專利名稱：光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖連接器，特別是一種光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置。
背景技術(shù)：
光纖連接器是光通信、光纖傳感器以及其它光纖應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)用最廣的基礎(chǔ)元件之一。光纖連接器的端面質(zhì)量決定了其插入損耗、回波損耗、重復(fù)性和互換性等技術(shù)性能的好壞。因此，對(duì)光纖連接器端面幾何參數(shù)的檢測(cè)和控制非常必要。光纖連接器端面幾何參數(shù)主要有曲率半徑、球面頂點(diǎn)偏心量以及光纖相對(duì)高度。目前，在許多生產(chǎn)廠家，產(chǎn)品檢驗(yàn)人員通常是使用放大鏡直接觀察光纖連接器的端面，這只能粗略地了解端面的光潔度、劃痕等表面狀況；或者使用干涉顯微鏡，根據(jù)干涉條紋來(lái)推測(cè)端面的表面形狀及曲率半徑，其精度低，誤差大，而且無(wú)法給出球面頂點(diǎn)偏心量、光纖相對(duì)高度和端面粗糙度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。利用三維形貌測(cè)試技術(shù)，可以測(cè)出光纖連接器端面的所有參數(shù)。光纖連接器端面是平滑的光學(xué)表面，因此，可以利用相移干涉技術(shù)(Phase-shifting Interferometery)來(lái)測(cè)量光纖連接器端面的三維形貌，從而獲得端面的幾何參數(shù)。該測(cè)量技術(shù)具有精度高，非接觸的特點(diǎn)。
在先技術(shù)[1](林敏，黃建軍，李景鎮(zhèn)，“光纖連接器端面干涉測(cè)試系統(tǒng)”，激光雜志，21(1)，2000，33-34)采用干涉顯微鏡結(jié)合相移技術(shù)實(shí)現(xiàn)了光纖連接器端面參數(shù)的測(cè)量。該測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。光源1發(fā)出的單色光由準(zhǔn)直系統(tǒng)2擴(kuò)束準(zhǔn)直，經(jīng)分光鏡3分成兩束。一束光通過(guò)顯微物鏡4后照射到光纖連接器5的端面上，其反射光由顯微物鏡4收集成像。另一束光通過(guò)顯微物鏡6后照射到平面反射鏡7上，其反射光由顯微物鏡6收集成像作為參考信號(hào)，與光纖連接器5的端面像產(chǎn)生干涉。干涉圖樣經(jīng)變焦系統(tǒng)8放大成像在CCD9上，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器10后被計(jì)算機(jī)11采集。平面反射鏡7粘結(jié)在壓電陶瓷13上，計(jì)算機(jī)11通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路12來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷13伸縮，從而使平面反射鏡7移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)參考光的相移。
在先技術(shù)[1]采用定步長(zhǎng)相移技術(shù)，即計(jì)算機(jī)11通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路12來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷13步進(jìn)伸縮，每次步進(jìn)都使參考光移相π/2，連續(xù)步進(jìn)四次，依次采集相應(yīng)的干涉圖樣。其光電探測(cè)器9上接收到的干涉信號(hào)是
Ii(t)＝I0(x，y){1+γ(x，y)cos[φ(x，y)+αi]}，i＝1，2，3，4(1)式中I0(x，y)是背景光強(qiáng)，γ(x，y)是條紋對(duì)比度，φ(x，y)是待測(cè)端面各點(diǎn)的位相差，αi是參考光的相移量，依次為0，π/2，π，3π/2。根據(jù)四幅干涉圖的光強(qiáng)分布Ii，端面上各點(diǎn)的位相差可以由下式求得，tanφ(x,y)=(I4-I2)(I1-I3)---(2)]]>經(jīng)過(guò)相位連續(xù)化處理之后，根據(jù)公式h(x,y)=λ4πφ(x,y)---(3)]]>可算出各點(diǎn)的相對(duì)高度差h(x，y)，得到被測(cè)光纖連接器端面的三維形貌，從而可求出端面的各種幾何參數(shù)。
在先技術(shù)[1]使用相移干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)了光纖連接器端面幾何參數(shù)的測(cè)試。然而，該測(cè)試系統(tǒng)存在的一些缺陷卻削弱了其測(cè)量精度。這表現(xiàn)在兩個(gè)方面(1)、在相移技術(shù)上采用四步定步長(zhǎng)相移算法，它要求相移器必須絕對(duì)定標(biāo)，相移步長(zhǎng)準(zhǔn)確為π/2。對(duì)于存在非線性效應(yīng)的壓電陶瓷來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)這一操作是困難的；而不準(zhǔn)確的標(biāo)定會(huì)造成測(cè)量誤差。
