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摘要 y57 1 5 1 1 光纤连接器是光纤通信实用领域的重要部件之一，为了连接直径在l o 一1 0 0um 箍围内的光纤，首先要解决连接精度控制问题。连接精度的好坏直接影响光纤连接器 亳接损耗。在实际生产过程中，需要实时检测光纤端面以保证精度，因此就需要研制 号门的光纤连接器端面检测设备。本文主要阐述了光纤端面干涉测试系统的软硬件开 发方面的若干问题。 本论文论证和研究的光纤端面测试系统，是基于单色光干涉模型的测试系统。主 要从几个方面进行研究：( i ) 确定光纤连接器所需测试的关键性能标准，分析与此性能 际准相关并影响此性能标准的重要参数，由此制定测试系统的功能及技术指标：( 2 ) 选 择制定理论模型，设计测量算法并进行模拟验证；( 3 ) 进行显微干涉测试仪的硬件改造、 组装工作，并进行相关调试实验。 关键词：移相干涉术，光纤连接器，干涉仪，干涉显微镜，端面检测 a b s t r a c t w i t h i nt h ef i b e rc o m m u n i c a t i o n sf i e l d ，f i b e rc o n n e c t o r1 so n eo ft h ev e r yi m p o r t a n t c o m p o n e n t s i no r d e r t oc o n n e c tt h et o wf i b e r sw i t l ld i a m e t e r sb e t w e e n1 0a n d1 0 0um ， t h em a i np r o b l e mi st l o wt oc o n t r 0 1t h ec o n n e c t i o np r e c i s i o n t h ec o n n e c t i o np r e c i s i o n d i r e c t l yi n f l u e n c e st h ec o n n e c t i o nl o s sb e t w e e n t o wf i b e rc o n n e c t o r s i np r a c t i c e ，t h et e a l t i m ei n s p e c t i o no ft h ef i b e re n d f a c ei sn e e d e df o re n s u r i n gh i 曲c o n n e c t i o np r e c i s i o n t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt od e v e l o ps p e c i a lf i b e rc o n n e c t o re n d - f a c ei n s p e c t i o ne q u i p m e n t t h i sd i s s e r t a t i o ne x p o u n d ss e v e r a lp r o b l e m si nt h ec o u r s eo fd e v e l o p i n gf i b e rc o n n e c t o r e n d - f a c ei n s p e c t i o ns y s t e m t h ef i b e rc o n n e c t o re n d f a c ei n s p e c t i o ns y s t e mi n t h i sd i s s e r t a t i o nl sb a s e do n h o m o c h r o m a t i cl i g h ti n t e r f e r e n c em o d e l i tm a k e ss o m er e s e a r c hf r o ms e v e r a la s p e c t s ： ( 1 ) m a k es u r e a b o u tt h e k e yp e r f o r m