CN1219198C - 光纤连接器端面参数测试装置 - Google Patents

Abstract

一种光纤连接器端面参数测试装置，其特点是：该测试装置采用台曼-格林干涉仪结构；参考光平面反射镜采取等步长相移。本发明具有布局简单、结构合理、测量精度高的优点。

Description

光纤连接器端面参数测试装置

技术领域：

本发明涉及光纤连接器，特别是一种光纤连接器端面参数测试装置。

背景技术：

光纤连接器是光通信、光纤传感器以及其它光纤应用领域中应用最广的基础元件之一。光纤连接器的端面质量决定了其插入损耗、回波损耗、重复性和互换性等技术性能的好坏。因此，对光纤连接器端面几何参数的检测和控制非常必要。光纤连接器端面几何参数主要有曲率半径、球面顶点偏心量以及光纤相对高度。目前，在许多生产厂家，产品检验人员通常是使用放大镜直接观察光纤连接器的端面，这只能粗略地了解端面的光洁度、划痕等表面状况；或者使用干涉显微镜，根据干涉条纹来推测端面的表面形状及曲率半径，其精度低，误差大，而且无法给出球面顶点偏心量、光纤相对高度和端面粗糙度等关键技术指标。利用三维形貌测试技术，可以测出光纤连接器端面的所有参数。光纤连接器端面是平滑的光学表面，因此，可以利用相移干涉技术(Phase-shifting Interferometery)来测量光纤连接器端面的三维形貌，从而获得端面的几何参数。该测量技术具有精度高，非接触的特点。

在先技术[1](林敏，黄建军，李景镇，“光纤连接器端面干涉测试系统”，激光杂志，21(1)，2000，33-34)采用干涉显微镜结合相移技术实现了光纤连接器端面参数的测量。该测试系统的结构如图1所示。光源1发出的单色光由准直系统2扩束准直，经分光镜3分成两束。一束光通过显微物镜4后照射到光纤连接器5的端面上，其反射光由显微物镜4收集成像。另一束光通过显微物镜6后照射到平面反射镜7上，其反射光由显微物镜6收集成像作为参考信号，与光纤连接器5的端面像产生干涉。干涉图样经变焦系统8放大成像在CCD9上，再经模数转换器10后被计算机11采集。平面反射镜7粘结在压电陶瓷13上，计算机11通过控制驱动电路12来驱动压电陶瓷13伸缩，从而使平面反射镜7移动，实现参考光的相移。

在先技术[1]采用定步长相移技术，即：计算机11通过控制驱动电路12来驱动压电陶瓷13步进伸缩，每次步进都使参考光移相π/2，连续步进四次，依次采集相应的干涉图样。其光电探测器9上接收到的干涉信号是：

I_i(t)＝I₀(x，y){1+γ(x，y)cos[φ(x，y)+α_i]}，i＝1，2，3，4 (1)

式中：I₀(x，y)是背景光强，γ(x，y)是条纹对比度，φ(x，y)是待测端面各点的位相差，α_i是参考光的相移量，依次为0，π/2，π，3π/2。根据四幅干涉图的光强分布I_i，端面上各点的位相差可以由下式求得，

$\tan \mathrm{\φ}(x,y)=\frac{(I_4-I_2)}{(I_1-I_3)}---\left(2\right)$

经过相位连续化处理之后，根据公式

$h(x,y)=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\mathrm{\φ}(x,y)---\left(3\right)$

可算出各点的相对高度差h(x，y)，得到被测光纤连接器端面的三维形貌，从而可求出端面的各种几何参数。

在先技术[1]使用相移干涉技术实现了光纤连接器端面几何参数的测试。然而，该测试系统存在的一些缺陷却削弱了其测量精度。这表现在两个方面：

(1)、在相移技术上采用四步定步长相移算法，它要求相移器必须绝对定标，相移步长准确为π/2。对于存在非线性效应的压电陶瓷来说，实现这一操作是困难的；而不准确的标定会造成测量误差。

(2)、在光路结构上采用的是Michelson干涉仪，参考臂和测量臂要求对称，以保证光纤连接器的端面像与参考面镜像重合，造成调整困难，抗干扰能力差。在参考臂中，显微物镜6的光学质量要求高：消像差，表面镀高增透膜；同轴调整精度也要求很高。另外，准直光束通过显微物镜之后不再保持为准直光波，而变成了球面光波。这就使得在每步移相时参考光中与光轴垂直的平面上各点的移相量各不相等，从而造成面形的测量误差。而在测量臂中，由于是球面光波照明光纤连接器端面，这就导致利用式(3)算出的高度差h(x，y)出现较大偏差。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术[1]在相移技术方面以及光路结构方面的缺陷，提供一种光纤连接器端面参数测试装置。

