CN106840008B - 一种光纤间距测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤间距测量系统及测量方法，改进之后，待测光纤阵列的端面置于显微物镜的前焦面附近，物距稍大于焦距，采样光阑置于显微物镜的后焦面上，图像采集芯片置于显微物镜的像面上。相干光源通过光分路器分成多路，分别接入待测光纤阵列的尾纤，再从光纤端面出射，依次经过显微物镜、采样光阑，入射在图像采集芯片上，获得光纤端面处光斑的图像，再由图像处理模块进行分析，得到光纤间距信息。由于采样光阑的作用，在像面得到光斑图样的复制阵列，阵列间距取决于采样光阑的周期，作为测量中的参考尺度，可免去常规测试系统所需的标准件，提高了测试效率。

Description

一种光纤间距测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及光纤间距测量领域，具体讲是一种光纤间距测量系统及测量方法。

背景技术

光纤在通信、传感等领域有着广泛的应用，在一些多端口的光纤器件中，比如大规模的光开关，人们需要将光纤排成等间距的阵列，作为光器件的输入/输出端口。光纤的纤芯尺寸非常小，通常只有10微米左右，对光纤的排列有很高的精度要求，通常需要达到0.5微米以下，因此对光纤间距的高精度测量，显得尤为重要。

经过检索发现，专利号CN201010042694.7的发明提供一种阵列光纤长度差距的测量方法，包括：第一步，准备测试装置，包括：一宽带光源、一具有一输入端口和第一和第二输出端口的光环形器、一1×2光耦合器、一多通道阵列光纤和一光谱分析仪；第二步，将光环形器的输入端口与所述宽带光源光耦合，并使光环形器的第一输出端与1×2光耦合器的输入端光耦合，所述第二输出端口与光谱分析仪光耦合，1×2光耦合器的两输出端与多通道阵列光纤待测试的任意两路光纤各自光耦合，并自由空间范围(FSR)数据值，再换算成以频率表示的自由空间范围(FSRv)数据值；第三步，通过公式计算出多通道阵列光纤的待测试两路光纤差距d值，当大于0.2mm时，研磨长端光纤，使其达到要求。

专利号CN201120390099.2的实用新型提出一种光纤传感微距测量系统，包括光源、光探测器、传感器探针、反射单元、无线发射模块、无线接收模块、处理模块；所述传感器探针接收光源发出的入射光，经处理后，将得到的反射光发送至光探测器；所述光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，经处理后，通过无线发射模块、无线接收模块发送至处理模块；所述处理模块根据光探测器接收的光信号大小与光纤端面至反射面的距离存在的设定函数关系测量距离。通过本实用新型光纤传感微距测量系统，可工作在野外比较恶劣的环境，长时间工作，实现微小距离或物体位移的无人监测并预警。

专利号CN201610175086.0的发明公开了一种公里级测量距离的光纤检测装置，其特征在于包括：扫频激光源、PC模块、线性扫描驱动控制模块、耦合器、待检测光纤，所述耦合器上设置有供耦合的第三引脚和第四引脚，所述第三引脚与参考信号支路相连，所述第四引脚与控制电路模块相连，所述控制电路模块包括依次串联的编码器和与所述编码器相连的第一支路，所述第一支路包括相互串联的第一偏振分光器、第一平衡接收器和第一平方滤波器，所述编码器与所述第四引脚相连。

然而，对光纤阵列间距的测量，一般先通过影像系统进行放大，再通过图像处理技术，分析得到每根光纤图像之间的距离，除以影像系统的倍率，最终得到光纤间距。然而，影像系统的倍率取决于每次测量时像距与物距的比值，很难获得准确值。因此，通常将一个标准尺度的样品，与待测光纤端面同时置于物面，作为测量中的参考尺度。每次测量都需要标准件，给测量过程带来诸多不便。

现有的测量方案，因显微物镜的后焦面处无采样光阑，只能得到如图4b所示的一组放大的光斑图样，通过图像分析得到像面上的光斑图样间距d₂，通过计算得到物面光纤间距

然而，成像系统的放大倍率β取决于物距l₁，由于成像过程中的对焦情况无法保证一致性，不能获得l₁的准确值，也就不能测得光纤间距d₁的准确值。因此，通常将一个标准尺度的样品，与待测光纤端面同时置于物面，作为测量中的参考尺度。

发明内容

因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种光纤间距测量系统及测量方法。可以对光纤间距进行高精度测量的光学系统，它无需现有技术中通常采用的标准件，可提高测试效率。