a n c e c r i t e r i ao ff i b e rc o n n e c t o r ，a n da n a l y z et h e i m p o r t a n tp a r a m e t e r w h i c hi sr e l a t i v et oa n dc a ni n f l u e n c et h ek e yp e r f o r m a n c ec r i t e r i ai n o r d e rt oe s t a b l i s ht h ef u n c t i o na n dt e c h n i q u ei n d e xo ft h et e s t i n gs y s t e m ；( 2 ) c h o o s ea n d e s t a b l i s ht h e o r ym o d e l ，d e s i g nt h ea r i t h m e t i co fm e a s u r e m e n t a n dv a l i d a t ei tw i t he m l u a t o r ( 3 ) r e b u i l d t h eh a r d w a r eo ft h ei n t e r f e r e n c e m i c r o s c o p e a n dd os o m ec o r r e l a t i o n e x p e r i m e n t k e y w o r d s ：p h a s es h i f t i n gi n t e r f e r o m e t r y , f i b e r c o n n e c t o r , i n t e r f e r o m e t e r , i n t e r f e r e n c e m i c r o s c o p e ，e n d f a c ei n s p e c t i o n 坝七论文 光纤端面十涉测试系统研究 1 绪论 本课题为南京理工大学4 3 l 教研室自主研发项目，论文研究内容是光纤球形端面 干涉测试系统。 随着信息时代的高速发展，光纤通信正得到越来越广泛的应用。光纤具有频带宽、 损耗小、对环境适应能力强、无感应等优点，不仅可以使通信系统造价大幅度下降， 同时也使以往铜电缆传输方式难以在恶劣的环境下远距离监测控制得以实现。但是， 光纤与电线相比，在连接技术上要困难得多。国内光纤通信逐步转向自主研发的阶段， 通信线路的数量和质量都处于激增阶段。而国内有关光纤端面检测的研究还处于起步 阶段，所以对于类似设备的需求还是很迫切的。本文研究的显微干涉测试系统适用于 光纤连接器球形端面关键性能标准的检测，通过实时检测连接情况使实际光通信线路 的连接质量得到保证。 1 1 微表面和微结构测量概述 在各种微细结构表面形貌测量技术1 2 9 】中，按照工作原理的不同可分成5 类。它 们分别是( 1 ) 机械探针式测量方法，它是丌发较早、研究最充分的一种表面轮廓的测 量方法；( 2 ) 光学探针式测量方法，这种方法在原理上类似于机械探针式测量方法。 只不过探针是被聚集的光束：( 3 ) 干涉显微测量方法，是利用光波干涉原理测量微细结 构表面的轮廓；( 4 ) 扫描电子显微镜( s e m ) i n 量方法，则是利用聚焦得非常细的电子束 作为电子探针束进行测量：( 5 ) 扫描探针显微镜( s p m ) 钡j j 量方法，是通过探测样品与探 针之问存在的各种相互作用所表现出的各种不同特性来实现测量，如扫描隧道显微镜 ( s t m ) 和原子力显微镜f a f m ) ) 等。 机械探针式测量方法是接触式测量，易损伤被测表面，不适合探测光学表面：光 学探针是非接触测量。但需要一套高精度的调焦系统，成本较高；干涉显微测量方法 能实时测量个面上的表面形貌，横向分辨率取决于显微镜数值孔径，一般在微米或 亚微米级。横向测量范围取决于显微镜视场，大小在毫米量级。纵向分辨率取决于干 涉测量方法，一般可达纳米或o 1 纳米量级。纵向测量范围在波长量级。