本发明的技术解决方案如下：

一种光纤连接器端面参数测试装置，其特征在于：

该测试装置采用台曼-格林干涉仪结构；

参考光平面反射镜采取等步长相移。

本发明光纤连接器端面参数测试装置，其特征在于它由光源、扩束准直系统、分束器、光学系统、平面反射镜、透镜、光电探测器、模数转换器、计算机、驱动电路、压电陶瓷构成，上述各部件的位置关系如下：光源发出的激光经扩束准直系统形成准直光束，被分束器分成两束光，一束光经光学系统后照射到光纤连接器的端面上，其端面反射光再经光学系统收集形成光纤连接器的端面像光束；另一束光照射到平面反射镜上，其反射光作为参考光束，与光纤连接器的端面像光束产生干涉，干涉图样经透镜放大成像在光电探测器上，其输出信号经过模数转换器后，由计算机收集，步进移相器由压电陶瓷及其驱动电路构成，平面反射镜粘结在压电陶瓷上，计算机通过控制驱动电路来驱动压电陶瓷伸缩，从而使平面反射镜移动，实现参考光的相移。

所述光源是稳频的单纵模激光器、半导体激光器、固体激光器或气体激光器。

所述的扩束准直系统是望远结构扩束准直系统，或光纤-透镜结构扩束准直系统，或棱镜-透镜结构扩束准直系统。

所述的分束器指的是能够将入射激光按一定分光比分成两束光的分光元件，如斜面镀有分光膜，直角面镀有全透膜的分光棱镜，或一面镀有分光膜另一面镀有全透膜的平行平板。

所说的光学系统指的是能将入射准直光按一定倍数缩束成较细准直光，并有一定成像放大能力的光学系统，如望远结构系统。

所说的光电探测器是能将光信号转换为电信号的二维探测器，如二维阵列电荷耦合器件(CCD)，或互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器。

本发明的优点：

1、与在先技术[1]相比，本发明光纤连接器端面参数测试装置在相移技术上采用Carré等步长相移算法，降低了对压电陶瓷精确标定的要求，避免了因压电陶瓷的绝对标定误差引起的相位测量误差。

2、与在先技术[1]相比，本发明光纤连接器端面参数测试装置在光路结构上采用Twyman-Green干涉仪，布局简单、结构合理，由于没有采用显微物镜6，从而降低了调整难度，也降低了装置的成本。在参考臂中，由于没有另外的光学元件，保证了参考光的准直特性，从而保证了在每步移相时参考光中与光轴垂直的平面上各点的移相量保持相等。在测量臂中，由于是准直光波照明光纤连接器端面，从而保证了采用式(3)计算高度差h(x，y)的准确性。

附图说明：

图1为在先技术光纤连接器端面干涉测试系统的结构示意图。

图2为本发明光纤连接器端面参数测试装置的结构示意图。

图3为本发明光纤连接器端面参数测试装置的具体实施例结构示意图。

图4为由如图3所示本发明具体实施例测得的光纤连接器端面三维形貌图。

具体实施方式

本发明采用Twyman-Green干涉仪结构，如图2所示。测量臂和参考臂不必对称。在测量臂中，分束器3出射的一束光经光学系统4后变成一束较细的准直光，然后照射在光纤连接器5的端面上，其反射光再由光学系统4收集，在透镜7之前形成光纤连接器5的端面像。在参考臂中，分束器3出射的另一束光直接照射在平面反射镜6上，其反射光也仍然是准直光，它经分束器3后作为参考光与光纤连接器5的端面像相遇产生干涉。干涉图样经透镜7放大成像在光电探测器8光敏面上，其输出信号经过模数转换器9后，由计算机10收集。

本发明采用Carré等步长相移技术(P.Carré，″Installation et utilisationdu comparateur photoélectrique et interfé rentiel du Bureau Internationaldes Poids et Mesures，″Metrologia，2(1)，1966，13-23)，其优点是不需要知道移相器每次步进相移量的确切数值，只需保证步长相等即可。计算机10通过控制驱动电路11来驱动压电陶瓷12等步长步进伸缩，实现参考光的等步长相移。连续步进四次，依次采集相应的干涉图样。光电探测器8上接收到的干涉信号仍如式(1)表示。其中的相移量α_i，依次为0，a，2a，3a。根据四幅干涉图的光强分布I_i，端面上各点的位相差由下式求得，

