CN114114564B - 一种基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉探测的空间光‑光纤耦合装置和方法，所述装置包括：成像模块和成像调整模块；成像模块用于将空间光发射装置发射的空间光进行耦合成像，得到第一成像图，以及用于将经过耦合后的空间光传输至成像调整模块，成像调整模块用于获取第一成像图后生成第二成像图，并对第二成像图进行位置调整生成第三成像图，同时得到调整参数后发送给所述成像模块，成像模块还用于根据调整参数对第一成像图进行成像调整。通过成像调整模块获取第一成像图后，生成第二成像图，并调整第二成像图得到调整参数，以便成像模块根据调整参数对第一成像图进行成像调整，能在空间光到光纤进行耦合时得到最大耦合光功率，实现自动地调整光纤耦合的效率。

Description

一种基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置和方法

技术领域

本发明涉及空间激光通信技术领域，特别涉及一种基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置和方法。

背景技术

激光通信较微波通信有这极高的潜在通信数据速率（大于几十吉比特每秒甚至更高），且通信终端体积、质量、功耗小，在国内，已有大量高校、科研院所开展星地、星间、自由空间等激光通信技术研究，空间光-单模光纤耦合技术是空间激光通信中的关键技术之一，其耦合效率严重影响激光通信质量。

现实场景中，空间激光经过空间信道传输至通信终端时，光斑光束口径非常大，激光通信终端通过收发光学系统实现光束变换耦合进入一个单模光纤内（常见纤芯约10μm），在如此数量级口径的范围内进行光束耦合，同时还受到模场匹配、对准误差、菲涅尔反射、吸收损耗、平台振动等影响，理论最大耦合效率约为81%。在静态光纤耦合装调工作中，更关注对准误差与装调方向的判断，其中对于光纤端面与空间激光经过耦合透镜的激光焦点之间存在垂轴（X、Y) 、轴向（Z轴）方向的对准误差对单模光纤耦合效率的影响。

针对空间光-光纤耦合技术，有人提出的一种方法，对参考相机系统角分辨率要求极高，通过极小光斑的变化识别一个极小的角度调节量，并反馈给平台装置进行角度调节实现最佳耦合效率，同时该方法对光纤一端功率探测灵敏度、反馈频率带宽与相机处光斑响应速率有一定要求，如果光纤探测功率反馈速率慢于相机光斑反馈速度，则计算出来的角度反馈将出现一定的偏离，无法找到最佳耦合效率位置与角度。还有人提出的另外一种方法，该方法对功率探测反馈速率与控制器响应速率之间有一定要求，同时，如上所述，光纤纤芯孔径一般非常微小，且对入射光有一定孔径角等要求，当光功率为0时，此时总需要外来的干预，需要人为先找到光的基本位置，且有一定的光耦合进入光纤，有功率值反馈，方法才可应用。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置和方法，旨在解决现有技术中从空间光到单模光纤耦合的效率低、速率慢，以及无法完全自动实现的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置，与空间光发射装置连接，所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置包括：成像模块和成像调整模块；所述成像模块与所述成像调整模块连接，所述成像模块用于将所述空间光发射装置发射的空间光进行耦合成像，得到第一成像图，以及用于将经过耦合后的所述空间光传输至所述成像调整模块，所述成像调整模块用于获取所述第一成像图后生成第二成像图，并对所述第二成像图进行位置调整生成第三成像图，同时得到调整参数后发送给所述成像模块，所述成像模块还用于根据所述调整参数对所述第一成像图进行成像调整，以便空间光到光纤的耦合达到最大的耦合光功率。

所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中，所述成像模块包括：透镜单元和成像单元；所述透镜单元与所述成像单元连接，所述成像单元还与所述成像调整模块连接；所述透镜单元用于接收所述空间光后对所述空间光进行耦合，并将经过耦合后的所述空间光传输至所述成像单元；所述成像单元用于接收所述空间光发射装置发射的经过耦合后的所述空间光，并生成所述第一成像图。

所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中，所述成像调整模块包括：转换单元、检测单元和移动单元；所述转换单元、所述检测单元和所述移动单元依次连接，所述转换单元还分别与所述移动单元和所述成像模块连接；所述转换单元用于将经过耦合后的所述空间光转换为光纤光，并传输至所述检测单元；所述检测单元用于对所述第一成像图进行检测，并生成所述第二成像图，以及用于计算所述光纤光的耦合光功率；所述移动单元用于根据所述第二成像图对所述检测单元的位置进行调整，得到所述调整参数后发送给所述成像模块；所述检测单元还用于根据所述调整参数进行位置调整后，生成所述第三成像图。

所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中，所述透镜单元包括：第一耦合透镜和第二耦合透镜；所述第一耦合透镜和所述第二耦合透镜均与所述成像单元连接。

所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中，所述成像单元包括：耦合镜筒，所述耦合镜筒内前后设置有所述第一耦合透镜和所述第二耦合透镜，所述耦合镜筒还与所述成像调整模块连接。

所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中，所述检测单元包括：第一检测子单元；所述第一检测子单元分别与所述转换单元和所述移动单元连接，所述第一检测子单元用于对所述第一成像图进行检测后生成所述第二成像图。

所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中，所述检测单元包括：第二检测子单元；所述第二检测子单元分别与所述转换单元和所述移动单元连接，所述第一检测子单元用于计算所述光纤光的耦合光功率。

