CN101852587A - 光纤连接器端面检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤连接器端面检测仪。它以激光光源的光信号经分光，分为参考光光路，物光光路，参考光经聚焦、反射，进入光电转换器，通过USB接口送入计算机；物光经过反射、聚焦，通过光纤连接器的光线入射口入射到光纤连接器固定架上的被测光纤连接器端面，经过反射、光信号放大，透射光物光和反射参考光在被测光纤反射到分束镜的入射表面的对称表面干涉，由另一光电转换器采集后，通过USB接口送入计算机；计算机采集到信号后，用软件对全息图进行去噪，再根据二步相移法重构出三维全息图。它不仅可以检测出了连接器纤芯和包层的椭圆度、同心度等参数，也能重构出端面纤芯区域表面的三维形貌图，监测到纤芯表面形貌和纤芯高度，且检测精度高，系统体积小，自动化程度高，用户界面友好，使用方便。

Description

光纤连接器端面检测方法及装置

技术领域

本发明属于数字全息术对用于光纤连接器的光纤端面的形貌检测技术领域，具体是一种光纤连接器端面检测方法及装置。

技术背景

光纤连接器端面的几何参数，如纤芯中心坐标、球面顶点偏移、表面凹凸不平、纤芯的高度、端面倾斜角等，是影响光纤连接器性能的主要因素。因此在实际连接器的生产过程中对光纤连接器端面的精度要求很高，需要实时检测光纤连接器端面的情况，以确保各种缺陷误差在允许的范围内。如果光纤连接器端面存在缺陷，则必须进行缺陷的成因进行分析。对为了准确判定光纤连接器端面缺陷的位置与原因，最直接的方法是通过端面的三维再现，由端面的三维形貌判定缺陷成因是行之有效的直观的方法之一。

传统的测量光纤连接器端面的方法是显微成像法，但这种方法测量精度不高。干涉法测量能够比显微成像法提高测量精度，牛顿环干涉法检测是通常采用的方法，牛顿环干涉法检测系统结构简单，使用方便，但它是一种接触性测量，容易造成结构元件的损伤，以及被测件表面的损伤和污染。由于成品的光纤连接器光纤端面是采用FC/PC(或SC/PC、ST/PC)封装，这也给光纤端面直接测量带来困难。因此，对光纤连接器光纤端面参数的更好的检测技术手段要求采用非接触法测量。

数字全息术具有非破坏性、非侵入性、非接触性和全场性等优点，广泛应用于形变测量、形貌分析、显微成像、信息加密等技术领域。利用CCD记录全息图，通过计算机数值重建全息像，可以得到物体的振幅和相位信息，并实现三维物场重构，将数字图像处理技术引入数字全息图的处理过程，可以消除像差、噪声等的影响，改善全息再现像的质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数字全息显微术的非接触式光纤连接器端面检测方法。

本发明的另一目的在于提供一种数字全息显微术的非接触式光纤连接器端面检测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：以数字全息术为基础的光路设计和CCD数据采集和计算机的数字全息再现。包括：光路系统、数据采集器和计算机三大部分。

以激光光源的光信号经分光，分为参考光光路，物光光路，参考光经聚焦、反射，进入光电转换器，通过USB接口送入计算机；物光经过反射、聚焦，通过光纤连接器的光线入射口入射到光纤连接器固定架上的被测光纤连接器端面，经过反射、光信号放大，透射光物光和反射参考光在被测光纤反射到分束镜的入射表面的对称表面干涉，由另一光电转换器采集后，通过USB接口送入计算机；计算机采集到信号后，用软件对全息图进行去噪，再根据二步相移法重构出三维全息图，经过标定，确定图形中的数值。

上述的光纤连接器端面检测装置包括光路系统、数据采集系统、计算机三大部分，光路系统由激光器LD、分束镜BS1、分束镜BS2、分束镜BS3、反射镜M2反射镜M3、聚焦透镜L1、聚焦透镜L2、聚焦透镜L3压电陶瓷微振镜PZTM所构成，数据采集系统为光电转换器CCD1、光电转换器CCD2即电荷耦合器件，激光器LD发出光束，激光束经分束镜BS1产生两束激光束，其中激光束1经分束镜BS2反射照射光纤端头，光纤端头散射光再经分束镜BS2分成两束，一束反射后被透镜组L2放大成像，由CCD1接收，形成参考光信号，通过USB接口送入计算机。另一束经透镜组L2成像于分束棱镜BS3的p1表面；激光束2经压电陶瓷微振镜M1反射，经L3扩束；扩束的聚焦点处于分束镜BS3的p2表面；经过BS3的透射光物光和反射参考光在棱镜BS3左侧干涉，形成同轴无透镜傅里叶变换全息图，由光电转换器CCD2记录，通过USB接口送入计算机。

