Устройство для контроля качества торца световода

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТОРЦА СВЕТОВОДА(57) 1. Устройство для контроля качества торца световода, содержащее лазер, узел крепления световода и проекционный экран, отличающееся тем, что на оптической оси лазера с линейно поляризованным излучением перед исследуемым торцом световода последовательно установлены полупрозрачный светоделитель, первый объектив,поляризационный светоделитель и второй объектив, образующий с первым объективом телескопическую систему,при этом во втором плече поляризационного светоделителя с одной его стороны последовательно установлены первая четверьволновая пластинка и первое зеркало, а с противоположной стороны поляризационного светоделителя установлены вторая четвертьволновая пластинка и второе зеркало, причем главные плоскости обоих четвертьволновых пластинок составляют угол 45 с главными плоскостями поляризационного светоделителя, а оба зеркала установлены перпендикулярно оси пучка, проекционный экран установлен по ходу обратного пучка во втором плече полупрозрачного светоделителя. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что одно из зеркал выполнено с возможностью перемещения вдоль боковой оптической оси поляризационного светоделителя. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между полупрозрачным светоделителем и проекционным экраном введен поляризатор, который установлен с возможностью поворота вокруг своей оси. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит отражатель, который оптически связан с вторым торцом световода. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между вторым объективом и исследуемым торцом световода размещена прозрачная плоскопараллельная пластинка, которая установлена перпендикулярно к оптической оси лазера, причем передняя по ходу прямого пучка поверхность упомянутой пластинки имеет просветляющее покрытие. 2443 1 Изобретение относится к области производства волоконно-оптических датчиков и может быть использовано для контроля качества торцов световодов, применяемых в этих датчиках. Существует широкий спектр аппаратуры, которая позволяет определять различные параметры световодов, применяемых в волоконно-оптических датчиках. В частности, известно устройство для контроля апертуры световода, содержащее оптически последовательно связанные источник излучения, исследуемый световод и фотоприемник,выполненный с возможностью перемещения, причем упомянутый фотоприемник электрически последовательно связан с регистрирующим устройством 1. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для контроля величины наклона торца световода (прототип) 2. В его состав входит лазер, узел крепления световода и проекционный экран. Световод фиксируется в узле крепления таким образом, чтобы исследуемый торец был обращен к лазеру. Лазерный пучок освещает торец и отражается на проекционный экран. Определив величину смещения отраженного пучка, находят угол наклона торца световода. Поляризация лазерного пучка, при этом, может быть произвольной. К недостаткам прототипа следует отнести низкую чувствительность измерения величины наклона торца световода и большие габариты устройства. Причем его габариты существенно возрастают при исследовании световодов с большим диаметром (порядка 13 мм) и при необходимости повышения чувствительности измерений. В первом случае, для того, чтобы лазерный пучок полностью освещал торец световода, требуется значительно увеличивать расстояние между лазером и торцом. При этом повышается погрешность определения угла наклона торца из-за возрастания диаметра пятна, формируемого отраженным пучком на проекционном экране. Для повышения чувствительности устройства следует увеличивать расстояние между торцом световода и проекционным экраном. Кроме того, прототип не позволяет определить качество торца световода, выявить присутствующие на нем дефекты,измерить диаметр сердцевины и оболочки световода. Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества измерений и расширение функциональных возможностей, в частности, измерение диаметра сердцевины и оболочки световода. Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для контроля качества торца световода, содержащем лазер, узел крепления световода и проекционный экран, на оптической оси лазера с линейно поляризованным излучением перед исследуемым торцом световода последовательно установлены полупрозрачный светоделитель,первый объектив, поляризационный светоделитель и второй объектив, образующий с первым объективом телескопическую систему, при этом во втором плече поляризационного светоделителя с одной его стороны последовательно установлены первая четверьволновая пластинка и первое зеркало, а с противоположной стороны поляризационного светоделителя установлены вторая четвертьволновая пластинка и второе зеркало, причем главные плоскости обоих четвертьволновых пластинок составляют угол 45 с главными плоскостями поляризационного светоделителя, а оба зеркала установлены перпендикулярно оси пучка, проекционный экран установлен по ходу обратного пучка во втором плече полупрозрачного светоделителя. Для повышения быстродействия и точности измерений одно из зеркал выполнено с возможностью перемещения вдоль боковой оптической оси поляризационного светоделителя. Для повышения качества исследования торца световода между полупрозрачным светоделителем и проекционным экраном введен поляризатор, который установлен с возможностью поворота вокруг своей оси. Чтобы повысить точность измерений диаметра сердцевины и оболочки, введен отражатель, который оптически связан с вторым торцом световода. Для повышения точности и удобства измерений наклона торца, между вторым объективом и исследуемым торцом световода размещена прозрачная плоскопараллельная пластинка, которая установлена перпендикулярно к оптической оси лазера, причем передняя по ходу прямого пучка поверхность упомянутой пластинки имеет просветляющее покрытие. Предлагаемое устройство позволяет реализовать по ходу прямого пучка телескопическую систему, а в обратном пучке - одновременно телескопическую и микроскопическую систему. Причем наводку на резкость микроскопической системы можно проводить без расстройки телескопа. Ипользование телескопа в прямом и обратном ходе пучков значительно уменьшает габариты устройства и, вместе с тем, повышает чувствительность измерения угла наклона торца световода. Микроскоп дает возможность определить качество торца световода, выявить имеющиеся на нем дефекты, измерить диаметр сердцевины и оболочки световода. Применение крестообразного хода обратного пучка в микроскопе позволяет получить достаточно большое увеличение изображения торца световода при относительно малых габаритах устройства. Структурная схема устройства для контроля качества торца световода показана на фигуре. В его состав входят оптически последовательно связанные лазер 1, полупрозрачный светоделитель 2, первый объектив 3,поляризационный светоделитель 4, второй объектив 5. Расстояние между объективами 3 и 5 выбрано таким,что задняя по ходу прямого пучка фокальная плоскость первого объектива 3 совпадает с передней фокальной плоскостью второго объектива 5, т.е. в прямом пучке эти объективы образуют телескопическую систему. Плоскость колебаний электрического вектора исходного лазерного пучка ориентирована параллельно плоскости пропускания поляризационного светоделителя 4. Кроме того, с поляризационным светоделителем 4 в обратном пучке связаны первая четвертьволновая пластинка 6, первое зеркало 7, вторая четвертьволновая пластинка 8 и второе зеркало 9, которые установлены во втором плече светоделителя 4. Причем оба зеркала 7 и 2 2443 1 9 установлены перпендикулярно к оси пучка. Одно из зеркал, например 7, имеет возможность перемещения вдоль данной оси. Главные плоскости четвертьволновых пластинок 6 и 8 составляют угол 45 с главными плоскостями поляризационного светоделителя 4. С вторым объективом 5 оптически последовательно связаны плоскопараллельная пластинка 10, на переднюю поверхность которой нанесен просветляющий слой 11, и исследуемый торец световода 12. Рабочие поверхности пластинки 10 перпендикулярны к оси пучка. Световод 12 установлен в креплении 13. Второй торец световода 12 оптически связан с отражателем 14, который представляет собой плоское зеркало, установленное перпендикулярно к оси пучка или с небольшим отклонением от перпендикуляра (до 10). Допустимая величина наклона определяется числовой апертурой световода. В качестве отражателя 14 можно также использовать сферическое зеркало, центр которого совпадает с центром поверхности второго торца световода. Наконец, по ходу обратного пучка с полупрозрачным светоделителем 2 оптически связан поляризатор 15, установленный с возможностью поворота вокруг своей оси, и проекционный экран 16. Кроме того на