$\tan \mathrm{\φ}(x,y)=\frac{\sqrt{[3(I_2-I_3)-(I_1-I_4)][(I_2-I_3)+(I_1-I_4)]}}{(I_2+I_3)-(I_1+I_4)}---\left(4\right)$

经过相位连续化处理之后，各点的高度差h(x，y)仍由式(3)算出，从而得到被测光纤连接器端面的三维形貌，由此就可求出端面的各种几何参数。

在如图3所示的结构中，光源1采用波长为632.8nm的He-Ne单纵模激光器。透镜2a、2b构成望远结构扩束准直系统2。分束器3是针对632.8nm波长制作的激光分束棱镜，分束比为1∶1。透镜4a、4b构成望远结构型光学系统4，两者的焦距比为3。来自分束器3的一束光通过透镜4a、4b后变成较细的准直光，它照射在待测光纤连接器5的端面上。该端面反射光再经4a、4b收集，在分束器3与透镜7之间形成的光纤连接器5的端面像。分束器3的另一束光直接照射在平面反射镜6上，其平面度为λ/20，被粘结在压电陶瓷12上。平面反射镜6的反射光作为参考光，与光纤连接器5的端面像产生干涉。干涉图样经透镜7放大成像在面阵CCD8上，其输出信号经过模数转换器9后，由计算机10收集。计算机10控制驱动电路11产生直流驱动电压，其纹波电压＜10mV；该驱动电压控制压电陶瓷12带动平面反射镜6作等步长移动，实现参考光的等步长相移。连续步进四次，计算机采集相应的干涉信号后，由计算机10进行处理。根据式(4)和式(3)，可算出光纤连接器的端面形貌，结果如图4所示。由此，可以求得光纤连接器端面的几何参数：曲率半径19mm，测量精度(Rep.)≤0.5％；球面顶点偏心量23um，测量精度(Rep.)≤1um，以及光纤相对高度-75nm，测量精度(Rep.)≤10nm。

Claims (6)

1、一种光纤连接器端面参数测试装置，其特征在于：

①该测试装置采用台曼-格林干涉仪结构；

②参考光平面反射镜采取等步长相移；

其具体结构是由光源(1)、扩束准直系统(2)、分束器(3)、光学系统(4)、平面反射镜(6)、透镜(7)、光电探测器(8)、模数转换器(9)、计算机(10)、驱动电路(11)、压电陶瓷(12)构成，上述各部件的位置关系如下：光源(1)发出的激光经扩束准直系统(2)形成准直光束，被分束器(3)分成两束光，一束光经光学系统(4)后照射到光纤连接器(5)的端面上，其端面反射光再经光学系统(4)收集形成光纤连接器(5)的端面像光束；另一束光照射到平面反射镜(6)上，其反射光作为参考光束，与光纤连接器(5)的端面像光束产生干涉，干涉图样经透镜(7)放大成像在光电探测器(8)上，其输出信号经过模数转换器(9)后，由计算机(10)收集，步进移相器由压电陶瓷(12)及其驱动电路(11)构成，平面反射镜(6)粘结在压电陶瓷(12)上，计算机(10)通过控制驱动电路(11)来驱动压电陶瓷(12)伸缩，从而使平面反射镜(6)移动，实现参考光的相移。

2、根据权利要求1所述的光纤连接器端面参数测试装置，其特征在于所述光源(1)是稳频的单纵模激光器、半导体激光器、固体激光器或气体激光器。

3、根据权利要求1所述的光纤连接器端面参数测试装置，其特征在于所述的扩束准直系统(2)是望远结构扩束准直系统，或光纤-透镜结构扩束准直系统，或棱镜-透镜结构扩束准直系统。

4、根据权利要求1所述的光纤连接器端面参数测试装置，其特征在于所述的分束器(3)指的是能够将入射激光按一定分光比分成两束光的分光元件，所述的分束器(3)是斜面镀有分光膜，直角面镀有全透膜的分光棱镜，或一面镀有分光膜另一面镀有全透膜的平行平板。

5、根据权利要求1所述的光纤连接器端面参数测试装置，其特征在于所说的光学系统(4)指的是能将入射准直光按一定倍数缩束成较细准直光，并有一定成像放大能力的光学系统。

6、根据权利要求1所述的光纤连接器端面参数测试装置，其特征在于所说的光电探测器(8)是二维阵列电荷耦合器件，或互补金属氧化物半导体探测器。

Images