CN114166097A - 一种应用短光纤的实时光束角度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传光和成像领域，尤其涉及一种应用短光纤的实时光束角度测量系统。系统包括总夹持件，还包括设置在总夹持件内的光阑、光纤、成像屏；光阑用于限制光纤作为唯一的通光口；所述光纤的输入端固定在光阑上，输出端固定在总夹持件中的光纤尾部夹持件上，所述光纤的输出端正对成像屏中心，所述成像屏包括全息扩散片和刻度。本发明的优点在于：本申请通过光阑限制光纤纤芯作为唯一的光输入通道，光束通过光纤照射到成像屏上，形成与入射角度对应大小的光斑，通过观测光斑大小可以实现光束入射角度的实时测量。

Description

一种应用短光纤的实时光束角度测量系统

技术领域

本发明涉及光纤传光和成像领域，尤其涉及一种应用短光纤的实时光束角度测量系统。

背景技术

在激光雷达、成像系统、光束测量等多类光路中，光源与探测器、相机等接收系统的空间对准至关重要，因此常需要测量光束入射角度或调试接收系统与光束相互垂直。典型的商用测量工具为激光角度仪，由透镜、传感器和数据处理设备组成，其测量精度高，但设计复杂，造价昂贵。

相比于传感系统，应用成像原理测量角度可以避免繁琐的数据处理步骤，在测量精度要求较低的场景下应用更加广泛。在实际光路调试系统中，可以通过观察不同轴向距离下的光斑径向的成像位置变化来计算光束角度，但显示不够直观，测量也较为粗略。

发明内容

为提供一种可应用于多类光路调试系统，并且可读取成像屏上光斑最大外径所达成像屏上刻度，从而实时直观获取光束入射角度，还可以通过观察成像屏上光斑形态来作为调节接收系统角度的依据，为此，本发明提出了一种应用短光纤的实时光束角度测量系统，具体方案如下：

一种应用短光纤的实时光束角度测量系统，包括总夹持件，还包括设置在总夹持件内的光阑、光纤、成像屏；光阑用于限制光纤纤芯作为唯一的通光口；所述光纤的输入端固定在光阑上，输出端固定在总夹持件中的光纤尾部夹持件上，所述光纤的输出端正对成像屏中心，所述成像屏包括全息扩散片和位于全息扩散片上的刻度。

具体地说，所述刻度包括粗读数的环形刻度和精读数的条形刻度。

具体地说，所述光阑为三层结构，从迎光方向第一层到第三层对应设置有同轴的通光孔、第一通纤孔、第一灌胶槽；所述光纤的输入端穿过第一灌胶槽深入到第一通纤孔与通光孔的交面处，位于第一灌胶槽内的胶将光纤固定，所述胶的折射率低于光纤的包层折射率n₂。

具体地说，所述光纤尾部夹持件从光阑指向成像屏方向上的两层有孔结构对应设置有同轴的第二通纤孔和第二灌胶槽，位于第二灌胶槽内的胶将光纤固定，所述胶的折射率低于光纤的包层折射率n₂。

具体地说，所述光纤为阶跃型直光纤，由折射率不同的两类石英制成，其中包层折射率n₂小于纤芯折射率n₁，θ_m半角范围内入射的光线射入纤芯后，在纤芯与包层交界处满足全反射定律，被约束在纤芯中传输；其中θ_m可根据下式获得：

其中NA为光纤的数值孔径，表征光纤接收光的能力。

具体地说，所述NA取值范围为0.6～0.9。

具体地说，刻度与成像屏的圆心径向距离D与发散光的半角θ的关系遵循式下式：

D＝2l·tan(θ)+d (2)

