光學系統光纖熔接機高清顯微物鏡光學系統設計

陳麗娜　劉巧玲　柯華恒　等

摘要： 在光纖熔接過程中，為了實現光纖高質量熔接，需要一個高清顯微物鏡來確保纖芯的準確對準。運用Zemax軟件設計一款用于光纖纖芯對準的顯微物鏡，該物鏡由6片透鏡組成，放大率為8倍，數值孔徑為0.25，工作距為13.4 mm，共軛距為85 mm，以CCD作為圖像接收器件。顯微物鏡采用正向光路進行優化設計，正向光路設計的顯微物鏡更能貼近實際使用狀態，能夠更加清晰準確地檢測到纖芯位置。該物鏡工作波長為486～656 nm，具有工作距離長、共軛距短、精度高等特點。

關鍵詞： 光學設計； 顯微物鏡； Zemax； 正向光路； 長工作距離

中圖分類號： TH 74文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.014

Optical system design of highresolution microscope objectives for

optical fiber fusion splicer

CHEN Lina， LIU Qiaoling， KE Huaheng， YU Huaen， PENG Jiazhong， LIANG Xiuling

（Fujian Provincial Key Laboratory of Photonics Technology， College of Photonic and

Electronic Engineering， Fujian Normal University， Fuzhou 350007， China）

Abstract： According to the requirement of highquality fiber fusion in the process of optical fiber fusion， a microscope objective for detecting the fiber core is designed to determine the position of the optical fiber core， which is optimized through the optical system design software Zemax. The designed system consists of six lenses. The magnification is eight. The object space NA is 0.25. The working distance is 13.4 mm. The conjugate distance is 85 mm and image receiver is a CCD. The optical lens is optimized through the method of forward optical path with the spectral range of 486～656 nm. Forward optical path design of the microscope objective is practical to detect the fiber core position more clearly and accurately. It has long working distance， short conjugate distance and high accuracy.

Keywords： optical design； microscope objective； Zemax； forward optical path； long working distance

引言隨著光纖通信技術的廣泛應用，越來越多的光纖線路需要維護和熔接接續。為了獲得低熔接損耗的光纖，需要對光纖纖芯進行高精度對準。因此，設計一款適用于光纖熔接機的高質量顯微物鏡具有重要的意義。顯微物鏡是用于觀察近距離物體，其像距大于物距，這樣才起到放大的作用。光學設計一般從長距離方向計算，因此為了便于后續的像差優化，根據光路可逆原理，傳統的設計方法均是采用逆向光路進行優化設計。采用逆向光路設計時，物鏡的放大率為正向光路設計時的倒數1/β（β為正向光路設計時物鏡的放大率），像差經過物鏡后縮小，像差校正容易，但是逆向光路設計的光學系統其幾何像差調制傳遞函數（MTF）、星點圖等體現的是物面處的成像質量。而顯微物鏡在實際使用中都是采用正向光路，且正向光路設計的光學系統其幾何像差、MTF、星點圖等能夠直觀體現CCD接收靶面處的成像質量，因此正向光路設計的顯微物鏡更能貼近實際使用狀態。本文中的顯微物鏡是按正向光路進行設計，它能夠更加清晰呈現光纖的纖芯位置，提高光纖熔接機的對準精度，從而達到降低光纖熔接損耗的目的。圖1纖芯對準系統的結構示意圖

Fig.1Structure diagram of fiber

core alignment system1設計思路光纖纖芯對準系統的基本結構示意圖如圖1示，圖中：l為物距；l′為像距；L為共軛距。像面接收器采用CCD，待熔光纖的直徑為125 μm（即物高y為0.125 mm），纖芯直徑為9 μm。當光纖在CCD的像面寬度上成像為1 mm（即像高y′為1 mm）左右時，能夠較理想地實現光纖纖芯的高清晰對準，且光纖所成的像為倒像。因此可得該系統的放大率為β=y′y=-8（1）光學儀器第37卷

