Способ контроля диаметра оптических волокон Советский патент 1992 года по МПК G01B11/08 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и предназначено для измерения диаметра оптических волокон.

Известен способ измерения диаметра прозрачного волокна, заключающийся в том, что освещают волокно прямым и отраженным от зеркала когерентным пучком, формируют дифракционно-интерференционную картину, измеряют координату первого максимума, перемещают зеркало параллельно самому себе в направлении, перпендикулярном его отражающей поверхности, повторно измеряют координату первого максимума и по полученным параметрам рассчитывают диаметр волокна.

Недостатками указанного способа являются ошибки измерения из-за неоднозначности угла, под которым направляют на волокно второй пучок, величины перемещения зеркала и определения границы свет/тень при измерении координаты максимумов, а также невозможность точной установки расстояния от волокна до зеркала.

Известен интерференционный способ измерения параметров однослойных волокон, заключающийся в том, что волокно освещают сфокусированным в линию пучком когерентного излучения, направленным под углом а к оси измеряемого волокна, анализируют структуру света, отраженного волокном, выделяют линии отсечки, соответствующие лучам, испытывающим максимальное отклонение, рассчитывают геометрические размеры волокна по формуле, связывающей их с положением характерных точек интерференционной картины.

К недостаткам данного способа относятся низкая точность измерения из-за неоднозначности величины выставления угла падения а(в пределах десятков минут) и, как следствие, ошибки вычисления показателя преломления и диаметра волокна из-за влияния вибраций, температурных деформаций.

о ы

«ашД

О

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения диаметра оптического волокна, заключающийся в освещении волокна параллельным пучком перпендикулярно его оси и регистрации ин- терференционных полос, образованных в области взаимодействия преломленных и отраженных лучей, по числу полос в заданном угловом интервале вычисляют диаметр волокна.

Недостаток известного способа заключается в наличии ошибки измерения, связанной с существенной неэквидистантностью периода интерференционных полос, нестабильностью длины волны лазерного излучения.

Цель изобретения - повышение точности контроля диаметра оптических волокон.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу контроля диаметра опти- ческих волокон, заключающемуся в том, что освещают контролируемое волокно когерентным излучением, регистрируют образовавшуюся интерференционную картину и по ее параметрам определяют диаметр во- локна, дополнительно размещают рядом с контролируемым волокном параллельно ему эталонное волокно, формируют из когерентного излучения опорный и первый и второй измерительные пучки, освещение контролируемого волокна производят опорным и первым измерительным пучком под углом а друг к другу, освещают эталонное волокно опорным и вторым измерительным пучком под углом вдруг к другу, удовлетво- ря ющим условию в т а, регистрацию интерференционных полос, образовавшихся при освещении волокон, производят с помощью вращающегося зеркала синхронным считыванием фотоприемниками, а при определе- нии диаметра контролируемого волокна учитывают число периодов интерференционной картины от эталонного волокна, укладывающихся между соседними импульсами совпадения фаз интерференционных кар- тин от обоих волокон.

За счет освещения измеряемого и эталонного световодов сходящимися под разными углами пучками, формирования двух интерференционных картин с различными периодами их синхронного считывания и фиксации импульсов совпадения, между которыми подсчитывается число полос интер- ференционной картины эталонного волокна, пропорциональных текущей по- грешности измеряемого волокна, точность повышается в 2-3 раза.

Основная особенность предлагаемого способа заключается в том, что в отличие от

прототипа при освещении эталонного и измеряемого волокон, каждого двумя пучками, формируются в одной плоскости две интерференционные картины с различным пространственным периодом:

Тд- .(«/2); (0/2).

(1)

где и Дг - оптические коэффициенты уве- личения волокон, работающих как цилиндрические линзы;

в- углы, под которыми пересекаются опорный пучок с первым и вторым измерительными пучками. Углы в отличаются друг отдруга на небольшую величину порядка 0,1 -0,2°. Из теории оптических приборов известно,что

.28(п-1)(2п-1) рп.г

где S - в данном случае расстояние от волокна до плоскости анализа;

г - радиус волокна.

Длина диаграммы L интерференционных картин задается такой, чтобы в ней умещалось 250-300 полос. Так как Тд и Тэ близки, то будет иметь место периодическое совпадение фаз интерференционных полос через фиксированное число А этих полос для эталонного волокна.

Например, для Я 0,633 мкм, а 10°15 , L 166 мм,.0 10° и гэ гд 400 мкм, число полос в интерференционной картине от измеряемого волокна Мд «275, а от эталонного волокна Мэ «279 (5 1 105 мкм, п 0,5).