(2)、在光路結(jié)構(gòu)上采用的是Michelson干涉儀，參考臂和測(cè)量臂要求對(duì)稱，以保證光纖連接器的端面像與參考面鏡像重合，造成調(diào)整困難，抗干擾能力差。在參考臂中，顯微物鏡6的光學(xué)質(zhì)量要求高消像差，表面鍍高增透膜；同軸調(diào)整精度也要求很高。另外，準(zhǔn)直光束通過(guò)顯微物鏡之后不再保持為準(zhǔn)直光波，而變成了球面光波。這就使得在每步移相時(shí)參考光中與光軸垂直的平面上各點(diǎn)的移相量各不相等，從而造成面形的測(cè)量誤差。而在測(cè)量臂中，由于是球面光波照明光纖連接器端面，這就導(dǎo)致利用式(3)算出的高度差h(x，y)出現(xiàn)較大偏差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述在先技術(shù)[1]在相移技術(shù)方面以及光路結(jié)構(gòu)方面的缺陷，提供一種光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置，其特征在于該測(cè)試裝置采用臺(tái)曼-格林干涉儀結(jié)構(gòu)；參考光平面反射鏡采取等步長(zhǎng)相移。
本發(fā)明光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置，其特征在于它由光源、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、分束器、光學(xué)系統(tǒng)、平面反射鏡、透鏡、光電探測(cè)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、壓電陶瓷構(gòu)成，上述各部件的位置關(guān)系如下光源發(fā)出的激光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)形成準(zhǔn)直光束，被分束器分成兩束光，一束光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后照射到光纖連接器的端面上，其端面反射光再經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)收集形成光纖連接器的端面像光束；另一束光照射到平面反射鏡上，其反射光作為參考光束，與光纖連接器的端面像光束產(chǎn)生干涉，干涉圖樣經(jīng)透鏡放大成像在光電探測(cè)器上，其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器后，由計(jì)算機(jī)收集，步進(jìn)移相器由壓電陶瓷及其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，平面反射鏡粘結(jié)在壓電陶瓷上，計(jì)算機(jī)通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷伸縮，從而使平面反射鏡移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)參考光的相移。
所述光源是穩(wěn)頻的單縱模激光器、半導(dǎo)體激光器、固體激光器或氣體激光器。
所述的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)是望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，或光纖-透鏡結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，或棱鏡-透鏡結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)。
所述的分束器指的是能夠?qū)⑷肷浼す獍匆欢ǚ止獗确殖蓛墒獾姆止庠缧泵驽冇蟹止饽?，直角面鍍有全透膜的分光棱鏡，或一面鍍有分光膜另一面鍍有全透膜的平行平板。
所說(shuō)的光學(xué)系統(tǒng)指的是能將入射準(zhǔn)直光按一定倍數(shù)縮束成較細(xì)準(zhǔn)直光，并有一定成像放大能力的光學(xué)系統(tǒng)，如望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。
所說(shuō)的光電探測(cè)器是能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的二維探測(cè)器，如二維陣列電荷耦合器件(CCD)，或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)探測(cè)器。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1、與在先技術(shù)[1]相比，本發(fā)明光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置在相移技術(shù)上采用Carré等步長(zhǎng)相移算法，降低了對(duì)壓電陶瓷精確標(biāo)定的要求，避免了因壓電陶瓷的絕對(duì)標(biāo)定誤差引起的相位測(cè)量誤差。
2、與在先技術(shù)[1]相比，本發(fā)明光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置在光路結(jié)構(gòu)上采用Twyman-Green干涉儀，布局簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)合理，由于沒(méi)有采用顯微物鏡6，從而降低了調(diào)整難度，也降低了裝置的成本。在參考臂中，由于沒(méi)有另外的光學(xué)元件，保證了參考光的準(zhǔn)直特性，從而保證了在每步移相時(shí)參考光中與光軸垂直的平面上各點(diǎn)的移相量保持相等。在測(cè)量臂中，由于是準(zhǔn)直光波照明光纖連接器端面，從而保證了采用式(3)計(jì)算高度差h(x，y)的準(zhǔn)確性。


