Устройство для контроля диаметра и показателя преломления стекла световодов и оптических волокон

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДИАМЕТРА и ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА СВЕТОВОДОВ И ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН(71) Заявитель Институт электроншси Академии наук Беларуси (ВТ)(73) Патентообладатель Институт электроники Ака демии наук Беларуси (ВУ)(57) , Устройство для контроля диаметра и показателя преломления стекла световодов и оптических волокон, содержащее лазер, расположенный по ходу его излучения радиальный растр, оптический тощи, установленный по ходу первого бокового шфракпионного максимума, светодешггель, первую,вторую и третью пару фотоприемников, прештазначешаътх для регистрации шттерферешшоннътх картин, образованных соответственно, контролируемым световодом в прямом и отраженном излучении и эталотшьш световодом в прямом излучении, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит цилиндрическую лшнзу, установленную на оптической оси лазера перед радиальным растром на расстоянии фокуса от него, первый фронтальный делитель, расположенный перед оптическим клином по ходу первого бокового дифракционного макстшума, последовательно расположенные за радиальным растром по ходу нулевого дифракционного максимума второй фр онтаттьтщй делитель и призма Дове, при этом светодетштелтъ установлен за оптическим клином и призмой Дове по ходу первого бокового и нулевого дифракционных максимумов.Изобретение относится к контротгьно-измертгтедтьной технике и предназначено для измерения диаметра прозрачных оптических волокон и одножильных световодов с одно- и двухобопочечной структурой.Известно устройство для Измерения диаметра волокон 1, содержащее лазер, колли/шатер, фильтр с регулируемой плотностью, зеркало, стеклянный куб коррекции напр явления пучка, фотоприемник(детектор) и электронную схему обработки фотоэлектрических импульсов, включающую микропроцессор. Диаметр волокна определяется путем подсчета числа Ы интерференционных полос, расположенных в пределах определенного диапазона угла рассеяния.Устройство не обеспечивает требуемой точности измерения из-за наличия ошибок, обусловленных существенной неэквидистантносгью шага шттерферетптионнъгх полос, которые усреднятотся фотодиодной матрицей. Кроме того, с помощью микропроцессора необходимо определять тштерференционнътй максимум минимальной Ширины при фиксированном угле рассеяния, что Вызывает ДОПОТЩИТСЛЪНЫЕ (ППИбКИ В ИЗМЕРЕНИЕ. ТОЧНОСТЬ СВИЖНЕТСЯ ТЗКЖС рта-за НИЗКОЙ ПРОИЗВОЩЕИТЕЗТЪНОСТИ контроля, которая ограничена скоростью регистрации интерференционных полос, опрос которых осуществляется фотоприемником на стороне изображения и не превышает 1 кГц. Поэтому при частоте вибраций волокна, соизмеримой или большей частоте спроса фотоприемника, вносится существенная отпибка в измерения.Наиболее близким Техническим решением является устройство по способу контроля диаметра одножильных световодов З, содержащее лазер И расположенный по ходу его излучения колтшаматор и радиальный растр, за которым размещены оптический клин, свегоделтттелъ и зеркало, соответственно установленные В ходе первого бокового, нулевого и второго бокового дифракционных максимумов и три пары фотоприемников, контролируемый световод установлен в области пересечения дифракционных максимумов, прошедших клин и светоделителпэ, эталонный световод установлен в области пересечения дифракционных максимумов, отраженных от зеркала и свегодезтителя, первая пара фотоприемников, размещена по ходу прямого излучения за контролируемым световодом, вторая пара фотоприемников, размещена по ходу отраженного от контролируемого световода ИзлучеЩШ, а ТРЕТЬЯ пара ФОТОЦРИЕМНРПСОВ, размещена ПО ХОДУ ПРЯМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ за ЭТВЛОШЬМ СВЕТОВОдом.