所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中，所述转换单元包括：光纤、光纤座和金属垫片；所述光纤分别与所述第二检测子单元和所述光纤座连接，所述金属垫片设置于所述成像模块和所述光纤座之间，所述光纤座设置在所述光纤座和所述移动单元之间。

所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中，所述移动单元包括：六轴位移台；所述六轴位移台分别与所述光纤座和所述第二检测子单元连接。

所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中，所述第一检测子单元包括：相机组；所述相机组分别与所述移动单元和所述转换单元连接。

所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中，所述第二检测子单元包括：光功率计；所述光功率计与所述光纤连接。

一种基于如上所述的基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置的基于视觉探测的空间光-光纤耦合方法，所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合方法包括以下步骤：

所述成像模块将所述空间光进行耦合成像，得到所述第一成像图，并将经过耦合后的所述空间光传输至所述成像调整模块；

所述成像调整模块获取所述第一成像图后生成所述第二成像图，并对所述第二成像图进行位置调整得到所述第三成像图，同时得到调整参数后发送给所述成像模块；

所述成像模块根据所述调整参数进行成像调整，得到所述空间光到光纤的耦合的最大耦合光功率。

所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合方法中，所述成像模块将所述空间光进行耦合成像，得到所述第一成像图，并将经过耦合后的所述空间光传输至所述成像调整模块，包括：

第一耦合透镜和第二耦合透镜接收所述空间光后，依次对所述空间光进行耦合，并将经过两次耦合后的所述空间光传输至耦合镜筒和光纤；

所述耦合镜筒对经过两次耦合后的所述空间光成像，得到所述第一成像图。

所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合方法中，所述成像调整模块获取所述第一成像图后生成所述第二成像图，并对所述第二成像图进行位置调整得到所述第三成像图，同时得到调整参数后发送给所述成像模块，包括：

相机组通过对所述第一成像图进行拍摄，生成所述第二成像图；

六轴位移台带动所述相机组在垂直于垂轴方向上进行移动，在所述第二成像图的大小不发生改变时，所述相机组生成所述第三成像图；

所述六轴位移台带动光纤在沿垂轴方向上进行移动，并实时记录所述第三成像图的光斑质心与所述相机组的感光面中心的相对位置；

对所述相对位置的位置变化关系进行拟合，得到线性拟合函数；求解所述线性拟合函数的斜率，并对所述斜率取正切函数，得到所述调整参数后发送给所述成像模块。

所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合方法中，所述成像模块根据所述调整参数进行成像调整后，测量得到最大的耦合光功率，包括：

所述六轴位移台根据所述调整参数对光纤座的角度进行调整；

在对所述光纤座的角度进行调整后，所述六轴位移台带动所述光纤在沿垂轴方向上进行移动，直至光功率计测量得到最大的所述耦合光功率的位置。

相较于现有技术，本发明提供的一种基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置和方法，所述装置包括：成像模块和成像调整模块；成像模块用于将空间光发射装置发射的空间光进行耦合成像，得到第一成像图，并将经过耦合后的空间光传输至成像调整模块，成像调整模块用于获取第一成像图后生成第二成像图，并对第二成像图进行位置调整生成第三成像图，同时得到调整参数后发送给所述成像模块，成像模块还用于根据调整参数对第一成像图进行成像调整，以便达到最大的耦合光功率。通过成像调整模块获取第一成像图后，生成第二成像图，并调整第二成像图得到调整参数，以便成像模块根据调整参数进行成像调整，能够在空间光到光纤的耦合时，得到最大的耦合光功率，实现了自动迅速地调整光纤耦合的效率，提升了耦合光功率。

附图说明

图1为本发明提供的基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置的结构框图；

图2为本发明提供的基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中相机组安装结构简图；

图3为本发明提供的基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中成像装置实物图；

图4为本发明提供的基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中成像装置实物抛面图；

图5为本发明提供的基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中光纤安装结构简图；

图6为本发明提供的基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中成像方法的较佳实施例的流程图；

图7为本发明提供的基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中成像方法的较佳实施例中步骤S100的流程图；

图8为本发明提供的基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中成像方法的较佳实施例中步骤S200的流程图；

图9为本发明提供的基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置中成像方法的较佳实施例中步骤S300的流程图。

附图标记：100：空间光发射装置；200：成像模块；210：透镜单元；220：成像单元；300：成像调整模块；310：转换单元；320：检测单元；321：第一检测子单元；322：第二检测子单元；330：移动单元；1：第一耦合透镜；2：第二耦合透镜；3：耦合镜筒；4：相机组；5：光功率计；6：光纤；7：光纤座；8：金属垫片；9：六轴位移台。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明提供的一种基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置和方法；本发明中通过所述成像模块先将所述空间光进行耦合成像后，得到的所述第一成像图，然后，所述成像调整模块获取所述第一成像图后生成所述第二成像图，并通过调整所述第二成像图得到所述调整参数后发送给所述成像模块，最后所述成像模块根据所述调整参数进行成像调整，以便在光纤进行耦合时，能够得到最大的所述耦合光功率，从而实现了自动迅速地调整光纤耦合的效率，有效地提升了耦合光功率。

下面通过具体示例性的实施例对基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置设计方案进行描述，需要说明的是，下列实施例只用于对发明的技术方案进行解释说明，并不做具体限定：

