CN1493846A - 聚合物光纤特性参数测试仪及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种聚合物光纤特性参数测试仪及其测试方法，它涉及光纤参数的测量仪器及方法，特别是针对聚合物光纤进行几何及光学参数测量的仪器及方法。整个测试仪由图象形成系统和图象处理系统两部分组成，其中图象形成系统由光源、衰减器、载物台、显微物镜、光阑、CCD摄象机依次放置在位于壳体内的工作平台上而构成，聚合物光纤放置在载物台上的透光夹具中，CCD摄象机的信号输出口与图象处理系统的信号输入口相连。它利用CCD图象技术，结合计算机图象处理软件及图象相对测量技术，实现了聚合物光纤的几何及光学参数测量。整个测试系统集各种参数测量于一体，具有高精度、高自动化程度以及可调性好等特点。

Description

聚合物光纤特性参数测试仪及其测试方法

技术领域：

本发明涉及光纤参数的测量仪器及方法，特别是针对聚合物光纤进行几何及光学参数测量的仪器及方法。

背景技术：

随着一些新型聚合物光纤(如掺氟聚合物光纤、渐变折射率光纤等)的出现，聚合物光纤在接入网中的广泛应用将成为未来全光纤用户网中最有竞争力的技术之一。聚合物光纤与石英光纤相比，两者的芯径、硬度、损耗、带宽和通信波长都不同，亦即两者的几何及光学参数的特性均不相同，所以现有的石英光纤测量仪器不能直接用于聚合物光纤的测量。目前，关于聚合物光纤的标准和测试方法还未制定。而聚合物光纤的各项特性参数是聚合物光纤生产、检验过程中监测的关键项目之一，它对聚合物光纤的研究、生产、优化、应用都是十分重要的。因此，研制适合于聚合物光纤的测试方法和测试系统是极其重要的。

对于光纤而言，需要测试的几何参数主要有芯径、外径、不圆度、偏心率等，而光学参数包括相对折射率分布、数值孔径等。目前已有的一些光纤几何及光学参数测试技术主要是针对芯径较细的石英光纤，而且存在着测量参数单一、仪器分离、测量繁琐或不便等缺陷，不利于测量的集中和节约化，也不能直接用于聚合物光纤的测量。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种集多种功能于一体的高精度、灵活方便的聚合物光纤特性参数测试仪以及利用该测试仪对聚合物光纤进行测试的方法。

本发明的目的是由以下方式来实现：

整个测试仪由图象形成系统和图象处理系统两部分组成，其中图象形成系统由光源、衰减器、载物台、显微物镜、光阑、CCD摄象机依次放置在位于壳体内的工作平台上而构成，整个测量光路的光轴准直；光源为非相干光；聚合物光纤放置在载物台上的夹具中，夹具由透光性材料制作，其上设置与聚合物光纤相适应的夹槽，夹槽的轴向平行于测量光路的光轴方向；CCD摄象机的信号输出口与图象处理系统的信号输入口相连。

利用上述仪器进行聚合物光纤几何参数测量的方法为：光源均匀照射在光纤入射端面上，通过光纤均匀传输到达光纤出射端面，经过显微物镜和光阑使光纤出射端面放大成象在CCD摄象机的探测面上、并传输到图象处理系统中，在其显示器屏幕上实时给出光纤出射端面图象并随时定格采集；利用几何参数处理软件提取光纤出射端面的轮廓图，计算得到芯径、外径、不圆度、偏心率等光纤出射端面几何参数。

利用上述仪器进行聚合物光纤相对折射率分布曲线测量的方法为：光源均匀照射在光纤入射端面上，通过光纤均匀传输到达光纤出射端面，经过显微物镜和光阑使光纤出射端面放大成象在CCD摄象机的探测面上、并传输到图象处理系统中，在其显示器屏幕上实时给出光纤出射端面图象并随时定格采集；利用相对折射率分布处理软件给出光纤出射端面的光强分布曲线，计算得到光纤出射端面相对折射率分布曲线。

利用上述仪器进行聚合物光纤数值孔径测量的方法为：光源均匀照射在光纤入射端面上，通过光纤均匀传输到达光纤出射端面，经过显微物镜和光阑使光纤出射端面放大成象在CCD摄象机的探测面上、并传输到图象处理系统中，在其显示器屏幕上实时给出光纤出射端面图象；通过改变光纤出射端面的相对位置，由载物台上的微调器给出移动的精确读数，计算得到光纤出射端面数值孔径。