本发明是这样实现的，构造一种光纤间距测量系统，用于对光纤阵列端面处的光纤间距进行测量，其特征在于：它包括一台相干光源、一个光分路器、一个待测光纤阵列、一个显微物镜、一个采样光阑、一个图像采集芯片和一个图像处理模块；其中，相干光源与光分路器连接，光分路器与待测光纤阵列连接，显微物镜位于测光纤阵列后，采样光阑位于显微物镜与图像采集芯片之间，图像采集芯片与图像处理模块连接。

待测间距的光纤阵列，其端面即物面，置于显微物镜的前焦面附近(物距稍大于焦距)，采样光阑置于显微物镜的后焦面上，图像采集芯片置于显微物镜的像面上。相干光源通过光分路器分成多路，分别接入待测光纤阵列的尾纤，再从光纤端面出射，依次经过显微物镜、采样光阑，入射在图像采集芯片上，获得光纤端面处光斑的图像，再由图像处理芯片进行分析，得到光纤间距信息。

作为上述技术方案的改进，

所述一种光纤间距测量系统，所述相干光源通过光分路器分成多路，分别接入待测光纤阵列的尾纤，从多根光纤端面输出的光斑，来自同一台相干光源，因此相互之间具有稳定的相位关系，属于相干光成像；相干光源首先被光分路器分成多路，分别接入待测光纤阵列的多根尾纤中，然后从光纤端面出射，依次经过显微物镜、采样光阑，入射在图像采集芯片上，获得光纤端面处光斑的图像，再由图像处理模块进行分析，得到光纤间距信息。

作为上述技术方案的改进，

所述一种光纤间距测量系统，所述待测光纤阵列的端面置于显微物镜的前焦面附近，物距稍大于焦距；获得高倍率成像。

作为上述技术方案的改进，

所述一种光纤间距测量系统，采样光阑置于显微物镜的后焦面上，根据傅立叶光学理论，此处也是成像物体的空间频谱面。图像采集芯片置于显微物镜的像面上，获得光纤端面处的光斑图像，成像倍率β＝l2/l1。

作为上述技术方案的改进，

所述一种光纤间距测量系统，图像采集芯片置于显微物镜的像面上。

作为上述技术方案的改进，

所述一种光纤间距测量系统，采样光阑是一个狭缝阵列，狭缝长度沿y轴方向，各狭缝沿x轴方向排开，间距为t1，待测光纤阵列中的光纤沿y轴方向排开；因采样光阑的作用，在像面得到光斑图样的复制阵列，阵列间距取决于采样光阑的周期，作为测量中的参考尺度，可免去常规测试系统所需的标准件。

采样光阑是一个狭缝阵列，其周期已知，则可知图像复制阵列的间距，此间距可作为参考尺度，据以分析单个图像复件中的光纤间距。参考尺度的精度取决于采样光阑的周期精度，以微电子工艺制作采样光阑，精度很容易达到0.1微米以下，满足测量需要。

一种光纤间距测量方法；按照如下方式实现：

在显微物镜的后焦面处设置一个周期为t1的采样光阑，因此得到光斑图样的复制阵列，阵列沿x轴方向展开，间距为t2；

从每根光纤输出的单个光斑图样，以函数c(x,y)表示，其中(x,y)为物面坐标。多根光纤的输出光斑沿y轴方向排成阵列，光斑阵列的图样函数g(x,y)，数学上，可用单个光斑的图样函数与一个梳状函数的卷积表述，如式(1)，

