CN111060916A - 一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统。其特征是：它由单模光纤1，多模光纤2，二元菲涅尔透镜3，待测物4，位移台5，复色光源6，三端口环形器7，光谱仪8，计算机9组成。本发明可用于微小间距的高精度、非接触式测量，可广泛用于光纤传感等领域。

Description

一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统
(一)技术领域
本发明涉及的是一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统，可用于微小间距的测量，属于光纤传感技术领域。
(二)背景技术
1980年左右，二元光学逐渐开始得到重视，并迅速发展起来，给传统光学领域带来了新的发展契机。随着对二元光学研究的不断深入，二元光学元件已广泛用于成像、传感、光通讯、计算、数据存储等系统中。
二元光学元件是基于光的衍射原理发展起来的一种新型的光学元件，具有许多卓越的、传统光学元件难以具备的功能。它可应用于常规光学系统，校正光学系统的像差，减小系统的体积，实现轻量化。从而有利于促进光学系统实现微型化、阵列化和集成化，开辟了光学领域的新视野。其应用广泛，潜藏着巨大的经济效益。因此，迅速地受到学术界和工业界地青睐，在国际上掀起一股二元光学的研究热潮。
目前微小间距测量向着高精度、非接触、适应不同环境和材料的方向发展，并且逐渐趋向于实时、无损检测。二元光学透镜光谱聚焦特性微小间距测量适用于高精密光学测量领域，可以满足非接触式、快速位移测量要求。传统的非接触式测量技术主要有电磁式、激光三角反射式等。
2008年，刘正坤等人公开了具有双反射镜的直接计数式变栅距单光栅光位移传感器(申请号为：200710133593.9)，这是一种电磁式位移传感器，解决了现有光位移传感器的连杆连接的反射镜在导轨上移动时有一定的角度误差的问题。这个结构改进提高了传感器整体精度，降低了对导轨加工精度的要求。但此传感器对不同材料的待测物体不具有普遍适用性。
2017年，孙兴伟等人公开了一种激光三角法高精度测量方法(申请号为：201711241695.2)。该方法包含变阈值亚像素灰度重心提取算法，利用梯度阈值法和高斯拟合法去除光斑边缘噪声对重心法的干扰，同时又用多项式拟合插值法增强了灰度重心法的数据密度，通过提高光斑中心的定位精度来增强激光的准确性。但是这种激光三角式测量系统的测量精度受光点自身因素及被测物体等外界因素影响较大，误差较大。
为了适应薄膜等透明材料或者小工件内壁沟槽等特殊工作场合的测量，刘乾等人(刘乾,王洋,杨维川,袁道成.线性色散设计的光谱共焦测量技术[J].强激光与粒子束,2014,26(05):58-63.)设计了一种线性设计的光谱共焦测量系统，实现了微小间距测量。他们采用复色光作为光源经过半透半反镜和色散透镜组后在其像面上聚焦成像，像平面放置的物体将入射光反射，反射光再次经过色散透镜组、半透半反镜和小孔后，被光谱仪吸收。光谱仪通过对反射光进行光谱分析，确定光强最强成分波长，通过两次测量波长之差来推算微小间距值。该方案与传统非接触式测量方法相比，精度高、灵敏度高，能够满足上述特殊工作场合的测量，但是在设计色散透镜组时，很难保证绝对的色散线性度，这将严重影响测量的精度。此外，优化过程中要尽量减小球差，尤其是对测量影响最大的轴向球差，还要减小单色像差和点扩散函数的FWHM(光强值为最大值一半时所对应的谱宽)等。优化过程中，球差、弥散斑、像方孔径角、物方孔径角和透镜口径这些因素的调整控制并不是独立的，需要综合考虑才能得到色散透镜结构的最优解，这大大增加了设计的难度。
本发明公开了一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统。利用飞秒激光微加工技术在多模光纤的一端雕刻二元菲涅尔透镜，多模光纤的另一端焊接一段单模光纤。宽谱光源发出的复色光由环形器的1#端口输入，通过光纤传输至二元菲涅尔透镜。入射光线经过二元光学透镜后沿光轴方向进行色散，不同波长的光对应不同的光轴会聚点。将被测物体放于空间轴向位置，光束在物体表面发生反射，被反射的信号经环形器2#端口进入环形器，从环形器的3#端口输入至光谱仪。与在先技术相比，将二元菲涅尔透镜集成到光纤端，透镜尺寸进一步缩小，集成度进一步提高且使用方便。由于光纤环形器的使用，消除了反馈回光源的信号，提高了光源的稳定性，同时增强了光源功率的利用率，能够使光源发出的光全部得到利用，也进一步提高了传感系统的复用能力。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、容易操作、集成度高的微小间距测量的光纤二元微透镜测量系统。