本发明的数字全息显微术的非接触式光纤连接器端面检测方法及装置，设计了一个基于数字全息显微术的非接触式光纤连接器端面检测系统，由光源、显微透镜镜、CCD和PC机等组成的硬件系统采集图像并传入计算机，其中LD光源保证了足够的对比度，且连续稳定；参考光与物光的准实时传送后，用二步相移法对全息图进行重构，使系统具有较强的抗干扰能力和准确度。系统得到的光纤连接器端面的二维截面图和三维形貌全息图，不仅可以检测出了连接器纤芯和包层的椭圆度、同心度等参数，也能重构出端面纤芯区域表面的三维形貌图，监测到纤芯表面形貌和纤芯高度，且检测精度高，系统体积小，自动化程度高，用户界面友好，使用方便。

附图说明

图1是发明的外型示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明的二步相移数字全息图像重构流程图。

图4是本发明的CCD拍摄的全息图

图5是本发明的CCD拍摄的物光光强分布图

图6是本发明的用二步相移法重构的三维形貌图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的外型示意图。光纤连接器的光线入射口①为被测光纤连接器端面与本实用新型装置的光学接口；光纤连接器的固定架②用于固定被测光纤连接器；USB接口③是本装置与计算机的数据传送接口。图2中激光光源LD的光信号经分光，其中光路1为参考光光路，光路2为物光光路。参考光经聚焦、反射，进入CCD1，通过USB接口③送入计算机。物光经过反射、聚焦，通过光纤连接器的光线入射口①入射到光纤连接器固定架②的被测光纤连接器端面，经过反射，回到图2的光纤端面检测装置，进行光信号放大、干涉，由CCD2采集后，通过USB接口③送入计算机。计算机采集到信号后，用软件对全息图进行去噪，再根据图3的二步相移法重构出三维全息图。经过标定，确定图形中的数值。

本发明测量结果以二维、三维再现光纤端面的几何形体，光纤连接器中纤心的位置，包括纤心、球面顶点的偏移以二维图像给出；光纤表面划痕表面凹凸不平、球面顶点貌型以三维图形给出。

由图1可知，激光束经分束镜BS1产生两束激光束，其中激光束1经分束镜BS2反射照明光纤端头，光纤端头散射光再经分束镜BS2分成两束，一束反射后被透镜组L2放大成像，由CCD1接收。另一束经透镜组L2成像于分束棱镜BS3的p1表面。激光束2经压电陶瓷微振镜M1反射，经L3扩束。扩束的聚焦点处于分束镜BS3的p2表面。经过BS3的透射光物光和反射参考光在棱镜BS3左侧干涉，形成同轴无透镜傅里叶变换全息图，由CCD2记录。

典型的光纤连接器的纤芯的芯径为9μm，包层直径为125μm。光纤连接器的端面一般是研磨成球面形，在研磨过程中可能会造成缺陷，如光纤表面的划痕、球面顶点偏移、表面凹凸不平、纤芯的高度等等。在作光纤端面检测时，主要要关注纤芯的表面形貌和纤芯的在同心圆中的位置。测量时为了能同时得到纤芯表面的三维形貌和纤芯在包层位置的二维截面图，系统用了两组CCD作为图像的采集，如CCD1作为光纤端面二维截面图接受，CCD2作纤芯表面的三维形貌全息图采集。这也是系统设计独特之处，这样设计的目的是提高纤芯表面的三维形貌测量的精度。当系统采用放大率为10×的物镜，有效成像区域的大小为125μm×10＝1.25mm，如果选用光敏面尺寸为4.8mm×3.6mm的CCD(640像素×480像素)，则CCD单像素所对应到物空间的尺度为0.75μm×0.75μm，(当然实际用于系统的CCD分辨率要高些，为1024像素×768像素)。为了获得足够高精度的纤芯区域的表面形貌图，我们可以选择成像的区域，充分利用CCD光敏面积和足够多的象素来采集纤芯区域的表面形貌图，同时我们可以适当加大物镜的放大倍数，这当然要有扩大系统的空间的代价。

