CN109375330B - 一种光纤阵列与蝇眼透镜的对准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤阵列与蝇眼透镜的对准系统及方法，属于光纤阵列与蝇眼透镜的对准领域。包括平行光路，调节系统和观测系统三部分。平行光路包括激光光源、平行光管以及两个可调光阑；调节系统包括一个五维调节台和一个六维调节台；观测系统包括蝇眼端观测系统和狭缝端观测系统两部分；三个显微成像系统在水平，垂直和正面三个方向观察光纤阵列和蝇眼透镜的的对准情况，通过狭缝端的观测系统确定亮度均匀性，从而可以判定光纤阵列和蝇眼透镜已经处于对准状态。可以实现光纤阵列与蝇眼透镜的非接触对准，避免了对准端面的损伤，三维对准方法可以使对准过程变得简洁易行，并且减少了对准时的误差，较大的提高蝇眼透镜与光纤阵列的对准精度。

Description

一种光纤阵列与蝇眼透镜的对准系统及方法

技术领域

本发明属于光纤阵列与蝇眼透镜的对准领域，具体涉及一种光纤阵列与蝇眼透镜的对准系统及方法。

背景技术

光纤阵列与蝇眼透镜的对准是积分市场单元(Integral Field Unit)的关键技术之一。为了获取望远镜焦面上二维视场的光谱，同时又不降低空间分辨率，首选的方法是采用基于积分视场单元(IFU)的三维成像光谱技术，积分视场单元(IFU)的功能是将二维视场中的目标进行采样，将二维视场内的源目标连续切割成若干单元，重新排列后把每一个采样单元的能量送入光谱仪，同时获得目标完整的天体信息。积分视场单元主要有3种技术：微透镜阵列、微透镜阵列+光纤束、像切分器。由于光纤的优越性，其中微透镜阵列+光纤束技术非常适合多IFU系统。

微透镜阵列加光纤束方法，焦面光场被微透镜阵列分割成若干单元，每个单元对应一根光纤，通过微透镜将光耦合进入光纤中，出射光纤依次排列，接入光谱仪中进行光谱分析。IFU作为FASOT系统中连接前置望远镜和光谱仪的重要器件，它的性能会对FASOT系统的测量精度和收光效率产生很大的影响，而影响IFU性能的参数主要为光纤的传输效率和光纤的出射焦比，而微透镜阵列和光纤束在没有完全对准的情况下恰好会影响光纤的传输效率和出射焦比，所以光纤阵列与蝇眼透镜的对准系统及方法的研究显得尤其重要。

中国专利CN205496952U所述的端面对准器，使用时，将固定夹安装在其中一个被测端面上，在轴向表孔和径向测试表座上分别安装百分表，调节固定连杆和径向测试表座的位置，使百分表分别与另一个测试端面贴合，如此转动被测试端面，即可测试两个测试端面的平行度和轴向水平度。该方法能适用于各种规格两端面水平度、平行度的精度控制，该实施例所述的两端面对准方法虽然可以很好地控制两端面的对准精度，但却无法实现类似微透镜阵列与光纤阵列等微小尺寸的端面的夹持与对准。

在已有的积分视场单元中关于光纤阵列与蝇眼透镜的对准的操作方式多采用接触式对准方法，即在光纤阵列面与蝇眼透镜表面均涂覆紫外胶后，利用两端面的接触挤压实现二者的对准，该方法一方面无法保证光纤阵列与蝇眼透镜在三维方向上的完全对准，另一方面在对准的过程中会导致两端面的损伤，从而影响光纤的传输效率和出射焦比。

发明内容

本发明的目的在于提出在避免接触和对光纤和蝇眼透镜端面的损伤的情况下，实现蝇眼透镜与光纤阵列的完全对准一种光纤阵列与蝇眼透镜的对准系统及方法。

一种光纤阵列与蝇眼透镜的对准系统，包括平行光路，调节系统和观测系统，其中：所述平行光路，用于产生平行光以及为对准提供光源；所述调节系统，用于对准时进行调整；所述观测系统，分为蝇眼端观测和狭缝端观测两部分；所述的光纤阵列带有两组十字形的定位光纤，所述的蝇眼透镜带有与定位光纤位置相应的十字叉丝，使用所述调整系统进行调整，并通过所述观测系统的蝇眼端确定光纤阵列的定位光纤与蝇眼透镜的十字叉丝相重合。