也就是说，本发明基于显微放大成象原理，利用CCD图象技术，结合计算机图象处理软件，实现了聚合物光纤的几何及光学参数测量。整个测试系统集各种特性参数的测量于一体，具有高精度、高自动化程度以及可调性好等特点。

整个测试仪分为图象形成系统和图象处理系统两部分(参见图1)。其中，光源1、衰减器2、载物台3、显微物镜4、光阑5、CCD摄象机6等依次放在高精度的工作平台7上，可各自调整它们的二维或三维位置，使它们的光轴准直；上述部件均置于壳体8内、构成测试仪的图象形成系统；壳体的盖板应便于打开、以方便放置光纤及调整载物台等部件的位置，测试时则将盖板盖上使图象形成系统成为一个准封闭的系统、保证光纤图象不受外界背景光线的影响。被测光纤的长度应根据具体测量要求而定，如果是测量光纤几何参数的情况则可较短(此时可与夹具长度相适应，最好比夹具略长，例如取10cm左右，以便提高光纤图象相对于夹具图象的对比度，给出光纤外包层的边界)，如果是测量光纤光学参数的情况则应较长(例如取2米以上，以达到足够形成稳定的模功率分布的光纤长度)。图象处理系统9可选用常规的带有视频信号采集卡的计算机(例如PC机)，它的放置应方便其本身操作以及与CCD摄象机之间的通讯连线。CCD摄象机的信号输出口与图象处理系统的信号输入口(例如视频信号采集卡的接口)相连，将光纤图象的信号传输到图象处理系统中。

光源发出的非相干光经过衰减器调整光强后照射到置于载物台上的夹具中的聚合物光纤入射端面，通过光纤的均匀传输、到达光纤出射端面，然后经过放大倍率及孔径可方便切换的显微物镜及光阑使光纤出射端面放大成象于高清晰度的CCD摄象机的探测面上，CCD摄象机再将所摄得的聚合物光纤出射端面图象传输到图象处理系统中进行分析处理。

光学系统中的焦距及象距是成象清晰度的关键，因此，应使一些部件(如：载物台)可进行三维精确调整，以找到满足物象关系的位置，从而实现光学系统的精确调焦，使图象成象最清晰。同时，光学系统中照明亮度、照明均匀性、视场光阑大小等也是影响成象清晰度的关键，在系统设置中亦应采用适当手段进行调整。下面具体说明：

①机械系统(参见图2和图3)：光源1、衰减器2、载物台3、显微物镜4、光阑5、CCD摄象机6等都通过支架10放在工作平台7的导轨11上。支架和导轨的加工精度(尤其是导轨的直线度)应达到0.5mm以上、两者为滑动配合；支架与导轨之间可作前后方向(即平行于导轨轴向)的水平相对移动，可由机械卡件(如：安装在

形槽12中的螺栓螺母)将其固定在特定位置，导轨上有刻度，可显示支架在导轨上的位置及其沿导轨的水平位移量；支架上还应设置垂直移动机构13(如：常用的丝杆机构或滑套机构，可采用紧定螺钉作为机械卡件)，可使支架与导轨之间作上下方向(即纵向垂直于导轨轴向)的相对移动。由此，各部件在支架带动下可实现与导轨之间的二维移动。如果还需要作三维移动，支架上可再设置相应的水平移动机构，使支架与导轨之间可作左右方向(即横向垂直于导轨轴向)的水平相对移动。个别部件(如载物台)若需作精确调整，还可在支架上设置常用的螺纹微调器14，微调器可以是一维、二维或三维，微调器上有精确刻度(达到0.01mm以上)、以显示其相对位移量。支架及其移动机构、微调器等的具体结构可根据所支持部件的具体需要而定。载物台上用以固定光纤的夹具15应采用透光性材料制作、端面与轴向垂直并经过仔细抛光，使夹具的通光性极好，以与透光性差的光纤包层形成明显对比。夹具可由两个半体部分合拢为一整体，最好有固定构件(例如：相对面上设置凹槽凸块或以铰链相连)，每一部分的相对面上有至少一条贯通的夹槽16，夹槽的截面与聚合物光纤的半截面相同(例如半圆形)、两者合拢即形成与聚合物光纤相适应的通孔，其轴向平行于光源光轴，夹槽内经过仔细抛光，这样夹槽与光纤就能精确吻合，使光纤端面图象的对比度及清晰度好、包层的轮廓清晰。每个夹具上可以是同样截面形状及尺寸的一条或两条夹槽(这时应加工一系列的光纤夹具以适合不同芯径的光纤)，也可以是不同截面形状及尺寸的一组夹槽、单个或成对设置(这时用一个光纤夹具就可以适合不同芯径的光纤)。其中，两条或成对夹槽是为了测量长光纤而用，即：被测光纤长度较短时只要置于夹具的一条夹槽内，其两端可直接分别面向衰减器和显微物镜；较长时则要将入射端置于夹具的一条夹槽内、面向衰减器，出射端置于夹具的另一条夹槽内、面向显微物镜，并与显微物镜、光阑、CCD摄象机位于一条轴线上。光纤夹具的端面上光刻有精确的刻度线，这样与光纤端面图象形成相对测量，使测量精度进一步提高。夹具外形应与载物台支架相适应，以便夹持或搁置。