Число полос в диаграмме находится из выражения

N L/T,

(2)

следовательно, число совпадений фаз интерференционных картин равно 4. Совпадения происходят через каждые 69,75 периода интерференционной картины от эталонного волокна. При изменении гд на 1 мкм число полос в диаграмме изменится и станет равным NA 276, т.е. число совпрадений будет равно 3 или через каждые 93 периода. Следовательно, изменение гд на 1 мкм соответствует Д Т2-Т1 93 -- 69,75 23,25 полосы. Найдем аналогическую связь гд и Ддля любых а , гэ.

Пусть Д Т2 - n (NS/NSH) - (N8/Nsfl), где NSH N3 - NH и N$A N3 - 1МД - соответственно разница между числом интерференционных полос эталонного и

номинального волокна и эталонного и текущего (действительного). Первая разница определяется только различием углов а и 0, а вторая -только различием диаметров гэ и гд. С учетом этого

- А2

Мэ

Мэ

N3 - NH N3 - Мд

,(3)

где Ai - число регистрируемых полос между двумя соседними совпадениями при гэ гд; А2 - число регистрируемых полос между двумя соседними совпадениями при

.

Из формул (1) и (2) следует, что 2Lsln(o/2) .

NHIp-

2 L sin (в/2)

W Так как

N

Мд L/Тд МэТэ/Тд,

т SA(n-1)(2n-1)/

NJ

гд n sin («/2) 2Lrflsln(o/2)

АЈгэ

Подставим полученные выражения для NH, Мэ и Мд в (3) и получим

А Sin(0/2)

sin (0/2) -sin («/2)

Гэ sin (0/2)

r3sin(0/2)(o/2)

Первое слагаемое в выражении (4) - постоянная величина С, не изменяющаяся в процессе режима контроля, Ее значение может быть занесено в память электронного устройства. С учетом этого выражение (4) запишется в виде

А СГэ sin (0/2) гэ sin (0/2 ) - гд sin ( а/2 ) 50

После несложных преобразований получим искомую зависимость гд f( A):

r3sin(0/2)A-C + 1 А - Гд sin (о/2 И А-С С

Измеряемой величиной является Д2

С - А, т.е. число полос между двумя текущими совпадениями, поэтому окончательно

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

sln(0/2)(A2 + 1)А

гд гэг-7-/„ч л при А С.

дsin (а/2 ) А2

Углы 0 и а заданы конструктивно, а Д2 находится при синхронном сканировании интерференционных полос путем их простого счета.

При указанных выше значениях аи 0и гэ изменение на 0,1 мкм соответствует одной полосе, что является разрешающей способностью способа, если не произаодить интерполяции полосы. Уменьшение разницы между а и 0 соответствен но приводит к увеличению разрешающей способности. Если а и 0 будут таковы, что на длине диаграммы будет возникать только одно совпадение, то чувствительность способа может быть на порядок выше. Поэтому предлагаемый способ целесообразно использовать для особо точных измерений. Диапазон измеряемых размеров при гэ 400 мкм и заданных углах а и 0составляет400-800 мкм.

На фиг. 1 представлена принципиальная оптическая схема устройства для осуще- ствления способа контроля диаметра оптических волокон;, на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

На фиг. 1 обозначены 1 - лазер; 2 - коллиматор; 3 - светоделитель; 4 - первое зеркало; 5 - двухщелевая диафрагма; 6 и 7 - второе и третье зеркала; 8 - сканирующее зеркало; 9 и 10 - первый и второй фотоприемники; ОВК и ОВЭ - контролируемое и эталонное оптические волокна; IK и э - интерференционные картины, сформированные соответственно контролируемым и эталонным оптическими волокнами; ш- частота вращения сканирующего зеркала; V - скорость и направление перемещений (движения) контролируемого волокна; а и 0- углы, под которыми сходятся освещающие волокна пучки; Si - коллимированный монопучок; $2 - опорный пучок; Зз и $4 - первый и второй измерительные пучки.

Способ осуществляют следующей совокупностью операций.

От когерентного источника света формируют коллимированный пучок, который затем делят на опорный и два измерительных путем фронтального разделения на верхнюю и нижнюю части. Направляют первый измерительный пучок по направлению к опорному под углом а, а второй измерительный пучок - под углом 0, причем . В месте пересечения первой пары пучков размещают контролируемое оптическое-волокно, а в месте пересечения другой пары - эталонное оптическое волокно.

За обоими волокнами в плоскости анализа формируют две интерференционные картины, которые считывают синхронно фотоэлектрическим способом. При считывании фиксируют импульсы совпадения, генерируемые при совпадении фаз обеих интерференционных картин, находят число периодов эталонной интерференционной картины между двумя соседними импульсами совпадения, по числу которых вычисляют диаметр контролируемого волокна.

