Устройство для измерения распределения показателя преломления по сечению сердечника двухслойного световода Советский патент 1987 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении распределения показателя преломления по сечению многомодовых световодов и заготовок, а также стержневых градиентных линз в процессе их изготовления.

Цель изобретения - повышение точности и оперативности измерений, а также надежности устройства.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства; на фиг.2 - ход лучей в световоде; на фиг. 3 - пример структурной схемы блока электронной обработки.

Устройство содержит расположенные последовательно на одной оптической оси источник 1 излучения, оптическую систему 2, которая формирует пучок лучей, исследуемый световод 3. Световод помещают в иммерсионную камеру 4 в виде параллелепипеда с прозрачными стенками, который заполнен иммерсионной жидкостью с показателем преломления, равным показателю преломления оболочки световода. Прозрачные стенки камеры и ось световода перпендикулярны направлению распространения зондирующего пучка В камере за световодом по ходу лучей расположен двухкоординатный пози- ционно-чувствительный фотоприемник 5 который электрически соединен с блоком 6 электронной обработки.

f,

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника 1 проходит через цилиндрическую линзу 2, при этом пучок излучения вследствие нак лона цилиндрической линзы и ее свойств разносится в плоскости двух координат ХУ (ось X совпадает с осью световода, ось У проходит через точку пересечения оси световода с направлением распространения излучения)

При освещении световода 3 пучком лучей каждый из них испытывает различное преломление и отклонение от своего прямолинейного распространения в зависимости от точки вхождения в Световод. Так как лучи пучка разнесены цилиндрической оптической системой 2 в плоскости двух координат вдоль прямой, составляющей острый угол oi с осью световода, можно определить ординату у; точки входа любого луча в световод умножением

5

0

5

соответствующей ей абсциссы х;, на тангенс

Преломленные световодом лучи падают на плоскость фотоприемника 5 и создают изображение. Точки изображения с максимальной яркостью образуют кривую изображения, положение которой отыскивается с помощью блока 6 электронной обработки анализом освещенности отдельных элементов многоэлементного фотоприемника. Для однородного на исследуемом участке световода вдоль оси X преломленные лучи не отклоняются в направлении этой оси, т.е. абсциссы точек падения лучей X; совпадают с абсциссами точек падения соответствующих преломленных лучей Xj на фотоприемник. Ординаты соответствующих точек у (у ) определяются из кривой изображения для каждой абсциссы х 5,

Определение распределения показателя преломления п (г) сердечника световода производится блоком элект- ронной обработки с использованием выражения

W-,). (О

35

30 где iij - показатель преломления оболочки световода и иммерсионной жидкости; L - расстояние от оси световода

до фотоприемника; , а - радиус сердечника световода; г - минимальное расстояние от

оси световода до траектории луча;

у - ордината входящего в свето- 40 вод луча;

У (у) - ордината преломленного луча в ПЛ9СКОСТИ фотоприемника.

Блок электронной обработки осу- 45 ществляет периодический или по заданной программе опрос освещенности отдельных элементов фотоприемника 5 и выбор элементов с максимальной освещенностью, для чего напряжение 50 и(х,у ) с выхода фотоприемника поступает на схему 7 определения максимальной величины. Координаты элементов фотоприемника х;, у. с максимальным выходным напряжением, а сле- 55 довательно, с максимальной освещенностью, запоминаются запоминающим устройством 8 и используются для определения искомого распределения показателя преломления. Блок электронной обработки содержит также генратор 9 тактовых импульсов, управляющее устройство 10, арифметическо логическое устройство 11 и устройство 12 ввода-вывода.

Узел может быть выполнен по схем определения экстремальных величин, основанной на использовании диодных избирательных схем, включенных на входе интегрального операционного усилителя, работающего в режиме повторителя. Устройства 8-11 являются традиционными для микропроцессорной техники и могут быть выполнены, например, на микросхемах серии К580. В качестве устройства 12 может использоваться дисплей, телетайп или графопостроитель.

Источник излучения может быть когерентным или некогерентным и в качестве него может использоваться, например, малогабаритный лазер типа ЛГН-105. Оптическая система может быть выполнена по структурной схеме коллиматор - фокусирующий объектив из цилиндрических линз так, что в фокусе объектива помещен исследуемы световод и цилиндрические линзы своими поперечными осями одинаково наклонены к оси световода под углом oi 30-75°.