圖1為在先技術(shù)光纖連接器端面干涉測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置的具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為由如圖3所示本發(fā)明具體實(shí)施例測(cè)得的光纖連接器端面三維形貌圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用Twyman-Green干涉儀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。測(cè)量臂和參考臂不必對(duì)稱。在測(cè)量臂中，分束器3出射的一束光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)4后變成一束較細(xì)的準(zhǔn)直光，然后照射在光纖連接器5的端面上，其反射光再由光學(xué)系統(tǒng)4收集，在透鏡7之前形成光纖連接器5的端面像。在參考臂中，分束器3出射的另一束光直接照射在平面反射鏡6上，其反射光也仍然是準(zhǔn)直光，它經(jīng)分束器3后作為參考光與光纖連接器5的端面像相遇產(chǎn)生干涉。干涉圖樣經(jīng)透鏡7放大成像在光電探測(cè)器8光敏面上，其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器9后，由計(jì)算機(jī)10收集。
本發(fā)明采用Carré等步長(zhǎng)相移技術(shù)(P.Carré，″Installation et utilisationdu comparateur photoé lectrique et interférentiel du Bureau Internationaldes Poids et Mesures，″Metrologia，2(1)，1966，13-23)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要知道移相器每次步進(jìn)相移量的確切數(shù)值，只需保證步長(zhǎng)相等即可。計(jì)算機(jī)10通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路11來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷12等步長(zhǎng)步進(jìn)伸縮，實(shí)現(xiàn)參考光的等步長(zhǎng)相移。連續(xù)步進(jìn)四次，依次采集相應(yīng)的干涉圖樣。光電探測(cè)器8上接收到的干涉信號(hào)仍如式(1)表示。其中的相移量αi，依次為0，a，2a，3a。根據(jù)四幅干涉圖的光強(qiáng)分布Ii，端面上各點(diǎn)的位相差由下式求得，tanφ(x,y)=[3(I2-I3)-(I1-I1)][(I2-I3)+(I1-I4)](I2+I3)-(I1+I4)---(4)]]>經(jīng)過(guò)相位連續(xù)化處理之后，各點(diǎn)的高度差h(x，y)仍由式(3)算出，從而得到被測(cè)光纖連接器端面的三維形貌，由此就可求出端面的各種幾何參數(shù)。
在如圖3所示的結(jié)構(gòu)中，光源1采用波長(zhǎng)為632.8nm的He-Ne單縱模激光器。透鏡2a、2b構(gòu)成望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)2。分束器3是針對(duì)632.8nm波長(zhǎng)制作的激光分束棱鏡，分束比為1∶1。透鏡4a、4b構(gòu)成望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)型光學(xué)系統(tǒng)4，兩者的焦距比為3。來(lái)自分束器3的一束光通過(guò)透鏡4a、4b后變成較細(xì)的準(zhǔn)直光，它照射在待測(cè)光纖連接器5的端面上。該端面反射光再經(jīng)4a、4b收集，在分束器3與透鏡7之間形成的光纖連接器5的端面像。分束器3的另一束光直接照射在平面反射鏡6上，其平面度為λ/20，被粘結(jié)在壓電陶瓷12上。平面反射鏡6的反射光作為參考光，與光纖連接器5的端面像產(chǎn)生干涉。干涉圖樣經(jīng)透鏡7放大成像在面陣CCD8上，其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器9后，由計(jì)算機(jī)10收集。計(jì)算機(jī)10控制驅(qū)動(dòng)電路11產(chǎn)生直流驅(qū)動(dòng)電壓，其紋波電壓＜10mV；該驅(qū)動(dòng)電壓控制壓電陶瓷12帶動(dòng)平面反射鏡6作等步長(zhǎng)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)參考光的等步長(zhǎng)相移。連續(xù)步進(jìn)四次，計(jì)算機(jī)采集相應(yīng)的干涉信號(hào)后，由計(jì)算機(jī)10進(jìn)行處理。根據(jù)式(4)和式(3)，可算出光纖連接器的端面形貌，結(jié)果如圖4所示。由此，可以求得光纖連接器端面的幾何參數(shù)曲率半徑19mm，測(cè)量精度(Rep.)≤0.5％；球面頂點(diǎn)偏心量23um，測(cè)量精度(Rep.)1um，以及光纖相對(duì)高度-75nm，測(cè)量精度(Rep.)≤10nm。