Фиг. обозначены 1 , 1 , - передняя и задняя главные плоскости первого объектива 3,2 ,2 - передняя и задняя главные плоскости второго объектива 5. Как отмечалось выше, задняя фокальная плоскость первого объектива 3 совмещена с передней фокальной плоскостью второго объектива 5. Следовательно, расстояние между задней главной плоскостью первого объектива 1 и передней главной плоскостью второго объектива 2 будет определяться следующим выражением- геометрическое расстояние между задней главной плоскостью первого объектива 1 и передней главной плоскостью второго объектива 2 2 - расстояние между задней главной плоскостью первого объектива 1 и передней гранью поляризационного светоделительного кубика 4 3 - расстояние между задней гранью поляризационного светоделительного кубика 4 и передней главной плоскостью второго объектива 22 - длина ребра поляризационного светоделительного кубика 4 1 - фокусное расстояние первого объектива 3 2 - фокусное расстояние второго объектива 5 2 - показатель преломления стекла поляризационного светоделителя 4. Работает устройство следующим образом. Исходный лазерный пучок, волновой фронт которого практически плоский, проходит через полупрозрачный светоделитель 2 и фокусируется первым объективом 3 в передней фокальной плоскости второго объектива 5. Так как плоскость поляризации исходного излучения параллельна плоскости пропускания поляризационного светоделителя 4, то прямой пучок полностью проходит через этот светоделитель и коллимируется вторым объективом 5. Далее лазерный пучок проходит через просветленную поверхность плоскопараллельной пластинки 10 и частично отражается от ее задней поверхности в обратном направлении, формируя тем самым опорный пучок. Просветление одной из поверхностей позволяет устранить интерференцию света внутри пластинки. Прошедший через плоскопараллельную пластинку коллимированный лазерный пучок попадает на исследуемый торец световода 12. Световод 12 должен быть установлен в креплении 13 таким образом, чтобы его геометрическая ось совпадала с осью прямого пучка. Поэтому, если нормаль к исследуемому торцу отклоняется на уголот геометрической оси световода 12, то угол между осью прямого пучка и пучка, зеркально отраженного от исследуемого торца световода 12,будет равен 2. Оба обратных пучка фокусируются вторым объективом 5 в задней, по ходу прямого пучка,фокальной плоскости первого объектива 3. Поскольку прямой пучок падает на рабочие поверхности плоскопараллельной пластинки 10 нормально, а на исследуемый торец - под углом, не превышающим 25 градусов,то плоскость поляризации зеркально отраженных пучков будет параллельна плоскости пропускания поляризационного светоделителя 4. Следовательно пучки пройдут поляризационный светоделитель 4 без потерь на отражение. Первый объектив 3 преобразует волновой фронт обоих пучков в плоский. Угол между их осями будет равен 2 2/1. Отразившись от полупрозрачного светоделителя 2 и пройдя через поляризатор 15, пучки создают на экране 16 два ярких небольших пятна. Пятно от опорного пучка совпадает с точкой пересечения с плоскостью проекционного экрана 16 оптической оси устройства. Расстояние между этим пятном и пятном, сформированным пучком, отраженным от исследуемого торца световода 12, обозначим . Учитывая, что децентровка пучков в передней главной плоскости первого объектива 3 имеет небольшое значение и, пренебрегая толщиной поляризатора 15, запишем где- расстояние между пятнами, сформированными на проекционном экране опорным пучком и пучком,отраженным от исследуемого торца световода 12 1 - расстояние между задней гранью полупрозрачного светоделительного кубика 2 и передней главной плоскостью первого объектива 17 - расстояние между рабочей боковой гранью полупрозрачного светоделительного кубика 2 и проекционным экраном 16 1 - показатель преломления стекла полупрозрачного светоделительного кубика 2- угол между нормалью к торцу и геометрической осью исследуемого световода 12, выраженный в радианах. Таким образом, измерив расстояние между пятнами на экране 16, можно определить угол между нормалью к торцу и геометрической осью световода 12 с помощью следующей формулы Параметрпредставляет собой чувствительность устройства к углу наклона торца световода. Для того, чтобы проверить совпадает ли геометрическая ось световода 12 с осью обратного опорного пучка,необходимо повернуть световод 12 в креплении 13. При этом, пятно от