其中d为光纤出射光为初始直径为光纤芯径，l为成像屏与光纤尾端的间距。

具体地说，所述成像屏与光纤尾端的间距l的取值范围为10～30mm。

具体地说，所述成像屏的外径大于(l·tan(arcsin(NA))+d)，取值范围为 30～60mm。

具体地说，所述成像屏外还设置有起固定作用的外框，所述外框可通过总夹持件中的外框夹持件夹持。

本发明的有益效果在于：

(1)本申请通过光阑限制光纤作为唯一的光输入通道，光束通过光纤照射到成像屏上，形成的光斑外径与入射角度具有固定对应关系，通过观测光斑外径可以实现光束相对于整个系统的相对角度的实时测量。

(2)本申请可以通过观察光斑形态来调试接收系统垂直于光束，可简化多类光学实验中复杂的调试光路过程。

(3)本系统还有防震动易散热的特点；光纤与总夹持件的相接处均灌有低折射率封装胶，在胶合功能的基础上还可以对脆弱的裸纤起到良好的防震散热作用。

(4)阶跃型光纤棒工艺成熟，设备易于集成，这样可以降低整个系统的成本，并且系统的制作也比较简单。

(5)本申请可作为一类辅助设备应用于需要实时测量光束角度的各类光学实验中。不断调试入射光束与光纤中轴线的角度，通过观察光斑形态，确定使得测量系统与光束垂直，再调试接收系统与本测量系统平行，以达到接收系统垂直于光束的状态。

附图说明

图1和图2是本发明具体实施方式提供的应用短光纤的实时光束角度测量系统的结构示意图；

图3为本发明中光阑、光纤、成像屏、外框和夹持底座的爆炸图。

图4是本发明具体实施方法提供的测量系统中的光阑、光纤和夹持底座的剖面结构示意图；

图5是本发明具体实施方式提供的测量系统中的成像屏的结构示意图；

图6是本发明具体实施方式提供的测量系统在不同测量角度时的成像示意图；

图7是本发明具体实施方式提供的测量系统在调试过程中相对光束垂直时的成像示意图。

图中：

1、光阑；11、通光孔；12、第一通纤孔；13、第一灌胶槽；2、光纤；21、包层；22、纤芯；3、成像屏；4、外框；5、夹持底座；51、光阑下夹持部分；52、光纤尾部下夹持部分；53、外框下夹持部分；6、夹持封装件；61、光阑上夹持部分；62、光纤尾部上夹持部分；63、外框上夹持部分；71、第二通纤孔； 72、第二灌胶槽。

具体实施方式

如图1-3所示，一种应用短光纤的实时光束角度测量系统，包括总夹持件、还包括设置在总夹持件内的光阑1、光纤2、成像屏3，所述光纤2的输入端固定在光阑1上，输出端固定在总夹持件中的光纤尾部夹持件上，所述光纤2的输出端正对成像屏3中心，所述成像屏3包括全息扩散片和和位于扩散片上的刻度。如图5所示，所述刻度包括粗读数的环形刻度，为保证准确读出外径所在位置，在环形刻度的基础上还设置了四个方向和精读数的线形刻度，可读范围为0°～45°，最小间隔为1°，每5°具有数字标记，每10°具有环形标记，可以根据成像的光斑外径直接读出入射角度。

本方案中，由于成像屏3比较薄，总夹持件不方便直接夹持，为了更好的固定成像屏3，如图3所示，在成像屏3外还设置又起固定作用的外框4，所述外框4可通过总夹持件中的外框夹持件夹持。具体地说，如图1和图2所示，所述总夹持件包括夹持底座5和盖合在夹持底座5上的夹持封装件6，所述夹持底座5分别设置有光阑下夹持部分51、光纤尾部下夹持部分52、外框下夹持部分53，对应的，夹持封装件6相对面上分别设置有光阑上夹持部分61、光纤尾部上夹持部分62、外框上夹持部分63。所述外框下夹持部分53和外框上夹持部分63组成外框夹持件。夹持封装件6与夹持底座5使用螺栓固定。