Данное устройство также не обеспечивает требуемой точности контроля из-за погрешностей, связанных с динамическими перекосами световода на измерительной позиции и инструментальной погрешностью, связанной с необходимостью точной юстировки углов, под которыми пересекаются дифракционные максимумы в области контроштруемого и эталонного световодов. Для обеспечения высокоточного контроля Необходимо соблюдать условие равенства этих углов. Неравенство углов приводит к ошибке в установке фотоприемников на размер шага интерференционной полосы, что приводит к появлению статической ошибки при измерении фазы шттерфереьппяотшого сигнала.ТСХНИЧССКЗЯ ЗЕДЗЧН, КОТОРУЮ ПОЗВОЛЯЕТ РЕЕПИТЬ ПРЕДЛЗГЗЕМОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ, ЯВЛЯЕТСЯ ПОВЬППЕЕШЕ ТОЧНОСТИ КОНТРОЛЯ ДИНМЕТРЭ. И ПОКДЗ ЭТЕПЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛЕ СВЕГОВОДОВ И ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН.Поставленная техническая задача достигается тем, что известное устройство для контроля диаметра и показателя преломляет стекла световодов и оптических волокон, содержащее лазер, расположенный по ходу его излучения радиальный растр, оптический клин, установленный по ходу первого бокового дифракционного максимума, светоделитель, первую, вторую и третью пары фотоприемников, предназначенных для регистрации интерференционных картин, образованных соответственно, контроштруемьш световодом в Прямом и отраженном излучении И эталонным световоДОМ В ПРЯМОМ ИЗЛУЧЕНИЕ, ДОПОШ-ЩТВПЪНО СОДЕРЖИТ ЦИЛПШДРИЧЕСКУЪО ШЩЗУ, УСТННОВЛЕЪГНУЕО На ОПТИческой оси лазера перед радиальным растром на расстоянии фокуса от него, первый фронтальный делитель, расположентшй перед оптическим клином по ходу первого бокового дифракционного максимума, последовательно расположенные за радиальным растром по ходу нулевого дифракционного максимума, второй фронтальный делитель и призма Деве, при этом светоделителъ установлен за оптическим клином и призмой Дове, по ходу первого бокового и нулевого дифракционных максимумов.Одним из источников погрешностей при автоматическом контроле диаметра оптических волокон(ОВ) или оптических световодов (ОС) является его вибрации и угловые перекосы на измерительной позиции. Наиболее перспективным видится решение задачи компенсации погрешностей, от указанНЫХ ФЗКТОРОВ, НЕПОСРЕДСТВЕННО В ОПТИЧЕСКОМ КНННЛЕ В РСЗЛЬНОМ МаСЦТГабЕ ВРЕМЕНИ. ИЗВЕСТНО, ЧТО форма (кривизна, наклон) интерференционных полос при сложении двух когерентных Пучков определяется степенью деформации волнового фронта этих пучков. Следовательно, осуществляя деформацию воштового фронта определенным (заданнъш) образом можно получить тот или иной вид интерференционных полос. Так, при переходе на цилиндрическую оптику, за ОС в прямом направлении рассеяния формируются шттерференпиошаъте полосы формой близкие по описанию к эллипсу его правой или левой половины.Например, если поворачивается воштовой фронт левого вторичного пучка, то и в плоскости изображения шттерферешптонные полосы имеют форму левой половины эллштса с ФОКЙЛЪНЬЦ/ ратииуСОМСоответствешчо при повороте волнового фронта правого вторичного пучка интерферешзионнътеполосы будут иметь форму правой половины эллипса, с фекальным радиусом п а - ахКогда ОС Находится на измерительной позиции в нормальном положении (отсутствуют наклоны в каких-либо плоскостях), фокусы эллипса Р или Р 2 лежат на линии, совпадающей с осью пучка,лежащей в плоскости поперечного сечения и проходящей через его центр. Расположение фотоприемников на указанной линии обеспечивает устойчивый счет полос. В процессе вытяжки ОС Искривляется и вибрирует, вследствие чего появляется параллельное смещение линии, на которой расположены фокусы элдшпса, вверх или вниз в пределах размера освещающих пучков. При этом радиусы г 1 и г 2 не изменяются и, следовательно, форма интерференционных полос остается также неизменной. Рассматривая процесс с точки зрения механики, можно сказать, что угловое смещение ОС на измерительной позтппти трансформируется в поступательное смешение интерференционной картины в направлении, совпадающем с малои осью эллипса.