因此干涉显 微测量方法比较适宜于测量结构单元尺寸在微米量级，表面尺寸在纳米或亚纳米量级 的微细结构：扫描电子显微镜和扫描探针显微镜法对仪器要求很高，成本昂贵，所需 条件难以实现。各种微细结构检测的方法，对本课题的研究具有重要的借鉴作用。 关于光纤端面非接触测量的方法，早期还发展过- - e e 显微成像法。用显微镜将连 接器端面成像在高分辨率面形c c d 上，然后用将c c d 上的像采集到计算机中，再 ! 坠塑竺一 些竺塑堑王鲨! ! 堕至竺竺窒 在计算机中对得到的像进行对图像分割、平滑去噪声、图像二值化、几何量计算以及 像素定标等具体步骤，求出所要结果。此测量完全依赖c c d 的分辨率，且与显微镜 的系统像差关系较大，故精度不高，只用于一般测量。可以测量同轴度，曲率半径等。 光纤端面是一种很待殊的微细结构表面。所以必须按照其特殊性来研究合适的检 测方法和手段。本课题采用了在传统的干涉显微测量的基础上，结合现代电子技术、 计算机技术进行研究的方法。该方法具有成本低、易实现、对环境适应能力强等优点。 1 2显微干涉测试系统的发展现状 从国内外的发展状况来看，国内在这一领域的研究相对贫乏，国外已经有了相对 成熟的技术。当前国际上比较知名的n o r l a n d 公司研制的自动非接触于涉测试系 统，从性能上和原理上都比较先进。其产品有a c c i sn c - - 3 0 0 0 和a c 一3 0 0 5 自动非 接触干涉测试系统等个系列。 a c c i sn c 3 0 0 0 可在白光( 宽带扫描) 干涉测量法或标准单色相移干涉测量法 ( p h a s es h i f t i n gi n t e r f e r o m e t r v 简称p s i ) 之间自动进行切换，以便对大范围表面情况 进行测试。单色光法可在6 秒钟之内快速映相平滑表面；而白光法应用了目前的最新 技术，来测试那些复杂的、凹凸不平的表面，从而消除了高度级差的含糊性。整个系 统做到了精确、快速、使用简便。a c c i sn c 一3 0 0 0 是一台全自动非接触干涉型显微镜， 是为测量诸如光跳线、光连接器插针及光纤等纤维光学表面的端面几何参数而专门设 计的。可测量f c 、s t 和s c 型接头的曲率半径、顶点偏移、纤芯凹陷或突出。此外， 这套系统还可测量a p c 、平面研磨接头、裸插针、切割的或研磨的光纤、以及带角度 研磨的或平面研磨的带状光纤接头。它使用了根据客户需求而设计的带有压电控制干 涉物镜的反相显微镜，以及带有波长滤光器的白光源。物镜参照镜反射的光同被测工 件表面反射的光相结合而产生干涉图形，在c c d 上成像，然后由图形捕捉设备捕获， 送交计算机处理。 生生生主塑堂堂鲨型墨墨竺型壅 幽12 1n c 3 0 0 0 系统宝占构 计算机可以在单色干涉法和自光干涉法之问迅速切换并自动选择相应的滤光器。 单色法提供整个表面的连续干涉条纹带。平滑表面的这些干涉条纹看上去是一个等值 线图，图上相邻的于涉条纹之恻的步长从上到下或从下到上都是相等的。按一定方向 移动干涉物镜，计算机分析相位图形，从而计算出表面各个单点的不同高度，形成一 个工件表面的三维图形。在白光扫描法中，白光相干性低，提供仅带几根可见条纹的 被测表面的干涉图形。用干涉物镜从上向下扫描工件，随高度不同，这几根条纹时隐 时显地出现在工件表面。通过跟踪峰值或中心条纹，计算机能够标定每一点的高度值， 甚至当高度有突然变化时，也可做到这一点。 由于n c 一3 0 0 0 能够在两种方法之唰自动切换，因而可以结合两种方法而取得最佳 信息。单色( 红光) 法提供光滑表面的详情：而白光( 宽带扫描) 法提供阶跃高度和 凹凸表面的真实图象。 就国内的研究状况来看，在2 0 0 0 年以前在这一领域的发展处于起步阶段，只有 长春光机所，上海光机所，和浙江大学，深圳大学，以及我校等科研院所的一些研究 人员做出理论上的探讨，并发表了关于显微干涉测试方面的学术论文。其中主要探讨 了移相干涉的算法问题，涉及到的内容大部分是针对p s m i ( p h a s es h i f t i n g m i c r o s c o p e i n t e r f e r o m e t r y ) 方面，及其在实际应用中产生的误差以及相应的解决方案。