所述平行光路包括一个亮度可调光源，平行光管以及可调光阑一和可调光阑二，所述可调光源中光强非饱和，平行光管产生平行光，光束与光纤阵列垂直。

所述调节系统包括与光纤阵列连接的五维调节台，以及用于与蝇眼透镜连接的六维调节台。

所述蝇眼端观测由独立的显微成像系统一，显微镜成像系统2和显微成像系统三组成；所述显微成像系统一，可进行三维调节；所述显微成像系统二，可进行三维调节；所述显微成像系统三，可进行三维调节。

所述狭缝端观测由一个大靶面CCD和一个二维调节台构成。

一种光纤阵列与蝇眼透镜的对准方法，包括以下步骤：

(1)将光源亮度调高，通过平行光管产生平行光，调整可调光阑一的位置以及可调光阑二的位置，使平行光光斑中心与可调光阑一以及可调光阑二的中心相重合；

(2)将光纤阵列基板固定在调节系统的五维调节台上，并且将五维调节台的量程处于有效量调节范围内；

(3)将可调光阑一调至最大状态，可调光阑二调至最小状态成一小孔，平行光通过可调光阑二射入光纤阵列基板，在光纤阵列上产生反射光，调节五维台使反射光进入可调光阑二的小孔中；

(4)将蝇眼透镜用夹具夹持，固定在调节系统的六维调节台上，并且将六维调节台的量程处于有效调节范围内；

(5)将分束立方体用调节架固定，放置于可调光阑二与蝇眼透镜之间，并靠近蝇眼透镜方向，调整分束立方体的位置，直至可以用显微成像系统三观察到蝇眼透镜与光纤阵列基板；

(6)调节固定分束立方体的支架旋钮，将步骤三中所述反射光再次反射进入可调光阑二的小孔中；

(7)将调节系统中用于夹持光纤阵列基板的五维调节台进行X、Y轴方向调节，直至通过显微成像系统三观察到平行光光斑处于光纤阵列中心位置；

(8)放置蝇眼透镜，利用六维调节台调节蝇眼透镜的位置，利用显微成像系统一观察蝇眼透镜，调节CCD的位置和放大倍数，使蝇眼透镜成像清晰；

(9)利用显微成像系统二和显微成像系统三观测光纤阵列基板与蝇眼透镜的水平维度，调节六维调节台，使二者在水平面的二维方向上使两个平面处于平行状态；

(10)利用六维调节台旋转蝇眼透镜角度，使蝇眼透镜的叉丝定位线与IFU光纤束端的定位光纤位置重合；

(11)拉近蝇眼透镜与光纤阵列基板两面之间的距离，直至在狭缝端观测到光纤全亮并无明显周期性明暗变化；

(12)再次拉近蝇眼透镜与IFU光纤束基板端间距，使其保持在20-50μm之间，用六维调节台台调节蝇眼透镜的水平维度，再次与IFU光纤束基板端成平行状态，并在狭缝端观测，使光纤全部明亮且无明显周期性变化；

(13)将显微成像系统二和显微成像系统三放大倍数提高并聚焦至清晰状态，利用像素计算两平面间距离，用六维台调节将两平面间距调节为20μm，轻微调节，使狭缝端光纤亮度达到最大，用光功率计测量出光强最大值处，调节完成。

本发明的有益效果在于：

通过上述的对准系统和三维对准方法，实现了蝇眼透镜和光纤阵列在在三维防线上的对准，在避免接触和对光纤和蝇眼透镜端面的损伤的情况下，实现蝇眼透镜与光纤阵列的完全对准。

附图说明

图1为光纤阵列与蝇眼透镜对准系统装置图；

图2为光源调整流程图；

图3为光纤阵列与蝇眼透镜对准流程图；

图4为狭缝端的观测流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图中各标号含义为：1—激光光源，2—平行光管，3—可调光阑一，4—可调光阑二，5—分束立方体，6—蝇眼透镜7—光纤阵列，8—五维调节台，9—六维调节台，10—显微成像系统一，11—显微成像系统二，12—显微成像系统三，13—狭缝端观测系统。