第2期陳麗娜，等：光纖熔接機高清顯微物鏡光學系統設計

圖2包層和纖芯在CCD上的實際大小

Fig.2Real size of the cladding and fiber core in the CCD

圖3攝遠型初始結構

Fig.3Initial structure of telephoto

此外，為了便于光纖的裝夾、調節、對準、熔接等機構的安裝，顯微物鏡的工作距離不能太小。擬定顯微物鏡的工作距離（即物距）為13.4 mm，長工作距離便于熔接操作。當工作距離為13.4 mm時，根據放大率公式β=nl′n′l（2）式中n和n′為空氣的折射率，可得該系統的共軛距L=l′-l=120.6 mm。該系統在正常情況下其共軛距L將超過120 mm。為了縮短整個光路，將共軛距控制在85 mm以內，這為將來儀器的小型化設計提供了可靠的前提保證。本文中的顯微物鏡是按正向光路進行設計，纖芯和包層經過顯微物鏡放大后，其直徑分別為0.072 mm和1 mm。由于光纖熔接時主要是檢測斷裂處纖芯的準確位置，光纖成像的最大視場在0.8ω（ω為物鏡的視場角）處（如圖2示），因此，系統只需校正0.8ω以內的像差即可滿足設計要求。為了采集到高質量的光纖圖像，顯微物鏡的數值孔徑設置為0.25。系統擬采用高亮度的白光LED，設計光譜為486～656 nm。2優化設計

2.1優化過程為了縮短光學總長，鏡頭采用攝遠型初始結構，由正透鏡組和負透鏡組組成，如圖3所示。根據理論公式可以粗略計算出正負透鏡組的基本參數，顯微物鏡的物距即正透鏡組的物距l1為13.4 mm，由于該顯微物鏡的共軛距為85 mm，擬定其像距即負透鏡組的像距l′2為65 mm，正負透鏡組間隔d為6.6 mm。顯微物鏡數值孔徑及角度放大率表達式分別為NA=nsin（-u）（3）

γ=u′u=nn′1β（4）式中：n為物方折射率；n′為像方折射率；u為透鏡組的入射孔徑角；u′為透鏡組的出射孔徑角。已知顯微物鏡的數值孔徑NA為0.25，放大率β為-8，將值代入式（3）、式（4）可得：sin（-u）=0.25，sinu′=0.031 25。由攝遠型初始結構圖中的幾何關系可知tanu′1=h1-h2d=-l1×tan（-u）-l′2×tanu′d=0.216 3（5）式中：u′1為正透鏡組的出射孔徑角；l1為正透鏡組的物距；l′2為負透鏡組的像距；h1和h2分別為光線在正負透鏡組上的入射高度。計算出sinu′1=0.211 4，l′1=h1tanu′1=15.995 8 mm，l2=l′1-d=9.395 8 mm。再根據高斯公式及透鏡組的光焦度φ的表達式為1l′-1l=1f′（6）

φ=φ1+φ2-dφ1φ2（7）式中：φ1為正透鏡組的光焦度；φ2為負透鏡組的光焦度。可計算出正負透鏡組的焦距值及顯微物鏡的組合焦距值分別為：f′1=7.293 9 mm，f′2=-10.989 0 mm，f′=7.788 2 mm。由此可得，光纖經過顯微物鏡成像時可理解為經過了兩次角度變化，即u=-14.477 5°→u′1=12.204 4°→u′=1.790 8°。正負透鏡組所承擔的偏向角δ1、δ2分別為26.681 9°和10.413 6°（見圖3）。根據初始像差及其光學設計的經驗，一般情況下，每個光學鏡頭承擔的偏向角不要太大，單透鏡承擔的偏角為6°～9°，雙膠合承擔的偏角為11°～14°。這是因為光線的偏角越大，該表面的相對孔徑也越大，會產生較大的高級像差，優化時很難達到像差平衡。本文顯微物鏡的正透鏡組采用一片單透鏡和一組雙膠合透鏡的透鏡組合，而負透鏡組則采用三片分離的單透鏡組合，共有六片透鏡組成。正透鏡組剩余的偏折角可由負透鏡組來承擔。表1透鏡組的基本參數