请参阅图1，本发明提供的一种基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置，与空间光发射装置100连接（光连接），所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置包括：成像模块200和成像调整模块300；所述成像模块200与所述成像调整模块300连接，所述成像模块200用于将所述空间光发射装置100发射的空间光进行耦合成像，得到第一成像图，以及用于将经过耦合后的所述空间光传输至所述成像调整模块300，所述成像调整模块300用于获取所述第一成像图后生成第二成像图，并对所述第二成像图进行位置调整生成第三成像图，同时得到调整参数后发送给所述成像模块200，所述成像模块200还用于根据所述调整参数对所述第一成像图进行成像调整，以便空间光到光纤的耦合达到最大的耦合光功率。

具体地，首先，所述空间光发射装置100会先发射所述空间光至所述成像模块200，所述成像模块200再对所述空间光进行耦合成像，得到所述第一成像图，同时，所述成像模块200将经过耦合后的所述空间光传输至所述成像调整模块300，然后，本发明中为了更精准快捷地实现得到最大的耦合光功率，分两个阶段对所述成像调整模块300进行调试，在第一阶段中，所述成像调整模块300对所述第一成像图进行获取，生成所述第二成像图，并基于所述第二成像图为参照，对自身的位置进行调整，在所述第二成像图的形状不再发生变化时，以此时所述空间光在所述成像调整模块300中的成像图作为所述第三成像图；接着，进入到第二阶段，根据所述第三成像图，第二次对所述成像调整模块300的位置进行精细地调整，就可以根据此时所述成像调整模块300的位置变化关系计算得到所述调整参数后发送给所述成像模块200，最后，所述成像模块200再根据所述调整参数对所述第一成像图进行成像调整，以便所述空间光到光纤的耦合能够达到最大的耦合光功率。

本发明通过所述成像模块200对所述空间光进行耦合生成所述第一成像图，所述成像调整模块300获取所述第一成像图后生成所述第二成像图，并根据所述第二成像图进行位置调整后，得到所述第三成像图，再根据所述第三成像图进行第二次的位置调整得到所述调整参数后发送给所述成像模块200，以便所述成像模块200根据所述调整参数进行成像调整，达到最大的耦合光功率，从而能够实现自动且快捷地调节从空间光-光纤光进行耦合的效率，有效地提升了耦合光功率。

进一步地，所述成像模块200包括：透镜单元210和成像单元220；所述透镜单元210与所述成像单元220连接，所述成像单元220还与所述成像调整模块300连接，所述透镜单元210用于接收所述空间光发射装置100发射的所述空间光后对所述空间光进行耦合，并将经过耦合后的所述空间光传输至所述成像单元220，所述成像单元220用于接收经过耦合后的所述空间光，并生成所述第一成像图。

具体地，首先，所述空间光发射装置100会先发射所述空间光至所述透镜单元210，所述透镜单元210再对所述空间光进行耦合，并将经过耦合后的所述空间光传输至所述成像单元220，然后，所述成像单元220接收经过耦合后的所述空间光，并生成所述第一成像图。通过所述透镜单元210对所述空间光进行耦合，然后传输至所述成像单元220进行成像，从而有效地将所述空间光进行聚焦并成像，以便通过成像结果对成像位置进行调整。

进一步地，请结合参阅图2-4，所述透镜单元210包括：第一耦合透镜1和第二耦合透镜2；所述第一耦合透镜1和所述第二耦合透镜2均与所述成像单元220连接，所述第一耦合透镜1设置在所述成像单元220内，所述第二耦合透镜2设置在所述成像单元220内，并设置在所述第一耦合透镜1的后方。其中，图3为耦合装置（成像模块200）实物图，图4为耦合装置的实物图的抛面图。

具体地，所述第一耦合透镜1和所述第二耦合透镜2规格相同，且并列设置在所述成像单元220内，所述第二耦合透镜2设置在靠近所述成像调整模块300的一侧，即设置在所述第一耦合透镜1的后方，所述空间光优先从所述第一耦合透镜1中射入，然后经过第一次耦合后传输至所述第二耦合透镜2中，所述第二耦合透镜2再对经过了第一次耦合后的所述空间光进行第二次耦合，最后将经过第二次耦合后的所述空间光（经过耦合后的所述空间光）传输至所述成像单元220，以便所述成像单元220进行成像。

进一步地，所述成像单元220包括：耦合镜筒3，所述耦合镜筒3内前后设置有所述第一耦合透镜1和所述第二耦合透镜2，所述耦合镜筒3还与所述成像调整模块300连接。

具体地，耦合镜筒3内设置有如上的所述第一耦合透镜1和所述第二耦合透镜2，当所述第二耦合透镜2对经过了第一次耦合后的所述空间光进行耦合后，得到经过第二次耦合后的所述空间光，并传输至所述耦合镜筒3，然后，在所述耦合镜筒3后焦的某一不确定位置聚焦，得到所述第一成像图（聚焦光斑），同时，在所述第二阶段中，若所述成像单元220没有出现太大偏差时，也即若经过第二次耦合后的所述空间光能够传输至所述成像调整模块300时，所述第二耦合透镜2会将经过第二次耦合后的所述空间光传输至所述成像调整模块300，以便进行下一步操作。通过所述耦合镜筒3对经过两次耦合后的空间光进行成像，便可以根据成像后所述第一成像图经过进一步地操作得到所述成像单元220的偏差。

