CN110017791B - 光纤连接器端面参数测量装置及测量方法 - Google Patents

光纤连接器端面参数测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

为解决现有光纤连接器端面参数测量方法易受环境影响、测试精度不高、测量效率低、动态范围小的技术问题，本发明提出了一种光纤连接器端面参数测量装置及测量方法。其中，测量装置包括沿同一光路依次设置的光源、会聚镜、靶板、准直镜、一号分束镜和吸收体；定义一号分束镜面向准直镜的面为第一镜面，在准直镜的出射光束经第一镜面反射后的反射光路上，设置有一号显微物镜；一号显微物镜的出射光束经第一镜面透射后的透射光路上依次设置有二号分束镜、扩束***和夏克‑哈特曼波前传感器；二号分束镜的反射光路上依次设置有二号显微物镜和成像探测器；成像探测器设置在一维电控平移台上，一维电控平移台通过驱动器与控制及数据分析计算机相连。

Description

光纤连接器端面参数测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于光学领域，涉及一种光纤连接器端面参数测量装置及测量方法。光纤连接器端面参数包括光纤连接器的端面三维形貌、曲率半径、研磨偏心和光纤高度值。
背景技术
光纤连接器的作用就是将光纤连接起来，使光信号能以最低的损耗在光纤***中传输，它是光纤通信***的重要器件。要想光纤连接器介入光通信线路中对***影响达到最小，就必须保证其光学性能，而衡量光纤连接器光学性能优劣的因素并不是外界原因，而是其自身端面的质量状况。因此，对光纤连接器的端面三维形貌、曲率半径、研磨偏心和光纤高度值等参数的定量检测就变得非常重要。通过对光纤连接器端面参数的高精度测量，并作出最终评价，就可以可靠的评价连接器的质量水平，最终保证光纤通信的稳定可靠。
目前，光纤连接器端面参数测量方法主要有：机械探针法、光学探针法、扫描电子显微镜法、扫描探针显微镜法和干涉显微测量法。
机械探针法为接触式测量，易损伤被测面。光学探针法为非接触式测量，需要高精度调焦***，测量精度不高。扫描电子显微镜采用的是电子探针，它要求被测面必须有良好的导电性能，需要逐点扫描，如果被测面较大，就需要相当长的时间，非常费时并且操作起来也相对复杂。扫描探针显微镜测量精度高，但是操作复杂，对操作环境要求高，并且现阶段仍有很多技术难题没有解决，测量范围有很大的局限性。干涉显微测量法利用光波干涉和显微放大的原理，通过采用外差干涉或相移干涉等自动相位测量技术，从而精密测量光纤连接器端面参数；其中，外差干涉法精度高，但***复杂，实际操作中影响因素较多，应用相对较少；相移干涉法易受外界坏境气流扰动及振动影响，无法动态测量。同时，干涉显微测量法测量动态范围小，对光纤连接器的位置精度要求高，且对光源的相干性要求高。
发明内容
为了解决背景技术中现有光纤连接器端面参数测量方法易受环境影响、测试精度不高、测量效率低、动态范围小的技术问题，本发明提出了一种光纤连接器端面参数测量装置及测量方法，
本发明的技术方案是：
光纤连接器端面参数测量装置，其特殊之处在于：包括沿同一光路依次设置的光源、会聚镜、靶板、准直镜、一号分束镜和吸收体；
定义一号分束镜面向准直镜的面为第一镜面，在准直镜的出射光束经第一镜面反射后的反射光路上，设置有一号显微物镜；一号显微物镜的出射光束经第一镜面透射后的透射光路上依次设置有二号分束镜、扩束***和夏克-哈特曼波前传感器；二号分束镜的反射光路上依次设置有二号显微物镜和成像探测器；成像探测器设置在一维电控平移台上，一维电控平移台通过驱动器与控制及数据分析计算机相连；
靶板位于准直镜的焦点位置，靶板的中心位置有一小孔，小孔直径d的大小为：d＝2.44λf/D，式中，λ为光源的中心波长；f为准直镜的焦距；D为准直镜的通光口径；
