TW509781B - Measurement method and device of the slanting surface angle of optical device - Google Patents

Description

509781 發明說明（l) 發明說明 裝置本發明係有關於一種光學元件斜面角度之測量方法及

，纖在發展初期’為了要將光源輕人光纖内，通常 很夕的光學機構才能將光_人光纖内，而且損失很大， ”很久，整體輕光效率很差。另一方面，光纖端面 疋裸路在空氣中’只要時間一久就會受到污染，又因為光 纖端面沒有受到保護，a容易受外力而損毁。然而隨著光 纖相關產業的快速發展，光纖主、被動元件相繼被開發出 來’並且搭配著光纖光纜，可以作長距離之訊號傳輸。一 般光纖在做接合時係採直接融合接續，或光纖連接器搭配 轉接器方式為之，但是光纖有數值孔徑（Numerical Aperture)之限制，使得雷射光出了光纖後會有一定之擴 散角，進而使雷射光發散。為避免雷射光的發散，在通訊 傳輸上有著舉足輕重的地位的光纖準直器（fiber col 1 imator)乃被廣泛應用。光纖準直器為一種可將一束 光導入光纖内，經過漸變折射率聚焦鏡（GRIN Lens)，將 光變成平行光輸出的裝置。

在製造光纖準直器時’為降低通訊用雷射光在光纖中 傳輸時之反射’美國專利US5, 809，193應用具一角度斜面 之套圈接繽方式’依照光的反射定律可知，雷射光在角产 斜面之介面時’其反射回原入射的路徑的光會降低，因$ 使接續之端面呈一角度斜面，可以明顯使光反射量小於 -6OdB。光纖準直器中的光纖引線之套圈亦沿用具一角度

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斜面之端面，搭配同樣具有角 鏡’可以大幅地降低光反射量 程中，研磨引線之套圈時，必 角度成型，然而套圈之角度斜 器之雷射光出射角度，為使光 在一定的公差範圍内，引線套 在一定的公差内，因此如何以 圈之斜面角度，是為光纖準直 本發明之目的在於提供一 線套圈或者其他光學元件之斜 在本發明中，令引線套圈 焦鏡標準件的斜面，且引線套 離，然後以一雷射光打入標準 以及經引線套圈斜面之反射而 圖，然後根據標準件的規格數 小，便能計算出引線套圈斜面 為使本發明之上述目的、 懂，下文特舉較佳實施例並配 度斜面之漸變折射率聚售 。然而在製造光纖引線的過 須傾斜一定角度方能使套圈 面的準確度牽涉到光纖準直 纖準直器的光出射角度保持 圈的斜面之角度則必須保持 一套準確的量測方法得到套 器製造時之重要課題。 種方法及裝置，用來量測引 面角度。 的斜面正對著漸變折射率聚 圈與標準件相隔一既定距 件的垂直面，經標準件斜面 在一屏幕上產生二橢圓形 據以及二橢圓形圖的尺寸大 的角度。 特徵、和優點能更明顯易 合所附圖式做詳細說明。 圖式之簡單說明： 第1圖顯示一典型的光纖準直器； 第2圖顯不本發明將一標準鍵置於光纖準直器中； 第3 A圖顯不本發明量測時之雷射光於漸變折射率聚焦 鏡之斜面反射之情形；

509781 五、發明說明（3) ' '^1— - 第3β_顯示第3A圖之雷射光於漸變折射率聚隹於♦姓 面產生之圓形圖； 早ι焦鏡之斜 第3C圖顯示第3Α圖之雷射光於漸變折射率聚焦鏡之垂 直面產生之橢圓形圖； …、兄 •第3D圖顯示第3A圖之雷射光於屏幕上產生之橢圓形 圖， 反射ϊΐΐ顯示本發明量測時之雷射光於引線套圈之斜面 ，第“圖顯示第4Α圖之雷射光於引線套圈之斜面產生之 圓形圖； 圖顯示圖之雷射光於漸變折射率聚焦鏡之 面產生之圓形圖； =圖顯示糾圖之雷射光於漸變折射率聚焦鏡之垂 直面產生之橢圓形圖； 圖 .第4E圖顯示第4A圖之雷射光於屏幕上產生之橢圓形 第5圖顯示本發明於漸變折射率聚焦鏡上所設定的一 組座標， 第6圖顯示本發明於引線套圈及漸變折射率 所設定的另一組座標。 ^ H 標號說明： 1 3〜漸變折射率聚焦鏡 1 7〜膠劑 11〜光纖引線； 1 5〜握持件；