根据图1的光路，可以建立记录与再现坐标示意图，如图2所示。(x，y)是物平面(光纤端面)，(x_i，y_i)是p1面上像平面，(ξ，η)是全息面(CCD)。设p1面上像场的复振幅分布为：

式中u_image0(x_i，y_i)是像的振幅分布，

是像的位相分布。在满足菲涅

耳衍射条件下，在CCD接收面(ξ，η)上物光分布为：

$O(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})=\mathrm{cexp}\left[\mathrm{ik}\left(\frac{{\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}{2z_o}\right)\right]{\∫\∫u}_{\mathrm{image}}(x,y)\exp \left[\mathrm{ik}\left(\frac{x^2+y^2}{{2z}_o}\right)\right]\exp (-\mathrm{ik}\frac{\mathrm{x\ξ}+\mathrm{y\η}}{z_o})\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$

参考光在CCD面上的分布为：

$R(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})=A_r(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})\exp \left[\mathrm{ik}\frac{{\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}{2z_o}\right]---\left(3\right)$

先将(2)和(3)所表示的光强分布利用CCD记录下来。干涉后，CCD接收到干涉条纹强度分布：

I₁＝|O|²+|R|²+O(ξ，η)R^*(ξ，η)+O^*(ξ，η)R(ξ，η)    (4)

通过控制压电陶瓷微振镜，改变参考光的相位，使参考光的相位改变π/2，相应的CCD面上全息图的强度分布为：

$I_2={\left|O\right|}^2+{\left|R\right|}^2+O(\mathrm{\δ},\mathrm{\η})R^{*}(\mathrm{\δ},\mathrm{\η})\exp (-i\frac{\mathrm{\π}}{2})+O^{*}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})R(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\exp \left(i\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)$

$={\left|O\right|}^2+{\left|R\right|}^2-\mathrm{iO}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})R^{*}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})+{\mathrm{iO}}^{*}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})r(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})---\left(5\right)$

(4)式和(5)式中的|O|²和|R|²分别是物光和参考光单独照明CCD时强度分布，令：

I_o＝|O|²+|R|²        (6)

(4)式，(5)式分别减(6)式得：

$I_1^{\%}=O(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})R^{*}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})+O^{*}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})R(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})---\left(7\right)$

$I_2^{\%}=-\mathrm{iO}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})R^{*}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})+{\mathrm{iO}}^{*}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})R(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})---\left(8\right)$

将(7)式乘以虚数i，然后与(8)式相加得：

$O^{\%}=2\mathrm{iO}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})R(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})---\left(9\right)$

将(2)式的共轭和(3)式代入上式，可以得到：

$O^{\%}={2\mathrm{ic}{A}_r\∫\∫u^{*}}_{\mathrm{image}}(x,y)\exp [-\mathrm{ik}\left(\frac{x^2+y^2}{{2z}_o}\right)]\exp \left(\mathrm{ik}\frac{\mathrm{x\ξ}+\mathrm{y\η}}{z_o}\right)\mathrm{dxdy}---\left(10\right)$

当参考光是球面波的时候，在菲涅耳近似下A_r(ξ，η)可以认为是常数，如果对上式进行傅里叶逆变换，就可以得到再现像的复振幅：

$U_{\mathrm{image}}(x_i,y_i)=2\mathrm{ic}{A}_r(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\exp [-\mathrm{ik}\left(\frac{{x_i}^2+{y_i}^2}{2z_0}\right)]{u^{*}}_{\mathrm{image}}(x_{\mathrm{ir}},y_{\mathrm{ir}})---\left(11\right)$

显然，上式除了常数和二次位相权重外，已经获得了显微物镜像面上的物光分布的重构，这正是被称作无透镜傅里叶变换全息图的本质。

图像重构

以上再现计算过程采用了二步相移法，要对全息图进行重构，应分别记录参考光和物光的强度分布，再利用全息数字相减技术得到CCD平面的物光复振幅分布。利用计算机数字技术对CCD平面的物光复振幅分布再次进行菲涅耳衍射，传播z_o距离后到达像平面，实验像的重现。最后得到的再现像为：

