一种侧向光光纤透镜的测量装置及其测量方法

技术领域

本申请涉及光纤技术领域，具体涉及一种侧向光光纤透镜的测量装置及其测量方法。

背景技术

光学相干断层扫描技术(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是近年来发展较快的一种最具发展前途的新型层析成像技术，特别是在生物组织活体检测和成像方面具有诱人的应用前景，已尝试在心内科、眼科、牙科和皮肤科的临床诊断中应用，是继X-CT和MRI技术之后的又一大技术突破，近年来已得到了迅速的发展，基于该技术的光学干涉断层成像系统可使人们获得微米量级空间分辨率的超高清影像。光学干涉断层成像系统扫描用的成像导管常常是基于侧向光光纤透镜，与此同时，侧向光光纤透镜的出光角度和发散角度等关键指标的测量成为此技术领域的重要课题。

目前现有技术中的并没有统一的有关于侧向光光纤透镜的出光角度和发散角度的测量装置以及测量方法，因此研究一种方便、易行准确率高的测量方法以及装置是该领域亟待解决的问题之一。

发明内容

针对，本申请提出一种侧向光光纤透镜的测量装置，以及采用该测量装置测量所述光纤透镜的出光角度以及发散角，通过所述测量装置，旋转和移动光纤透镜，从而改变和移动光纤透镜出光方向，然后利用激光的高单色性、高方向性等特点，并通过特殊光探测卡，定位光斑投影落点，测量出光角度、发散角度。

本申请提供如下技术方案。

1、一种侧向光光纤透镜的测量装置，其特征在于，包括XZ移动平台和XY移动平台，所述XZ移动平台上设置有可旋转的容纳管件，所述XY移动平台上设置有光探测卡，所述光探测卡的下方设置有光功率探头，且所述光探测卡的高度小于所述容纳管件的高度。

2、根据项1所述的测量装置，其特征在于，在所述XZ移动平台和XY移动平台之间还设置有固定底座，且所述固定底座上设置有卡槽，所述卡槽内设置有所述光功率探头。

3、根据项2所述的测量装置，其特征在于，所述光探测卡的第一端固定在所述XY移动平台上，所述光探测卡的第二端位于所述卡槽的上方；

所述XY移动平台上具有带刻度旋钮，用于记录所述光探测卡沿X轴方向和/或Y轴方向移动的相对距离。

4、根据项2所述的测量装置，其特征在于，所述光探测卡为矩形片，在所述光探测卡的第二端处具有正方形标识区，且所述正方形标识区位于所述卡槽上方；所述正方形标识区的面积不小于光功率探头探测面的面积。

5、根据项1所述的测量装置，其特征在于，所述XZ移动平台包括固定部、控制部以及升降部，且所述控制部固设于所述固定部上，所述升降部可升缩的设置于所述控制部上。

6、根据项5所述的测量装置，其特征在于，所述升降部沿Z轴设置有刻度，用于记录所述升降部的升降高度。

7、根据项5所述的测量装置，其特征在于，所述升降部的顶端设置有通孔，所述容纳管件贯穿所述通孔，且所述容纳管件与所述升降部垂直设置。

8、根据项7所述的测量装置，其特征在于，所述通孔的内径大于所述容纳管件的外径。

9、根据项7所述的测量装置，其特征在于，所述升降部上还设置有用于锁合所述容纳管件的卡锁件。

10、根据项2-9任一项所述的测量装置，其特征在于，还包括底板，所述XZ移动平台、XY移动平台以及固定底座均位于所述底板上。

11、根据项10所述的测量装置，其特征在于，所述底板上设置有刻度，用于记录所述XZ移动平台以及XY移动平台在底板上的相对距离。

12、一种根据项1-11任一项所述的测量装置测量侧向光光纤透镜的出光角度的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

初始化测量装置，所述光纤透镜中心的初始位置为A0(0，0，Z0)；

调节所述XZ移动平台和/或容纳管件，带动所述光纤透镜移动和/或旋转，直至所述光纤透镜在所述光探测卡上的投影不超出所述正方形标识区，且所述所述光探测卡上的光斑投影中心位于所述正方形标识区的中心O处时，停止调节所述XZ移动平台和/或容纳管件，此时光纤透镜的位置A1(X1，0，Z1)；