进一步地，请继续参阅图1，所述成像调整模块300包括：转换单元310、检测单元320和移动单元330；所述转换单元310、所述检测单元320和所述移动单元330依次连接，所述转换单元310还分别与所述移动单元330和所述成像模块200连接，所述转换单元310用于将经过耦合后的所述空间光转换为光纤光，并传输至所述检测单元320，所述检测单元320用于对所述第一成像图进行检测，并生成所述第二成像图（成像光斑），以及用于计算所述光纤光的耦合光功率，所述移动单元330用于根据所述第二成像图对所述检测单元320的位置进行调整，得到所述调整参数，所述检测单元320还用于根据所述调整参数进行位置调整后，生成所述第三成像图。

具体地，在所述第一阶段中，当所述检测单元320对所述第一成像图进行检测后，生成所述第二成像图，之后，所述移动单元330则会根据所述第二成像图对所述检测单元320的位置，在垂直于垂轴方向（所述垂轴方向是经过耦合后的所述空间光的传播方向）进行调整，得到所述调整参数，然后，所述移动单元330带动所述转换单元310进行成像位置调整，同时调整结束后，所述检测单元320会生成所述第三成像图；接下来，进入所述第二阶段，若所述成像单元220没有出现太大偏差时，所述第二耦合透镜2会将经过第二次耦合后的所述空间光传输至所述转换单元310，然后，所述转换单元310将所述空间光转换为所述光纤光，并传输至所述检测单元320，接着，所述检测单元320实时计算所述光纤光的耦合光功率，再者，所述移动单元330移动到所述第二成像图成像处，接着，所述移动单元330带动所述转换单元310在沿垂轴方向上进行移动，测量得到所述最大耦合光功率。

本发明中在所述第一阶段，通过所述检测单元320对所述第一成像单元220进行实时地检测，从而有效地生成对应变化的所述第二成像图，并通过所述移动单元330根据所述第二成像图进行位置调整后，得到所述调整参数，再根据所述调整参数对所述耦合镜筒3的成像情况进行调整；然后在所述第二阶段，通过所述转换单元310将经过第二次耦合后的所述空间光转换为所述光纤光，以便所述检测单元320对所述光纤光的耦合光功率进行实时地检测，并在得到所述第二成像图后，所述移动单元330带动所述转换单元310再次进行移动的过程中，检测得到最大的耦合光功率，从而有效地实现自动快捷地调整所述空间光到所述光纤光进行耦合的效率。

进一步地，所述检测单元320包括：第一检测子单元321；所述第一检测子单元321分别与所述转换单元310和所述移动单元330连接，所述第一检测子单元321用于对所述第一成像图进行检测后生成所述第二成像图。

具体地，当所述耦合镜筒3将所述经第二次耦合后的所述空间光进行聚焦后，得到所述第一成像图，所述第一检测子单元321对所述第一成像图进行检测，生成第二成像图，以便所述移动单元330根据所述第二成像图将所述第一检测子单元321进行位置调整后，生成所述调整参数。通过所述第一检测子单元321对所述第一成像图进行实时检测并生成所述第二成像图，以此作为对所述第一检测子单元321进行调整的参考图像，有效地实现了对所述第一成像图的实时检测。

进一步地，请继续参阅图2，所述第一检测子单元321包括：相机组4；所述相机组4分别与所述移动单元330和所述转换单元310连接。其中，所述相机组4可加入识别算法与控制程序，实现快速光斑识别与定位；

具体地，在第一阶段，首先将所述相机组4安装在所述移动单元330和所述转换单元310之间，通过所述相机组4实时对所述第一成像图进行拍摄，在所述相机组4的感光面上生成所述第二成像图，然后，所述移动单元330带动所述相机组4在垂直于垂轴方向上移动，当所述第二成像图的大小不发生变化时，即当所述成像光斑的形状不再发生变化时，在所述相机组4中的成像图即为所述第三成像图，接着，所述移动单元330记录此时的垂轴位置信息A；而在根据所述调整参数对所述成像单元220的成像位置进行调整后，进入第二阶段：首先，所述移动单元330继续移动到所述垂轴位置信息A处，然后，以感光面中每一个像素矩阵的大小为单位，记录此时所述第三成像图的光斑质心（光强度中心）相对于相机组4的感光面中心的相对位置，同时所述移动单元330将此时的所述相对位置记作第一垂轴位置K1，所述相机组4和所述移动单元330根据所述第三成像图进行下一步地操作。

进一步地，请继续参阅图1，所述检测单元320包括：第二检测子单元322；所述第二检测子单元322分别与所述转换单元310和所述移动单元330连接，所述第一检测子单元321用于计算所述光纤光的耦合光功率。

具体地，在得到所述调整参数后，所述移动单元330带动所述转换单元310进行成像位置调整，然后，进入所述第二阶段，而在正要进入所述第二阶段前，首先将所述第二检测子单元322代替所述相机组4安装在所述转换单元310和所述移动单元330之间，在进入所述第二阶段后，若所述成像单元220没有出现太大偏差时，所述第二耦合透镜2将经过第二次耦合后的所述空间光传输至所述转换单元310，所述转换单元310将经过第二次耦合后的所述空间光转换为所述光纤光，然后，所述转换单元310将所述光纤光传输至所述第二检测子单元322，所述第二检测子单元322实时对所述光纤光的耦合光功率进行测量，再者，所述移动单元330移动到所述垂轴位置信息A处，接着，所述移动单元330带动所述转换单元310在沿垂轴方向上进行移动，所述第二检测子单元322测量得到所述最大耦合光功率，记录此时所述第二垂轴位置K2。通过所述第二检测子单元322事实对所述耦合光功率进行检测，从而能够快速地测量得到所述空间光耦合为所述光纤光的最大的耦合光功率所在位置。