其中comb为梳状函数符号，

表示一个沿y轴方向排列、间距为d₁的梳状函数；符号“*”表示卷积运算；

根据傅立叶光学原理，数学上，在显微物镜的后焦面上得到的图样函数G(x₁,y₁)，是物面图样函数的傅立叶变换，如式(2)，

其中(x₁,y₁)为显微物镜后焦面上的坐标，函数C是函数c的傅立叶变换，λ为相干光源的波长，f为显微物镜的焦距，符号“·”表示乘积运算；

采样光栅是一个沿x轴方向排列、间距为t₁的狭缝阵列，数学上，其透过率可用梳状函数描述，如式(3)，

在显微物镜的后焦面上，经采样光栅之后，图样函数G′(x₁,y₁)如式(4)，

从显微物镜后焦面至像面的距离较大，满足夫朗和费衍射条件，根据傅立叶光学理论，数学上，像面图样函数g′(x′,y′)是后焦面图样函数的傅立叶变换，如式(5)，

其中(x′,y′)为像面坐标，A为常数，

式(5)中：

函数

表示一个放大倍率为β的光斑图样；函数

表示一个沿y轴方向排列、间距为βd₁的梳状函数；

上述两个函数的卷积

表示一个光斑阵列，光斑尺寸和光斑间距均被放大β倍；

函数

表示一个沿x轴方向排列、间距为

的梳状函数，因此像面图样函数g′(x′,y′)表示：沿y轴方向排列的物面光斑阵列，被放大β倍之后，再沿x轴方向复制成图像阵列，阵列间距为

显微物镜的后焦面处设置了一个采样光阑，因而在像面得到光斑图样的复制阵列，其间距

稍加变换，得到成像系统的放大倍率

相干光源的波长λ、显微物镜的焦距f和采样光阑的周期t₁均为已知的系统参数，图样复制阵列的间距t₂可通过图像分析得到，可作为测量中的参考尺度，据以计算成像系统的放大倍率β，进而得到光纤间距

本发明具有如下优点：本发明所述的光纤间距测量系统，具有如下优点：

优点1：本发明以相干光源照明，并在显微物镜的后焦面设置一个采样光阑，根据傅立叶光学原理，在像面将得到光纤端面处光斑图像的复制阵列，阵列间距取决于采样光阑的周期，可作为测量中的参考尺度。

优点2：本发明所述的光纤间距测试系统，它包括一台相干光源、一个光分路器、一个待测光纤阵列、一个显微物镜、一个采样光阑、一个图像采集芯片和一个图像处理模块。

待测间距的光纤阵列，其端面即物面，置于显微物镜的前焦面附近(物距稍大于焦距)，采样光阑置于显微物镜的后焦面上，图像采集芯片置于显微物镜的像面上。相干光源通过光分路器分成多路，分别接入待测光纤阵列的尾纤，再从光纤端面出射，依次经过显微物镜、采样光阑，入射在图像采集芯片上，获得光纤端面处光斑的图像，再由图像处理芯片进行分析，得到光纤间距信息。本发明无需现有技术中通常采用的标准件，可提高测试效率。

优点3：本发明从多根光纤端面输出的光斑，来自同一台相干光源，因此相互之间具有稳定的相位关系，属于相干光成像。为了获得高倍率成像，光纤端面通常置于显微物镜的前焦面附近，根据傅立叶光学理论，显微物镜的后焦面是其频谱面，在频谱面上设置了采样光阑，对物频谱进行空间采样，其结果是在像面即图像采集芯片上，得到光斑图像的复制阵列(常规的影像系统只有一个图像)，阵列间距取决于采样光阑的周期。

优点4：本发明采样光阑是一个狭缝阵列，其周期已知，则可知图像复制阵列的间距，此间距可作为参考尺度，据以分析单个图像复件中的光纤间距。参考尺度的精度取决于采样光阑的周期精度，以微电子工艺制作采样光阑，精度很容易达到0.1微米以下，满足测量需要。

附图说明

图1是光纤间距测量系统结构

图2是显微物镜成像系统

图3是采样光阑结构

图4是物面及像面的光斑图样。

具体实施方式

下面将结合附图1-图4对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明通过改进在此提供一种光纤间距测量系统，可应用于光纤阵列的测量。图1示出了该测试系统的结构；它包括一台相干光源10、一个光分路器20、一个待测光纤阵列30、一个显微物镜40、一个采样光阑50、一个图像采集芯片60和一个图像处理模块70。

其中，相干光源10首先被光分路器分成多路，分别接入待测光纤阵列30的多根尾纤30b中，然后从光纤端面出射；光纤端面30a置于显微物镜40前焦面附近，采样光阑50置于显微物镜40的后焦面上；图像采集芯片60置于显微物镜40的像面上，获得光纤端面处的光斑图像，再由图像处理模块70进行分析，得到光纤间距信息。

图2所示为显微物镜成像系统结构，详述如下：

光纤端面即物面，置于显微物镜40前焦面附近，物距l₁稍大于焦距f，根据透镜成像原理，像距l₂将远大于焦距，获得高倍率成像。采样光阑50置于显微物镜的后焦面上，根据傅立叶光学理论，此处也是成像物体的空间频谱面。图像采集芯片置于显微物镜40的像面上，获得光纤端面处的光斑图像，成像倍率β＝l₂/l₁。