计算所述光纤透镜的出光角度α＝|arctan(X1/Z1)|。

13、根据项12所述的测量方法，其特征在于，所述初始化测量装置为将光纤置于所述容纳管件内，且光纤透镜朝向所述XY移动平台，且所述光纤透镜在所述光探测卡上的投影位于所述正方形标识区的中心O，O的坐标为(0，0，0)。

14、一种根据项1-11任一项所述的测量装置测量侧向光光纤透镜的发散角的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

初始化测量装置，所述光纤透镜中心的初始位置为A0(0，0，Z0)；

调节所述XZ移动平台和/或容纳管件，带动所述光纤透镜移动和/或旋转，直至所述光纤透镜在所述光探测卡上的投影不超出所述正方形标识区，且所述光探测卡上的光斑投影中心位于所述正方形标识区的中心O处时，停止调节所述XZ移动平台和/或容纳管件，此时光纤透镜的位置A1(X1，0，Z1)；

调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿X轴的第一方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到最大值P1时，记录此时O的坐标(X2,0,0)；

调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿X轴的第二方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到0.5P1时，记录此时O的坐标(X3,0,0)；

初始化测量装置；

调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿Y轴的第一方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到最大值P1时，记录此时O的坐标(0,Y2,0)；

调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿Y轴的第二方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到0.5P1时，记录此时O的坐标(0,Y3,0)；

计算所述光纤透镜的发散角：

发散角(OX)β≈2×arctan[(δx×cosα)/δL]；

发散角(OY)γ＝2×arctan[(δy/δL]；

其中，δx＝|X2-X3|，δy＝|Y2-Y3|，α＝|arctan(X1/Z1)|，δL＝Z1/cosα。

15、一种根据项1-11任一项所述的测量装置测量侧向光光纤透镜的发散角的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

初始化测量装置，所述光纤透镜中心的初始位置为A0(0，0，Z0)；

调节所述XZ移动平台和/或容纳管件，带动所述光纤透镜移动和/或旋转，直至所述光纤透镜在所述光探测卡上的投影不超出所述正方形标识区，且所述光探测卡上的光斑投影中心位于所述正方形标识区的中心O处时，停止调节所述XZ移动平台和/或容纳管件，此时光纤透镜的位置A1(X1，0，Z1)；

调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿X轴的第一方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到最大值P1时，记录此时O的坐标(X2,0,0)；

调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿X轴的第二方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到0.5P1时，记录此时O的坐标(X3,0,0)；

初始化测量装置；

调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿Y轴的第一方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到最大值P1时，记录此时O的坐标(0,Y2,0)；

调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿Y轴的第二方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到0.5P1时，记录此时O的坐标(0,Y3,0)；

调整XZ移动平台和/或容纳管件，带动所述光纤透镜移动和/或旋转，直至所述光纤透镜在所述光探测卡上的投影不超出所述正方形标识区，且所述光探测卡上的光斑投影中心位于所述正方形标识区的中心O处时，停止调节所述XZ移动平台和/或容纳管件，此时光纤透镜的位置A4(X4，0，Z4)；

调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿X轴的第一方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到最大值P1时，记录此时O的坐标(X5,0,0)；

调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿X轴的第二方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到0.5P1时，记录此时O的坐标(X6,0,0)；

初始化测量装置；

调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿Y轴的第一方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到最大值P1时，记录此时O的坐标(0,Y5,0)；

调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿Y轴的第二方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到0.5P1时，记录此时O的坐标(0,Y6,0)；

计算所述光纤透镜的发散角：

发散角(ox)β≈2×arctan[(|δx-Δx|×cosα)/Δd]；

发散角(oy)γ＝2×arctan[(|δy-Δy|/Δd]；

其中，δx＝|X1-X2|，δy＝|Y1-Y2|，Δx＝|X5-X6|，Δy＝|Y5-Y6|，

Δz＝|Z1-Z4|，Δd＝Δz/cosα，α＝|arctan(X4/Z4)|。

16、根据项14或15所述的测量方法，其特征在于，所述初始化测量装置为将光纤置于所述容纳管件内，且光纤透镜朝向所述XY移动平台，且所述光纤透镜在所述光探测卡上的投影位于所述正方形标识区的中心O。