进一步地，请结合参阅图2和图5，所述第二检测子单元322包括：光功率计5；所述光功率计5与所述光纤6连接。

其中，可以通过实时读取所述光功率计5的显示数值来显示所述耦合光功率的大小。

进一步地，所述转换单元310包括：光纤6、光纤座7和金属垫片8；所述光纤6分别与所述第二检测子单元322和所述光纤座7连接，所述金属垫片8设置于所述成像模块200和所述光纤座7之间，所述光纤座7设置在所述金属垫片8和所述移动单元330之间。

其中，所述金属垫片8用于补偿所述成像单元220进行成像的偏差，所述光纤6固定安装于所述光纤座7上，本实施例中所述光纤6为单模光纤6，与所述单模光纤6连接的耦合装置也可应用于自动化空间光-光纤耦合，且耦合效率最佳；所述光纤6（安装）座可为待安装至耦合镜头的光纤座7，也可以是有精度保证位于公差精度中位数的光纤座7。

具体地，在所述第二阶段中，若所述移动单元330移动到所述垂轴位置信息A处后，所述移动单元330带动所述转换单元310在沿垂轴方向上进行移动，所述光功率计5测量得到所述最大耦合光功率，也即所述移动单元330移动到所述第二垂轴位置K2（相对于所述零点）处，然后，求取所述第二垂轴位置K2和所述第一垂轴位置K1（相对于所述零点）之间的差值，即将（K2-K1）便可得到所述金属垫片8的厚度值。通过在经过了粗略地位置调整后得到的所述第一垂轴位置K1的基础上，经过细微地位置调整，测量得到所述第二垂轴位置K2，计算两者的差值便可得到所述金属垫片8的厚度，进一步有效地补偿了光耦合功率的偏差，从而得到最大耦合光功率。

进一步地，所述移动单元330包括：六轴位移台9；所述六轴位移台9分别与所述光纤座7和所述第二检测子单元322连接。

其中，所述六轴位移台9为高精度的所述六轴位移台9，可实现微米级相对移动，每移动1个单位移动量（建议移动量在<2微米，这样可提高采样精度，测量准确度），即离散采样光斑质心在空间坐标中的位置。

为了更好的理解本发明，以下结合图1-5对本发明的基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置的工作原理进行详细的说明：

具体地，所述空间光发射装置100会先发射所述空间光依次经过所述第一耦合透镜1和所述第二耦合透镜2，对所述空间光进行两次耦合后，得到经过耦合后的所述空间光，然后，经过耦合后的所述空间光被传输至所述耦合镜筒3，在所述耦合镜筒3后焦的某一不确定位置聚焦，得到所述第一成像图（聚焦光斑）；在进入所述第一阶段前，首先将待调试的设备安装好，即先将所述光纤座7安装（锁定）于所述相机组4，然后将所述光纤座7与所述相机组4整体安装（不完全固定）于所述耦合镜筒3上；

接着，正式进入所述第一阶段的调试：首先，所述相机组4拍摄所述第一成像图，生成所述第二成像图，所述六轴位移台9带动所述相机组4在垂直于垂轴方向（所述垂轴方向是指所述六轴位移台9的垂轴方向）上移动，当所述第二成像图的大小不发生变化时，即当所述成像光斑的形状不再发生变化时，在所述相机组4中的成像图即为所述第三成像图，再将安装好所述光纤座7的所述相机组4固定在所述六轴位移台9上，其次，记录当前所述六轴位移台9相对于绝对零位（所述绝对零位是高精度位移台的复位零位）的相对位置信息A，并以感光面中每一个像素矩阵的大小为单位，记录此时所述第三成像图的光斑质心（光强度中心）相对于相机组4的感光面中心的相对位置，同时所述六轴位移台9将此时的所述相对位置记作第一垂轴位置K1，再者，再次利用所述六轴位移台9在沿垂轴方向上进行精细地移动，每移动一步，记录所述光斑质心的位置，移动约25步（一般数据越多越好，但是时间更高一些，25步为较多步数，数据量较大，拟合计算更为准确，25步为经验数值，也可以是移动35、45、55、65、75、85、95和101步等等），此时，根据所述光斑质心随着所述六轴位移台9移动的位置变化关系进行线性拟合，得到所述线性拟合函数，再求解所述线性拟合函数的斜率，并对所述斜率取正切函数，得到所述调整参数，即得到经过耦合后的所述空间光相对于光纤6端面的倾斜角度（倾斜量）， 最后，所述光纤座7根据所述倾斜角度调整自身与经过耦合后的所述空间光的角度，使得经过耦合后的所述空间光能够垂直射入所述光纤座7；