参见图1，本发明的光纤阵列与蝇眼透镜的对准系统，包括亮度可调的激光光源1、平行光管2、可调光阑3，4、分束立方体5、蝇眼透镜6、光纤阵列7、五维调节台8、六维调节台9、蝇眼端观测系统10，11，12、狭缝端观测系统13。其中激光光源1发出的非饱和光源经过平行光管得到平行光，再经过两个可调光阑3，4实现平行光垂直入射蝇眼透镜和光纤阵列，通过五维调节台和六维调节台分别对蝇眼透镜、光纤阵列进行方位调节。利用三个显微成像系统一0，11，12对蝇眼透镜和光纤阵列的在水平，垂直，正面三个方向的成像和光纤阵列上两组定位光纤与蝇眼透镜上十字叉丝的重合状况进行观察，利用狭缝端观测系统13观察光纤是否全亮并无明显周期性明暗变化。从而判断光纤阵列与蝇眼透镜已完全对准；

参见图2，本发明的光纤阵列与蝇眼透镜的对准方法，为了保证入射光垂直入射IFU光纤束，包括以下步骤：

将激光光源1亮度调高，通过平行光管2产生平行光，调整可调光阑一3的位置以及可调光阑二4的位置，使平行光光斑中心与可调光阑一3以及可调光阑二4中心相重合；将光纤阵列7固定在调节系统的五维调节台8上，并且将五维调节台8的量程处于有效量调节范围内；将可调光阑一3调至最大状态，可调光阑二4调至最小状态成一小孔，平行光通过可调光阑二4入射光纤阵列7，在光纤阵列7上产生反射光，调节五维台8使反射光进入可调光阑二4的小孔中；将蝇眼透镜6用夹具夹持，固定在调节系统的六维调节台9上，并且将六维调节台9的量程处于有效调节范围内；将分束立方体5用调节架固定，放置于可调光阑二4与蝇眼透镜之间，并靠近蝇眼透镜6方向，调整分束立方体5的位置，直至可以用显微成像系统三12观察到蝇眼透镜与光纤阵列7；调节固定分束立方体5的支架旋钮，将步骤三中所述反射光再次反射进入可调光阑二4的小孔中；将调节系统中用于夹持光纤阵列7的五维调节台8进行X、Y轴方向调节，直至通过显微成像系统三12观察到平行光光斑处于光纤阵列7中心位置；

参见图3，本发明的光纤阵列7与蝇眼透镜6的对准方法，光纤阵列7与蝇眼透镜6对准包括以下步骤：

放置蝇眼透镜6，利用六维调节台9调节蝇眼透镜6的位置，利用显微成像系统一10观察蝇眼透镜，调节CCD的位置和放大倍数，使蝇眼透镜6成像清晰；利用显微镜成像系统二11和显微成像系统三12观测光纤阵列7与蝇眼透镜6的水平维度。调节六维调节台9，使二者在水平面的二维方向上使两个平面处于平行状态；利用六维调节台9旋转蝇眼透镜角度，使蝇眼透镜6的叉丝定位线与IFU光纤束端的定位光纤位置重合。

参见图4，本发明的光纤阵列7与蝇眼透镜6的对准方法，狭缝端的观测包括以下步骤：

拉近蝇眼透镜6与光纤阵列7两面之间的距离，直至狭缝端观测系统13观察到光纤全亮并无明显周期性明暗变化；最后将显微成像系统二11和显微成像系统三12放大倍数提高并聚焦至清晰状态，利用像素计算两平面间距离，用六维调节台9调节两平面间距为20μm，轻微调节，使狭缝端光纤亮度达到最大，用光功率计测量出光强最大值，调节完成。

通过上述的对准系统和三维对准方法，实现了蝇眼透镜6和光纤阵列7在三维方向上的对准，在避免接触对光纤和蝇眼透镜端面的损伤的情况下，实现了蝇眼透镜6与光纤阵列7的完全对准。

本发明涉及光纤阵列与蝇眼透镜的对准方法及系统。光纤阵列与蝇眼透镜对准系统包括平行光路，调节系统和观测系统三部分。平行光路包括激光光源、平行光管以及两个可调光阑，；调节系统包括一个五维调节台和一个六维调节台，；观测系统包括蝇眼端观测系统和狭缝端观测系统两部分，由三个显微成像系统、一个大靶面CCD和一个量程足够大的二维调节台构成，；所述的光纤阵列带有两组十字形的定位光纤，所述的蝇眼透镜带有与十字形定位光纤位置相对应的十字叉丝，利用所述平行光路和调节系统进行方位调整，并通过所述三个显微成像系统在水平，垂直和正面三个方向观察光纤阵列和蝇眼透镜的的对准情况，通过蝇眼端的观测系统确定光纤阵列的十字形定位光纤与蝇眼透镜的十字叉丝相重合，通过所述狭缝端的观测系统确定亮度均匀性，从而可以判定光纤阵列和蝇眼透镜已经处于对准状态。本发明的对准方法及系统，可以实现光纤阵列与蝇眼透镜的非接触对准，避免了对准端面的损伤，三维对准方法可以使对准过程变得简洁易行，并且减少了对准时的误差，较大的提高蝇眼透镜与光纤阵列的对准精度。