пучка, отраженного торцом, будет описывать на проекционном экране 16 окружность радиусом . Центр окружности должен совпадать с центром пятна,которое создает опорный пучок. В общем случае, опорный пучок можно не использовать, если на экране предварительно отметить точку, через которую проходит оптическая ось устройства. Применение же опорного пучка позволяет уменьшить влияние разъюстировок оптической схемы и делает процесс измерений более удобным. Основная часть мощности прямого лазерного пучка, падающего на исследуемый торец, проходит во внутрь световода 12 и возбуждает волноводные моды, моды утечки и оболочечные моды. В процессе распространения данных мод происходит рассеяние на различного вида неоднородностях части излучения в обратном направлении. Световой поток, сосредоточенный в волноводных модах, проходит через сердцевину световода 12 и, выйдя наружу через второй торец, попадает на отражатель 14. Отражатель 14 возвращает излучение обратно в световод 12. Отраженное и рассеянное излучение при распространении внутри световода 12 практически полностью деполяризуется. Используя эти световые потоки, второй объектив 5 совместно с поляризационным светоделителем 4 и двумя зеркалами 7 и 9 формирует увеличенное действительное изображение исследуемого торца. Первый объектив 3 совместно с полупрозрачным светоделителем 2 проецирует изображение торца световода 12 на экран 16, дополнительно его увеличивая. Рассмотрим прохождение излучения при формировании изображения торца на проекционном экране 16. Так как используемый световой поток деполяризован, то поляризационный светоделитель 4 отражает к первому зеркалу 7 половину мощности пучка прошедшего через второй объектив 5. Плоскость колебаний электрического вектора отраженной части пучка перпендикулярна плоскости падения этого пучка на светоделительную грань кубика 4. Пройдя через первую четвертьволновую пластинку 6, лазерный пучок попадает на первое зеркало 7. Это зеркало отражает излучение в обратном направлении. Так как главные плоскости первой четвертьволновой пластинки 6 ориентированы под углом 45 к плоскости поляризации пучка, то при двукратном прохождении света через пластинку 6 плоскость колебаний изменится на 90. Следовательно, пучок полностью пройдет через поляризационный светоделитель 4 к второму зеркалу 9. Данное зеркало отражает излучение обратно к поляризационному светоделителю 4. При этом свет дважды проходит через вторую четвертьволновую пластинку 8. Пластинка 8 изменяет плоскость колебаний электрического вектора на 90, делая ее тем самым перпендикулярной плоскости падения на светоделительную грань кубика 4. Соответственно пучок полностью отразится поляризационным светоделителем 4 к первому объективу 3. Далее излучение отражается полупрозрачным светоделителем 2 к проекционному экрану 16, где формируется увеличенное изображение исследуемого торца световода 12. Для получения качественного резкого изображения торца требуется подфокусировка микроскопической системы. Ее удобно осуществить перемещением одного из зеркал. Например, перемещением зеркала 7. Благодаря использованию поляризационных свойств света, потери мощности потока в микроскопической системе сведены к минимуму. Изображение торца на проекционном экране 16 будет достаточно ярким и четким. В принципе, при исследовании световодов, в которых имеет место значительное обратное рассеяние излучения, дополнительный отражатель 14 на выходе световода можно не устанавливать. Одновременно с изображением торца, на проекционном экране 16 будут находится небольшие яркие пятна, которые созданы телескопической системой, как это описано выше. Данные изображения легко раз 4 2443 1 личимы и существенно не мешают исследованию друг друга. Если картины, формируемые на экране 16 телескопической и микроскопической системами, необходимо наблюдать раздельно, то можно воспользоваться тем фактом, что плоскости поляризации соответствующих пучков взаимно перпендикулярны. С этой целью в промежуток между полупрозрачным светоделителем 2 и проекционным экраном 16 вводится поляризатор 15. Допустим, что вначале плоскость пропускания поляризатора 15 параллельна плоскости пропускания поляризационного светоделителя 4. В данном случае изображение торца световода будет погашено, а два пятна, проецируемые телескопической системой, становятся максимально яркими. Если поляризатор повернуть на 90, то, наоборот, максимальную яркость