②光学系统及照明系统：光学系统的好坏将直接影响成象的质量，进而也影响到测量的结果，因此在光学系统设计时，应尽量减小每一部分对成象质量的影响。当使用CCD摄象机时，其视场中照明的均匀性会直接影响到图象边缘的检测结果，所以应保持视场照明的均匀性，并且照明强度也应连续可调以使光纤端面获得均匀的最佳照明。为此，应采用非相干光源照明；照明强度的调节可由光源出射方向所加的连续可调衰减器来实现。此外，还应选用高质量的显微物镜以使其有较好的光学效果，尽量减小象差等因素对成象质量的影响；物镜的放大倍数应根据光纤尺寸进行选择(例如，对于外径为1mm、数值孔径为0.45的光纤而言，3-10倍的显微物镜比较合适)。在物镜后使用光阑则可有效调节光通量和视场大小，以使成象更加清楚、完整。显微物镜和光阑都最好设计为可变式(例如常见的旋转式，即一组不同倍数的显微物镜或不同孔径的光阑安装在同一圆周面上，转动该圆周面就可得到所需的显微物镜或光阑)，以便根据不同的场合或要求很方便地进行调整。同时，CCD摄象机的光谱响应范围应与光源相匹配。

通过上述图象形成系统，可在图象处理系统中的计算机显示器屏幕上形成清晰的光纤出射端面图象，在黑白8比特(bit)显示模式下，光纤各部分非常容易分辨。由此，就可在图象处理系统中采用不同的图象识别算法对CCD摄象机所摄得的聚合物光纤出射端面图象进行分析、优化处理，从而可以得到其几何及光学参数。

对于几何参数(包括芯径、外径、不圆度、偏心率等)的计算步骤如下：提取光纤出射端面图象的边界并予以适当的平滑处理，就可得到光纤出射端面图象的轮廓图，由该轮廓图再经几何运算，最终得到芯径、外径、不圆度、偏心率等几何参数的数值。整个计算过程由相应的处理软件完成。

对于相对折射率分布的计算步骤如下：提取光纤出射端面图象的纤芯部分灰度值并予以适当的去噪处理，就可得到光纤出射端面图象的光强分布灰度曲线，由该灰度曲线再经换算，最终得到光纤出射端面的纤芯部分相对折射率分布曲线。整个计算过程由相应的处理软件完成。

对于数值孔径的计算步骤如下：通过微调器读出光纤出射端面图象进行横向及纵向移动的精确读数，再经几何运算，最终得到光纤出射端面的纤芯部分数值孔径。计算过程为简单的数学函数运算过程，可通过普通计算器完成。

综上所述，本发明的创新之处在于将显微成象与CCD图象技术、计算机图象处理、相对测量方法(利用标准光刻尺度参比)等结合在一起，提出了一种可对聚合物光纤各个特性参数进行测量的集成化仪器及方法，可完成光纤芯径、外径、不圆度、偏心率、相对折射率分布及数值孔径等参数的集中测试。整个测量系统具有很高的测量精度及自动化程度，可调性好。因此，本发明不仅使用灵活方便、还可对包括石英光纤在内的各种尺寸光纤进行测量。

本系统特点：

①该系统集多种功能于一体，不仅可实现聚合物光纤的几何参数、相对折射率分布及数值孔径的测量，还可对不同类型及尺寸的光纤进行测量。

②系统各部分(包括机械系统和光学系统)均可灵活方便地进行调整且精确度高，通光均匀，使成象效果好，系统可靠性高。

③几何参数和相对折射率分布的测量及计算过程自动化程度高，界面操作方便，数值孔径的测量及计算过程简便易行，使测量结果准确度高。

④可形成图象相对测量，避免成象系统等造成的误差。

附图说明：

附图1为聚合物光纤参数测试仪总体结构示意图；

附图2为测试仪载物台与工作平台之间联接结构示意图；

附图3为聚合物光纤夹具结构示意图；

附图4为聚合物光纤几何参数处理软件流程图；

阳图5为聚合物光纤相对折射率分布处理软件流程图；

附图6为聚合物光纤数值孔径的测量原理示意图；

附图7为聚合物光纤出射端面图象的屏幕显示效果图。

附图8为聚合物光纤出射端面图象的几何参数处理效果示意图。

附图9为聚合物光纤出射端面图象的相对折射率分布处理效果示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施例进行描述。

