CN112379483A - 一种大视场高效率光纤耦合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学镜头设计技术领域，尤其涉及一种大视场高效率光纤耦合系统，所述的大视场是指镜头视场角不小于100mrad，高效率是指镜头的光学透过率不小于90％。本方法可解决现有光纤耦合器产品受光纤数值口径角约束而视场受限问题，可用于光纤接口的探测器，如单光子探测器等高带宽、小感光面的探测器，将大幅提升现有系统的视场角、灵敏度和探测效率，从而提升成像性能，在量子成像、单像素成像和计算成像等领域应用前景广阔。

Description

一种大视场高效率光纤耦合系统
技术领域
本发明属于光学镜头设计技术领域，尤其涉及一种大视场高效率光纤耦合系统，所述的大视场是指镜头视场角不小于100mrad，高效率是指镜头的光学透过率不小于90％。
背景技术
光纤耦合镜头设计技术已非常成熟，特别是在光高率光纤耦合器方面已有成熟解决方案，国内外包括Tholabs、Newport，北京大恒光电、北京世纪茂丰等企业均已有货架产品。现有光纤耦合镜头均根据光纤纤芯的数值孔径NA进行高耦合效率的设计，但耦合的视场角较小，通常光纤NA＝0.22，所能设计的耦合镜头视场角一般不超过2mrad，实际上耦合镜头与光纤的NA值匹配得越好得到的耦合效率越高，这限制了光纤耦合器的视场角。
随新体制的探测技术的发展，逐步涌现出对大视场高效率光纤耦合系统的需求，例如，在量子成像、单像素成像和计算成像方面，一方面需用高带宽和高灵敏的探测器，所述的该类探测器90％均采用光纤耦合，另一方面需对较大视场内的目标进行直接探测，视场角需要达到100mrad左右，对于所述的此类能量探测器，现有产品设计的耦合方式视场角一般不超过2mrad，已无法满足新的需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大视场高效率光纤耦合系统，通过在现有光纤准直器镜头组前端放置扩散片，将原视场外光线散射进入现视场从而增大接收视场角，在扩散片前端加入大于光纤准直器口径的透镜组接收汇集更大区域的光能，实现大视场高效率的光纤耦合，本发明的方法可解决现有光纤耦合器产品受光纤数值口径角约束而视场受限问题，可用于光纤接口的探测器，如单光子探测器等高带宽、小感光面的探测器，将大幅提升现有系统的视场角、灵敏度和探测效率，从而提升成像性能，在量子成像、单像素成像和计算成像等领域应用前景广阔。
本发明的解决方案是：
一种大视场高效率光纤耦合系统，该光纤耦合系统包括镜头组、扩散片和光纤耦合镜头；
所述的镜头组采用非球面透镜设计，镜头组包括多片透镜，镜头组用于对光束进行聚焦；
扩散片放置在镜头组的等效焦面处；
扩散片材料为聚碳酸酯基底涂树脂材料；
光纤耦合镜头的光学口径与镜头组产生的光斑直径相等；
光纤耦合镜头紧靠扩散片放置；
镜头组、扩散片和光纤耦合镜头的几何中心在同一光轴上；
所述的镜头组的透镜参数、材料、镀膜和工作波段根据需求由光学设计来决定，镜头组用于将设定视场角内的光能量汇集形成焦斑，焦斑位置为镜头组的等效焦面上最小光斑位置，焦斑位置放置扩散片，入射光束经扩散片将发生定向散射，定向散射的光束被光纤耦合镜头接收，接收后的光将再次汇聚在光纤耦合镜头的尾端接口，光纤耦合镜头的尾端接口为FC、SC或者SMA等通用光纤接口，通过通用光纤接口接入的光将耦合进入光纤，用于光电探测。
本发明与现有技术相比优点在于：
