通过建立POL(Polarization Observation by The Lens-Effective Tracing)保偏光纤定轴系统仿真模型, 分析了定轴过程中光纤发生微小位移以及相机像元尺寸所产生的误差。为了减少该种误差, 实现自动对轴, 提出了一种基于POL技术的保偏光纤定轴方法——POLF(Polarization Observation by The Lens-Effective with Fiber-Focus)定轴法。对该定轴方法进行了仿真验证, 并通过对轴实验对其定轴精度进行了验证。实验结果证明POLF定轴算法能够实现优于1°的定轴精度。

现有保偏光纤侧视成像法多依赖于某特定形貌光强分布, 对成像面位置调整要求高、通用性差。为了提高保偏光纤定轴灵敏度、增加方法的通用性、提高定轴稳定性, 采用双光束光源取代单光束光源对保偏光纤进行侧视成像的方法, 改变了以往通过调整成像面寻找特定形貌光强分布的思路, 并进行了理论分析、仿真模拟和实验验证。结果表明, 采用双光束光源进行侧视成像时, 光强分布成双峰型, 选择双峰光强值之和为特征值, 建立特征值与偏转角度的对应关系, 利用互相关分析可对偏转角进行确定, 该方法不仅保持了透镜效应侧视法适用成像面范围广的优点, 而且定轴灵敏度平均优于单光束光源侧视成像定轴法11.88%。该研究具有良好的实用前景。

在保偏光纤偏振轴的定位和对准技术中, 侧视成像法为目前的主要方法。现有的侧视成像法对光强形貌特征具有较高要求, 为了提高它们的通用性, 提出了基于侧视光强相关峰锐度的定轴方法。该方法首先通过侧视光强曲线间的相关运算得到相关系数曲线, 进而利用相关系数曲线的峰值尖锐程度作为特征值。相比于传统侧视成像法, 该方法不受光强形貌特征的限制, 因此具有更强的通用性。为了提高该方法的精度, 对不同观测平面的定轴精度进行了比较, 从而确定了具有理想定轴精度的观测平面范围。在此基础之上, 对该方法的实际精度进行了实验验证, 结果表明: 利用该方法可以获得优于0.9°的定轴精度。

针对目前已有的基于端面图像的熊猫保偏光纤定轴系统中多采用手动对焦的问题，搭建一套自动对焦系统，提出一种基于保偏光纤定轴系统成像特点的自动对焦算法。该算法选择方差函数进行对焦评价，同时采用基于局部方差最大的对焦窗口选择方式来提高灵敏度，使用一种基于迭代拟合的综合搜索策略来搜索焦点。实验表明，本算法能够实现对保偏光纤端面及其衬块的快速稳定对焦。

提出一步定轴法以提高保偏光纤偏振轴定位和对准技术中侧视成像法的定轴效率.一步定轴法通过光强图像与标准图库之间的相关运算实现定轴,定轴过程中不需要旋转光纤.采用光强内插处理以及选择最佳观测平面两种措施提高一步定轴法的定轴准确度.以熊猫型保偏光纤为研究对象,利用光线追迹法仿真计算出不同观测面的光强图像.以相关峰值处的尖锐程度作为定轴准确度的判据,分析内插前后以及不同观测面的定轴准确度.结果表明,这两种措施均可提高定轴准确度,并获得优于0.3°的理论定轴准确度.

保偏光纤偏振轴的检测和对准是保偏光纤应用中的关键技术.为提高基于端面成像的偏振轴检测方法的检测精度, 以熊猫型保偏光纤为研究对象, 采用基于曲面拟合的亚像素边缘检测算法和椭圆拟合算法提高检测的准确度, 采用多次测量取平均法提高检测的精确度;利用检测结果的正态分布特性, 提出一种基于概率的偏振轴定轴方法.搭建了保偏光纤自动定轴系统并进行实验, 准确性验证实验结果表明：亚像素边缘检测方法平均可以减小45%的偏差, 而拟合椭圆相较拟合圆平均可以减小15%的偏差;精确性验证实验表明采用多次测量取平均的方法可以有效减少检测结果的离散程度;定轴实验的结果表明, 基于概率的偏振轴定轴方法可以达到优于0.1°的定轴准确度.

光子晶体光纤轴向方位角的确定在光纤器件的加工制作中具有重要的意义.采用平行光侧向照射光子晶体光纤，研究了六边形结构、混合结构以及大模场结构这三种光子晶体光纤，获取其在不同轴向方位角时的侧视光强图像.随着光纤绕轴向旋转，其光强图像出现特定的亮纹光强特征，通过分析得到亮纹光强特征值随光纤轴向旋转之间的变化关系，发现其透射光强图像的光强特征值呈现周期性变化，并与光纤空气孔结构有一定对应关系.采用Tracepro仿真模拟三类光子晶体光纤的侧视光强图像特征，在模拟侧视光强图像中，也出现随轴向旋转变化而变化的亮纹特征，模拟侧视光强亮纹变化特征与实验亮纹特征具有相似的变化规律.对比光子晶体光纤亮纹光强特征值随轴向方位角变化关系的实验曲线与模拟曲线，发现当光源平行于光纤空气孔构成的近似六边形结构的顶角连线照射时，其亮纹光强特征值出现极大值，可以实现光子晶体在特定轴向方位角的定位.

本论文针对如何实现道威棱镜光轴与旋转轴平行，将道威棱镜转像理论与光学定心加工结合，提出了基于光学定心加工的道威棱镜组件装配方法。该方法根据道威棱镜旋转轴偏转时其出射光束发生变化的特性确定道威棱镜光轴，并通过车削的方式保证其镜筒外圆旋转轴与其光轴平行。本文具体提出两种道威棱镜组件定轴方案，分别为平行光管定轴方案以及激光定轴方案，此两种方案可有效保证道威棱镜反射面轴线(道威棱镜光轴)与旋转轴的平行度，定轴精度优于0.01 mm。

为了克服现有技术存在的不足，实现光学测量装置在轴孔内的高精度测量，提出了一种新的轴孔内的同轴定位机构装置。根据机械技术领域的三点定心原理及六点定轴原理，利用机构中2个涨套的6个弹性爪与轴孔机械轴进行点接触，由于与轴孔内壁接触都是刚性接触，能够承受较大负荷从而实现光学测量装置光轴与轴孔机械轴的精密重合，达到高精度的定位及保持高精度的同轴状态。定位机构在实际中得到了很好的应用，理论和实践证明此定位机构能够很好地实现光学测量装置在轴孔内的高精度定位，精度能够达到10″以内，从而起到光学测量装置测量机构轴线的作用。