光纤端面光学检测非球面物镜系统设计

光纤连接器，俗称活接头，主要用于实现系统中设备间、设备与仪表间、设备与光纤间以及光纤与光纤问的非永久固定连接，是光纤通信系统中不可缺少的无源器件。而光纤连接器光纤端面的污渍、划痕、裂缝等缺陷严重影响通信质量。因此，在实际生产、在线检测和光纤网络应用中，需要对光纤连接器端面进行实时检测，以确保质量。

目前 ，国内外用于光纤连接器端面进行现踌测的产品主要是基于显微成像原理，采用的是球面成像系统↑年来，非球面玻璃透镜的精密模压成型技术得到了迅速发展，大大降低了非球面光学玻璃透镜批量生产成本，为非球面玻璃透镜的广泛使用创造了条件 J。为了简化传统球面成像系统结构、使得物像共轭距更短，本文设计了- 个基于非球面玻璃模压透镜的光纤连接器端面显微成像系统。

l 基本原理1.1 非球面透镜球面透镜的表面曲率从中心到边缘是恒定的，而非球面透镜的表面曲率从中心到边缘是连续变化的。实际中应用最多的非球面是偶次非球面 J，设光轴为：轴，非球面顶点为坐标原点，则其面形公式可以表示为： - cr而 r r6%r。1 1 - - l ud， l L LR /l-( 后)c r (1)其中：c为非球面顶点处的曲率(即半径的倒数)；r为非球面上任-点到光轴的距离；k为二次圆锥系数；式中第-项表示基准二次曲面(七<-1表示双曲面， -1表示抛物面，-l< <0表示椭球面，k：0表示球面，k>0表示扁平椭球面)；以、 、 等为系数的各项表示非球面相对于基准二次曲面的变形。

相对于球面设计而言，非球面技术应用于光学零件，具有许多优点，它可以提高系统的相对孔径比，扩大视城，简化系统结构 ，减轻系统质量等；同时还可以更好地消除球差 、慧差、像散、畸变，减少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特性。因此，非球面技术广泛应用于各种现代光电子产品中，无论在是现代国防科技领域，还是在-般的工业领域都有着广泛的应用，如军用激光装置、卫星红外望远镜、导弹引导头、变焦镜头、内窥镜、手机、数码相机、CCD摄像镜头和高端显微仪器等 。

1.2 非球面光学玻璃透镜模压成型精密玻璃模压成型技术是把光学玻璃放入高精度的模具中，加热软化，并在加压和无氧的条件下 ，直接模压成型达到使用要求的光学元件。该成型技术是-项综合技术，需要专用的模压机床，采用高质量的精密模具和选用合理的工艺参数。

- 般的模压过程包括放人毛坯、加热、压制、退火、急速冷却、开模叁，其工艺流程可归纳为如图 l所示 ， 。

(a)放人毛坯 (b)加热立 (d)退火 (e)急速冷却簟尊图 l 模压成型的步骤精密玻璃模压成型技术与传统的加工方法相比，能大幅度的降低批量化生产成本，特别适用于无法使用传统光学冷加工手段进行大规模制造的特殊玻璃光学元件，如汹径薄透镜、高次非球面镜片、微透镜阵列、衍射光学元件和自由曲面光学元件等能够直接模压成型精密的非球面或自由曲面光学零件，使得非球面玻璃光学零件得到了广泛的使用。自2O世纪9O年代，特别是在亚洲，采用该技术批量生产的光学成像非球面镜(直径在0.5～20 ram)和照明元件(聚光镜、中继透镜和光集成器件等)已经大量使用，如手机、数码相机、通讯、光存储和光传感头等，到201 1年时，每年需求大于2亿片，典型产品如手机照相模组、相机变焦镜头和数码相机镜头每月用量百万片以上 J。

2 光学系统设计物镜光源聚光镜由 t - - - . .钢图2 检测 系统图立I第2期 苏兆国等：光纤端面光学检测非球面物镜系统设计 ·l35·光纤连接器端面检测系统的基本结构如图2所示。从图2中，可以看出，整个系统的核心是物镜，下文针对物镜系统进行设计。

2.1 技术指标(1)工作距离 8 mm；(2)放大倍率8为 lO倍；(3)物高为 0.18 mm；(4)数值孔径 0.14；(5)系统通光口径 3 mm；(6)系统的共轭距120 mm。

