一种用于光纤打印的空气物镜成像校正方法及装置与流程

本发明涉及光学成像，尤其涉及一种用于光纤打印的空气物镜成像校正方法及装置。

背景技术：

1、随着高精度光纤打印技术在光通信、微纳光子器件及集成光学等领域的广泛应用，对成像系统的分辨率和像差校正能力提出了更高要求。光纤打印过程中，成像系统需在较大视场内实现微米甚至亚微米级的光斑定位，而传统球面或非球面光学透镜在应对大视场、高数值孔径成像时，存在明显的场曲、畸变和像散等像差问题，严重影响打印精度和图案保真度。

2、目前，多数光纤打印系统通过组合多片透镜以平衡像差，导致系统结构复杂、体积庞大、成本高昂。此外，光学设计与后期图像处理通常相互独立：光学部分追求像差最小化，而图像处理算法则作为后期校正手段。这种分离的设计模式难以实现全局优化，往往造成光学系统过渡设计，而数字校正潜力未能充分发挥。

3、自由曲面透镜作为一种具有非旋转对称面型的光学元件，具备灵活的光束调控能力，能够有效校正像差并优化光场分布，尤其适用于大视场、高分辨成像系统。然而，现有技术中自由曲面的设计与应用多局限于传统成像系统，尚未充分应用于光纤打印这类像面均匀性与点扩散函数一致性要求极高的场景。此外，自由曲面透镜的设计与优化缺乏与图像处理算法的协同框架，导致其在复杂成像条件下的性能受限。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有技术所存在的不足而提供一种用于光纤打印的空气物镜成像校正方法及装置的技术方案，该成像校正方法通过在显微物镜入射端设置自由曲面校正镜片，有效校正光纤柱面曲率对聚焦的影响，显著提升成像质量和打印精度，并在保证系统结构紧凑的前提下，实现光纤打印过程中全视场范围内的高质量成像与精准光斑控制。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于光纤打印的空气物镜成像校正方法，其特征在于：包括如下步骤：

4、在显微物镜的入射端设置自由曲面校正镜片，自由曲面校正镜片的至少一个光学表面为非旋转对称的自由曲面；

5、自由曲面在相互正交的x方向和y方向上具有不同的面型与光焦度，使得入射光束经过自由曲面校正镜片后在x方向和y方向上产生不同的角度调制；

6、经调制后的光束依次通过显微物镜和具有柱面结构的光纤样品，以补偿光纤样品的柱面曲率和折射率差异引起的像差，使得最终在光纤样品处的光束在x方向和y方向上均能汇聚；

7、调整显微物镜与光纤样品之间的距离以实现精确调焦。

8、该成像校正方法通过在显微物镜入射端设置自由曲面校正镜片，有效校正光纤柱面曲率对聚焦的影响，显著提升成像质量和打印精度。

9、用于实现如上述的一种用于光纤打印的空气物镜成像校正方法的装置，其特征在于：包括

10、显微物镜；

11、自由曲面校正镜片，设置在显微物镜的入射端，其至少一个光学表面为非旋转对称的自由曲面，其中，自由曲面在相互正交的x方向和y方向上具有不同的面型与光焦度，用于对入射光束进行像差校正，以补偿后续光路中光纤样品柱面曲率和折射率差异引起的光学像差。

12、该成像校正装置结构简单紧凑，实现光纤打印过程中全视场范围内的高质量成像与精准光斑控制。

13、本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

14、1、本发明的成像校正方法通过在显微物镜入射端设置自由曲面校正镜片，有效校正光纤柱面曲率和折射率差异产生的像差，显著提升成像质量和打印精度。

15、2、本发明可以提升数值孔径，校正后x方向数值孔径得到提升，psf更小，分辨率更高。

16、3、本发明的成像校正装置结构简单紧凑，调整方便，成本较低，实现光纤打印过程中全视场范围内的高质量成像与精准光斑控制。

1.一种用于光纤打印的空气物镜成像校正方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于光纤打印的空气物镜成像校正方法，其特征在于：所述自由曲面校正镜片采用pmma材料制成，其中心厚度为4～6mm，所述自由曲面校正镜片设置在距离所述显微物镜入射端2～10mm范围内。

3.根据权利要求1所述的一种用于光纤打印的空气物镜成像校正方法，其特征在于：所述自由曲面校正镜片为单面自由曲面透镜或双面自由曲面透镜。

4.根据权利要求1所述的一种用于光纤打印的空气物镜成像校正方法，其特征在于：所述自由曲面由多项式函数、其他数学函数或离散数据点定义。

5.用于实现如权利要求1～4中任一项所述的一种用于光纤打印的空气物镜成像校正方法的装置，其特征在于：包括：

6.根据权利要求5所述的一种用于光纤打印的空气物镜成像校正装置，其特征在于：所述自由曲面校正镜片采用pmma材料制成，中心厚度为4～6mm，且设置在距离所述显微物镜入射端2～10mm范围内。

7.根据权利要求5所述的一种用于光纤打印的空气物镜成像校正装置，其特征在于：还包括调焦装置，所述调焦装置被配置为调整所述显微物镜的位置，以实现精确调焦。

8.根据权利要求5所述的一种用于光纤打印的空气物镜成像校正装置，其特征在于：还包括自由曲面校正镜片切换装置，所述自由曲面校正镜片切换装置用于承载多个不同的自由曲面校正镜片，并能选择性地将其中之一切换至所述显微物镜地入射端光路中，以适应不同外形尺寸和/或折射率的光纤样品。

9.根据权利要求5所述的一种用于光纤打印的空气物镜成像校正装置，其特征在于：还包括分色镜，所述分色镜设置在所述自由曲面校正镜片与所述显微物镜之间，所述分色镜被配置为透射来自所述自由曲面校正镜片的校正后光束至所述显微物镜，并反射其他波长的光束。

10.根据权利要求5所述的一种用于光纤打印的空气物镜成像校正装置，其特征在于：所述显微物镜的放大倍数为60倍，数值孔径na≥0.85，工作波长范围为510～520nm。

11.根据权利要求10所述的一种用于光纤打印的空气物镜成像校正装置，其特征在于：所述显微物镜由凹透镜和凸透镜组成，所述凹透镜包括第一凹透镜、第二凹透镜、第三凹透镜、第四凹透镜和第五凹透镜，所述凸透镜包括第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜，所述第一凹透镜靠近所述自由曲面校正镜片，所述第一凸透镜、所述第二凸透镜、所述第二凹透镜、所述第三凹透镜、所述第四凹透镜和所述第五凹透镜依次设于所述第一凹透镜和所述第三凸透镜之间，经调制后的光束依次通过所述第一凹透镜、所述第一凸透镜、所述第二凸透镜、所述第二凹透镜、所述第三凹透镜、所述第四凹透镜、所述第五凹透镜和所述第三凸透镜。