扩束***为开普勒结构，采用双远心光路；
夏克-哈特曼波前传感器用于实时采集被测光纤连接器的端面图像，并传送给控制及数据分析计算机；控制及数据分析计算机用于根据所述端面图像获取被测光纤连接器的端面三维形貌、曲率半径、研磨偏心和光纤高度值。
进一步地，还包括用于调整被测光纤连接器姿态的五维调整机构；五维调整机构设置在被测光纤连接器的下方。
进一步地，扩束***由物镜和目镜构成，物镜朝向被测光纤连接器，目镜位于物镜的后方，且目镜与物镜的焦点重合。
进一步地，还包括设置在扩束***和夏克-哈特曼波前传感器之间的定位基准结构，定位基准结构中部设置有锥孔，所述锥孔的中心线与夏克-哈特曼波前传感器的靶面中心线重合。
本发明还提供了一种利用上述的光纤连接器端面参数测量装置测量光纤连接器端面参数的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)将被测光纤连接器放置在一号显微物镜的物方位置处；
2)开启光源；
3)利用驱动器驱动一维电控平移台运动，从而使成像探测器沿二号显微物镜的光轴方向直线运动，直到由控制及数据分析计算机监测到光纤连接器端面的清晰像；
4)通过五维调整机构调整被测光纤连接器的姿态，使得由夏克-哈特曼波前传感器采集到的光斑质心坐标与夏克-哈特曼波前传感器***波前误差标定的基准位置重合；
5)取下定位基准机构，利用夏克-哈特曼波前传感器实时采集图像；
6)控制及数据分析计算机根据夏克-哈特曼波前传感器采集的图像，计算被测光场波前斜率，并利用区域法波前重构方法得到被测光纤连接器端面位置处的光场相位分布Φ(x,y)；
7)控制及数据分析计算机根据相位分布Φ(x,y)计算被测光纤连接器的端面表面高度分布为：
Figure BDA0002017068750000031
8)根据二维截面图和端面表面高度分布，得到端面的三维形貌；
9)将被测光纤连接器的端面看成是球面，并将所述球面划分成装配区域、抽取区域和压平区域，对装配区域和抽取区域之间的三维形貌有效数据进行球面拟合，得到球心坐标和球面曲率半径r0；
10)根据拟合得到的球心坐标，计算被测光纤连接器端面的研磨偏心o为：
Figure BDA0002017068750000041
式中，x′，y′为光纤纤芯位置坐标；d为成像探测器的像元尺寸大小；K为扩束***的扩束比；
11)计算光纤高度值：
用步骤7)测量的光纤连接器的端面表面高度分布h(x,y)，减去步骤9)对测量的光纤连接器的端面三维形貌有效数据进行球面拟合后的结果，取所得差值中压平区域的平均值即为光纤高度值。
本发明的优点在于：
1.本发明基于夏克-哈特曼波前传感器实现了动态高精度光纤连接器端面参数测量，克服了传统测量方式动态范围小的缺点，从而极大的降低了对被测光纤连接器的位置精度的要求，操作更容易。
2.本发明对光源的相干性要求不高，可在白光光源或单色光源下工作。
3.本发明可同时实现对光纤连接器端面清晰观测及参数测量，无需切换，极大的极高了测量效率。
4.本发明基于夏克-哈特曼波前传感器实现测量，不受外界环境(空气气流扰动、振动等)的影响。
5.本发明稳定性高、重复性好，测量结果置信度高。
附图说明
图1是本发明光纤连接器端面参数测量装置的原理示意图。
附图标记说明：
1-光源，2-会聚镜，3-靶板，4-准直镜，5-一号分束镜，6-吸收体，7-一号显微物镜，8-被测光纤连接器，9-二号分束镜，10-二号显微物镜，11-成像探测器，12-驱动器，13-扩束***，14-定位基准结构，15-夏克-哈特曼波前传感器，16-控制及数据分析计算机，17-物镜，18-目镜，19-一维电控平移台，20-五维调整机构。