2.2 基本结构选取设计显微物镜时，通常按反向光路进行设计。

由于物镜数值孔径为不小于 0.14，对球面系统，选取双胶合结构，光源选用短波长的蓝色二极管，波长为470±20 nm，结构如图 3所示。非球面系统对球差的修正有显著优势，选取单透镜结构，又因非球面之间会相互影响，单透镜中-面使用非球面已经足够，故选取单非球面透镜结构，由于单透镜不能消色差，选取相对带宽较小的红光二极管做光源，波长为620±20 nm，结构如图4所示。

曩垂 圣 ： . 置 ： ： ：：： ：： - -图 3 双胶合 系统结构；三手三三图4 单非球面系统结构2.3 光学系统优化设计利用 ZEMAX光学工程设计软件，分别对球面系统和非球面系统进行优化设计，其中，对单非球面系统，需要使用模压玻璃，鉴于单透镜系统不能消色差，需选用阿贝数比较高的模压玻璃，在此选用 日本住田光学玻璃公司生产的 K.CAFK95玻璃。最终优化好的双胶合结构的镜头结构参数如表 1所示，单非球面结构的镜头的基本结构参数和非球面数据如表 2所示。

表 l 双胶合镜头数据结构表2 单非球面镜头数据结构2.4 像质评价利用 ZEMAX分析菜单命令，从点列图和光学传递函数(MTF)方面，来评价检测系统的成像质量。点列图是-个物点发出的所有光线通过光学系统以后与像面交点的弥散图形。光学传递函数是基于把物面图形分解为各种频率谱组成，研究光学系统对各种空间频率亮度呈余弦分布目标传递能力。双胶合和单非球面系统的点列图和MTF曲线图，如图5、图6、图7和图8所示。

从图 5和图 6中，可以看出双胶合系统的MTF曲线十分接近衍射极限，成像质量较好。从图7和图8中，可以看出单非球面系统各个视场的均方根半径(RMS)小于艾里斑半径，各个像差得到了较好的校正，同时，MTF曲线接近衍射极限，f . l·- . . -：f囝0 国 j I .t· 1。

E ： 々 s d 2 ： 。 c I 赢 品图 5 双胶合 系统点列图· l36· 江 西 科 学 20I3年第3I卷。

P DLY CH口0H TIC OlFFPACTZON HTF墨 I1 参 品而图6 双胶合 系统 MTF曲线图fl -：1◇ 国I： j ： I黜 · c l毽 ”图7 单非球面系统点列图.. 港 l ：j l-： ：. 。

p口L cNp]HRT IC 0IFF 日CTZON MT毒器 Zr， GE Il嚣 至黜图8 单非球面系统 MTF曲线图整个成像质量较好。由于-般的图像传感器将MTF值降为 10%时对应线对数，作为传感器的极限分辨率，可以从图6和图8中看出，双胶合和单非球面系统对图像传感器具有相同的分辨率。

3 应用实例将设计的非球面系统应用到实际光纤端面检测中，系统选取高分辨率的 CCD和 3英寸的LCD液晶显示屏。系统的整体放大倍率 是光学放大倍率和电子放大倍率相乘的结果 J，即： × 10× ：90 (2)式中：S 为显示器对角线尺寸；S 为接收器件对角线尺寸即 CCD光敏面尺寸。光源选用高亮度红色二极管，因此，可以不使用聚光镜。按图2中的基本结构，设计检测系统的机械组装结构，整个检测系统的结构采用便携式设计，其机械结构如图9所示。

鑫≤ 薹 - 曲1.光纤端面；2.光纤连接器；3.非球面物镜；4.分束镜；5。

LED；6.调节手轮 ；7.CCD接 口图9 检测系统的机械结构将设计好的检测系统，用于实际生产检测，其检测图如图 l0所示，光纤连接器端面污渍清晰可见。

图 lO 光纤连接器端面检测 图根据实际使用效果，该检测系统达到了实际使用要求，可以在实际生产和光纤网络应用中对光纤连接器端面进行便携而有效的检测。

4 结论本文利用 ZEMAX-EE 2009设计软件，对光纤连接器端面分别设计了球面和非球面检测物镜，得到了2个具有相同分辨率的检测系统，并将结构更简单、共轭距更短的模压玻璃非球面检测系统应用于实际生产和在线检测，满足了检测要求，达到了设计目的。