本发明的目的是这样实现的：
该微小间距测量系统是由单模光纤1，多模光纤2，二元菲涅尔透镜3，待测物4，位移台5，复色光源6，三端口环形器7，光谱仪8，计算机9组成。所述的系统中复色光源6发出的光由环形器1#端口进入三端口环形器7，环形器2#端口输出光信号通过单模光纤1和多模光纤2进入二元菲涅尔透镜3。由于二元菲涅尔透镜3入射光有沿轴向色散的作用，所以，不同波长的入射光通过二元菲涅尔透镜3会在透镜后的光轴处会聚成不同的点。将被测物体4放在二元菲涅尔透镜3后的空间轴向位置，被测物体4可以通过位移台5改变其位置。光束照到被测物体4表面时会发生反射，被反射的信号经环形器2#端口进入三端口环形器7，从环形器3#端口输出，并由光谱仪8接收。光谱仪8接收到的光谱可传至计算机9处理。
所述的单模光纤1为普通单模光纤，包层外径为125μm，纤芯直径为9μm。所述的多模光纤2的包层外径为125μm，纤芯直径为85μm。
将多模光纤2进行拉锥，在直径9μm处切割，然后与单模光纤1焊接，以便收集更多的反射光。
多模光纤的长度为Lμm，优选的，L为2460。
多模光纤2也可以是无芯光纤或者大芯径渐变折射率光纤。
利用飞秒激光加工微加工系统在多模光纤端加工二元菲涅尔透镜3。二元菲涅尔透镜3的波带半径R由菲涅尔方程确定，相邻波带的光程差为λ，由几何光学知识，可以得到第n波带的半径为：
Figure BDA0002340744190000031
其中，f0是对应于第一衍射级次的主焦距，λ0是设计波长。
当f0＞＞λ0时，则第n波带的半径近似为：
Figure BDA0002340744190000032
故主焦距f0为：
Figure BDA0002340744190000041
所以，当输入光为宽谱光时，对应焦距f(λ)为：
Figure BDA0002340744190000042
由上式可知，二元菲涅尔透镜的有效焦距与波长成反比，代入衍射一级透镜公式：
Figure BDA0002340744190000043
其中，si和s0分别为像距和物距。衍射一级公式用于衍射透镜时，沿光轴方向的像依赖于波长λ。由此可得微小间距表达式：
Figure BDA0002340744190000044
其中si(λ1)为最长波长对应的像距，其中si(λ2)为最短波长对应的像距。
由于光纤中入射光可近似看为平行光，像距在焦点处，故微小间距可化简为：
Figure BDA0002340744190000045
对于二元光学透镜，其部分色散为：
Figure BDA0002340744190000046
因此，微小间距测量的量程取决于光谱仪接收到的最大波长值与最小波长值。
系统中采用的复色光源的波长为480nm～780nm，设计波长λ0为500nm，焦距f0为600μm，量程为384.6μm，量程起点距二元菲涅尔透镜240.4μm处。
二元菲涅尔透镜3的半径rn，其中n为6，r1至r6的值(单位：μm)分别为：17.3、24.5、30、34.6、38.7、42.4。
二元菲涅尔透镜3的偶数环带利用飞秒激光微加工系统刻蚀深度为dμm的环形槽，使之与奇数半波带产生π的相位差，优选的，d为0.61。
二元菲涅尔透镜3也可以是二元达曼光栅、闪耀光栅或阵列光栅。
(四)附图说明
图1是一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统的结构示意图。由单模光纤1，多模光纤2，二元菲涅尔透镜3，待测物4，位移台5，复色光源6，三端口环形器7，光谱仪8，计算机9组成。
图2是一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统的光纤及透镜部分示意图。其中1是单模光纤，101是包层，102是纤芯，2是多模光纤，201是多模光纤的锥区，与单模光纤焊接，202是多模光纤的包层，203是多模光纤的纤芯，3是二元菲涅尔透镜，集成在多模光纤的纤芯端。
图3是一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统的二元菲涅尔透镜的轴向色散图。其中3是二元菲涅尔透镜，301是输入的复色光，302是焦平面。
图4是一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统的单模光纤纤芯端二元菲涅尔透镜立体图。其中203是多模光纤的纤芯，R1是第一个环带半径，Rn为第n个环带半径。
