随着光纤通信技术的广泛应用,越来越多的光纤线路需要维护和熔接接续。为了获得低熔接损耗的光纤,需要对光纤纤芯进行高精度对准。因此,设计一款适用于光纤熔接机的高质量显微物镜具有重要的意义。

显微物镜是用于观察近距离物体,其像距大于物距,这样才起到放大的作用。光学设计一般从长距离方向计算,因此为了便于后续的像差优化,根据光路可逆原理,传统的设计方法均是采用逆向光路进行优化设计。采用逆向光路设计时,物镜的放大率为正向光路设计时的倒数1/β(β为正向光路设计时物镜的放大率),像差经过物镜后缩小,像差校正容易,但是逆向光路设计的光学系统其几何像差调制传递函数(MTF)、星点图等体现的是物面处的成像质量。而显微物镜在实际使用中都是采用正向光路,且正向光路设计的光学系统其几何像差、MTF、星点图等能够直观体现CCD接收靶面处的成像质量,因此正向光路设计的显微物镜更能贴近实际使用状态。本文中的显微物镜是按正向光路进行设计,它能够更加清晰呈现光纤的纤芯位置,提高光纤熔接机的对准精度,从而达到降低光纤熔接损耗的目的。

图 1

Fig. 1

图 1 纤芯对准系统的结构示意图 Fig. 1 Structure diagram of fiber core alignment system

光纤纤芯对准系统的基本结构示意图如图 1示,图中:l为物距;l′为像距;L为共轭距。像面接收器采用CCD,待熔光纤的直径为125 μm(即物高y为0.125 mm),纤芯直径为9 μm。当光纤在CCD的像面宽度上成像为1 mm(即像高y′为1 mm)左右时,能够较理想地实现光纤纤芯的高清晰对准,且光纤所成的像为倒像。因此可得该系统的放大率为

该系统在正常情况下其共轭距L将超过120 mm。为了缩短整个光路,将共轭距控制在85 mm以内,这为将来仪器的小型化设计提供了可靠的前提保证。

本文中的显微物镜是按正向光路进行设计,纤芯和包层经过显微物镜放大后,其直径分别为0.072 mm和1 mm。由于光纤熔接时主要是检测断裂处纤芯的准确位置,光纤成像的最大视场在0.8ω(ω为物镜的视场角)处(如图 2示),因此,系统只需校正0.8ω以内的像差即可满足设计要求。为了采集到高质量的光纤图像,显微物镜的数值孔径设置为0.25。系统拟采用高亮度的白光LED,设计光谱为486～656 nm。

图 2

Fig. 2

图 2 包层和纤芯在CCD上的实际大小 Fig. 2 Real size of the cladding and fiber core in the CCD

为了缩短光学总长,镜头采用摄远型初始结构,由正透镜组和负透镜组组成,如图 3所示。根据理论公式可以粗略计算出正负透镜组的基本参数,显微物镜的物距即正透镜组的物距l₁为13.4 mm,由于该显微物镜的共轭距为85 mm,拟定其像距即负透镜组的像距l′₂为65 mm,正负透镜组间隔d为6.6 mm。

显微物镜数值孔径及角度放大率表达式分别为

图 3

Fig. 3

图 3 摄远型初始结构 Fig. 3 Initial structure of telephoto

由摄远型初始结构图中的几何关系可知

再根据高斯公式及透镜组的光焦度φ的表达式为

由此可得,光纤经过显微物镜成像时可理解为经过了两次角度变化,即u=-14.477 5°→u′₁=12.204 4°→u′=1.790 8°。正负透镜组所承担的偏向角δ₁、δ₂分别为26.681 9°和10.413 6°(见图 3)。根据初始像差及其光学设计的经验,一般情况下,每个光学镜头承担的偏向角不要太大,单透镜承担的偏角为6°～9°,双胶合承担的偏角为11°～14°。这是因为光线的偏角越大,该表面的相对孔径也越大,会产生较大的高级像差,优化时很难达到像差平衡。本文显微物镜的正透镜组采用一片单透镜和一组双胶合透镜的透镜组合,而负透镜组则采用三片分离的单透镜组合,共有六片透镜组成。正透镜组剩余的偏折角可由负透镜组来承担。

表 1(Table 1)