如图4所示，所述光阑1为吸光材料，由三层有孔结构胶合而成，迎光方向第一层的孔径略小于光纤2芯径，孔壁较薄，具有遮挡包层21端面入光的作用；第二层孔径略大于光纤2外径，孔壁较厚，具有夹持光纤2的作用，第三层的孔径约为光纤2外径的2～3倍，在光纤2插入后提供低折射率封装胶灌装空间。三层有孔结构从迎光方向第一层到第三层对应设置有同轴的通光孔11、第一通纤孔12、第一灌胶槽13，所述光纤2的输入端穿过第一灌胶槽13深入到第一通纤孔12与通光孔11的交面处，光束经过通光孔11进入到纤芯22内，位于第一灌胶槽13内的胶将光纤2固定。所述光阑1用于限制光纤2作为唯一的通光口。

所述光纤尾部夹持件由两层有孔结构胶合而成，从光阑1指向成像屏3方向上的两层有孔结构对应设置有同轴的第二通纤孔71和第二灌胶槽72，所述第一灌胶槽13和第二灌胶槽72内灌有低折射率封装胶，胶体固化后固定光纤2，所述低折射率封装胶的折射率低于包层21折射率n2。具体地说，通光孔11的口径略小于纤芯22，控制系统唯一通光口为纤芯22。第一通纤孔12和第二通纤孔71口径略大于光纤2的包层21外径，方便夹持光纤2，第一灌胶槽13和第二灌胶槽72的口径约为包层21外径的2～3倍，便于光纤2插入组装，以及低折射率封装胶的灌入，其中低折射率封装胶可以进一步防止光线从包层21外壁泄出。光纤2与总夹持件的相接处均灌有低折射率封装胶，在胶合功能的基础上还可以对脆弱的裸纤起到良好的防震散热作用。

所述光纤2包括纤芯22和包裹在纤芯22外的包层21。所述光纤2为阶跃型直光纤2，由折射率不同的两类石英制成，其中包层21折射率n₂小于纤芯22 折射率n₁，θ_m半角范围内入射的光线射入纤芯22后，在纤芯22与包层21交界处满足全反射定律，被约束在纤芯22中传输。其中θ_m可根据下式获得：

其中NA为光纤2的数值孔径，表征光纤2接收光的能力。以θ角度入射的光线(θ≤θ_m)在全反射中不改变相对于光纤2侧壁的角度，因此相对于光纤2 端面的出射角仍为θ，但由于选用光纤2可以容纳多种模式，光线在圆柱形的侧壁上被不断反射后模式逐渐增加，最后出射光为半角为θ的发散光。

所述光纤2在接收小角度光束时，成像屏3上会出现显眼的亮点或亮环，当入射角度变为零度时，亮点或亮环会变为直径等于光纤2芯径d的圆斑，变化十分明显。利用这一原理可以使用本系统精确调试接收系统与入射光束的相对垂直；通过人眼观测成像屏3，不断调试入射光束，直至亮点或者亮环消失达到正入射状态，此时接收系统相对本发明平行放置即可垂直于光束。

所述的光纤2选用大NA、大芯径的超短裸光纤2棒，NA合适范围为0.6～0.9，对应最大入射角度允许范围约为±35°～±65°；大芯径增大了入光量，从而增加出射光斑亮度，更易于测量，纤芯22合适范围为1～3mm；光纤2应控制在超短长度，避免入射光在传输中损耗过多而造成出射光斑亮度过低不便观察，合适范围为芯径的10～20倍。

由于光纤2由石英制成，整体透光，应当遮挡包层21的环形端面入光，防止包层21外壁接触其他折射率更高的物质导致光能从侧壁输出，影响最终在成像屏3上的光斑测量。

所述成像屏3上的全息扩散片可以透射式成像，具有较高的透射率和大角度的发散输出，对于人眼观察，输出面可以较为清楚地看到光斑成像。为直观显示入射角度，对屏进行刻度标记，考虑到光纤2出射光为初始直径为光纤2 芯径d、半角为θ的发散光，所以刻度与圆心的径向距离D与θ的关系遵循式下式：