Tab.1Basic parameters of the lens group

組名形式焦距/mm空氣間隔/mm正

透

鏡

組單透鏡16—空氣—1雙膠合12.57—空氣—3.6負

透

鏡

組單透鏡-15.60—空氣—1單透鏡34—空氣—1單透鏡-17.12—

根據前面得到的正負透鏡組結構參數，結合幾何光學公式可得出每個透鏡的焦距值及透鏡間的空氣間隔，如表1所示。顯微系統的照明光源為白光LED，圖像接收器件為CCD，為了能在CCD上得到0.8視場內的清晰像，要求顯微物鏡是平場消色差物鏡。由于所設計的顯微物鏡是一個長工作距離、小視場的系統，有較小的場曲，因此主要校正其軸上像差，即球差和軸向色差，還要考慮彗差。顯微物鏡是按正向光路進行優化設計，球差、軸向色差等像差經過系統后被放大，這將增加其校正難度。為了得到優良的成像質量，系統的球差可通過正負透鏡組合來進行校正。 彗差的校正。系統主要存在子午彗差，根據其定義，添加操作數TRAY，控制像平面上光線與像面交點到主光線的垂軸距離。對同一視場，不同孔徑設置操作數TRAY，令其兩者之和為零，可有效減小子午彗差。正向光路設計的顯微系統像差放大，因此在優化過程中需要加重相應優化操作數的權重。 軸向色差的校正。對于薄透鏡系統，其軸向色差系數為ΣC1=Σh2φν（其中h為光線的入射高度，φ為光焦度，ν為阿貝常數），系統在結構上采用雙膠合和有空氣隙的正負分離透鏡組合。在優化過程中，適當地選擇φ，ν及h值，使軸向色差系數盡可能小或為零。系統采用冕牌玻璃與火石玻璃的搭配亦可達到減小軸向色差的目的。

2.2設計結果鏡頭優化后的外形結構和系統參數分別如圖4、表2所示。該系統由6片透鏡組合而成，其中有一組雙膠合透鏡，兩片雙凸透鏡，兩片彎月形透鏡。所選玻璃第一片來自肖特玻璃庫，其余五片均來自成都玻璃庫，其中玻璃材料從第一片到最后一片依次為：NPK52、HZK6、ZF5、HZF4、BAF3、HLAK4L。冕牌玻璃與火石玻璃的搭配有利于校正像差。

圖4顯微物鏡的布局

Fig.4Layout of the microscope objective

表2顯微物鏡的系統參數

Tab.2System parameters of the microscope objective

名稱值物方數值孔徑NA0.25有效焦距/mm6.738 307總長/mm71.600 55像方數值孔徑NA0.032 286 71近軸像高/mm2近軸放大率-7.992 895入瞳直徑/mm23.482 99出瞳直徑/mm3.545 373

圖5為顯微物鏡的MTF曲線，從MTF曲線可以看出，在空間頻率為50 lp/mm處，全視場以內的調制傳遞函數MTF值均大于0.3，接近衍射極限，具有較高的分辨率。圖6為顯微物鏡的點列圖，由圖可以看出，該系統各視場的成像彌散斑均方根半徑均小于愛里斑半徑，能量較集中，符合設計要求。

圖5MTF曲線

Fig.5MTF curve圖6點列圖

Fig.6Spot diagram

顯微物鏡的像差公差用波像差來衡量，要求光學系統的波像差小于λ/4。顯微物鏡的幾何像差分析如下：（1）球差由于該顯微物鏡的孔徑較大，因此存在高級球差。該系統的邊光球差容限值和剩余球差容限值分別為δL′m≤λn′sin2U′m=0.587 6×10-31×0.032 72 mm=0.549 5 mm（8）

δL′≤6λn′sin2U′m=6×0.587 6×10-31×0.032 72 mm=3.297 1 mm（9）圖7為顯微物鏡的球差曲線，由圖可知，該系統主波長的實際球差最大值為0.109 9 mm，在邊光球差和剩余球差容限范圍內，滿足設計要求。（2）軸向色差該系統的軸向色差容限值為ΔL′FC≤λn′sin2U′m=0.587 6×10-31×0.032 72 mm=0.549 5 mm（10）由圖7可看出，該系統的實際軸向色差最大值為0.033 6 mm，在容限范圍內，符合要求。（3）其他像差圖8為顯微物鏡的畸變圖，由圖可看出，系統的場曲、像散和畸變都很小，該系統主波長的實際子午場曲最大值為0.027 7 mm，弧矢場曲最大值為0.022 4 mm，實際像散最大值為0.005 2 mm，畸變值為0.24%，都滿足設計要求。