〇444-6167TWF;i-tshen shen.ptd 第6頁 五、發明說明（4) 23〜漸變折射率聚焦鏡標 25〜鍵’· 1干 27〜可見光雷射； Hi電腦 2 9〜影像擷取裝置· H2^a； 〜套圈 οοι私料k A 1 1 3〜套圈斜面 231〜漸，交折射率聚焦鏡斜面 232〜漸變折射率聚焦鏡垂直面 兹，合圖式說明本發明之較佳實施例。 請參閱第1圖，第！圖所示為 t括一光纖引線11以及-漸變折射率聚隹in 係由-套圈⑴及—段長度之光革上=成而：= 圈ill經J度研磨後具有—角度斜面113。構成。注思套 隹鏡：俨準1圈面角度’本發明使用一漸變折射率聚 根』先之量測校正而為已知數據，且 光ί ΐ m鏡之理論可得到漸變折射率聚焦鏡之 ^予特性°將漸變折射率聚焦鏡23由管狀握持件15的一端 插入，利用膠劑17將漸變折射率聚焦鏡23 固定-起，然後將握持件15失持固定在一基座(未握圖持二 f °在握持件15中漸變折射率聚焦鏡23之角度斜面23ι側 叹有一固定長度之鍵25，待光纖引線1丨由另一端插入握持 件15時’此鍵25可使待測之光纖引線丨丨的套圈丨丨1與漸變 折射率聚焦鏡23保持一定距離。接著，將一可見光雷射27 509781 五、發明說明（5) 打進漸變折率聚焦鏡2 3之輸出端，請參閱第^圖，當打進 之可見雷射光遇到漸變折射率聚焦鏡23之角度斜面231 時’會在斜面231上呈現一圓形圖（如第3B圖所示），然後 會產生一道反射光，反射光在漸變折射率聚焦鏡23之垂直 端面232上呈一個橢圓形圖（如第3C圖所示），最後反射光 擴散投射在屏幕2 8上呈第一個橢圓形之眼圖（如第3 d圖所 不），以影像擷取裝置（如電荷耦合裝置CCD)29拍攝此橢圓 形眼圖並將影像傳至個人電腦26中進行影像處理。在另一 方面’有一部分的雷射光會穿透漸變折射率聚焦鏡23之角 度斜面231而繼續前進’如第4A圖所示，雷射光遇到引後 之套圈斜面⑴時，會在斜面113上呈現一圓形圖 圖所示），反射光經聚焦鏡之角度斜面231時，也會在斜面 231上呈現一圓形圖（如第4C圖所示），接著反射光在漸變 折射率聚焦鏡2 3之垂直端面232上呈一個橢圓形圖（如第4D 圖所示），最後反射光將擴散投射在屏幕28上呈第二個橢 圓升y之眼圖（如第4E圖所示），並且由影像擷取裝置2 9拍攝 其影像傳至個人電腦26中進行影像處理，比較影像擷取裝 置29觀測兩個橢圓的長轴及短軸尺寸，即可測知待測引線 之套圈斜面的角度6>2與標準漸變折射率聚焦鏡斜面角度 h之差值，因而可得待測引線套圈之斜面角度0 ， 计鼻的公式介紹如下： 漸變折射率聚焦鏡之角度斜面及光纖引線套圈之角度 :二ίίϊ平面之投影關係在數學上為-座標轉換及漸 k折射而準直之關係，假設漸變折射率聚焦鏡之斜面角度

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，心，而光纖引線套圈之斜面角度為，可見光在漸 折射率聚焦鏡斜面231上為一圓形圖樣而反射，角度斜面 上的圓形圖座標以（X;，7;)描述之，因反射後之漸 率聚焦鏡的端面232及屏幕28為垂直平面，所以在反射斤經、 漸變折射率聚焦鏡23前，先以座標轉換將角度斜面上的圓 形圖轉換到垂直面上的座標，而以) 第5圖，兩座標的關係為 明參閱 Γ "Ί X1 II '1 ο ~ -1 - bij _〇 COS^ 乂 0) =設卜^^ A為反射雷射光在漸變折射率聚隹 面232之入射角度(此處以弧度表示 ’射 先進入與出射漸變折射率聚焦鏡之理論關係如式（2)射 =，吾人可得到漸變折射率聚焦鏡端面上的擴圓

η ri cos(ZVI) sin {Z4A) _ _· Ί k;」 /N0^/Isin(ZV^) N0Vi 〇〇s(Z^A) r\ k;J (2) 此處 角度， 為漸變折射率聚焦鏡之常數 為入射光距離漸變折射率聚 qh 、 化為入射光之入射 焦鏡之圓心的距離， ~為出射光距離漸變折射率聚焦鏡 出射光之出射角度，N。為漸變折射 之圓心的距離，0二為 率聚焦鏡之折射率，z