接下来，先将所述光纤座7从所述相机组4中卸下后，将所述光纤6的一端固定安装在所述光纤座7上，而所述光纤6的另一端则连接所述光功率计5，再将所述光纤座7安装在所述六轴位移台9上，并将此时的所述光纤座7在所述六轴位移台9上的当前位置记作零点，进入到所述第二阶段：首先，将所述六轴位移台9移动到所述垂轴位置信息A处后，所述六轴位移台9带动所述光纤座7在沿垂轴方向上进行移动，在移动过程中所述光功率计5测量得到所述最大耦合光功率处，也即所述六轴位移台9移动到所述第二垂轴位置K2（相对于所述零点）处，然后，求取所述第二垂轴位置K2和所述第一垂轴位置K1（相对于所述零点）之间的差值，即将（K2-K1）便可得到所述金属垫片8的厚度值，最后，根据所述厚度值设计加工相应的所述金属垫片8，将所述金属垫片8插入与所述光纤座7与所述耦合镜筒3中间。

最后的检测阶段：将所述六轴位移台9移动至垂轴位置信息A处，通过螺丝锁定，在将所述金属垫片8插入后，通过所述光功率计5复测所述光线的耦合光功率是否达到最大的耦合光功率，即可判断耦合调节是否完成到位达到最佳耦合效率。

进一步地，参阅图6，一种基于如上所述的基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置的基于视觉探测的空间光-光纤耦合方法，所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合方法包括以下步骤：

S100、所述成像模块200将所述空间光进行耦合成像，得到所述第一成像图，并将经过耦合后的所述空间光传输至所述成像调整模块300；

具体地，在进入对所述成像调整模块300进行调试前，所述空间光发射装置100会发射所述空间光至所述成像模块200，所述成像模块200接收所述空间光后进行耦合，得到所述第一成像图，然后开始进入调试的第一阶段，并且，在进入调试的第二阶段时，所述成像模块200会将经过耦合后的所述空间光传输至所述成像调整模块300，以便进行下一步操作。

进一步地，请参阅图7，步骤S100、所述成像模块200将所述空间光进行耦合成像，得到所述第一成像图，并将经过耦合后的所述空间光传输至所述成像调整模块300，包括：

S110、第一耦合透镜1和第二耦合透镜2接收所述空间光后，依次对所述空间光进行耦合，并将经过两次耦合后的所述空间光传输至耦合镜筒3和光纤6；

S120、所述耦合镜筒3对经过两次耦合后的所述空间光成像，得到所述第一成像图。

具体地，所述第一耦合透镜1和所述第二耦合透镜2依次对所述空间光进行耦合，得到经过耦合后的所述空间光，并将经过两次耦合后的所述空间光传输至所述耦合镜筒3，而经过两次耦合后的所述空间光则会在所述耦合镜筒3后焦的某一不确定位置聚焦，得到聚焦光斑，即得到所述第一成像图。

进一步地，请继续参阅图6，S200、所述成像调整模块300获取所述第一成像图后生成所述第二成像图，并对所述第二成像图进行位置调整得到所述第三成像图，同时得到调整参数后发送给所述成像模块200；

具体地，在得到所述第一成像图后，开始正式进入所述第一阶段：所述成像调整模块300在获取到所述第一成像图后，生成所述第二成像图，然后，基于所述第二成像图为参照，对自身的位置进行调整，在所述第二成像图的形状不再发生变化时，以此时所述空间光在所述成像调整模块300中的成像图作为所述第三成像图；接着，进入到第二阶段，根据所述第三成像图，第二次对所述成像调整模块300的位置进行精细地调整，就可以根据此时所述成像调整模块300的位置变化关系计算得到所述调整参数，以便所述成像模块200可以根据所述调整参数进行参数调节。

进一步地，请参阅图8，步骤S200、所述成像调整模块300获取所述第一成像图后生成所述第二成像图，并对所述第二成像图进行位置调整得到所述第三成像图，同时得到调整参数后发送给所述成像模块200，包括：

S210、相机组4通过对所述第一成像图进行拍摄，生成所述第二成像图；

S220、六轴位移台9带动所述相机组4在垂轴方向上进行移动，在所述第二成像图的大小不发生改变时，所述相机组4生成所述第三成像图；

S230、所述六轴位移台9带动光纤6在沿垂轴方向上进行移动，并实时记录所述质心与所述相机组4的感光面中心的相对位置；

S240、对所述相对位置的位置变化关系进行拟合，得到线性拟合函数；

S250、求解所述线性拟合函数的斜率，并对所述斜率取正切函数，得到所述调整参数后发送给所述成像模块200。

具体地，在进行所述第一阶段的调试前，先将待调试的设备安装好，即先将所述光纤座7安装（锁定）于所述相机组4，然后将所述光纤座7与所述相机组4整体安装（不完全固定）于所述耦合镜筒3上；接着，正式进入所述第一阶段的调试：首先，所述相机组4拍摄所述第一成像图，生成所述第二成像图，所述六轴位移台9带动所述相机组4在垂直于垂轴方向上移动，当所述第二成像图的大小不发生变化时，即当所述成像光斑的形状不再发生变化时，在所述相机组4中的成像图即为所述第三成像图，再将安装好所述光纤座7的所述相机组4固定在所述六轴位移台9上，其次，记录当前所述六轴位移台9相对于绝对零位的相对位置信息A，并以感光面中每一个像素矩阵的大小为单位，记录此时所述第三成像图的光斑质心相对于相机组4的感光面中心的相对位置，同时所述六轴位移台9将此时的所述相对位置记作第一垂轴位置K1，再者，再次利用所述六轴位移台9在沿垂轴方向上进行精细地移动，每移动一步，记录所述光斑质心的位置，移动约25步，此时，根据所述光斑质心随着所述六轴位移台9移动的位置变化关系进行线性拟合，得到所述线性拟合函数，再求解所述线性拟合函数的斜率，并对所述斜率取正切函数，得到所述调整参数，即得到经过耦合后的所述空间光相对于光纤6端面的倾斜角度。