D＝2l·tan(θ)+d (2)

式中，l为成像屏3与光纤2尾端的间距，合适范围为10～30mm。所述成像屏3外径应大于(l·tan(arcsin(NA))+d)，合适范围为30～60mm。

从图6可以看出测量系统在不同测量角度时的成像图，图7展示了本申请的测量系统在调试过程中相对光束垂直时的成像示意图。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用短光纤的实时光束角度测量系统，其特征在于，包括总夹持件，还包括设置在总夹持件内的用于限制光纤(2)纤芯(22)作为唯一的通光口的光阑(1)、光纤(2)、成像屏(3)；所述光纤(2)的输入端固定在光阑(1)上，输出端固定在总夹持件中的光纤尾部夹持件上，所述光纤(2)的输出端正对成像屏(3)中心，所述成像屏(3)包括全息扩散片和位于全息扩散片上的刻度。

2.根据权利要求1所述的一种应用短光纤的实时光束角度测量系统，其特征在于，所述刻度包括粗读数的环形刻度和精读数的条形刻度。

3.根据权利要求1所述的一种应用短光纤的实时光束角度测量系统，其特征在于，所述光阑(1)为三层结构，从迎光方向第一层到第三层对应设置有同轴的通光孔(11)、第一通纤孔(12)、第一灌胶槽(13)；所述光纤(2)的输入端穿过第一灌胶槽(13)深入到第一通纤孔(12)与通光孔(11)的交面处，位于第一灌胶槽(13)内的胶将光纤(2)固定，所述胶的折射率低于光纤(2)的包层(21)折射率n₂。

4.根据权利要求1或3所述的一种应用短光纤的实时光束角度测量系统，其特征在于，所述光纤尾部夹持件从光阑(1)指向成像屏(3)方向上的两层有孔结构对应设置有同轴的第二通纤孔(71)和第二灌胶槽(72)，位于第二灌胶槽(72)内的胶将光纤(2)固定，所述胶的折射率低于光纤(2)的包层(21)折射率n₂。

5.根据权利要求1所述的一种应用短光纤的实时光束角度测量系统，其特征在于，所述光纤(2)为阶跃型直光纤(2)，由折射率不同的两类石英制成，其中包层(21)折射率n₂小于纤芯(22)折射率n₁，θ_m半角范围内入射的光线射入纤芯(22)后，在纤芯(22)与包层(21)交界处满足全反射定律，被约束在纤芯(22)中传输；其中θ_m可根据下式获得：

其中NA为光纤(2)的数值孔径，表征光纤(2)接收光的能力。

6.根据权利要求5所述的一种应用短光纤的实时光束角度测量系统，其特征在于，所述NA取值范围为0.6～0.9。

7.根据权利要求5所述的一种应用短光纤的实时光束角度测量系统，其特征在于，刻度与成像屏(3)的圆心径向距离D与发散光的半角θ的关系遵循式下式：

D＝2l·tan(θ)+d (2)

其中d为光纤(2)出射光为初始直径为光纤(2)芯径，l为成像屏(3)与光纤(2)尾端的间距。

8.根据权利要求7所述的一种应用短光纤的实时光束角度测量系统，其特征在于，所述成像屏(3)与光纤(2)尾端的间距l的取值范围为10～30mm。

9.根据权利要求7所述的一种应用短光纤的实时光束角度测量系统，其特征在于，所述成像屏(3)的外径大于(l·tan(arcsin(NA))+d)，取值范围为30～60mm。

10.根据权利要求1所述的一种应用短光纤的实时光束角度测量系统，其特征在于，所述成像屏(3)外还设置有起固定作用的外框(4)，所述外框(4)可通过总夹持件中的外框夹持件夹持。

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