Фотоэлектрическое считывание такого вида интерференционной картины осуществляется при наличии анализатора в виде Щели, ширина которой равна половине шага интерференционной полосы, а длина меньше или равна размеру освещающего пучка на изображении, и сферической линзы, в фокусе которой устанавливается считывающий фотоприемник. Смещение полос в направлетпти малой оси эшшпса приведет к некоторому изменению (уменьшешпо) амплитуды электрического сигнала при поддержании других параметров неизменными. Так как способ подразумевает определение фазы сигнала, то в данном варианте наклон 0 С не приводит к изменению фазы интерференционного сигнала. Следовательно обеспечивается компенсация Чогрешностей углового перекоса на стороне оптического изображения, что существенно упрощает Цифровую обработку фотоэлектрического ситнала, снижает постоянную времени в цепи обратной связи, повышает точность контроля.Установка светоделителя в ходе обеих дифракционных максимумов обеспечивает абсолютное равенство углов сходимости интерферирующих пучков как на контролируемом световоде, так и на эталонном световоде, так как они задаются одними и теми же элементами оптическим клином и призмой Дове. Видно, что при этом полностью исключается инструментальная погрешность, присущая прототипу.На фигуре изображено устройство контроля диаметра световодов и оптических волокон, где 1 лазер, 2 - цилиндрическая линза, 3 - радиальный растр, 4 и 5 - первый и второй фронталъные делители, б - оптический клипа, 7 - призма Дове, 8 - светодетштель, 9, 10, 11, 12, 13 и 14 - первый, второй, третий, четвертый, пятьпй и шестой фотоприемники р и .1 - соответственно первый боковой и Центр альнътй дифракционные максимумы, (21 - угол сходимости дИфрап/троватпаътх пучков в измерительном канале, 02 - угол сходимости пучков в эталонном канале, У - угол дифракции, 1 э и Гп, 1 от - интерференционные картрпаы соответствешто эталонного и контроштруемого волокон, ОСэ и ОСк - эталонный И контр ошаруемътй оптические световоды (волокна).Устройство содержит оптически связанные лазер 1, шитшандрическуто шшзу 2, установленные по одну сторону радиадтьного растра 3, за которым в р-ом, Ч-ом, дифракционных максимумах размещены соответственно первый 4 и второй 5 фронтальные делитедпт, оптический клин б установлен за первым фронтальным делителем 4, а призма Дове 7 - за вторым фронтазинъш дезштецтем, при этом светоделитель 8 размещен за оптическим кдпаном и призмой Дове в ходе обеих дифракционных максимумов. максимумы р-й и 4-й лежат в одной плоскости, а в точке их пересечения установлен контролируемый световод ОСк, за которым по оптической оси в отраженном от Оск излучении размещены перввтй 9 и второй 10 фотоприемники, а в прямом излучении дтретий 11 и четвертый 12 фотоприемники, разнесенные в пространстве на величину равную периоду интерференционной полосы. Пучки р-й и ч-й, отраженные от светоделителя, расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости первой пары пучков, а в точке их пересечения размещен эталониьпч световод Осэ, за которым по оптической оси в плоскости изображения 1 э, установлены пятый 13 и шестой 14 фотоприемники.Устройство работает следующим образом.