SU1716316A1 - Способ контрол диаметра оптических волокон - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к контрольно- измерительной технике. Цель изобретени  - повышение точности контрол  диаметра оптических волокон. Формируют коллимированный пучок, дел т его на опорный и два измерительных. Направл ют 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 совпадени  и наход т число периодов эталонной интерференционной картины между двум  соседними импульсами совпадени , по числу которых вычисл ют диаметр контролируемого волокна.2 ил.

Description

Изобретение относитс  к контрольно- измерительной технике и предназначено дл  измерени  диаметра оптических волокон .

Известен способ измерени  диаметра прозрачного волокна, заключающийс  в том, что освещают волокно пр мым и отраженным от зеркала когерентным пучком, формируют дифракционно-интерференционную картину, измер ют координату первого максимума, перемещают зеркало параллельно самому себе в направлении, перпендикул рном его отражающей поверхности , повторно измер ют координату первого максимума и по полученным параметрам рассчитывают диаметр волокна.

Недостатками указанного способа  вл ютс  ошибки измерени  из-за неоднозначности угла, под которым направл ют на волокно второй пучок, величины перемещени  зеркала и определени  границы свет/тень при измерении координаты максимумов , а также невозможность точной установки рассто ни  от волокна до зеркала.

Известен интерференционный способ измерени  параметров однослойных волокон , заключающийс  в том, что волокно освещают сфокусированным в линию пучком когерентного излучени , направленным под углом а к оси измер емого волокна, анализируют структуру света, отраженного волокном , выдел ют линии отсечки, соответствующие лучам, испытывающим максимальное отклонение, рассчитывают геометрические размеры волокна по формуле , св зывающей их с положением характерных точек интерференционной картины.

К недостаткам данного способа относ тс  низка  точность измерени  из-за неоднозначности величины выставлени  угла падени  а(в пределах дес тков минут) и, как следствие, ошибки вычислени  показател  преломлени  и диаметра волокна из-за вли ни  вибраций, температурных деформаций .

о ы

«ашД

О

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  способ измерени  диаметра оптического волокна, заключающийс  в освещении волокна параллельным пучком перпендикул рно его оси и регистрации ин- терференционных полос, образованных в области взаимодействи  преломленных и отраженных лучей, по числу полос в заданном угловом интервале вычисл ют диаметр волокна.

Недостаток известного способа заключаетс  в наличии ошибки измерени , св занной с существенной неэквидистантностью периода интерференционных полос , нестабильностью длины волны лазерного излучени .

Цель изобретени  - повышение точности контрол  диаметра оптических волокон.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу контрол  диаметра опти- ческих волокон, заключающемус  в том, что освещают контролируемое волокно когерентным излучением, регистрируют образовавшуюс  интерференционную картину и по ее параметрам определ ют диаметр во- локна, дополнительно размещают р дом с контролируемым волокном параллельно ему эталонное волокно, формируют из когерентного излучени  опорный и первый и второй измерительные пучки, освещение контролируемого волокна производ т 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- р  ющим условию в т а, регистрацию интерференционных полос, образовавшихс  при освещении волокон, производ т с помощью вращающегос  зеркала синхронным считыванием фотоприемниками, а при определе- нии диаметра контролируемого волокна учитывают число периодов интерференционной картины от эталонного волокна, укладывающихс  между соседними импульсами совпадени  фаз интерференционных кар- тин от обоих волокон.

За счет освещени  измер емого и эталонного световодов сход щимис  под разными углами пучками, формировани  двух интерференционных картин с различными периодами их синхронного считывани  и фиксации импульсов совпадени , между которыми подсчитываетс  число полос интер- ференционной картины эталонного волокна, пропорциональных текущей по- грешности измер емого волокна, точность повышаетс  в 2-3 раза.

Основна  особенность предлагаемого способа заключаетс  в том, что в отличие от

прототипа при освещении эталонного и измер емого волокон, каждого двум  пучками , формируютс  в одной плоскости две интерференционные картины с различным пространственным периодом:

Тд- .(«/2); (0/2).

(1)

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

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

.28(п-1)(2п-1) рп.г

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

г - радиус волокна.