17、根据项14或15所述的测量方法，其特征在于，所述X轴的第一方向为远离所述XZ移动平台的方向，即所述X轴的第一方向为X轴负方向；所述X轴的第二方向与所述第一方向相反，即所述X轴的第二方向为X轴的正方向；

所述Y轴的第一方向为Y轴的负方向，所述Y轴的第二方向为Y轴的正方向。

本申请提供的侧向光光纤透镜的测量装置，可以测量侧向光光纤透镜的出光角度以及发散角，通过所述容纳管件可以旋转所述光纤透镜，通过所述XZ移动平台可以调整光纤透镜的位置和高度，从而改变光纤透镜出光方向，然后利用激光的高单色性、高方向性等特点，并通过光探测卡以及光功率探头，定位光斑投影落点，测量出光角度、发散角度。

本申请提供的侧向光光纤透镜的测量装置以及测量方法，由于光纤透镜的出光角度是不随边长而改变特性，采用测量较远处边长，减少了测量误差对测算结果的影响，进一步提高了侧向光光纤透镜出光角度和发散角的测量精度；借用光功率探头，配合XZ移动平台以及XY移动平台测量光斑尺寸，再根据高斯光束特点和几何光学相关原理，更进一步提高了测量精度，并获得目标探测面上光斑投影的尺寸，进而求出发散角。

本申请的测量装置结构简单，测量方法简便易行，可以快捷地测量侧向光光纤透镜的出光角度和发散角；用低成本部件替代高成本仪器设备，在一定允许误差范围内，保证了良好的测量的可重复性。

附图说明

附图用于更好地理解本申请，不构成对本申请的不当限定。其中：

图1为本申请提供的侧向光光纤透镜的测量装置的结构示意图。

图2为本申请提供的侧向光光纤透镜的测量装置初始化后的俯视图。

图3为本申请提供的侧向光光纤透镜的测量装置初始化后的主视图。

图4为本申请提供的侧向光光纤透镜的测量装置使用时的结构示意图。

附图标记说明

1-光纤透镜，2-容纳管体，3-光纤，4-升降部，5-控制部，6-光探测卡，7-固定底座，8-XY移动平台，9-底板，10-卡槽，11-正方形标识区。

具体实施方式

以下对本申请的示范性实施例做出说明，其中包括本申请实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本申请的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

如图1-图4所示，本申请提供一种侧向光光纤透镜的测量装置，包括XZ移动平台和XY移动平台8，所述XZ移动平台上设置有可旋转地容纳管件2，所述XY移动平台8上设置有光探测卡6，所述光探测卡6的下方设置有光功率探头，所述光探测卡6厚度不大于1mm，且其下表面距离光功率探头探测面不大于0.5mm，以便提高光斑尺寸的测量精度，且所述光探测卡6的高度小于所述容纳管件2的高度，限定高度差范围是用来保证光纤透镜1出射的光束在所述光探测卡上的光斑投影的尺寸大于XZ移动平台和XY移动平台的步进精度且不超过探测卡上的正方形区域。例如高度差可以为10mm～200mm。

所述容纳管件2内可以放置待测的光纤3，光纤3的端部设置有侧向光光纤透镜1，光纤3贯穿所述容纳管件2，所述光纤透镜1伸出所述容纳管件2的端部，且所述光纤透镜1靠近所述XY移动平台8。

在本申请中X轴在XZ移动平台、光探测卡以及XY移动平台所在的直线上(图1中底板的长度方向)，Y轴在所述在XZ移动平台和XY移动平台所在水平面上与X轴垂直的直线上(图1中底板的宽度方向)，Z轴为X轴与Y轴所形成的平面相垂直的直线上(XZ移动平台的高度方向)。

所述XZ移动平台可以带动所述光纤透镜1向X轴或Z轴所在的方向移动。

所述XY移动平台8可以带动所述光探测卡6向X轴或Y轴所在的方向移动。所述XY移动平台上具有带刻度旋钮，用于记录所述光探测卡沿X轴方向和/或Y轴方向移动的相对距离。