圖7球差曲線

Fig.7Longitudinal aberration curve圖8畸變曲線

Fig.8Distortion curve

3公差分析

3.1公差分配原則系統在加工與裝調過程中都將產生誤差，使最終結果偏離設計結果。為了提高其成像質量，光學系統內所有參數都需要分配可變公差。如果系統對某一參數的變化很敏感，那么對該組公差要有較嚴的要求，反之則可以采用較為寬松的公差。顯微物鏡系統對成像質量有較高的要求，且該顯微物鏡各透鏡的半徑和厚度值均很小，因此對光學元件公差的要求相對較嚴。運用Zemax軟件中的公差計算與分析程序計算光學系統內各參數性能下降的敏感度，即分析所有元件的加工、裝調公差，確定敏感度。公差參數包括半徑、光學元件厚度、空氣間隔、偏心等。

3.2公差分配結果運用Zemax光學設計軟件，通過靈敏度分析、反轉靈敏度分析及蒙特卡羅分析得到顯微物鏡合理的公差分配。通過計算分析每一公差參數在Nyquist空間頻率50 lp/mm處的MTF下降情況，最終確定合適的公差。靈敏度公差、蒙特卡羅公差分析結果分別如表3、表4所示。蒙特卡羅公差分析結果顯示該顯微物鏡系統90%以上的蒙特卡羅樣本MTF≥0.166 385 252，每個樣本為一個模擬加工、裝調后的光學系統。對顯微物鏡公差靈敏度的分析表明，元件的半徑、厚度和偏心為敏感公差，其敏感公差主要位于元件3，4，5（表5所示）。因此，需要嚴格保證這些元件的加工與裝調公差，確保最終實現光學系統的高精度、高性能要求。

表3靈敏度的公差分析結果

Tab.3Analysis of sensitive tolerance sensitivity

類型表面序號公差MTF改變量半徑公差1+4光圈數

-4光圈數-0.050 733 329

-0.051 019 096表面偏心公差7±0.008 mm-0.051 884 756表面傾斜公差7±0.008 mm-0.052 259 487半徑公差9+3光圈數

-3光圈數-0.054 000 761

-0.056 068 687表面偏心公差12±0.005 mm-0.063 947 077

表4蒙特卡羅公差分析結果

Tab.4The result of the analysis using

Monte Carlo method

蒙特卡羅樣本百分比MTF值90%≥0.166 385 25250%≥0.203 524 68910%≥0.329 780 993

表5顯微物鏡的公差要求

Tab.5Tolerance demands of the microscope objective

元件

序號半徑公差/

光圈數厚度公差/

mm偏心公差/

mm折射率

公差阿貝常數

公差/%1±4

±5±0.03

±0.03±0.015

±0.015±0.001 012±5

±5

±5±0.03

±0.03

±0.03±0.015

±0.015

±0.015±0.000 8

±0.001 013±3

±4±0.03

±0.03±0.008

±0.015±0.001 014±3

±4±0.03

±0.03±0.008

±0.015±0.001 015±2

±2±0.03

±0.005±0.005

±0.005±0.001 01

4結論所設計的光纖熔接機的顯微物鏡具有高放大率、高分辨率、結構簡單、裝配方便、成本低、適合大批量投產等特點。能夠實現更高精度的光纖圖像纖芯對準，提高圖像識別精度，較為準確地定位纖芯位置，提高光纖熔接的質量。在本系統之后的研究中，將進行顯微系統的機械結構和裝調技術的研制，使生產過程中安裝調節顯微物鏡簡便且易操作，從而降低生產成本。參考文獻：

[1]郝沛明，丁厚明，查來賓，等.目視觀察和CCD探測兩用顯微物鏡[J].量子電子學報，1997，14（5）：464469.

[2]莊振鋒，王敏，陳榮.0.25×高分辨力視頻顯微鏡設計[J].光學儀器，2008，30（1）：6365.

[3]畢衛紅，許睿，付廣偉，等.40倍長工作距離PCF熔接系統顯微物鏡設計[J].光電工程，2013，40（1）：4450.

[4]孫晶露，李湘寧，吳宇昊.用于光纖熔接系統的纖芯檢測鏡頭設計[J].光學技術，2010，36（6）：816819.

[5]劉雨沁，張孟偉.變倍光學系統的公差分析[J].光學儀器，2013，35（2）：4245.

[6]王紅，田鐵印.三線陣測繪相機光學系統的設計和公差分析[J].光學 精密工程，2011，19（7）：14441450.

[7]李曉彤，岑兆豐，范世福.幾何光學·像差·光學設計[M].2版.杭州：浙江大學出版社，2007：180181.

[8]毛文煒.光學鏡頭的優化設計[M].北京：清華大學出版社，2009：128148.

（編輯：張磊）