Способ реализуют следующим образом.

Луч от лазера 1 преобразуют в параллельный нерасходящийся пучок большего диаметра посредством коллиматора 2 и направляют на светоделитель 3. Монопучок Si расщепляется светоделителем на прошедший пучок и на отраженный пучок. Прошедший пучок $2, отразившись от зеркала 4, падает на двухщелевую диафрагму 5 и освещает через верхнюю щель контролируемое волокно (ОВк), а через нижнюю - эталонное волокно (ОВЭ). Ширина щелей может быть в несколько раз больше диаметра волокон, но не шире половины диаметра пучка.

Отраженный от светоделителя пучок фронтально делится вторым 6 и третьим 7 зеркалами на два измерительных пучка Зз и S4, которые падают на ту же двухщелевую диафрагму 5. Первый измерительный пучок Зз через верхнюю щель диафрагмы освещают ОВк, а второй измерительный пучок 34 через нижнюю щель диафрагмы освещает ОВЭ. Следствием взаимодействия первой пары пучков ЗаЗз, направленных друг к другу под углом а на ОВК, является образова- ние интерференционной картины U, локализованной в плоскости анализа, Другая интерференционная картина э образуется второй парой пучков S2S4, направленных друг к другу под углом в. Периоды обеих интерференционных картин описываются зависимостями (1). В процессе синхронного считывания IK и U, которое достигается за счет непрерывного вращения сканирующего зеркала 8 и смещения полос относительно неподвижных фотоприемников 9 и 10, происходит периодическое совпадение фаз интерференционных картин. Количество периодов э, подсчитанное между двумя соседними импульсами совпадения и обозначенное через Л дает возможность вычислить по формуле (4) текущий диаметр контролируемого волокна ОВК.

Чувствительность способа тем выше, чем меньше разница между углами а и в, Однако эта разница должна быть такой, чтобы на всей длине диаграммы к и э происходило хотя бы одно совпадение фаз.

Увеличение длины диаграммы позволило бы уменьшить разницу между а и в, однако привело бы к существенным конструктивным затратам (увеличение рабочей площади

сканирующего зеркала) и снижению частоты сканирования.

Обработка измерительной информации и вычисление текущего диаметра может осуществляться известными средствами, включающими усилитель фототоков, схемы совпадения, интерфейс и микро ЭВМ.

Способ осуществляли на макете, собранном по оптической схеме на фиг. 1. В макет входили лазер Л ГН-302, коллиматор с

увеличением 4Х, светоделитель с коэффициентом деления 0,5, зеркала с внешним покрытием. Сканирующее зеркало устанавливали на оси двигателя Д-32. В качестве фотоприемников применяли фотодиоды

ФД-256. Счет и обработку электрических импульсов с интерференционных картин осуществляли с помощью технических средств.

Предлагаемый способ контроля диаметра оптических волокон может найти широкое применение в производстве волоконно-оптических элементов, при особо точном размерном контроле оптических волокон в качестве эталонного средства.

Формула изобретения

Способ контроля диаметра оптических волокон, заключающийся в том, что освещают контролируемое волокно когерентным излучением, регистрируют образовавшуюся

интерференционную картину и по ее параметрам определяют диаметр волокна, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, размещают рядом с контроли- руемым волокном параллельно ему

эталонное волокно, формируют из когерентного излучения опорный и первый и второй измерительные пучки, освещение контролируемого волокна производят опорным и первым измерительным пучками под углом

а друг к другу, освещают эталонное волокно опорным и вторым измерительными пучками под углом вдруг к другу, удовлетворяющим условию а 0, регистрацию интерференционных картин, образовавшихся при освещении волокон, производят с помощью вращающегося зеркала синхронным считыванием фотоприемниками, а при определении диаметра контролируемого волокна учитывают число

периодов интерференционной картины от эталонного волокна, укладывающихся между соседними импульсами совпадения фаз интерференционных картин от обоих волокон.

to./

овк ОВэ

/ Ю

и

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности контроля диаметра оптических волокон. Формируют коллимированный пучок, делят его на опорный и два измерительных. Направляют первый измерительный пучок под углом а к. опорному, а второй - под углом в ( а в ) соответственно на контролируемое и эталонное оптические волокна, Формируют две интерференционные картины. При считывании фиксируют импульсы совпадения и находят число периодов эталонной интерференционной картины между двумя соседними импульсами совпадения, по числу которых вычисляют диаметр контролируемого волокна.2 ил.

.г