所述容纳管件2可以为中空的圆柱状、棱柱状、圆台状、棱台状管件。

本申请中的光纤透镜1均为侧向光光纤透镜。

所述XZ移动平台、所述XY移动平台8均为现有技术，只要能实现在本申请中的功能即可。

在所述XZ移动平台和XY移动平台8之间还设置有固定底座7，且所述固定底座7上设置有卡槽10，所述卡槽10内设置有所述光功率探头。所述光探测卡6的第一端固定在所述XY移动平台8上，所述光探测卡6的第二端位于所述卡槽10的上方。所述光探测卡6为矩形片(厚度也可忽略不计)，在所述光探测卡6的第二端处具有正方形标识区11，且所述正方形标识区11位于所述卡槽10上方；所述正方形标识区11的面积不小于光功率探头探测面的面积。这样设计可以保证所述光探测卡充分遮挡光射到功率计探头，使功率计示数从最小随机值开始，从而提高光斑投影尺寸测试的准确度。

所述XZ移动平台包括固定部、控制部5以及升降部4，且所述控制部5固设于所述固定部上，所述升降部4可升缩的设置于所述控制部5上。所述升降部4沿Z轴设置有刻度，用于记录所述升降部4的升缩高度。所述升降部4的顶端设置有通孔，所述容纳管件2贯穿所述通孔，且所述容纳管件2与所述升降部4垂直设置。所述通孔的内径大于所述容纳管件2的外径。所述容纳管件2可以在所述通孔内旋转，从而可以带动所述光纤3旋转，进而改变所述光纤透镜1的出光方向。

所述升降部4上还设置有用于锁合所述容纳管件2的卡锁件，当调整好所述光纤透镜1的出光方向后，可以通过所述卡锁件将所述容纳管件2锁住，从而固定所述光纤透镜1的出光方向。

所述测量装置还包括底板9，所述XZ移动平台、XY移动平台8以及固定底座7均位于所述底板9上。所述底板9上设置有刻度，用于记录所述XZ移动平台以及XY移动平台8在底板9上的移动距离。所述底板9的形状可以为矩形板，且在所述矩形板的四个边上均设置有刻度，以便于记录移动距离。

本申请提供的侧向光光纤透镜的测量装置，在使用时，首先初始化测量装置，该装置的初始化状态为：将光纤3置于所述容纳管件2内，所述光纤透镜1朝向所述XY移动平台8，所述光纤3在所述光探测卡6上的投影与光探测卡6的轴向重合，且所述光纤透镜1在所述光探测卡6上的投影位于所述正方形标识区11的中心O。然后通过旋转所述容纳管件2从而带动所述光纤透镜1旋转，通过调节所述XZ移动平台可以调整光纤透镜1的位置和高度，从而改变光纤透镜1出光方向，通过调节所述XY移动平台8带动所述光探测卡6向X轴或Y轴所在的方向移动。然后利用激光的高单色性、高方向性等特点，并通过光探测卡6以及光功率探头，进行定位光斑投影落点，测量出光角度、发散角度。

本申请提供的侧向光光纤透镜的测量装置，由于光纤透镜1的出光角度是不随边长而改变特性，采用测量较远处边长，可以减少测量误差对测算结果的影响，进一步提高侧向光光纤透镜出光角度和发散角的测量精度；借用光功率探头，配合XZ移动平台以及XY移动平台8测量光斑尺寸，再根据高斯光束特点和几何光学相关原理，更进一步提高了测量精度，并获得目标探测面上光斑投影的尺寸，进而求出发散角。

本申请提供的第一种测量侧向光光纤透镜的出光角度的测量方法，包括如下步骤：

步骤一：初始化测量装置(如图2和图3所示)，所述光纤透镜中心的初始位置为A

步骤二：调节所述XZ移动平台和/或容纳管件，带动所述光纤透镜移动和/或旋转，直至所述光纤透镜在所述光探测卡上的投影不超出所述正方形标识区，且所述光探测卡上的光斑投影中心位于所述正方形标识区的中心O处时(如图4所示)，停止调节所述XZ移动平台和/或容纳管件，此时光纤透镜的位置A