进一步地，请继续参阅图6，S300、所述成像模块200根据所述调整参数进行成像调整，得到所述空间光到光纤的耦合的最大耦合光功率。

具体地，在得到所述调整参数后，所述成像调整模块300根据所述调整参数对成像的角度进行调整，并在已经调整角度后，进一步地进行细小地移动，就可以移动到最大的耦合光功率处。

进一步地，请参阅图9，步骤S300、所述成像模块200根据所述调整参数进行成像调整后，测量得到最大的耦合光功率，包括：

S310、所述六轴位移台9根据所述调整参数对光纤座7的角度进行调整；

S320、在对所述光纤座7的角度进行调整后，所述六轴位移台9带动所述光纤6在沿垂轴方向上进行移动，直至光功率计5测量得到最大的所述耦合光功率的位置。

具体地，在得到所述调整参数后，所述光纤座7根据所述倾斜角度调整自身与经过耦合后的所述空间光的角度，使得经过耦合后的所述空间光能够垂直射入所述光纤座7；上述步骤是在只安装有所述光纤座7的条件上进行的调试，即只是对所述光纤座7进行了调试；

接下来，为了得到最大的耦合光功率以及在最大的耦合光功率下的所需辅助金属垫片8的厚度值，还需要对所述光纤6的耦合光功率进行实时测量，测量前的准备工作如下：先将所述光纤座7从所述相机组4中卸下后，将所述光纤6的一端固定安装在所述光纤座7上，而所述光纤6的另一端则连接所述光功率计5，再将所述光纤座7安装在所述六轴位移台9上，并将此时的所述光纤座7在所述六轴位移台9上的当前位置记作零点；

然后，正式进入到所述第二阶段：首先，将所述六轴位移台9移动到所述垂轴位置信息A处后，所述六轴位移台9带动所述光纤座7在沿垂轴方向上进行移动，在移动过程中所述光功率计5测量得到所述最大耦合光功率处，也即所述六轴位移台9移动到所述第二垂轴位置K2处，然后，求取所述第二垂轴位置K2和所述第一垂轴位置K1之间的差值，即将（K2-K1）便可得到所述金属垫片8的厚度值，最后，根据所述厚度值设计加工相应的所述金属垫片8，将所述金属垫片8插入与所述光纤座7与所述耦合镜筒3中间，便完成了对最佳耦合光功率的偏差补偿。

最后，为了验证偏差补偿的效果，还有一个检测阶段：即在将所述金属垫片8插入后，同样将所述六轴位移台9移动至垂轴位置信息A处，此时使用螺钉锁住固定，通过所述光功率计5复测所述光线的耦合光功率是否达到最大的耦合光功率，即可判断耦合调节是否完成到位达到最佳耦合效率。

本发明中的基于视觉探测的空间光-光纤耦合方法同样适用于针对大规模阵列透镜从空间光-光纤耦合，通过运用高精度六轴位移平台在阵列耦合透镜后焦平面空间进行移动，且基于所述相机组4的视觉功能，进行可视化操作，能够更加直观显示操作过程和结果，从而达到快速精准、高效完成阵列化空间光-光纤耦合对耦合一致性、可重复性和方向性地提升耦合效率的需求。

并且所述方法是基于相机组4，搭载于高精度六轴位移平台，在耦合调整过程中仅采用耦合所需的光纤座7、待耦合的光纤6、调节金属垫片8等完成对整体耦合及最大耦合效率的实现，在获取倾斜量（调整参数）过程，仅利用离散采样点之间相对量，由此不会引入所述相机组4自身位置探测误差，且该装置及方法没有引入新的参考系统，不会带入其他元件加工、系统装调的误差，不需要反馈源，对相机光斑探测频率、光纤探测功率反馈速度等没有特殊要求，所以可以有效地减少由于镜片加工误差、结构件加工误差、元件的装调误差、待耦合的光纤6自身的加工误差、光纤座7的加工误差及安装误差等误差的出现导致的耦合效率低等问题。

综上所述，本发明提供的一种基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置和方法，所述装置包括：成像模块和成像调整模块；成像模块用于将空间光发射装置发射的空间光进行耦合成像，得到第一成像图，并将经过耦合后的空间光传输至成像调整模块，成像调整模块用于获取第一成像图后生成第二成像图，并对第二成像图进行位置调整生成第三成像图，同时得到调整参数后发送给所述成像模块，成像模块还用于根据调整参数对第一成像图进行成像调整。通过成像调整模块获取第一成像图后，生成第二成像图，并调整第二成像图得到调整参数，以便成像模块根据调整参数对第一成像图进行成像调整，能够在空间光到光纤的耦合时，得到最大的耦合光功率，实现了自动迅速地调整光纤耦合的效率，提升了耦合光功率。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置，与空间光发射装置连接，其特征在于，所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置包括：成像模块和成像调整模块；所述成像模块包括：透镜单元和成像单元；所述成像调整模块包括：转换单元、检测单元和移动单元；所述成像单元包括：耦合镜筒；所述检测单元包括：第一检测子单元和第二检测子单元；所述转换单元包括：光纤、光纤座和金属垫片；所述移动单元包括：六轴位移台；所述第一检测子单元包括：相机组；所述第二检测子单元包括：光功率计；