其中深圳 大学光电系的林敏、黄建军等人在2 0 0 0 年初研制出了一种智能化的光纤端面干涉测 试仪。仪器基本是基于l i r u l i k 显微镜的结构上发展而成，采用单色光进行测量。 对粗糙度的测量依然是采用了单色光，而没有采用国际上比较先进的白光垂直扫描技 术，结构框架图如图1 - 2 2 。 硕士论文 光纤端面干涉测试系统研究 图1 2 - - 2深大干涉铡试仪结构 它是使用氦氖激光器作为单色光光源，用移相干涉的方法来实现测量。仪器能够 实现的功能包括自动检测端面的曲率半径、顶点偏移、表面粗糙度等等，并能给出端 面的二维截面图和三维形貌图，用一根光纤连接器接入仪器，连续采样1 0 0 次，得到 仪器重复性精度：曲率半径相对误差为l ，表面粗糙度误差为l o n m ，偏心距误差为 5um 。对于采用单色光的测量方法来说，这是一个不错的结果，但单色光所测量的面 形只能是大致面形，测量量程也受到 4 的限制无法消除高度级差，和白光法测表 面貌形的准确性相比还有一定差距。 综上所述，国际国内在这一研究领域所采用的方法基本归于白光( 宽带扫描) 干 涉测量法和单色移相干涉测量法( p s i ) 两种方法。白光垂直( 宽带扫描) 是发展趋 势，而单色光的p s m i 技术由于成本低，速度快，对系统要求低在很多场合可以得到 充分的应用。本课题依据教研室实际情况及国内的发展需求，采用了单色光移相干涉 测量法这一方法。 1 3 本论文的主要工作 目前大多数的光纤连接器是由3 个部分组成的：两个配合插头和一个精合管。两 个插头装进两根光纤尾端，精合管起对准套管的作用。这种连接方式下影响精度的因 素除了连接器本身的机械结构外，还取决于光纤端面的加工精度。因此使用干涉测量 硕士论文 光纤端面干涉测试系统研究 的方法可以获取光学表面几何特性，取得光纤连接器连接精度关键标准的相关参数， 从而解决了测量的主要问题。 本文的主要工作是光纤端面几何参数的非接触测量。由于光纤端面的尺度属于微 结构，采用光干涉方法便于实现非接触和实时测量。实际通信线路的连接对光纤端面 的要求很高，在实际应用过程中光纤端面的实时检测，对光纤连接器的成功运作起至 关重要的作用。本课题特点是在光路结构方面采用基于迈克尔逊干涉光路的l i t m i k 型显微镜，结合p s m i 显微移相干涉法来进行系统设计。在移相控制和图像采集方面 完全由计算机来代替人工，从而实现智能化测量。编写基于m i c r o s o f tw i n d o w s 平台 的软件进行相应计算和控制。本论文主要面向的问题是测量的精确性及测量的智能 化。 本论文所要解决的问题是，使测试能系统很好的完成对曲率半径、端面偏心的测 量。论文的主要研究工作包括理论分析、算法设计和仪器的实际改装调试工作。具体 的工作内容如下： 1 前期考查，确定连接器测量的关键指标，由此确定干涉测试系统所需具备的 功能及技术参数。 2 论证并选择最适合本课题条件及测量目的的光学系统结构，以减低光学系统 误差和机械误差。 3 为保证使得采集和输出精度符合要求，并有很好的易实现性。拟定相应的算 法，并对算法进行仿真以验证算法的正确性和精度。 4 进行仪器的硬件改造工作，对系统的预期功能和结构进行论证，制定合理可 行的改造方案。然后进行实际的改造工作，最后对改造后的仪器进行调校使 其能够正常工作，再进一步测试直至仪器能达到实际的工作目标，工作性能 稳定可靠为止。 课题所采取的技术上的方案是前期先制定硬件结构及测量算法，对其进行人工测 试，即不使用智能移相只进行手动试验来检测光路及算法。在算法确定以后，根据仪 器的最终预期方案进行硬件改造工作，通过调试实验使仪器达到合格的测量状态。 顸j j 论文光纤端面十涉测试系统圳究 2光纤连接器关键性能标准及测试系统参数制定 在光纤连接的过程中，由于光纤连接器的规格大都是以两个配合插头和一个精合 管组成，属于较稳定的机械部件，故连接过程中形成连接误差和损耗的来源主要集中 在光纤端面的研磨加工这一环，制造光纤的材料和光纤的尺寸导致了光纤端面的精确 加工具有较高难度，这样就要求对光纤端面的研磨加工确定一系列性能标准，从而表 征加工是否符合连接的要求。在明确了光纤端面的性能标准之后，我们也确定了光纤 端面测试系统的测量目的。