步骤三：计算所述光纤透镜的出光角度α＝|arctan(X

在本申请中，初始化测量装置为将光纤置于所述容纳管件内，且光纤透镜朝向所述XY移动平台，所述光纤透镜在所述光探测卡上的投影位于所述正方形标识区的中心O(0,0,0)。

本申请提供的第一种测量侧向光光纤透镜的发散角的测量方法，包括如下步骤：

步骤一：初始化测量装置，所述光纤透镜中心的初始位置为A

步骤二：调节所述XZ移动平台和/或容纳管件，带动所述光纤透镜移动和/或旋转，直至所述光纤透镜在所述光探测卡上的投影不超出所述正方形标识区，且所述光探测卡上的光斑投影中心位于所述正方形标识区的中心O处时，停止调节所述XZ移动平台和/或容纳管件，此时光纤透镜的位置A

步骤三：调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿X轴的第一方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到最大值P

步骤四：调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿X轴的第二方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到0.5P

步骤五：初始化测量装置；

步骤六：调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿Y轴的第一方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到最大值P

步骤七：调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿Y轴的第二方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到0.5P

步骤八：计算所述光纤透镜的发散角：

发散角(OX)β≈2×arctan[(δ

发散角(OY)γ＝2×arctan[(δ

其中，δx＝|X

光束发散实际是不规则的，此处只是取ZOX法向量方向和ZOX法向量方向两个特殊的发散角分量作为研究对象。

本申请提供的第二种测量侧向光光纤透镜的发散角的测量方法，包括如下步骤：

步骤一：初始化测量装置，所述光纤透镜中心的初始位置为A

步骤二：调节所述XZ移动平台和/或容纳管件，带动所述光纤透镜移动和/或旋转，直至所述光纤透镜在所述光探测卡上的投影不超出所述正方形标识区，且所述光探测卡上的光斑投影中心位于所述正方形标识区的中心O处时，停止调节所述XZ移动平台和/或容纳管件，此时光纤透镜的位置A

步骤三：调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿X轴的第一方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到最大值P

步骤四：调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿X轴的第二方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到0.5P

步骤五：初始化测量装置；

步骤六：调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿Y轴的第一方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到最大值P

步骤七：调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿Y轴的第二方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到0.5P

步骤八：调整XZ移动平台和/或容纳管件，带动所述光纤透镜移动和/或旋转，直至所述光纤透镜在所述光探测卡上的投影不超出所述正方形标识区，且所述光探测卡上的光斑投影中心位于所述正方形标识区的中心O处时，停止调节所述XZ移动平台和/或容纳管件，此时光纤透镜的位置A

步骤九：调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿X轴的第一方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到最大值P

步骤十：调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿X轴的第二方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到0.5P

步骤十一：初始化测量装置；

步骤十二：调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿Y轴的第一方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到最大值P

步骤十三：调节所述XY移动平台，带动所述光探测卡沿Y轴的第二方向移动，观察光功率探头的示数P的变化，当P达到0.5P

步骤十四：计算所述光纤透镜的发散角：

发散角(ox)β≈2×arctan[(|δ

发散角(oy)γ＝2×arctan[(|δ

其中，δx＝|X

Δz＝|Z

所述初始化测量装置为将光纤置于所述容纳管件内，且光纤透镜朝向所述XY移动平台，所述光纤透镜在所述光探测卡上的投影位于所述正方形标识区的中心O(0,0,0)。

所述X轴的第一方向为远离所述XZ移动平台的方向，即所述X轴的第一方向为X轴负方向；所述X轴的第二方向与所述第一方向相反，即所述X轴的第二方向为X轴的正方向；

所述Y轴的第一方向为Y轴的负方向，所述Y轴的第二方向为Y轴的正方向。

第一种测量方法(一个光纤透镜位置法)测试发散角，操作简单一些，计算时测试系统本身的误差直接包含在测试数据中。

第二种测量方法(两个光纤透镜位置法)测试发散角，做了两次独立重复试验，在根据测试数据的差值计算，理论上可以在一定程度上抵消掉测试系统本身的误差。

尽管以上结合对本申请的实施方案进行了描述，但本申请并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本申请权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本申请保护之列。