图5是一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统的单模光纤与多模光纤焊接过程示意图。其中502是氢氧焰，2是多模光纤，503是切割刀，504是电极。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
单模光纤1与多模光纤2焊接步骤如下：
制备步骤如图5所示：
步骤1：将对称多模光纤2插入合适的石英毛细管501内，使用氢氧焰502生成高温区，使石英毛细管501软化，实现熔融拉锥，石英毛细管501变细，在锥腰处的纤芯直径减小至和单模光纤1相等，内部的多模光纤2纤芯直径减小至9-10μm，和单模光纤1纤芯相同；
步骤2：在步骤1拉制得到的锥体，使用切割刀503在锥腰处切割；
步骤3：将步骤2中切割得到的锥体与单模光纤1对准，采用电极504产生的高温区进行二者的熔接，完成单模光纤1与多模光纤2的焊接。
多模光纤2纤芯端二元菲涅尔透镜3的加工步骤：
步骤1：将多模光纤2的一端切割平整，然后将光纤放入飞秒微加工该系统的位移台上；
步骤2：设置频率为60KHz，功率为4mW，选择20×，数值孔径0.4的物镜，使飞秒激光通过显微物镜聚焦到光纤端表面；
步骤3：在自己编写的上位机软件上画出图形并生成可执行代码，并执行代码。执行完成后光纤端有两个部分，一部分为未改性的部分，另一部分为改性后的部分；
步骤4：将利用飞秒激光扫描加工后的样品置于浓度5％的氢氟酸溶液，超声波清洗机辅助腐蚀，腐蚀约30min。
将复色光源6与三端口环形器7的1#口连接，三端口环形器7的2#口与单模光纤1连接，三端口环形器7的3#口与光谱分析仪8连接，光谱分析仪8与计算机9连接。复色光源6发出的光由环形器1#端口进入三端口环形器7，三端口环形器2#端口输出光信号通过单模光纤1和多模光纤2进入二元菲涅尔透镜3。不同波长的入射光通过二元菲涅尔透镜3会在透镜后的光轴处会聚成不同的点。将被测物体4放在二元菲涅尔透镜3后的空间轴向位置，被测物体4可以通过位移台5改变其位置。光束照到被测物体4表面时会发生反射，被反射的信号经环形器2#端口进入三端口环形器7，从环形器3#端口输出，并由光谱仪8接收。光谱仪8接收到的光谱可传至计算机9处理，根据公式即可得到被测物体4的间距。

Claims (6)

1.一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统。其特征是：它由单模光纤1，多模光纤2，二元菲涅尔透镜3，待测物4，位移台5，复色光源6，三端口环形器7，光谱仪8，计算机9组成。所述的系统中复色光源6发出的光由环形器1#端口进入三端口环形器7，环形器2#端口输出光信号通过单模光纤1和多模光纤2进入二元菲涅尔透镜3。由于二元菲涅尔透镜3入射光有沿轴向色散的作用，所以，不同波长的入射光通过二元菲涅尔透镜3会在透镜后的光轴处会聚成不同的点。将被测物体4放在二元菲涅尔透镜3后的空间轴向位置，被测物体4可以通过位移台5改变其位置。光束照到被测物体4表面时会发生反射，被反射的信号经环形器2#端口进入三端口环形器7，从环形器3#端口输出，并由光谱仪8接收。光谱仪8接收到的光谱可由计算机9接收处理。
2.根据权利要求1所述的一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统。其特征是，二元菲涅尔透镜3由飞秒激光微加工系统在多模光纤2纤芯端加工而成。
3.根据权利要求1所述的一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统。其特征是，多模光纤2也可以是无芯光纤。
4.根据权利要求1所述的一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统。其特征是，二元菲涅尔透镜3也可以是二元达曼光栅、闪耀光栅或阵列光栅。
5.根据权利要求1所述的一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统。其特征是，多模光纤2在焊接处的纤芯直径与单模光纤1纤芯直径一致。
6.根据权利要求1所述的一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统。其特征是，二元菲涅尔透镜3的偶数环带刻蚀深度为0.61μm。
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