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五、發明說明（7) 為漸變折射率聚焦鏡之機械長度。 、斩I折射率聚焦鏡之數值孔徑（Numerical Aperture)可侍到出射光的擴散角，根據擴散角、投影屏 幕與漸變折射率聚焦鏡端面的距離、及漸 上之概圓形圖座標，可以得到屏幕上擴圓形圖的尺^鏡 小。此處不打算列出其關係式，但須知道漸變折射率聚焦 鏡垂直端面上之橢圓圖形與屏幕上橢圓圖形為一比例值= ，同理，未被漸變折射率聚焦鏡之角度斜面反射的雷射 光，將依折射定律出射到光纖引線之套圈斜面丨丨3上，如 第4 A圖所不，遇到光纖引線之套圈斜面丨丨3時亦有反射產 生’该反射在套圈之角度斜面上亦為一圓形圖樣 (心，h )，並反射回漸變折射率聚焦鏡的角度斜面 (^，/)上，由套圈斜面113上的圓形圖反射到漸變折射 率聚焦鏡角度斜面231上的圖形為一座標轉換，設引線套 圈之斜面角度（02)與漸變折射率聚焦鏡之斜面角度（Θι) 的差值”』-6丨，請參閱第6圖，其座標轉換方 為 -· _ '1 0 ' 乂 0 cosA0_ 九 (3) 而（〜，h )可由h )同樣經式（3)中的矩陣轉換得到。 根據折射、反射定律及引線套圈與漸變折射率聚焦鏡的距 離’可以得到漸變折射率聚焦鏡上的圓形圖座標，其座標

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五、發明說明（8) 以（^、，^)描述。因反射後之漸變折射率聚焦鏡的端面及 屏幕為平面，所以在反射經漸變折射率聚隹 ， 、 標轉換將角度斜面上的圓形圖轉換到垂直^上的座標广= (、，表示，其

-II -^2 Ί 0 "1 - 乂 _〇 cos ^ 乂 Ί 0 T 1 0 COsijJL 0 0 1卜 cosA (4) 假設卜+ w ，仏為反射時雷射光之入射角度，此 處以弧度表示，因此雷射光進入與出射漸變折射率^隹 之理論關係如式⑸所示，i人可得到漸 隹鏡兄 端面上的橢圓形圖之描述。 千 > ,、、、鏡 _ «« _ 厂2 cos(Z^ sin(ZVI)- "II "" C = N0,/I r2 ，N0 ^Zsin d/I) cos(Z^4) 1Λ」 (5) 此處a/γ μ為漸變折射率聚焦鏡之常數，為入射光之入射 角度人射光距離漸變折射.率聚焦鏡之圓心、的距離， i彡出射光距離漸變折射率聚焦鏡之 出射光之出射角度，N 圓的距離广， 為漸變折料聚焦鏡之機械焦鏡之折射率，z 取裝L為9 二及幕式=’均為已知或可求得，將影像擷 棊上的第一個橢圓形圖尺寸與式（2)中的

509781 五、發明說明（9) 2If产，能得到一比例值。而式⑷中，因以,广〜 二if dJ ^未知），但漸變折射率聚焦鏡之角度斜面出射 寸為已知，在加上式⑸中的漸變折射率聚焦二 、―子特性矩陣為已知，由影像擷取裝置29觀察屏幕上兄的 即可求得引 第二個橢圓形圖尺寸，可反推計算得到ΔΘ 線套圈之斜面角度~。將計算流程整理如下 [步驟1 ]根據式（1 )算出Λι"及乂_ [步驟2]由X;及〆求出對應的Γι••及甿 聚隹^步之驟』]亩根山據式(2)算出Α及〜’其代表漸變折射率 I ,、、、鏡之垂直缟面的第一個橢圓形尺寸 [步驟4]將影像擷取裝置所觀察屏幕上的第一 形圖尺寸除以式⑴中的尺寸，而得到—比=個橢Η [步驟5 ]將影像擷取裝置所觀察屏暮 形圖尺寸除以該比例值，而得到漸變折的第二個橢圓 W文折射率聚焦鏡之垂直 端面的第二個橢圓形尺寸"及6ς [步驟6 ]利用式（5 )反推得到 < 及 [步驟7]由d•及仏求出對應的 < 及^ [步驟8]由式（4)求出Δβ [步驟9]由Δθ = - 求出心。 依照以上計算步驟及相關公式，以求得引線套圈之斜 0444-6167TWF;i-tshen shen.ptd 第12頁 509781 五、發明說明（ίο) 面角度02。另外須強調的是，本發明的方法不僅可求出 引線套圈的斜面角度，也可以求出其他光學元件的斜面角 度。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍内，仍可作些許的更動與潤飾，因此本發明之保 護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