(1)在本发明中，在现有光纤耦合器基础上引入扩散片，具有散射光的特性和重量轻、厚度薄等特点，扩大了进入光纤耦合器光线的角度，增加了整个耦合镜头收集能量的范围。
(2)在本发明中，扩散片前放置接收镜头组用于汇集大视场光能量，提升集光能力，光纤耦合镜头用于高效将扩散片散射光汇聚到光纤，两组镜头组加扩散片的方式在提升接收视场的同时也保证有高耦合效率。
(3)在本发明中，扩散片采用聚碳酸酯基底涂树脂材料制成，相比于普通的磨砂玻璃(俗称毛玻璃)，所述的系统具有更高透过率的优势，相对于匀光棒(或导光棒)、光锥等方法，所述方法所需光程更短，在整个光学系统体积和重量上具有较大优势。
(4)本发明公开了一种大视场高效率光纤耦合系统，通过在现有光纤准直器镜头组前端放置扩散片扩大接收视场，在扩散片前端加入大于光纤准直器口径的透镜组接收汇集更大区域的光能，实现大视场高效率的光纤耦合。
(5)本方法可解决现有光纤耦合器产品受光纤数值口径角约束而视场受限问题，可用于光纤接口的探测器，如单光子探测器等高带宽、小感光面的探测器，将大幅提升现有系统的视场角、灵敏度和探测效率，从而提升成像性能，在量子成像、单像素成像和计算成像等领域应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明的系统组成示意图；
图2为现有技术的耦合系统的光路示意图；
图3为本发明的耦合系统的光路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。
本发明公开了一种大视场高效率光纤耦合系统，需包括以下部组件：
镜头组1，由多片透镜构成，透镜参数、材料、镀膜和工作波段根据需求由光学设计来决定，将一定视场角内的光能量汇集形成焦斑，焦斑位置为镜头等效焦面附近最小光斑位置，焦斑位置放置扩散片2，入射光束经扩散片2将发生定向散射，定向散射的光束被光纤耦合镜头3接收，接收后的光将再次汇聚在光纤耦合镜头3的尾端接口，接口标准可以是FC、SC或者SMA等通用光纤接口，通过标准接口接入的光将耦合进入光纤，用于光电探测。
基于上述实施例，下面结合一个具体实例对所述一种大视场高效率光纤耦合系统进行详细说明。
如图1所示，本发明实施例中一种大视场高效率光纤耦合系统。
镜头组1，工作在λ波段，透镜选用非球面设计，直径为D毫米，镀λ波段增透膜，等效焦距F毫米，视场角θ度，θ可达到5.7度100mrad远大于现有光纤耦合器2mrad，视场内焦斑大小为Sp毫米；扩散片2放置在距镜头组1F毫米处，扩散片1材料为聚碳酸酯基底涂树脂材料；光纤耦合器3紧靠扩散片2放置，耦合器口径等于镜头组1产生的光斑Sp毫米；从镜头组1入射光束经扩散片2将发生定向散射，定向散射的光束被光纤耦合器3接收，接收后的光将再次汇聚在光纤耦合器3的尾端接口，光纤耦合器3的后端接口标准可以是FC、SC或者SMA等通用光纤接口，所述的光纤接口连接光纤后实现光传输，用于光电探测。
所述的一种大视场高效率光纤耦合系统，用于量子成像、单像素成像或计算成像中的桶探测器，特别是在需要大视场高效率的单光子探测实验中具有实际应用价值，对提升现有技术的探测视场和光耦合效率具有广阔应用前景。
实施例
如图1所示，一种大视场高效率光纤耦合系统，该光纤耦合系统包括镜头组1、扩散片2和光纤耦合镜头3；
所述的镜头组1采用非球面透镜设计，镜头组1包括一片或多片透镜，镜头组1用于对光束进行聚焦；
扩散片2放置在镜头组1的等效焦面处；
扩散片2材料为聚碳酸酯基底涂树脂材料；
光纤耦合镜头3的光学口径与镜头组1产生的光斑直径相等；