图3示出了采样光阑结构，它是一个狭缝阵列，狭缝长度沿y轴方向，各狭缝沿x轴方向排开，间距为t₁。对照图2，待测光纤阵列中的光纤沿y轴方向排开。

图4示出了物面及像面的光斑图样，其中a)为物面光斑图样，可以看到，各光斑沿y轴方向展开，间距为d₁。对于常规的显微成像系统，后焦面处无采样光阑，在像面得到一个放大倍率为β的光斑图样，间距为d₂＝βd₁，如b)所示。本发明中，在显微物镜的后焦面处设置一个周期为t₁的采样光阑，因此得到光斑图样的复制阵列，阵列沿x轴方向展开，间距为t₂。

下面对光纤间距测量系统的实现方法进行说明：

从每根光纤输出的单个光斑图样，以函数c(x,y)表示，其中(x,y)为物面坐标。多根光纤的输出光斑沿y轴方向排成阵列，光斑阵列的图样函数g(x,y)，数学上，可用单个光斑的图样函数与一个梳状函数的卷积表述，如式(1)。

其中comb为梳状函数符号，

表示一个沿y轴方向排列、间距为d₁的梳状函数；符号“*”表示卷积运算。

根据傅立叶光学原理，数学上，在显微物镜的后焦面上得到的图样函数G(x₁,y₁)，是物面图样函数的傅立叶变换，如式(2)。

其中(x₁,y₁)为显微物镜后焦面上的坐标，函数C是函数c的傅立叶变换，λ为相干光源的波长，f为显微物镜的焦距，符号“·”表示乘积运算。

采样光栅是一个沿x轴方向排列、间距为t₁的狭缝阵列，数学上，其透过率可用梳状函数描述，如式(3)。

在显微物镜的后焦面上，经采样光栅之后，图样函数G′(x₁,y₁)如式(4)。

从显微物镜后焦面至像面的距离较大，满足夫朗和费衍射条件，根据傅立叶光学理论，数学上，像面图样函数g′(x′,y′)是后焦面图样函数的傅立叶变换，如式(5)。

其中(x′,y′)为像面坐标，A为常数。

下面对式(5)所示图样函数进行解读：

其中，函数

表示一个放大倍率为β的光斑图样；函数

表示一个沿y轴方向排列、间距为βd₁的梳状函数。

其中，上述两个函数的卷积

表示一个光斑阵列，光斑尺寸和光斑间距均被放大β倍。

其中，函数

表示一个沿x轴方向排列、间距为

的梳状函数，因此像面图样函数g′(x′,y′)表示：沿y轴方向排列的物面光斑阵列(如图4a所示)，被放大β倍之后，再沿x轴方向复制成图像阵列，阵列间距为

如图4c所示。

如上所述，现有的测量方案，因显微物镜的后焦面处无采样光阑，只能得到如图4b所示的一组放大的光斑图样，通过图像分析得到像面上的光斑图样间距d₂，通过计算得到物面光纤间距

然而，成像系统的放大倍率β取决于物距l₁，由于成像过程中的对焦情况无法保证一致性，不能获得l₁的准确值，也就不能测得光纤间距d₁的准确值。因此，通常将一个标准尺度的样品，与待测光纤端面同时置于物面，作为测量中的参考尺度。

本发明的技术方案中，显微物镜的后焦面处设置了一个采样光阑，因而在像面得到光斑图样的复制阵列，其间距

稍加变换，得到成像系统的放大倍率

相干光源的波长λ、显微物镜的焦距f和采样光阑的周期t₁均为已知的系统参数，图样复制阵列的间距t₂可通过图像分析得到，可作为测量中的参考尺度，据以计算成像系统的放大倍率β，进而得到光纤间距

本发明要求成像系统采用相干光源照明，各种激光器均具有很好的相干性，可用于该测试系统中。从式

可以看到，影响该系统测量精度的关键因素是采样光阑的周期t₁的精度，以微电子工艺制作采样光阑，精度很容易达到0.1微米以下甚至10纳米量级，满足测量需要。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种光纤间距测量系统，用于对光纤阵列端面处的光纤间距进行测量，其特征在于：它包括一台相干光源(10)、一个光分路器(20)、一个待测光纤阵列(30)、一个显微物镜(40)、一个采样光阑(50)、一个图像采集芯片(60)和一个图像处理模块(70)；其中，相干光源(10)与光分路器(20)连接，光分路器(20)与待测光纤阵列(30)连接，显微物镜(40)位于测光纤阵列(30)后，采样光阑(50)位于显微物镜(40)与图像采集芯片(60)之间，图像采集芯片(60)与图像处理模块(70)连接；