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本发明所提供的光纤连接器端面参数测量装置，包括沿同一光路依次设置的光源1、会聚镜2、靶板3、准直镜4、一号分束镜5和吸收体6；定义一号分束镜5面向准直镜4的面为第一镜面，在准直镜4的出射光束经第一镜面反射后的反射光路上，设置有一号显微物镜7；一号显微物镜7的出射光束经第一镜面透射后的透射光路上依次设置有二号分束镜9、扩束***13、定位基准结构14和夏克-哈特曼波前传感器15。二号分束镜9的反射光路上依次设置有二号显微物镜10和成像探测器11。成像探测器11通过驱动器12与控制及数据分析计算机16相连，控制及数据分析计算机16还与夏克-哈特曼波前传感器15相连。
光源1可以采用激光光源或白光光源，较之传统方法，降低了光源相干性的要求。
靶板3位于准直镜4的焦点位置，靶板3的中心位置有一小孔，小孔直径d的大小为：
d＝2.44λf/D(1)
式中，λ为光源1的中心波长；f为准直镜4的焦距；D为准直镜4的通光口径。
准直镜4采用消色差设计，以保证在可见光波段范围内，对不同波长光准直性保持一致，从而保证光源1可以采用白光光源，降低本发明对光源相干性的要求。
成像探测器11固定在一维电控平移台19上。
扩束***13为开普勒结构，采用双远心光路，由物镜17和目镜18组成，并进行消色差设计，以保证整个测试装置的宽谱段工作，以及消除成像探测器11位置误差对测量结果的影响。
定位基准结构14固定在夏克-哈特曼波前传感器15的前端，可方便拆除。
本发明的具体工作过程如下：
测试时，将被测光纤连接器8固定在五维调整机构20上，并使被测光纤连接器8位于一号显微物镜7的物方位置。
光源1输出的发散光经会聚镜2会聚到靶板3的小孔上，再经准直镜4准直输出，准直镜4输出的光束经一号分束镜5分成两束：一束为透射光，入射至吸收体6上，被吸收体6完全吸收；另一束光为反射光，经一号显微物镜7会聚到被测光纤连接器8的端面上后，沿原路反射；被被测光纤连接器8的端面反射的反射光经一号显微物镜7准直为平行光，该平行光透过一号分束镜5后，到达二号分束镜9，被二号分束镜9分成两束：一束为反射光，经二号显微物镜10会聚到成像探测器11的靶面上，另一束为透射光，被扩束***13扩束后，再经过定位基准结构14入射至夏克-哈特曼波前传感器15上。然后利用驱动器12驱动一维电控平移台19运动，从而使成像探测器11沿二号显微物镜10的光轴方向直线运动，直到由控制及数据分析计算机16监测到光纤连接器端面的清晰像，从而实现对光纤连接器端面划痕缺陷的显微观测；通过五维调整机构调整被测光纤连接器8的姿态，使得由夏克-哈特曼波前传感器15采集到的光斑质心坐标与夏克-哈特曼波前传感器***波前误差标定的基准位置重合(目前商用夏克-哈特曼波前传感器将***波前误差标定的基准位置会显示在与其配套的波前分析软件界面上，操作人员只要保证采集到的光斑质心与显示的基准位置重合即可)。此时，取下定位基准机构14，利用夏克-哈特曼波前传感器15实时采集图像，通过控制及数据分析计算机16计算被测光场波前斜率，并利用区域法波前重构方法得到被测光纤连接器端面位置处的光场相位分布为Φ(x,y)(本领域技术人员直接购买商用夏克-哈特曼波前传感器，按照本发明设置的光路和测量方法就可以实施本发明)，则被测光纤连接器8的端面表面高度分布h(x,y)为：
Figure BDA0002017068750000071
计算得到端面表面高度分布h(x,y)后，便可得到被测光纤连接器8端面的二维截面图和三维形貌图，并从中得到球面曲率半径、研磨偏心和光纤高度值的信息。
被测光纤连接器8的端面可以看成是球面，而球面方程为：
Figure BDA0002017068750000072