權(quán)利要求
1.一種光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置，其特征在于①該測(cè)試裝置采用臺(tái)曼-格林干涉儀結(jié)構(gòu)；②參考光平面反射鏡采取等步長(zhǎng)相移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置，其特征在于它由光源(1)、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)(2)、分束器(3)、光學(xué)系統(tǒng)(4)、平面反射鏡(6)、透鏡(7)、光電探測(cè)器(8)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)、計(jì)算機(jī)(10)、驅(qū)動(dòng)電路(11)、壓電陶瓷(12)構(gòu)成，上述各部件的位置關(guān)系如下光源(1)發(fā)出的激光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)(2)形成準(zhǔn)直光束，被分束器(3)分成兩束光，一束光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)(4)后照射到光纖連接器(5)的端面上，其端面反射光再經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)(4)收集形成光纖連接器(5)的端面像光束；另一束光照射到平面反射鏡(6)上，其反射光作為參考光束，與光纖連接器(5)的端面像光束產(chǎn)生干涉，干涉圖樣經(jīng)透鏡(7)放大成像在光電探測(cè)器(8)上，其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)后，由計(jì)算機(jī)(10)收集，步進(jìn)移相器由壓電陶瓷(12)及其驅(qū)動(dòng)電路(11)構(gòu)成，平面反射鏡(6)粘結(jié)在壓電陶瓷(12)上，計(jì)算機(jī)(10)通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路(11)來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷(12)伸縮，從而使平面反射鏡(6)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)參考光的相移。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置，其特征在于所述光源(1)是穩(wěn)頻的單縱模激光器、半導(dǎo)體激光器、固體激光器或氣體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置，其特征在于所述的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)(2)是望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，或光纖-透鏡結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，或棱鏡-透鏡結(jié)構(gòu)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置，其特征在于所述的分束器(3)指的是能夠?qū)⑷肷浼す獍匆欢ǚ止獗确殖蓛墒獾姆止庠?，如斜面鍍有分光膜，直角面鍍有全透膜的分光棱鏡，或一面鍍有分光膜另一面鍍有全透膜的平行平板。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置，其特征在于所說(shuō)的光學(xué)系統(tǒng)(4)指的是能將入射準(zhǔn)直光按一定倍數(shù)縮束成較細(xì)準(zhǔn)直光，并有一定成像放大能力的光學(xué)系統(tǒng)，如望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置，其特征在于所說(shuō)的光電探測(cè)器(8)是能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的二維探測(cè)器，如二維陣列電荷耦合器件(CCD)，或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)探測(cè)器。
全文摘要
一種光纖連接器端面參數(shù)測(cè)試裝置，其特點(diǎn)是該測(cè)試裝置采用臺(tái)曼－格林干涉儀結(jié)構(gòu)；參考光平面反射鏡采取等步長(zhǎng)相移。本發(fā)明具有布局簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)合理、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01M11/02GK1523335SQ0315082
公開(kāi)日2004年8月25日 申請(qǐng)日期2003年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月5日
發(fā)明者王向朝, 鐘向紅, 路元?jiǎng)?申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所