照明光源采用的是普通普通朗伯光源，连续可调的衰减器采用的是两片偏正滤色镜(marumi P.L 55mm)构成，采用的显微物镜分别是3倍、4倍、10倍以适合不同尺寸的光纤，光阑的孔径分别为0.5mm、0.8mm、1.5mm、2.0mm、3.0mm，为旋转式调节。光源、衰减器、显微物镜、光阑、CCD摄象机的支架与导轨之间为二维移动，载物台的支架与导轨之间为三维移动、载物台支架上设置的螺纹微调器亦为三维、其调节范围为各±3mm。光纤夹具的材料为K9玻璃，长度为8cm，夹具通过铰链17连接成整体，其上设置一对直径为1mm的夹槽，端面和夹槽经过严格抛光，整个夹具的通光性较好。夹具搁置在载物台的支架平台上，通过夹具上所设置的磁铁18与金属支架相吸而定位。选用分辨率较高的WAT-902H(CCIR)型1/2英寸面阵CCD摄象机，其象素间距约为8μm，可分辨的最低照度0.002LUXF1.4，信噪比优于46dB，且光谱响应范围与光源相匹配。图象处理系统选用带有Windows操作系统的计算机，其处理软件采用Delphi语言编写、Windows操作界面，使用方便。

具体操作过程：对于几何参数的测量，选用HP公司生产的多模阶跃通信聚合物光纤，其长度12cm，芯径为0.98mm，外径为1mm；对于光学参数的测量，选用北京理化所生产的梯度折射率分布聚合物光纤，其长度2m，芯径为0.80mm，外径为1mm。将其入射端面及出射端面按照常规的聚合物光纤端面处理方法进行研磨抛光、使端面垂直于轴向，然后置入夹具的夹槽中(两端各自伸出约2cm)并固定在载物台上；根据被测聚合物光纤的尺寸选定物镜倍数为3、光阑孔径约为1mm，并通过手动调整光源、衰减器、载物台、显微物镜、光阑、CCD摄象机的支架在导轨上的位置(调整到位时可用机械卡件锁紧)，使之基本满足光学系统成象的要求(此即粗调过程)；打开光源、连续旋转衰减器来调节所需的合适光强，再利用载物台支架上的螺纹微调器进行精调，使图象处理系统中的显示器屏幕上所给出的光纤出射端面图象达到所需要的清晰度(参见图7)；最后通过图象处理系统中的相应处理软件测量及计算光纤的几何参数和相对折射率分布，而光纤的数值孔径则基于微移成像法原理由人工进行测量及计算。

几何参数的测量及计算：通过图象处理系统中的几何参数处理软件进行处理(参见图4和图8)。首先，读入采集到的光纤出射端面图象，相应给出图上各点灰度值的大小；然后，取灰度值在光纤中心灰度值附近一定范围(可定义此范围的最大偏差值，超过此偏差时的点便予以滤除)且灰度值径向变化处于极大值的两圈点，这两圈点确定了光纤纤芯和包层的边界位置；再将这两圈点依次连起来并采用局部多点平均的方法予以适当的平滑处理，从而得到光纤出射端面图象的轮廓图(即图8中的两个封闭圆，内圆为纤芯，外圆为包层)并由此得到其圆心；最后，根据光纤几何尺寸各参数的定义(此为几何基本概念，不再具体描述)，得到光纤几何尺寸经过放大后的各项值(芯径、外径、不圆度、偏心率等)，再根据光纤夹具上的标准刻度的放大图象得到整个成像系统的放大倍数、换算出光纤的各项真实的几何参数。