为了使测量能够成功完成，必须使测量设备具备测量这些 标准对应参数的功能。本章将详细阐述光纤连接器的关键性能标准，并以此作为选择 测量手段的类型和方法的前提。最后在分析各种方法的优缺点的基础上确定最佳的测 试系统方案，并确定预期要实现的测量目标。 2 1光纤连接器基本概述 光纤连接器在光通信系统、光信息处理系统、光学仪器仪表中被广泛应用，它常 常被用来实现从光源到光纤、从光纤到光纤以及光纤与探测器之阃的光耦合，特别是 在光通信系统中，光纤连接器是使用量最大的光无源器件之一。各种光纤连接器必须 具备损耗低、体积小、重量轻、可靠性高、便于操作和互换性好以及价格低廉等特点。 国际电信联盟( i t u ) 将光纤连接器定义为“用以稳定地、但不是永久地连接两根 或多根光纤的无源组件”( c c i t t 第研究组1 9 9 2 年3 月于同内瓦通过) p “。它的发 展大致可分三个阶段：2 0 世纪8 0 年代，为了探讨制造光纤连接器的工艺方法，各种 结构应运而生，多达2 0 余种：2 0 世纪9 0 年代，经过批量生产各种结构和工艺的 优缺点逐渐分明，形成了以长度l = 1 05 m m ，外径d = 2 5 r a m ，内孔d = 0 ，1 2 5 0 1 2 8 r a m 的陶瓷插针为关键元件的f c ，s t 和s c 三种类型连接器占主导地位的局面： 2 l 世纪初，为适应光纤接入网和光纤到家庭的需要，光纤连接器进入了第三个发展 阶段。新一代连接器体积更小、价格更低。 2 1 1 光纤连接器分类3 2 光纤连接器从结构上分为单芯光纤连接器和带状多芯光纤连接器，目前使用最多 的是单j i 三= 光纤连接器，它又有单模光纤用和多模光纤用之分。依据光纤活动接头的结 构和形状，常将单芯光纤连接器分为f c ，s c ，s t 等几种1 2 8 1 。 f c 型为圆形的螺纹式结构，接头插入法兰盘后，插头中的卡锁落入法兰盘 硕士论文光纤瑞面十涉测试系统研究 的槽中，再用螺纹拧紧，接触的光纤端面不产生位移。光纤端面经研磨、抛 光处理，靠套简的高精度内圆与描针的高精度外圆紧密配合进行轴心对准。 f c 型插针的外径为2 5 m m ，可使用金属、塑料、玻璃等材料，但目前应用 最多的是氧化锆陶瓷( p a r t i a l l ys t a b i l i z e dz i r c o n i a ) 材料。 s c 型是矩形的插拔式结构，法兰盘中有卡簧。由于s c 型是矩形，所以很容 易对准。接头插入法兰盘后听到卡簧声响，便表示接头己良好连接。多根 光纤的终端多选用s c 型，以利于高密度安装。 s t 型为圆形卡口式结构，接头插入法兰盘压紧后，旋转一个角度便可使插头 固定牢固，并对光纤端面施加一定的压紧力。 2 1 2 光纤连接器的端面形状1 3 2 光纤连接器的端面形状可分为p c 型、s p c 型、a p c 型和u p c 型。p c 型( p h y s i c a l c o n n e c t ) 型连接器的端面研磨抛光成微凸球面、球面半径为1 0 - - 2 5 m m ，s p c ( s p h e r i c a l p h y s i c a lc o r l i l e c t ) 型研磨成凸球面、球面半径为2 0 m m ：a p c ( a n g l e dp h y s i c a lc o n n e c t ) 型方面在端面形成8 。倾角，另一方面还要在端面形成一定曲率( r = 2 0 - 5 0 m m ) 的 球：u p c ( u l t r a p h y s i c a lc o n n e c t ) 型为超平面连接。 光纤连接器的型号通常表示为x x y y ，x x 表示接头的连接方式，y y 表示光 纤连接器端面的形状。如s c u p c 表示插拔式超平面连接。 2 2光纤端面关键性能标准及所需测量参数 由于本文的主要目的是测量光纤连接器端面和信号传输质量有关的几何参数，所 以首先要搞清楚光纤端面的哪些几何参数与信号传输质量有着密切联系。然后在确定 了这些几何参数以后，根据仪器的条件即可制定出所需测量的直接和间接参数。 