所述成像模块与所述成像调整模块连接；

所述成像模块用于将所述空间光发射装置发射的空间光进行耦合成像，得到第一成像图，以及用于将经过耦合后的所述空间光传输至所述成像调整模块；所述成像调整模块用于获取所述第一成像图后生成第二成像图，并对所述第二成像图进行位置调整生成第三成像图，同时得到调整参数后发送给所述转换单元，以便所述转换单元根据所述调整参数对所述第一成像图进行成像调整，使得空间光到光纤的耦合达到最大的耦合光功率；

所述透镜单元与所述成像单元连接，所述成像单元还与所述成像调整模块连接；所述透镜单元用于接收所述空间光发射装置发射的所述空间光后对所述空间光进行耦合，并将经过耦合后的所述空间光传输至所述成像单元；所述成像单元用于接收经过耦合后的所述空间光，并生成所述第一成像图；

所述转换单元、所述检测单元和所述移动单元依次连接，所述转换单元还分别与所述移动单元和所述成像模块连接；所述转换单元用于将经过耦合后的所述空间光转换为光纤光，并传输至所述检测单元；所述检测单元用于对所述第一成像图进行检测，并生成所述第二成像图，以及用于计算所述光纤光的耦合光功率；所述移动单元用于根据所述第二成像图对所述检测单元的位置进行调整，得到所述调整参数；所述检测单元还用于根据所述调整参数进行位置调整后，生成所述第三成像图；

所述第一检测子单元分别与所述转换单元和所述移动单元连接；所述第一检测子单元用于对所述第一成像图进行检测后生成所述第二成像图；

所述第二检测子单元分别与所述转换单元和所述移动单元连接；所述第二检测子单元用于计算所述光纤光的耦合光功率；

所述光纤分别与所述第二检测子单元和所述光纤座连接，所述金属垫片设置于所述成像模块和所述光纤座之间，所述光纤座设置在所述光纤座和所述移动单元之间；

所述六轴位移台分别与所述光纤座、所述第一检测子单元和所述第二检测子单元连接；

所述相机组分别与所述移动单元和所述转换单元连接；

所述光功率计与所述光纤连接。

2.根据权利要求1所述的基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置，其特征在于，所述透镜单元包括：第一耦合透镜和第二耦合透镜；所述第一耦合和所述第二耦合透镜均与所述成像单元连接。

3.根据权利要求2所述的基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置，其特征在于，所述耦合镜筒内前后设置有所述第一耦合透镜和所述第二耦合透镜，所述耦合镜筒还与所述成像调整模块连接。

4.一种基于视觉探测的空间光-光纤耦合方法，所述方法利用如权利要求1-3任一项所述的基于视觉探测的空间光-光纤耦合装置，其特征在于，所述基于视觉探测的空间光-光纤耦合方法包括以下步骤：

所述成像模块将所述空间光进行耦合成像，得到所述第一成像图，并将经过耦合后的所述空间光传输至所述成像调整模块；

所述成像调整模块获取所述第一成像图后生成所述第二成像图，并对所述第二成像图进行位置调整得到所述第三成像图，同时得到调整参数后发送给所述转换单元；

所述转换单元根据所述调整参数进行成像调整，测量得到所述空间光到光纤耦合的最大耦合光功率；

所述成像模块将所述空间光进行耦合成像，得到所述第一成像图，并将经过耦合后的所述空间光传输至所述成像调整模块，包括：

第一耦合透镜和第二耦合透镜接收所述空间光后，依次对所述空间光进行耦合，并将经过两次耦合后的所述空间光传输至耦合镜筒和光纤；

所述耦合镜筒对经过两次耦合后的所述空间光成像，得到所述第一成像图；

所述成像调整模块获取所述第一成像图后生成所述第二成像图，并对所述第二成像图进行位置调整得到所述第三成像图，同时得到调整参数后发送给所述转换单元，包括：

相机组通过对所述第一成像图进行拍摄，生成所述第二成像图；

六轴位移台带动所述相机组在垂直于垂轴方向上进行移动，在所述第二成像图的大小不发生改变时，所述相机组生成所述第三成像图；

所述六轴位移台带动光纤在沿垂轴方向上进行移动，并实时记录所述第三成像图的光斑质心与所述相机组的感光面中心的相对位置；

对所述相对位置的位置变化关系进行拟合，得到线性拟合函数；

求解所述线性拟合函数的斜率，并对所述斜率取正切函数，得到所述调整参数后发送给所述转换单元；

所述转换单元根据所述调整参数进行成像调整后，测量得到所述空间光到光纤耦合的最大耦合光功率，包括：

所述六轴位移台根据所述调整参数对光纤座的角度进行调整；

在对所述光纤座的角度进行调整后，所述六轴位移台带动所述光纤在沿垂轴方向上进行移动，直至光功率计测量得到最大的所述耦合光功率的位置。

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