一种光纤阵列与蝇眼透镜的对准系统，包括平行光路，调节系统和观测系统，其中：所述平行光路，用于产生平行光以及为对准提供光源；所述调节系统，用于对准时进行调整；所述观测系统，分为蝇眼端观测和狭缝端观测两部分，用于判定光纤阵列与蝇眼透镜的对准状态。所述的光纤阵列带有两组十字形的定位光纤，所述的蝇眼透镜带有与定位光纤位置相应的十字叉丝，使用所述调整系统进行调整，并通过所述观测系统的蝇眼端确定光纤阵列的定位光纤与蝇眼透镜的十字叉丝相重合，通过所述观测系统的狭缝端确定光纤的亮度均匀性。

所述平行光路包括一个亮度可调光源，平行光管以及可调光阑1和可调光阑2，所述可调光源用于对准过程中使光强非饱和，所述平行光管用于产生平行光，所述两个可调光阑用于限定光束位置，以及判定光束是否与光纤阵列垂直。

所述调节系统包括用于调整光纤阵列位置的五维调节台，以及用于对蝇眼透镜进行调整的六维调节台。

所述蝇眼端观测由独立的显微成像系统1，显微镜成像系统2和显微成像系统3组成；所述显微成像系统1，可进行三维调节，用于水平观测光纤阵列面与蝇眼透镜的平行度；所述显微成像系统2，可进行三维调节，用于垂直观测光纤阵列面与蝇眼透镜的平行度；所述显微成像系统3，可进行三维调节，并通过分束立方体，正面观测光纤阵列上两组定位光纤与蝇眼透镜上十字叉丝的重合状况。

所述狭缝端观测由一个大靶面CCD和一个量程足够大的二维调节台构成，用于调节焦距及接收狭缝端图像。

一种光纤阵列与蝇眼透镜的对准方法，包括以下步骤：

(1)将光源亮度调高，通过平行光管产生平行光，调整可调光阑1的位置以及可调光阑2的位置，使平行光光斑中心与可调光阑1以及可调光阑2的中心相重合。

(2)将光纤阵列基板固定在调节系统的五维调节台上，并且将五维调节台的量程处于有效量调节范围内。

(3)将可调光阑1调至最大状态，可调光阑2调至最小状态成一小孔，平行光通过可调光阑2射入光纤阵列基板，在光纤阵列上产生反射光，调节五维台使反射光进入可调光阑2的小孔中。

(4)将蝇眼透镜用夹具夹持，固定在调节系统的六维调节台上，并且将六维调节台的量程处于有效调节范围内。

(5)将分束立方体用调节架固定，放置于可调光阑2与蝇眼透镜之间，并靠近蝇眼透镜方向，调整分束立方体的位置，直至可以用显微成像系统3观察到蝇眼透镜与光纤阵列基板。

(6)调节固定分束立方体的支架旋钮，将步骤三中所述反射光再次反射进入可调光阑2的小孔中。

(7)将调节系统中用于夹持光纤阵列基板的五维调节台进行X、Y轴方向调节，直至通过显微成像系统3观察到平行光光斑处于光纤阵列中心位置。

(8)放置蝇眼透镜，利用六维调节台调节蝇眼透镜的位置，利用显微成像系统1观察蝇眼透镜，调节CCD的位置和放大倍数，使蝇眼透镜成像清晰。

(9)利用显微镜成像系统2和显微成像系统3观测光纤阵列基板与蝇眼透镜的水平维度。调节六维调节台，使二者在水平面的二维方向上使两个平面处于平行状态。

(10)利用六维调节台旋转蝇眼透镜角度，使蝇眼透镜的叉丝定位线与IFU光纤束端的定位光纤位置重合。

(11)拉近蝇眼透镜与光纤阵列基板两面之间的距离，直至在狭缝端观测到光纤全亮并无明显周期性明暗变化。

(12)再次拉近蝇眼透镜与IFU光纤束基板端间距，使其保持在20-50μm之间，用六维调节台台调节蝇眼透镜的水平维度，再次与IFU光纤束基板端成平行状态，并在狭缝端观测，使光纤全部明亮且无明显周期性变化。