2 2 1 光纤端面关键性能标准 在通信领域，电话传输要求高标准的连接器性能而对于有线电视( c a t v ) 和 i n t e r n e t 网络则需要更严格的连接器性能。研磨过的光纤连接器，必须经过质量检测 以便使的通信线路达到最大光传输和最小干扰。在下面的介绍中，将讨论光纤连接器 的各种研磨性能标准。 光纤连接器研磨的关键质量标准： 返回损耗 硕上论文光纤端面干涉测试系统研究 插入损耗 顶点偏移 纤芯凸凹度 成像质量 接下来就具体阐述以上关键性能标准的定义、误差的成因、以及克服误差的建议 方法。 ( 1 ) 返回损耗 返回损耗指光由连接端面反射经光纤返回发射源的现象。这一现象必须通过各 种手段使其被确保最小化( 低于一5 5 d b ) ，以便保证信号传输的速度和清晰度。 关于返回损失的测试方法如下图： ( 2 )插入损耗 图2 2 1 1 返回损耗测试 插入损耗是指，在两个光纤连接器连接接触面所损失的一部分光能。比较严重 的连接器插入损耗，来自于光纤未对准，光纤端面分离，光纤端面研磨光滑度差等因 素。有关插入损耗的测量简图如下图： ( 3 ) 顶点偏移 图2 2 1 2 插入损耗测试 顶点偏移的定义只适用于球形光纤端面的光纤，顶点的定义是沿光纤轴线方向的 硕十论文光纤端面干涉测试系统研究 球形端面的最高点。顶点偏移量就是指，从光纤纤芯中心到顶点的距离。具体的示意 图如下： 图2 2 1 - - 3 顶点偏移 顶点偏移已经作为一种被承认的标准列入光纤连接器的性能标准。较高的顶点偏 移同样会导致较高的返回损耗和插入损耗。 ( 4 ) 纤芯凸凹度 在阐述纤芯凸凹度的时候首先要引入光纤瑞面曲率半径这样一个概念，对于p c 型、s p c 型或者a p c 型连接器由于光纤端面要求加工出一定的球面度，这个曲率半 径就是指此球面的曲率半径。其太小一般在l o - - 2 5 m m 之间( p c 型) 。相应的示意图 如下： 图2 2 1 4 光纤端面曲率半径 球形端面的研磨方法总体来说是采用预先确定的，对于具有一定弹性的研磨面， 在研磨的过程中施加恒定的压力。对连接器旌加的这个压力使它压在研磨面上，而由 硕士论文光纤端面干涉测试系统研究 于研磨面有一定的弹性，于是产生弹性形变从而使光纤端面研磨成球面。由于压力不 变，所以产生的这个弹性形变也不改变。而这个曲率半径则由压力和光纤端面大小以 及研磨面硬度决定。压力越大，光纤端面越小，研磨面的硬度越d , n 血率半径越小， 反之曲率半径就越大。 在连接器的连接过程中，恰当的光纤端面曲率半径使得纤芯的凹陷可以通过一定 的压力得到补偿。 当光纤纤芯凹陷进连接器顶端的时候称之为纤心凹陷，当光纤纤芯突出到连接顶 端以外称之为纤芯突起。测量纤芯凸凹度的方法一般是通过对端面进行测量从干涉条 纹中计算出纤芯凸凹度。通常情况下，纤芯凸凹度一般不大于+ 5 0 m 。具体情况 如下图： ( 5 )成像质量 图2 2 1 5 纤芯凸凹度 成像质量直以来是评价已研磨光纤连接器的一个总体性的指标。往往由此来判 断连接器端面符合标准或是需重新研磨或是直接报废。具体的评定标注见下图： 硕士论文光纤端面千游涮谴蒹绕砥窑 可接受和苇可接受的连接器靖面抛光 限制说咀 疆层粕拜茁无嚏搔 孽氲鼬虹渔蛹眭舜 玮氧层无污辩游 图2 2 1 6 端面成像质量判定标准 从以上五中关键标准中可以看出，要使连接器端面具备很好的性能标准，首先要 保证机械加工的稳定性和可重复性。在研磨过程中要对研磨器件进行精密控制，对研 磨材料也要慎重选择。这样就可以保证研磨的一次成功率。 硕= 卜论文光纤端血十涉测试系统研究 2 2 2 显微干涉测试系统对光纤连接器的实测参数 由2 2 1 节阐述的光纤连接器的几个关键指标得出的结论是返回损耗、插入损耗、 顶点偏移、纤芯凸凹度、成像质量这五个方面质量评价只和以下几个方面的几何参数 有关： 端面粗糙度 端面曲率半径 端面顶点偏移 纤芯凸凹度 可见只要测得以上几个方面的几何参数就可以对光纤连接器连接性能做一个完 整的评价。 以国内的光纤连接器测量要求来看普遍承认的需要测试的项目包括有介入损耗 ( 即插入损耗) 、回波损耗( 即返回损耗) 、同轴度、表面划痕、球面顶点偏移、表面 凹凸、曲率半径、光纤高度( 即纤芯凸凹度) 等。