表 1 透镜组的基本参数 Tab. 1 Basic parameters of the lens group 组名 形式 焦距/mm 空气间隔/mm 正 透 镜 组 单透镜 16 — 空气 — 1 双胶合 12.57 — 空气 — 3.6 负 透 镜 组 单透镜 -15.60 — 空气 — 1 单透镜 34 — 空气 — 1 单透镜 -17.12 —

表 1 透镜组的基本参数 Tab. 1 Basic parameters of the lens group

根据前面得到的正负透镜组结构参数,结合几何光学公式可得出每个透镜的焦距值及透镜间的空气间隔,如表 1所示。

显微系统的照明光源为白光LED,图像接收器件为CCD,为了能在CCD上得到0.8视场内的清晰像,要求显微物镜是平场消色差物镜。由于所设计的显微物镜是一个长工作距离、小视场的系统,有较小的场曲,因此主要校正其轴上像差,即球差和轴向色差,还要考虑彗差。显微物镜是按正向光路进行优化设计,球差、轴向色差等像差经过系统后被放大,这将增加其校正难度。为了得到优良的成像质量,系统的球差可通过正负透镜组合来进行校正。

彗差的校正。系统主要存在子午彗差,根据其定义,添加操作数TRAY,控制像平面上光线与像面交点到主光线的垂轴距离。对同一视场,不同孔径设置操作数TRAY,令其两者之和为零,可有效减小子午彗差。正向光路设计的显微系统像差放大,因此在优化过程中需要加重相应优化操作数的权重。

轴向色差的校正。对于薄透镜系统,其轴向色差系数为ΣC₁=Σh²φν(其中h为光线的入射高度，φ为光焦度,ν为阿贝常数),系统在结构上采用双胶合和有空气隙的正负分离透镜组合。在优化过程中,适当地选择φ,ν及h值,使轴向色差系数尽可能小或为零。系统采用冕牌玻璃与火石玻璃的搭配亦可达到减小轴向色差的目的。

镜头优化后的外形结构和系统参数分别如图 4、表 2所示。该系统由6片透镜组合而成,其中有一组双胶合透镜,两片双凸透镜,两片弯月形透镜。所选玻璃第一片来自肖特玻璃库,其余五片均来自成都玻璃库,其中玻璃材料从第一片到最后一片依次为:N-PK52、H-ZK6、ZF5、H-ZF4、BAF3、H-LAK4L。冕牌玻璃与火石玻璃的搭配有利于校正像差。

图 4

Fig. 4

图 4 惯性姿态测量单元框图 Fig. 4 Layout of the microscope objective

表 2(Table 2)

表 2 显微物镜的系统参数 Tab. 2 System parameters of the microscope objective 名称 值 物方数值孔径NA 0.25 有效焦距/mm 6.738 307 总长/mm 71.600 55 像方数值孔径NA 0.032 286 71 近轴像高/mm 2 近轴放大率 -7.992 895 入瞳直径/mm 23.482 99 出瞳直径/mm 3.545 373

表 2 显微物镜的系统参数 Tab. 2 System parameters of the microscope objective

图 5为显微物镜的MTF曲线,从MTF曲线可以看出,在空间频率为50 lp/mm处,全视场以内的调制传递函数MTF值均大于0.3,接近衍射极限,具有较高的分辨率。

图 6为显微物镜的点列图,由图可以看出,该系统各视场的成像弥散斑均方根半径均小于爱里斑半径,能量较集中,符合设计要求。

图 5

Fig. 5

图 5 MTF曲线 Fig. 5 MTF curve

图 6

Fig. 6

图 6 点列图 Fig. 6 Spot diagram

显微物镜的像差公差用波像差来衡量,要求光学系统的波像差小于λ/4。显微物镜的几何像差分析如下:

(1)球差

由于该显微物镜的孔径较大,因此存在高级球差。该系统的边光球差容限值和剩余球差容限值分别为

图 7为显微物镜的球差曲线,由图可知,该系统主波长的实际球差最大值为0.109 9 mm,在边光球差和剩余球差容限范围内,满足设计要求。

图 7

Fig. 7

图 7 球差曲线 Fig. 7 Longitudinal aberration curve

(2)轴向色差

该系统的轴向色差容限值为

由图 7可看出,该系统的实际轴向色差最大值为0.033 6 mm,在容限范围内,符合要求。

(3)其他像差

图 8为显微物镜的畸变图,由图可看出,系统的场曲、像散和畸变都很小,该系统主波长的实际子午场曲最大值为0.027 7 mm,弧矢场曲最大值为0.022 4 mm,实际像散最大值为0.005 2 mm,畸变值为0.24%,都满足设计要求