приобретает изображение торца световода 12, а пучки от телескопической системы гасятся. Для расчета параметров микроскопической системы применим матричный метод 3. Используем следующие параметры 1 1,1 где 1 - оптическая сила первого объектива 3 1 - фокусное расстояние первого объектива 3 р 2 - оптическая сила второго объектива 5 2 - фокусное расстояние второго объектива 5 х 1 - толщина оптического промежутка между передней главной плоскостью первого объектива 1 и проекционным экраном 16 1 - расстояние между задней гранью полупрозрачного светоделительного кубика 2 и передней главной плоскостью первого бъектива 17 - расстояние между рабочей боковой гранью полупрозрачного светоделительного кубика 2 и проекционным экраном 16 1 - длина ребра полупрозрачного светоделительного кубика 2 1 - показатель преломления стекла полупрозрачного светоделительного кубика 2 х 2 - толщина оптического промежутка между задней главной плоскостью первого объектива 1 и передней главной плоскостью второго объектива 2 2 - расстояние между задней главной плоскостью первого объектива 1 и передней гранью поляризационного светоделительного кубика 4 3 - расстояние между задней гранью поляризационного светоделительного кубика 4 и передней главной плоскостью второго объектива 25 - расстояние между первой боковой гранью поляризационного светоделительного кубика 4 и первым зеркалом 7 6 - расстояние между второй боковой гранью поляризационного светоделительного кубика 4 и вторым зеркалом 9 2 - длина ребра поляризационного светоделительного кубика 4 2 - показатель преломления стекла поляризационного светоделителя 4. х 3 - толщина оптического промежутка между задней главной плоскостью второго объектива 2 и исследуемым торцом световода 4 - расстояние между задней главной плоскостью второго объектива 2 и исследуемым торцом световода. Заметим, что в записанных выражениях не содержатся толщины четвертьволновых пластинок 5 и 8, плокопараллельной пластинки 11 и поляризатора 15, поскольку их значения относительно малы. При необходимости данные параметры можно легко учесть. 2443 1 Общая матрица преобразования лучей в микроскопической системе М определяется путем последовательного произведения соответствующих матриц оптических компонент и матриц перемещения 1 1 1 0 1 2 1 0 1 3(5) М 0 1 -1 1 0 1 -2 1 0 1 После вычислений получим 11 2 1 2 - (12) 1 - 2 2 Изображение торца на проекционном экране будет резким при 120. Величина 11 равна поперечному увеличению микроскопической системы Г. Причем в рассматриваемой схеме увеличение имеет положительное значение. Исходя из этого, запишем уравнения, которые связывают параметры микроскопа Г 11 2 1 2 - (12) 1 - 2 2,(7) 1231231 2-1 3(12)-2(1132)0.(9) 21 12. Используя выражения (7)-(9), можно предложить следующий алгоритм расчета оптических промежутков при заданных значениях чувствительности системы к наклону торца световода , увеличению изображения торца Г и величин оптических сил объективов р 1 и р 2 Как видно из Фиг. и формул (4), оптическая толщина х 2 равна где 232 - геометрическое расстояние между задней главной плоскостью первого объектива 1 и передней главной плоскостью второго объектива 2 562 - геометрическое расстояние между поверхностями зеркал 7 и 9.(см.(1, с помощью второго уравнения системы (10) находим величину геометрического расстояния между зеркалами 2 212 ( 1 11) Проиллюстрируем приведенные формулы на конкретном примере. Допустим, что требуется увеличение изображения торца 50 крат, чувствительность к наклону торца 20 мм/град (что соответствует 1146 мм/рад). Для реализации устройства возьмем объективы с фокусными расстояниями 18 мм, 224 мм, поляризационный светоделительный кубик со стороной 210 мм и показателем преломления 21,51. Используя записан ные выше выражения, находим основные габаритные параметры установки 35,3 мм,29,7 мм, 171/1191 мм, 435,0 мм. В прототипе же, чтобы обеспечить аналогичную чувствительность , необходимо расстояние между торцом и экраном равное 572 мм. Таким образом, предлагаемое в настоящей работе устройство обладает существенно меньшими габаритами при более высокой чувствительности к наклону торца световода. Вместе с тем оно дополнительно позволяет проводить исследования качества изготовления торца, измерять диаметры сердцевины и оболочки световода. оставитель В.А. Тугбаев Редактор В.Н. Позняк Корректор Т.Н. Никитина Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.