式中，x0，y0和z0为球心坐标；r0为球面曲率半径。按照IEC(国际电工委员会)标准，被测光纤连接器8的端面可分成三个区域，即装配区域、抽取区域和压平区域。对被测光纤连接器8端面装配区域和抽取区域之间的三维形貌有效数据进行球面拟合(球面拟合方法为数值分析基础知识，是本领域普通技术人员熟知的数值处理方法)，得到球心坐标和球面曲率半径r0。根据拟合得到的球心坐标，可算出被测光纤连接器端面8的研磨偏心o为：
Figure BDA0002017068750000073
式中，x′，y′为光纤纤芯位置坐标；d为成像探测器11的像元尺寸大小；K为扩束***13的扩束比。
用实际测量的光纤连接器8的端面表面高度分布h(x,y)，减去前述对测量的光纤连接器8的端面表面高度分布进行球面拟合后的结果，取所得差值中压平区域的平均值即为光纤高度值。

Claims (1)

1.利用光纤连接器端面参数测量装置测量光纤连接器端面参数的方法，
所述光纤连接器端面参数测量装置包括沿同一光路依次设置的光源(1)、会聚镜(2)、靶板(3)、准直镜(4)、一号分束镜(5)和吸收体(6)；
定义一号分束镜(5)面向准直镜(4)的面为第一镜面，在准直镜(4)的出射光束经第一镜面反射后的反射光路上，设置有一号显微物镜(7)；一号显微物镜(7)的出射光束经第一镜面透射后的透射光路上依次设置有二号分束镜(9)、扩束***(13)和夏克-哈特曼波前传感器(15)；二号分束镜(9)的反射光路上依次设置有二号显微物镜(10)和成像探测器(11)；成像探测器(11)设置在一维电控平移台(19)上，一维电控平移台(19)通过驱动器(12)与控制及数据分析计算机(16)相连；
靶板(3)位于准直镜(4)的焦点位置，靶板(3)的中心位置有一小孔，小孔直径d的大小为：d＝2.44λf/D，式中，λ为光源(1)的中心波长；f为准直镜(4)的焦距；D为准直镜(4)的通光口径；
扩束***(13)为开普勒结构，采用双远心光路；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)将被测光纤连接器(8)放置在一号显微物镜(7)的物方位置处；
2)开启光源(1)；
3)利用驱动器(12)驱动一维电控平移台(19)运动，从而使成像探测器(11)沿二号显微物镜(10)的光轴方向直线运动，直到由控制及数据分析计算机(16)监测到光纤连接器端面的清晰像；
4)通过五维调整机构(20)调整被测光纤连接器(8)的姿态，使得由夏克-哈特曼波前传感器(15)采集到的光斑质心坐标与夏克-哈特曼波前传感器***波前误差标定的基准位置重合；
5)取下定位基准机构(14)，利用夏克-哈特曼波前传感器(15)实时采集图像；
6)控制及数据分析计算机(16)根据夏克-哈特曼波前传感器(15)采集的图像，计算被测光场波前斜率，并利用区域法波前重构方法得到被测光纤连接器端面位置处的光场相位分布Φ(x,y)；
7)控制及数据分析计算机(16)根据相位分布Φ(x,y)计算被测光纤连接器(8)的端面表面高度分布为：
Figure FDA0002294288370000021
8)根据二维截面图和端面表面高度分布，得到端面的三维形貌；
9)将被测光纤连接器(8)的端面看成是球面，并将所述球面划分成装配区域、抽取区域和压平区域，对装配区域和抽取区域之间的三维形貌有效数据进行球面拟合，得到球心坐标和球面曲率半径r0；
10)根据拟合得到的球心坐标，计算被测光纤连接器(8)端面的研磨偏心o为：
Figure FDA0002294288370000022
式中，x′，y′为光纤纤芯位置坐标；d为成像探测器(11)的像元尺寸大小；K为扩束***(13)的扩束比；
11)计算光纤高度值：
用步骤7)测量的光纤连接器(8)的端面表面高度分布h(x,y)，减去步骤9)对测量的光纤连接器(8)的端面三维形貌有效数据进行球面拟合后的结果，取所得差值中压平区域的平均值即为光纤高度值。
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