Выбор угла наклона в пределах об 30-75° произволен. При больших углах изображение значительно рас- тягив.ается, выбор углов меньше указанных значений не целесообразен (особенно для тонких световодов) из-за конечной толщины сфокусированного пучка лучей.

Оптимальная угловая ориентация цилиндрической линзы относительно световода определяется его диаметром, поперечной и продольной неодно- родностями, расположением и размерами фотоприемника. Реальные световоды имеют диаметр от 0,1 мм (многомодовы оптические волокна) до 1-2 мм (градиентные стержневые линзы) и более (заготовки волокон).

Минимальное значение угла об определяется продольной неоднородностью световода по градиенту д и по диаметру 5.р на его участке длиной 2a-ctg«:, и допустимой погрешностью измерений от их влияния. Оценочные расчеты показывают, что погрешность измерения распределения показателя

преломления мсжет достигать .

10

J5

0

5

значения 6 6 1о 6 д.51,%.

При больших значениях ei ограничивается количество К точек измеренияj так как оно связано с конечной толщиной b зондирующего пучка лучей соотношением К 2а-соза /Ь, что также снижает точность измерений.

Камера может быть изготовлена из оптического стекла. Иммерсионной жидкостью для ее заполнения может служить глицерин или прозрачные растворы масел с подходящим показателем преломления. В качестве фотоприемника может исполг.зоваться многоэлементный двумерный твердотельный приемник изображения на основе элементов с зарядовой связью.

Устройство позволяет измерять также диаметр сердечника световода. Для этого определяют абсциссы х;, С; точек на кривой изображения, для

которых У(У) у,- при X; 0,

у (У ) yj при xj .

Э

Тогда искомый диаметр сердечника световода

2а (х,- xptgoC |У; - У | . (2)

0Начальную корректировку хода лучей в устройстве просто осуществить исключением световода из камеры.

В предлагаемом устройстве осуществляется освещение всего поперечJ ного сечения световода без использования сканирования, что повышает его оптико-механическую надежность, с мгновенным полгучением точной информации о положениях лучей обоих пуч0 ков, что вместе с упрощением определения необходимых в выражении (1) величин не менее чем на порядок повышает оперативность измерения распределения показателя преломления све5 товода и в 3-5 раз снижает погрешность измерений за счет усреднения результатов.

Формула изобретения

Устройство для измерения распределения показателя преломления по сечению сердечника двухслойного световода, содержащее источник излучения 5 и расположенные последовательно по ходу излучения фокусирующую оптическую систему, камеру, заполненную иммерсионной жидкостью с показателем преломления, равным показателю пре0

5129

ломления оболочки световода, с установленным в фокусе оптической системы держателем исследуемого световода, обеспечивающим перпендикулярность оси световода направлению рас- пространения излучения и параллельность ее боковым стенкам камеры, и позиционно-чувствительный фотоприем- .ник, электрически соединенный с блоком электронной обработки и регистра- ции, о тличающееся тем.

36

что, с целью гювг шечия точности и оперативности измерений, а также надежности устройства, фокусирующая оптическая система выполнена в виде цилиндрической линзы, поперечная ось которой составляет с боковыми стенками камеры в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения, угол 30-75 , а позиционно- чувствительный фотоприемник выполнен двухкоордин атным.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано при измерении распределения показателя преломления по сечению многомодовых световодов, а также стержневых градиентных линз в про- цессе их изготовления. Повьпиение точности и оперативности измерений, а также надежности устройства достигается за счет того, что исследуемый световод 3 помещают в фокусе оптической системы 2, выполненной в виде цилиндрических линз, поперечные оси которых составляют с осью световода одинаковый угол в пределах 30-75 в камеру 4 с иммерсионной жидкостью с показателем преломления, равным /юказателю преломления оболочки световода. Преломленные световодом лучи подают на плоскость многоэлементного фотоприемника 5 и создают изображение. Точки изображения с максимальной яркостью образуют кривую изображения, положение которой отыскивается с помощью блока электронной обработки 6. 3 ил. б сл с 00 ел 00 .;

Фиг.2

f -y

XI

Ш

8

11

12

Редактор Е.Копча

Составитель С.Голубев

Техред М.ХоданичКорректор О.Луговая

Заказ 377/46Тираж 777Подписное

ВНШПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

(pi/8. J