(13)将显微成像系统2和显微成像系统3放大倍数提高并聚焦至清晰状态，利用像素计算两平面间距离，用六维台调节将两平面间距调节为20μm，轻微调节，使狭缝端光纤亮度达到最大，用光功率计测量出光强最大值处，调节完成。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光纤阵列与蝇眼透镜的对准系统，其特征在于，包括平行光路，调节系统和观测系统，其中：所述平行光路，用于产生平行光以及为对准提供光源；所述调节系统，用于对准时进行调整；所述观测系统，分为蝇眼端观测和狭缝端观测两部分；所述的光纤阵列带有两组十字形的定位光纤，所述的蝇眼透镜带有与定位光纤位置相应的十字叉丝，使用所述调节系统进行调整，并通过所述观测系统的蝇眼端确定光纤阵列的定位光纤与蝇眼透镜的十字叉丝相重合。

2.根据权利要求1所述光纤阵列与蝇眼透镜的对准系统，其特征在于，所述平行光路包括一个亮度可调光源，平行光管以及可调光阑一和可调光阑二，所述可调光源中光强非饱和，平行光管产生平行光，光束与光纤阵列垂直。

3.根据权利要求1所述光纤阵列与蝇眼透镜的对准系统，其特征在于，所述调节系统包括与光纤阵列连接的五维调节台，以及用于与蝇眼透镜连接的六维调节台。

4.根据权利要求1所述光纤阵列与蝇眼透镜的对准系统，其特征在于，所述蝇眼端观测由独立的显微成像系统一，显微镜成像系统二和显微成像系统三组成；所述显微成像系统一，可进行三维调节；所述显微成像系统二，可进行三维调节；所述显微成像系统三，可进行三维调节。

5.根据权利要求1所述光纤阵列与蝇眼透镜的对准系统，其特征在于，所述狭缝端观测由一个大靶面CCD和一个二维调节台构成。

6.一种光纤阵列与蝇眼透镜的对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将光源亮度调高，通过平行光管产生平行光，调整可调光阑一的位置以及可调光阑二的位置，使平行光光斑中心与可调光阑一以及可调光阑二的中心相重合；

(2)将光纤阵列基板固定在调节系统的五维调节台上，并且将五维调节台的量程处于有效量调节范围内；

(3)将可调光阑一调至最大状态，可调光阑二调至最小状态成一小孔，平行光通过可调光阑二射入光纤阵列基板，在光纤阵列上产生反射光，调节五维台使反射光进入可调光阑二的小孔中；

(4)将蝇眼透镜用夹具夹持，固定在调节系统的六维调节台上，并且将六维调节台的量程处于有效调节范围内；

(5)将分束立方体用调节架固定，放置于可调光阑二与蝇眼透镜之间，并靠近蝇眼透镜方向，调整分束立方体的位置，直至可以用显微成像系统三观察到蝇眼透镜与光纤阵列基板；

(6)调节固定分束立方体的支架旋钮，将步骤三中所述反射光再次反射进入可调光阑二的小孔中；

(7)将调节系统中用于夹持光纤阵列基板的五维调节台进行X、Y轴方向调节，直至通过显微成像系统三观察到平行光光斑处于光纤阵列中心位置；

(8)放置蝇眼透镜，利用六维调节台调节蝇眼透镜的位置，利用显微成像系统一观察蝇眼透镜，调节CCD的位置和放大倍数，使蝇眼透镜成像清晰；

(9)利用显微成像系统二和显微成像系统三观测光纤阵列基板与蝇眼透镜的水平维度，调节六维调节台，使二者在水平面的二维方向上使两个平面处于平行状态；

(10)利用六维调节台旋转蝇眼透镜角度，使蝇眼透镜的叉丝定位线与IFU光纤束端的定位光纤位置重合；

(11)拉近蝇眼透镜与光纤阵列基板两面之间的距离，直至在狭缝端观测到光纤全亮并无明显周期性明暗变化；

(12)再次拉近蝇眼透镜与IFU光纤束基板端间距，使其保持在20-50μm之间，用六维调节台调节蝇眼透镜的水平维度，再次与IFU光纤束基板端成平行状态，并在狭缝端观测，使光纤全部明亮且无明显周期性变化；

(13)将显微成像系统二和显微成像系统三放大倍数提高并聚焦至清晰状态，利用像素计算两平面间距离，用六维台调节将两平面间距调节为20μm，轻微调节，使狭缝端光纤亮度达到最大，用光功率计测量出光强最大值处，调节完成。

Images