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Claims (1)

1. 509781

   皇號 90111 、申請專利範圍 六 種光學元件斜面角度之測量方法，包括以下步 驟 Ca)準備一光學元件以及一漸變折射率聚焦鏡標準 件’該標準件具有-斜面以及-垂直面，1該標準；的規 格數據為已知； (b)令該光學元件的斜面正對著該標準件的斜面，且 該光學元件與該標準件相隔一既定距離； ' (c )以雷射光打入該標準件的垂直面，經該標準件 的斜面之反射而產生一第一橢圓形圖、以及經該光學元件 的斜面之反射而產生一第二橢圓形圖； (d)根據該標準件的規格數據以及該第一、二摘圓形 圖的尺寸大小來計算出該光學元件斜面的角度。 y 2·如申請專利範圍第1項所述之光學元件斜面角度之 測量方法，於步驟（c)中令該第一、二橢圓形圖呈像在一 屏幕上。 3·如申請專利範圍第2項所述之光學元件斜面角度之 測量方法，其中，步驟（d)包括以下步驟： [dl]根據式（1)算出及乂 -·_ ~ 一 1 〇 1[引 乂 ·〇 cos 色」[乂 (1) 其中χι，’為該標準件斜面上的一組座標，0 i為該標準件 的斜面角度’<，W為將該標準件斜面轉換成垂直面的一 組座標；

   0444-6167TWFl;i-tshen shen.ptc 第14頁 509781 _案號 90111159 六、申請專利範圍 [Μ]由X;及义"求出對應的Γι••及甿 其中G為入射雷射光距離該標準件之圓心的距離，< 反射雷射光在該標準件的垂直面之入射角度· [C13]根據式（2)算出該標準件之垂直面第一個橢圓 形尺寸Γι及心 III - 厂 1 e： = cos(Z^lA) sin (Z V^4) ν0Λ - η 厂 1 Λ" -N0^/]lsin (Ζλ/Ζ) cos(Z^[A) (Λ」 (2) 其中AT為該標準件之常數，设以為入射光之入射角产， 為入射光距離該標準件之圓心的距離，為出射光距離該 標準件之圓心的距離，為出射光之出射角产， 準件之折射率，Ζ為該標準件之機械長度；又。為該才示 [d4]將該屏幕上的第一個橢圓形圖尺寸除以式（？）中 該標準件之垂直面的第一個橢圓形尺寸，而得到一比例 值； [d5 ]將該屏幕上的第二個橢圓形圖尺寸除以該比例 值，而得到該標準件之垂直端面的第二個橢圓形尺寸 < 及 _ III θ2ε ； [d6]利用式（3)求得及4

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   曰 修正 -m - c〇s(Z^/a) sin(Z^fA)' _ II ~ N0'/Z r2 Λ** ^ο^ίη(Ζ^β) cos(ZV^). A- (3) ’、中，為入射光之入射角度，〇為入射光距離該標準件 之圓〜的距離’ ~為出射光距離該標準件之圓心、的距離， 為出射光之出射角度； [d7]由G及〜求出對應；^ Z為將 該標準件斜面轉換成垂直面的一組座標，中為將 [d8]由式（4)求出μ _ «1 - 1 0 IP 〇 乂 L0。。堝丄〇 COS^ly^ " (4) 其中…為該光學元件之斜面上的—組座標， h ^ ，Θ2為該光學元件之斜面的角 [州由仏丨^丨求出θ2。 4· 一種光學元件斜面角度之測量t置 一漸變折射率聚焦鏡標準件，該· 及-垂直®’該標準件的斜面正對著具有-斜面以 且該標準件與該光學元件相隔—既 2于兀件的斜面， .一屏幕； 離， 一雷射光源，用於產生一雷射光 · ^ 面，經該標準件的斜面以及該朵與—入該標準件的垂直 九予几件的斜面之反射，而

   H9 0444-6167TWFl;i-tshen shen.ptc 第16頁 509781 si u:: _案號90111159_年月日__ 六、申請專利範圍 分別在該屏幕上產生一第一橢圓形圖以及一第二橢圓形 圖； 一影像擷取裝置，擷取該第一、二橢圓形圖的影像並 輸出一對應的訊號； 一處理器，接收該訊號，以計算出該光學元件之斜面 的角度。 5.如申請專利範圍第4項所述之光學元件斜面角度之 測量裝置，其更包括一鍵，設置於該光學元件及該標準件 之間，用於使該光學元件及該標準件保持既定距離。

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