所述相干光源(10)通过光分路器(20)分成多路，分别接入待测光纤阵列(30)的尾纤(30b)，由于从多根光纤端面输出的光斑，来自同一台相干光源，因此相互之间具有稳定的相位关系；然后从光纤端面出射，依次经过显微物镜(40)、采样光阑(50)，入射在图像采集芯片(60)上，获得光纤端面处光斑的图像，再由图像处理模块(70)进行分析，得到光纤间距信息；

所述采样光阑(50)是一个狭缝阵列，狭缝长度沿y轴方向，各狭缝沿x轴方向排开，间距为t1，待测光纤阵列中的光纤沿y轴方向排开；因采样光阑的作用，在像面得到光斑图样的复制阵列，阵列间距取决于采样光阑的周期，作为测量中的参考尺度，可免去常规测试系统所需的标准件。

2.根据权利要求1所述一种光纤间距测量系统，其特征在于：所述待测光纤阵列(30)的光纤端面(30a)置于显微物镜(40)的前焦面附近，物距稍大于焦距；获得高倍率成像。

3.根据权利要求1所述一种光纤间距测量系统，其特征在于：采样光阑(50)置于显微物镜(40)的后焦面上，根据傅立叶光学理论，此处也是成像物体的空间频谱面；图像采集芯片置于显微物镜的像面上，获得光纤端面处的光斑图像，成像倍率β＝l2/l1，其中l1为物距，l2为像距。

4.根据权利要求1所述一种光纤间距测量系统，其特征在于：图像采集芯片(60)置于显微物镜(40)的像面上。

5.一种利用权利要求1所述光纤间距测量系统的光纤间距测量方法；其特征在于：按照如下方式实现；

在显微物镜的后焦面处设置一个周期为t1的采样光阑，因此得到光斑图样的复制阵列，阵列沿x轴方向展开，间距为t2；

从每根光纤输出的单个光斑图样，以函数c(x,y)表示，其中(x,y)为物面坐标；多根光纤的输出光斑沿y轴方向排成阵列，光斑阵列的图样函数g(x,y)，数学上，可用单个光斑的图样函数与一个梳状函数的卷积表述，如式(1)，

其中comb为梳状函数符号，表示一个沿y轴方向排列、间距为d1的梳状函数；符号“*”表示卷积运算；

根据傅立叶光学原理，数学上，在显微物镜的后焦面上得到的图样函数G(x1,y1)，是物面图样函数的傅立叶变换，如式(2)，

其中(x1,y1)为显微物镜后焦面上的坐标，函数C是函数c的傅立叶变换，λ为相干光源的波长，f为显微物镜的焦距，符号“·”表示乘积运算；

采样光栅是一个沿x轴方向排列、间距为t1的狭缝阵列，数学上，其透过率可用梳状函数描述，如式(3)，

在显微物镜的后焦面上，经采样光栅之后，图样函数G′(x1,y1)如式(4)，

从显微物镜后焦面至像面的距离较大，满足夫朗和费衍射条件，根据傅立叶光学理论，数学上，像面图样函数g′(x′,y′)是后焦面图样函数的傅立叶变换，如式(5)，

其中(x′,y′)为像面坐标，A为常数；

式(5)中：

函数

表示一个放大倍率为β的光斑图样；函数

表示一个沿y轴方向排列、间距为βd1的梳状函数；

上述两个函数的卷积

表示一个光斑阵列，光斑尺寸和光斑间距均被放大β倍；

函数

表示一个沿x轴方向排列、间距为

的梳状函数，因此像面图样函数g′(x′,y′)表示：沿y轴方向排列的物面光斑阵列，被放大β倍之后，再沿x轴方向复制成图像阵列，阵列间距为

显微物镜的后焦面处设置了一个采样光阑，因而在像面得到光斑图样的复制阵列，其间距

稍加变换，得到成像系统的放大倍率

相干光源的波长λ、显微物镜的焦距f和采样光阑的周期t1均为已知的系统参数，图样复制阵列的间距t2可通过图像分析得到，可作为测量中的参考尺度，据以计算成像系统的放大倍率β，进而得到光纤间距

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