相对折射率分布的测量及计算：通过图象处理系统中的相对折射率分布处理软件进行处理(参见图5和图9)。首先，读入采集到的光纤出射端面图象，相应给出图上各点灰度值的大小；然后，取灰度值在光纤中心灰度值附近一定范围(可定义此范围的最大偏差值，超过此偏差时的点便予以滤除)，且灰度值径向变化处于极大值的内圈点，该圈点确定了光纤纤芯的边界位置(即光纤纤芯轮廓)及其圆心；然后，确定与圆心相距一定位置R的灰度平均值，并用这个平均值对端面图象进行去噪处理，即去除灰度值偏离平均值超过最大允许值的点(消除图上的斑点和缺陷)，这样就得到了光纤出射端面图象中的纤芯部分光强分布灰度值相对于到圆心距离R的关系曲线(即图9中的曲线)；再对曲线予以适当的平均处理；最后，根据均匀稳模光纤传输条件下相对光强分布与其相对折射率分布之间存在的相应关系(此为物理或光学基本概念，不再具体描述)、通过该光强分布灰度曲线换算出光纤出射端面纤芯部分的相对折射率分布曲线。

数值孔径的测量及计算：通过人为改变光纤出射端面的相对位置而产生的位移量进行计算(参见图6)。首先，通过载物台支架上的螺纹微调器将光纤出射端面图象进行横向移动(相对于光轴所作的右移或左移、即附图6中的下移或上移)，同时调整CCD探测面的位置以便满足成像，直到使光纤出射端面图象的纤芯部分正好无法在CCD探测面中成像为止(这里指无论如何调整CCD探测面位置也无法获得光纤出射端面图象)。该过程可以从图象处理系统中的显示器屏幕上进行观察。然后，通过螺纹微调器将光纤出射端面图象进行适当量的纵向移动(相对于光轴所作的前移、即附图6中的右移，这时显示器屏幕上仍看不到光纤出射端面图象的纤芯部分)，观察螺纹微调器上所标示刻度的读数变化、记录此时微调器显示的纵向位移量ΔL，再将光纤出射端面图象进行与前述第一步骤反向的横向移动、使光纤出射端面图象的纤芯部分正好要移入CCD探测面(刚好见到其边缘露出)，记录此时微调器显示的横向位移量ΔX；最后，根据光纤数值孔径的定义(此为光学及几何基本概念，不再具体描述)，利用公式 $\mathrm{NA}=\frac{\mathrm{\ΔX}}{\sqrt{{\left(\mathrm{\ΔX}\right)}^2+{\left(\mathrm{\ΔL}\right)}^2}}$ 计算得到光纤出射端面的纤芯部分数值孔径NA。

Claims (4)

1、一种聚合物光纤特性参数测试仪，其特征在于：整个测试仪由图象形成系统和图象处理系统两部分组成，其中图象形成系统由光源(1)、衰减器(2)、载物台(3)、显微物镜(4)、光阑(5)、CCD摄象机(6)依次放置在位于壳体(8)内的工作平台(7)上而构成，整个测量光路的光轴准直；光源为非相干光；聚合物光纤放置在载物台上的夹具(15)中，夹具由透光性材料制作，其上设置与聚合物光纤相适应的夹槽(16)，夹槽的轴向平行于测量光路的光轴方向；CCD摄象机的信号输出口与图象处理系统的信号输入口相连。

2、一种利用如权利要求1所述的测试仪对聚合物光纤进行几何参数测量的方法，其特征在于：光源均匀照射在光纤入射端面上，通过光纤均匀传输到达光纤出射端面，经过显微物镜和光阑使光纤出射端面放大成象在CCD摄象机的探测面上、并传输到图象处理系统中，在其显示器屏幕上实时给出光纤出射端面图象并随时定格采集；利用几何参数处理软件提取光纤出射端面的轮廓图，计算得到芯径、外径、不圆度、偏心率等光纤出射端面几何参数。

3、一种利用如权利要求1所述的测试仪对聚合物光纤进行相对折射率分布曲线测量的方法，其特征在于：光源均匀照射在光纤入射端面上，通过光纤均匀传输到达光纤出射端面，经过显微物镜和光阑使光纤出射端面放大成象在CCD摄象机的探测面上、并传输到图象处理系统中，在其显示器屏幕上实时给出光纤出射端面图象并随时定格采集；利用相对折射率分布处理软件给出光纤出射端面的光强分布曲线，计算得到光纤出射端面相对折射率分布曲线。

4、一种利用如权利要求1所述的测试仪对聚合物光纤进行数值孔径测量的方法，其特征在于：光源均匀照射在光纤入射端面上，通过光纤均匀传输到达光纤出射端面，经过显微物镜和光阑使光纤出射端面放大成象在CCD摄象机的探测面上、并传输到图象处理系统中，在其显示器屏幕上实时给出光纤出射端面图象；通过改变光纤出射端面的相对位置，由载物台上的微调器给出移动的精确读数，计算得到光纤出射端面数值孔径。

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