光纤耦合镜头3紧靠扩散片2放置；
镜头组1、扩散片2和光纤耦合镜头3的几何中心在同一光轴上；
所述的镜头组1的透镜参数、材料、镀膜和工作波段根据需求由光学设计来决定，镜头组1用于将设定视场角内的光能量汇集形成焦斑，焦斑位置为镜头组1的等效焦面上最小光斑位置，焦斑位置放置扩散片2，入射光束经扩散片2将发生定向散射，定向散射的光束被光纤耦合镜头3接收，接收后的光将再次汇聚在光纤耦合镜头3的尾端接口，光纤耦合镜头3的尾端接口为FC、SC或者SMA等通用光纤接口，通过通用光纤接口接入的光将耦合进入光纤，用于光电探测。
本发明的在具体的应用中的优势，由图2示和图3示出。如图2所示，在实际应用中，存在图2所示出的情况：物光点A发出光线，传播距离S后由汇聚镜组接收，光束在焦距F处的焦面附近汇聚，然后继续发散，A点光线构成光束，按几何光学原理A点光线无法进入耦合镜，无法汇聚到光纤中；
本发明提出的方案，由图3示出，在图2中距离汇聚镜组焦距F处的焦面位置放置扩散片，并指出扩散片材料为具有90％高透过率的聚碳酸酯基底涂树脂材料，在实际应用中，存在图3所示出的情况：物光点A发出光线，传播距离S后由汇聚镜组接收，光束在焦距F处的焦面附近汇聚，然后经过扩散片变为发散角更大的光束，发散角由扩散片参数决定；
A点发出的光线经过扩散片后将有一部分光线进入到耦合镜，经耦合镜再次汇聚进入光纤，此时光纤可探测到物光点A的信息。
对比图2和图3可以看出，本发明所提出的方案能够探测到物光点A发出的光束，在不采用本方案时，由图2示出，不能探测到物光点A所发出的光束。本实施例表明，本发明所提出的一种大视场高效率光纤耦合系统确实具有更大的接收视场角，具有较高的光学利用效率。

Claims (8)

1.一种大视场高效率光纤耦合系统，其特征在于：该光纤耦合系统包括镜头组(1)、扩散片(2)和光纤耦合镜头(3)；
所述的镜头组(1)用于对光束进行聚焦；
所述的扩散片(2)放置在镜头组(1)的等效焦面处；
光纤耦合镜头(3)紧靠扩散片(2)放置。
2.根据权利要求1所述的一种大视场高效率光纤耦合系统，其特征在于：所述的镜头组(1)采用非球面透镜设计。
3.根据权利要求1所述的一种大视场高效率光纤耦合系统，其特征在于：镜头组(1)包括多片透镜。
4.根据权利要求1所述的一种大视场高效率光纤耦合系统，其特征在于：扩散片(2)材料为聚碳酸酯基底涂树脂材料。
5.根据权利要求1所述的一种大视场高效率光纤耦合系统，其特征在于：光纤耦合镜头(3)的光学口径与镜头组(1)产生的光斑直径相等。
6.根据权利要求1所述的一种大视场高效率光纤耦合系统，其特征在于：镜头组(1)、扩散片(2)和光纤耦合镜头(3)的几何中心在同一光轴上。
7.根据权利要求1所述的一种大视场高效率光纤耦合系统，其特征在于：所述的镜头组(1)的透镜参数、材料、镀膜和工作波段根据需求由光学设计来决定。
8.根据权利要求1所述的一种大视场高效率光纤耦合系统，其特征在于：镜头组(1)用于将设定视场角内的光能量汇集形成焦斑，焦斑位置为镜头组(1)的等效焦面上最小光斑位置，焦斑位置放置扩散片(2)，入射光束经扩散片(2)将发生定向散射，定向散射的光束被光纤耦合镜头(3)接收，接收后的光将再次汇聚在光纤耦合镜头(3)的尾端接口，光纤耦合镜头(3)的尾端接口为FC、SC或者SMA等通用光纤接口，通过通用光纤接口接入的光将耦合进入光纤，用于光电探测。
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