Длина диаграммы L интерференционных картин задаетс  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 дл  эталонного волокна.

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

Число полос в диаграмме находитс  из выражени 

N L/T,

(2)

следовательно, число совпадений фаз интерференционных картин равно 4. Совпадени  происход т через каждые 69,75 периода интерференционной картины от эталонного волокна. При изменении гд на 1 мкм число полос в диаграмме изменитс  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 св зь гд и Ддл  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). Перва  разница определ етс  только различием углов а и 0, а втора  -только различием диаметров гэ и гд. С учетом этого

- А2

Мэ

Мэ

N3 - NH N3 - Мд

,(3)

где Ai - число регистрируемых полос между двум  соседними совпадени ми при гэ гд; А2 - число регистрируемых полос между двум  соседними совпадени ми 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 выражени  дл  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) - посто нна  величина С, не измен юща с  в процессе режима контрол , Ее значение может быть занесено в пам ть электронного устройства. С учетом этого выражение (4) запишетс  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

Измер емой величиной  вл етс  Д2

С - А, т.е. число полос между двум  текущими совпадени ми, 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 находитс  при синхронном сканировании интерференционных полос путем их простого счета.

При указанных выше значени х аи 0и гэ изменение на 0,1 мкм соответствует одной полосе, что  вл етс  разрешающей способностью способа, если не произаодить интерпол ции 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 пор док выше. Поэтому предлагаемый способ целесообразно использовать дл  особо точных измерений. Диапазон измер емых размеров при гэ 400 мкм и заданных углах а и 0составл ет400-800 мкм.

На фиг. 1 представлена принципиальна  оптическа  схема устройства дл  осуще- ствлени  способа контрол  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 - двухщелева  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 вращени  сканирующего зеркала; V - скорость и направление перемещений (движени ) контролируемого волокна; а и 0- углы, под которыми сход тс  освещающие волокна пучки; Si - коллимированный монопучок; $2 - опорный пучок; Зз и $4 - первый и второй измерительные пучки.

Способ осуществл ют следующей совокупностью операций.

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

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

Способ реализуют следующим образом.

Луч от лазера 1 преобразуют в параллельный нерасход щийс  пучок большего диаметра посредством коллиматора 2 и направл ют на светоделитель 3. Монопучок Si расщепл етс  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 светоделител  пучок фронтально делитс  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 взаимодействи  первой пары пучков ЗаЗз, направленных друг к другу под углом а на ОВК,  вл етс  образова- ние интерференционной картины U, локализованной в плоскости анализа, Друга  интерференционна  картина э образуетс  второй парой пучков S2S4, направленных друг к другу под углом в. Периоды обеих интерференционных картин описываютс  зависимост ми (1). В процессе синхронного считывани  IK и U, которое достигаетс  за счет непрерывного вращени  сканирующего зеркала 8 и смещени  полос относительно неподвижных фотоприемников 9 и 10, происходит периодическое совпадение фаз интерференционных картин . Количество периодов э, подсчитанное между двум  соседними импульсами совпадени  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 хот  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 сканировани .

Обработка измерительной информации и вычисление текущего диаметра может осуществл тьс  известными средствами, включающими усилитель фототоков, схемы совпадени , интерфейс и микро ЭВМ.

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

увеличением 4Х, светоделитель с коэффициентом делени  0,5, зеркала с внешним покрытием. Сканирующее зеркало устанавливали на оси двигател  Д-32. В качестве фотоприемников примен ли фотодиоды

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

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

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ контрол  диаметра оптических волокон, заключающийс  в том, что освещают контролируемое волокно когерентным излучением, регистрируют образовавшуюс 

   интерференционную картину и по ее параметрам определ ют диаметр волокна, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, размещают р дом с контроли- руемым волокном параллельно ему

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

   а друг к другу, освещают эталонное волокно опорным и вторым измерительными пучками под углом вдруг к другу, удовлетвор ющим условию а 0, регистрацию интерференционных картин, образовавшихс  при освещении волокон, производ т с помощью вращающегос  зеркала синхронным считыванием фотоприемниками , а при определении диаметра контролируемого волокна учитывают число

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

   to./

   овк ОВэ

   / Ю

   и

   .г