换成用于发射给被测透镜的汇聚光，并折射反射模块反射的反射光和被测透镜前端面反射的反射光；

沿光轴方向上一同移动所述反射模块和被测透镜，接收模块检测所述入射模块折射的反射模块反射的反射光的强度和被测透镜前端面反射的反射光的强度；

当所述接收模块检测到所述被测透镜前端面的反射光强度最大时，记录所述反射模块的位置坐标值Z₀；当所述接收模块检测到所述反射模块反射的反射光强度最大时，记录所述反射模块的位置坐标值Z₁；

得到所述被测透镜的前端焦距f，f＝Z₁-Z₀。

9.根据权利要求8所述的透镜前端焦距测量方法，其特征在于，所述入射模块将光源模块发射的光变换成用于发射给所述被测透镜的汇聚光，并折射反射模块反射的反射光和被测透镜前端面反射的反射光，包括：

第一透镜将光源模块发射的光准直成平行光，所述平行光透过偏振分光镜，并由第二透镜进行汇聚；

偏振分光镜将反射模块反射的反射光和被测透镜前端面反射的反射光折射。

10.根据权利要求9所述的透镜前端焦距测量方法，其特征在于，所述第一透镜将光源模块发射的光准直成平行光，所述平行光透过偏振分光镜，并由第二透镜进行汇聚，包括：

第一透镜将光源模块发射的发散光准直成平行光；

透过偏振分光镜的平行光经1/4波片将振动方向旋转45度；

旋转45度的平行光通过第二透镜进行汇聚。