图 8

Fig. 8

图 8 畸变曲线 Fig. 8 Distortion curve

系统在加工与装调过程中都将产生误差,使最终结果偏离设计结果。为了提高其成像质量,光学系统内所有参数都需要分配可变公差。如果系统对某一参数的变化很敏感,那么对该组公差要有较严的要求,反之则可以采用较为宽松的公差。

显微物镜系统对成像质量有较高的要求,且该显微物镜各透镜的半径和厚度值均很小,因此对光学元件公差的要求相对较严。运用Zemax软件中的公差计算与分析程序计算光学系统内各参数性能下降的敏感度,即分析所有元件的加工、装调公差,确定敏感度。公差参数包括半径、光学元件厚度、空气间隔、偏心等。

运用Zemax光学设计软件,通过灵敏度分析、反转灵敏度分析及蒙特卡罗分析得到显微物镜合理的公差分配。通过计算分析每一公差参数在Nyquist空间频率50 lp/mm处的MTF下降情况,最终确定合适的公差。灵敏度公差、蒙特卡罗公差分析结果分别如表 3、表 4所示。蒙特卡罗公差分析结果显示该显微物镜系统90%以上的蒙特卡罗样本MTF≥0.166 385 252,每个样本为一个模拟加工、装调后的光学系统。

对显微物镜公差灵敏度的分析表明,元件的半径、厚度和偏心为敏感公差,其敏感公差主要位于元件3,4,5(表 5所示)。因此,需要严格保证这些元件的加工与装调公差,确保最终实现光学系统的高精度、高性能要求。

表 3(Table 3)

表 3 灵敏度的公差分析结果 Tab. 3 Analysis of sensitive tolerance sensitivity 类型 表面序号 公差 MTF改变量 半径公差 1 +4光圈数 -4光圈数 -0.050 733 329 -0.051 019 096 表面偏心公差 7 ±0.008 mm -0.051 884 756 表面倾斜公差 7 ±0.008 mm -0.052 259 487 半径公差 9 +3光圈数 -3光圈数 -0.054 000 761 -0.056 068 687 表面偏心公差 12 ±0.005 mm -0.063 947 077

表 3 灵敏度的公差分析结果 Tab. 3 Analysis of sensitive tolerance sensitivity

表 4(Table 4)

表 4 蒙特卡罗公差分析结果 Tab. 4 The result of the analysis using Monte Carlo method 蒙特卡罗样本百分比 MTF值 90% ≥0.166 385 252 50% ≥0.203 524 689 10% ≥0.329 780 993

表 4 蒙特卡罗公差分析结果 Tab. 4 The result of the analysis using Monte Carlo method

表 5(Table 5)

表 5 显微物镜的公差要求 Tab. 5 Tolerance demands of the microscope objective 元件 序号 半径公差/ 光圈数 厚度公差/ mm 偏心公差/ mm 折射率 公差 阿贝常数 公差/% 1 ±4 ±5 ±0.03 ±0.03 ±0.015 ±0.015 ±0.001 0 1 2 ±5 ±5 ±5 ±0.03 ±0.03 ±0.03 ±0.015 ±0.015 ±0.015 ±0.000 8 ±0.001 0 1 3 ±3 ±4 ±0.03 ±0.03 ±0.008 ±0.015 ±0.001 0 1 4 ±3 ±4 ±0.03 ±0.03 ±0.008 ±0.015 ±0.001 0 1 5 ±2 ±2 ±0.03 ±0.005 ±0.005 ±0.005 ±0.001 0 1

表 5 显微物镜的公差要求 Tab. 5 Tolerance demands of the microscope objective

所设计的光纤熔接机的显微物镜具有高放大率、高分辨率、结构简单、装配方便、成本低、适合大批量投产等特点。能够实现更高精度的光纤图像纤芯对准,提高图像识别精度,较为准确地定位纤芯位置,提高光纤熔接的质量。在本系统之后的研究中,将进行显微系统的机械结构和装调技术的研制,使生产过程中安装调节显微物镜简便且易操作,从而降低生产成本。