С помощью осветительной системы, состоящей из лазера 1 и шившдрической линзы, создается сходдлцится пучок излучения, которым освещается радиальный растр 3. Последний установлен в фокусе цилиндрической линзы, которая непрерывно вращается с равномерной угловой скоростью. На растре моноиучок света дифратирует с образованием ряда дифракционных максимумов, из которых выделяется первьпй боковой максимум -р и нулевой максимум д. После этого пучки посредством фронтальных делителей 4 и 5 каждый делится на два равных вторичных пучка. Далее в схеме используются только половшнси дифракпионзпях максимумов. Пучок р корректируется по направлению оптическим клином 6, а волновой фронт пучка о дополнительно поворачивается на 18 О. В ходе обоих пучков, которые сходятся в пространстве под утлом интерференции У друг к другу, размещен светоДезштезть 8, обеспечивающий амплитудное деление пучков в отношетши 50/50. Прошедшая светоделитель часть пучков сходится в области контролируемого световода ОСк и интерферируют с образованием предметной шттерферетпшонной картины.Отраженная от светодслителя часть пучков сходится в области эталонного световода ОСэ с образованием предметной интерферешшонътой картины с тем же периодом Но в силу равенства углов схошшости, обусловленной предложи-ниш техническим решением.Первая пара пучков за контролируемьш световодом формирует интерференииотшуто картину в отраженном 1 от и прямом п излучении и регистрируются первым 9, вторым 10 И третьим 11, четвертым 12 фотоприемниками. Вторая пара пучков пересекается в районе эталонного световода с формированием за ним эталонной интерференционной картины регистрируемой пятым 13 и Шестым 14 фотоприемнитсами.Изменение размера ОСк или показателя преломления приводят к изменению Периода интерференционных сигналов в пропорциональной зависимости, а возникающая разность фаз при сравнении с периодом интерференционного сигнала от ОСэ, будет пропорциональна погрешности изготовления ОСк и изменению показателя преломления стекла.Оптический световод рассматривается как цилиндрическая линза, помещенная в пространстве двух скрещивающихся под некоторым углом лазерных пучков. Известно, что в этом случае пучки интерферируют с образованием пространственных интерференционных полос (ИП) с шагомгде к - Шиша волны лазерного излучения.ОС, как линза, формирует первое увеличенное изображение ИП в некоторой плоскости за световодом в прямом направлении распространения лазерных пучков и другое изображение - в обратном направлении в пучках, отраженных от боковой поверхности ОС. Очевидно, что шаг отраженных по лос в плоскости изображения Н т НоВ Г И шаг полос в прямом направлении Н НаДля расчета периода ИП в прямом излучении воспользуемся формулой для концентрической линзы, у которой оба радиуса п и т 2 равны Гк.где щ показатель преломления стекла контролируемого ОС, Г - фокусное расстояние.Учитывая, что в первом приближении Г БП/ВП,где ЗП - расстояние от линзы до изображения в прямом направлении, В - коэффипиент увеличения оптической системы, окончательно получаем 13 23(Пк тП/гкпк . (3)Соответственно для цилиндрической боковой поверхности (как цилиндрического зеркала) коэффициент увеличениягде 5 - расстояние от линзы до изображения в обратном напр явлении.Из (3) и (4) видно, что для прямых лучей эффективный размер ИП при 5 сопвг опреде ляется двумя параметрами ратдиусом ОС п и показателем преломления их для отраженных же лучей размер ИП зависит только от Тк.Если считывать ИП двумя фотоприемниками, разнесенными на величину шага Н Т или НЕ, то полезная информация будет заложена в фазе текущего фотоэлектрического сшналагдс В и 13 Е - номинальные коэффициенты увеличения ОС как зеркала и как оптической линзы.Вычисление текущих тк и щ осуществляется следующим образом. Например, если в данный момент времени срд 75 0 и (рот т 0, то, следовательно, изменился радиус гк, если при этом срп срот, то ПпГ 0 ПЬ 1 и вычисление осуществляют по (6), а если срц - фот 1 Аср то, следовательно, изменился также и Пк. поэт ому значение 1 Аср подставляется в (7), а для вычисления Гк значение Фот подставляется в (6).При наличии эталонного канала обеспечивается инвариантность устройства к флуктуациям длииы вшить лазера, атмосферного давления И температуры окружающей среды, так как они вызывают равг-(овехптвше изменения периода интерференционных картин, а относительных изменений между периодами не возникает.