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申请/专利权人：哈尔滨工业大学

摘要：本发明公开了一种倾斜耦合式光纤光谱共焦位移测量方法及装置，其利用光线在多模光纤中的传播特性及共焦成像原理建立光谱共焦光场分布函数，并在较小的光耦合损失条件下，通过对光源与光纤的倾斜耦合角进行优化，使光纤共焦测头的轴向光强响应特性曲线半极值宽得以减小；通过本发明的光源调整装置可对光源模块与光纤之间的倾斜耦合状态进行精密调整，为光纤共焦测头提供空心光束照明，进而提高光纤光谱共焦系统的轴向分辨力，并有效抑制了相邻波长光对峰值波长光的强度干扰；本发明不需在共焦测头中加入光瞳掩膜器件，也不需改变光纤共焦测头原有光学结构，具有成本低，易集成的特点，有利于光纤光谱共焦传感器的小型化。

主权项：1.一种倾斜耦合式光纤光谱共焦位移测量方法，其特征在于：所述方法是利用倾斜耦合式光纤光谱共焦位移测量装置实现的，所述装置包括光源模块10、光纤耦合器20、光纤共焦测头30和光谱仪50；所述光源模块10发出的会聚光与所述光纤耦合器20的第一端口201之间采用一定的倾斜耦合角θ实现倾斜耦合；所述光纤耦合器20的第三端口203与所述光纤共焦测头30连接，在所述光纤耦合器20的第三端口203处形成空心光束，所述第三端口203同时作为所述光纤共焦测头30的照明针孔和返回光的探测针孔；返回的测量光经由所述光纤耦合器20的第二端口202被所述光谱仪50接收，所述的光谱仪，用于检测信号光谱光强的峰值波长，并可由波长与聚焦距离之间的关系获得被测面的高度信息；所述的倾斜耦合角θ，是所述光源模块10的光轴与所述光纤耦合器20的第一端口201的光纤光轴夹角，所述方法包括以下步骤：S1：在给定光源光场分布Eθr1的情况下，计算耦合光在所述光纤耦合器20第三端口203处各模场的光场分布En,θr2，所述r1为所述光纤耦合器20第一端口201处三维坐标矢量，所述r2为所述光纤耦合器20第三端口203处的三维坐标矢量；S2：所述光纤共焦测头30的轴向光强响应特性函数表示为： 其中，r3为被测物表面40的三维坐标矢量，表示三维卷积；N为光纤总模场数，n＝1,2，…,N，In,θr3为第n个模场对应的共焦测量光强度，h1和h2分别为所述光纤共焦测头30的照明臂和探测臂的振幅点扩散函数，Dr3为探测区域，Or3为被测物面的反射系数，根据公式1，计算得到所述光源模块10发出光在倾斜耦合角为θ时的共焦轴向响应特性曲线及曲线半极值宽；S3：计算当倾斜耦合角为θ时的光源模块10与多模光纤的光耦合效率η，η为光纤中各模场的归一化耦合效率ηn之和，光耦合效率函数表示为： 其中，en为阶跃折射率光纤第n个模场的光场分布，Cn为各模场耦合系数，N为光纤总模场数，S为积分区域，即光纤耦合器20第三端口203的光纤纤芯端面的区域，根据公式2，计算倾斜耦合角θ下的光耦合效率η；S4：确定倾斜耦合角θ的值的原则是，在较小的光损失条件下得到高轴向分辨力，结合共焦轴向光强响应特性曲线半极值宽和光耦合效率随θ的变化趋势，从而确定倾斜耦合角的最优值θth为所述光源模块10与所述光纤耦合器20的第一端口201的倾斜耦合角。

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