根据二步相移法的分析过程可以得到如图3所示的二步相移法重构图像的流程图。图中物光强度分布(|O|²)是用图1中CCD1来记录的；相移前后二次的全息图(I₁，I₂)是用CCD2来记录的；而重构时用的参考光|R(ξ，η)|²是用计算机模拟的球面波。

在图1的检测系统中，光纤端面结构畸变会引起式(12)的相位变化，假设光纤端面相对变化为h(x_i，y_i)，可以证明：

其中

的表达式为：

结果

利用图1所示的光路，光源为0.6328μm的LD激光器，通过计算机对9μm芯径光纤的FC连接器进行了多次检测，所得典型结果如图4所示。图4为拍摄的全息图(未处理)，图5为对应的物光光强分布图。利用图4可以检测出连接器纤芯和包层的椭圆度、同心度。根据干涉条纹也可以判断光纤表面是否暇痕。

图6为利用二步相移法重构的三维形貌图。利用该图可了解光纤端面的情况，如端面抛光的高度，曲率等参数。

上述中，LD Laser为激光光源(LD激光器)，BS1为分束镜，M2为反射镜，BS4为分束镜，CCD1为电荷耦合器件(光电转换器件)，L2为聚焦透镜，PZTM为压电陶瓷，M3为反射镜反射镜，L3为聚焦透镜，BS3为分束镜，L1为聚焦透镜。

本发明设计了一个基于数字全息显微术的非接触式光纤连接器端面检测系统。由光源、显微透镜镜、CCD和PC机等组成的硬件系统采集图像并传入计算机，其中LD光源保证了足够的对比度，且连续稳定；用二步相移法对全息图进行重构，使系统具有较强的抗干扰能力和准确度。系统得到的光纤连接器端面的二维截面图和三维形貌全息图，不仅可以检测出了连接器纤芯和包层的椭圆度、同心度等参数，也能重构出端面纤芯区域表面的三维形貌图，监测到纤芯表面形貌和纤芯高度，且检测精度高，系统体积小，自动化程度高，用户界面友好，使用方便。

Claims (2)

1.一种光纤连接器端面检测方法，是以激光光源的光信号经分光，分为参考光光路，物光光路，参考光经聚焦、反射，进入光电转换器，通过USB接口送入计算机；物光经过反射、聚焦，通过光纤连接器的光线入射口入射到光纤连接器固定架上的被测光纤连接器端面，经过反射、光信号放大，透射光物光和反射参考光在被测光纤反射到分束镜的入射表面的对称表面干涉，由另一光电转换器采集后，通过USB接口送入计算机；计算机采集到信号后，用软件对全息图进行去噪，再根据二步相移法重构出三维全息图，经过标定，确定图形中的数值。

2.如权利要求1所述的光纤连接器端面检测装置，其特征在于：包括光路系统、数据采集系统、计算机三大部分，光路系统由激光器[LD]、分束镜[BS1]、分束镜[BS2]、分束镜[BS3]、反射镜[M2]反射镜[M3]、聚焦透镜[L1]、聚焦透镜[L2]、聚焦透镜[L3]压电陶瓷微振镜[PZTM]所构成，数据采集系统为电荷耦合器件即为光电转换器[CCD1]、光电转换器[CCD2]，激光器[LD]发出光束，激光束经分束镜[BS1]产生两束激光束，其中激光束[1]经分束镜[BS2]反射照射光纤端头，光纤端头散射光再经分束镜[BS2]分成两束，一束反射后被透镜组[L2]放大成像，由[CCD1]接收，形成参考光信号，通过USB接口送入计算机。另一束经透镜组[L2]成像于分束棱镜[BS3]的[p1]表面；激光束[2]经压电陶瓷微振镜[M1]反射，经[L3]扩束；扩束的聚焦点处于分束镜[BS3]的[p2]表面；经过[BS3]的透射光物光和反射参考光在棱镜[BS3]左侧干涉，形成同轴无透镜傅里叶变换全息图，由光电转换器[CCD2]记录，通过USB接口送入计算机。

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