这些测试项目除了同轴度以外都可 归入2 2 ，1 节的五个关键标准中来，因此以上列举的需要测量的四个方面的几何参数 可涵盖测试的主要内容。 2 3本课题具体采取的测量方案以及硬件框架 当前的干涉显微镜，存在各种各样的形式和适用范围。要从各种各样的干涉显微 镜中选择适合本课题要求的干涉显微镜，就必须对于涉测量的原理及常见光路进行确 切的调查和了解。然后根据各种形式的测量方法和测量仪器的不同特点，选择合适的 设备作为课题的硬件基础。 2 3 1 干涉测量法的基本原理及常见光路类型 光在相干区域内，形成一组稳定的明暗相间或彩色条纹的现象。称为光的干涉现 象，依据等厚干涉条纹的形变来进行光学表面的评价方法很早就被人们所认识。例如 p 9 j 为检测块规的平面度，将它与标准平面玻璃相互紧密接触形成一空气劈尖，以单 色光照射，产生干涉条纹。若块规表面是严格的平面，干涉条纹是一组平行劈棱的直 线。如果不平，条纹将不是平行直线。如图2 3 1 一l 所示，表示被检测表面有凸起和 凹陷时干涉图样的形状。根据等厚条纹的特点，并从图中看出弯曲条纹对直线条纹的 偏离l 不超过相邻条纹问隔的1 2 。可以确定凸起的高度不超过i 4 波长( 4 ) 。 硕七论文光纤端面干涉测试系统研究 。囟合 固 田 l i 图2 3 1 一l 干涉条纹不意图 为了获得连接器端面的形貌，采用光学干涉显微术。目前普遍采用的求解相位的 方法主要有两类：一类是傅里叶变换法，将干涉条纹逐行傅里叶变换，经频域带通滤 波，并取出一级谱作反变换，从而求解出相位分布。另一类方法是相移技术，它是通 过相移器在参考光中引进已知相移量，人为地改变两相干波的相对相位，从干涉场中 某一点在不同相移量下的光强值来求解该点相位。该方法需要相移器和多幅相移图， 根据移相次数不同，目前用二步，三步和四步等不同移相方法，为了实现相移，参考 光路中的平面反射镜在微位移器的驱动下，使样品相对于参考面移动，当采用四步移 相术时： 剀2 3 1 2凹步移相坛十涉条纹相对位置 岬功= 等 ( 2 1 ) 式中i l 、1 2 、1 3 、1 4 为每次相移2 在o 一2 之间范围内作四步阶梯调制所得到 的光强分布由此算出端面微观高差分布为： 蛳川2 老啾，y ) ( 2 2 ) 一旦获得h ( x ，y ) 分布，就可以进一步作数据分析，给出待测端面的二维截面图 甲 硕士论文 光纤端面干涉测试系统研究 和三维形貌图，并提供各种纵向、横向评定参数值。通过跟踪峰值或中心条纹，计算 机能够标定每一点的高度值，甚至当高度有突然变化时，也可做到达一点。因为该方 法给出了待测端面的二维截面图和三维形貌图，故只要有相应的算法，就可以从中得 到：同轴度，表面划痕，球面顶点偏移，表面凹凸，曲率半径，研磨偏移，光纤高度 等几乎所有待测项目。这就是上面介绍的移相干涉( p s i ) 算法的基本原理。 目前无论国际国内在干涉测试系统设计方面采用最多的是用斐索型光路和泰曼 格林型光路( 迈克尔逊型的改进型即为泰曼格林型) 两类方案来实现。 对于斐索型光路如图2 3 1 3 所示，属于等厚型干涉光路，常用于光学零件表面 质量检查，斐索干涉仪按测量对象分为平面干涉仪和球面干涉仪，给出平面干涉的情 况。 图2 3 1 3斐索干涉光路 斐索干涉仪的特点是测试光臂和参考光臂重合，从而使得在分光镜一侧不存在球 差象差，而且干涉仪的实际结构也可以做成参考端和测试端一体的构造从而达到较高 的抗震性能，同时也能使干涉仪的体积相对较小。但斐索干涉仪的缺点就是参考端和 测试端非等光程，必须使用相干长度较大的单色光激光光源。 泰曼格林干涉仪是迈克尔逊干涉仪的改进型，用于检验光学零件( 或光学系统) 的综合质量。检验原理是通过研究光波波面经光学零件后的变形来确定零件的质量。 仪器结构如图2 3 1 4 硕士论文光纤端面干涉测试系统研究 圈2 3 1 - - 4 泰曼格林干涉光路 泰曼格林干涉仪与斐索干涉仪显著的不同点就是参考光路和测试光路分离。7 0 年代以来，出现了应用电子技术和计算机技术实时提取干涉图像信息的外插法、锁相 及干涉条纹扫描干涉术，与传统的方法即从干涉条纹强度分布来求取相位变化，以获 得被测面形的方法不同，它直接对相位进行检测并可实时显示，使检测面形的精度达 到 1 0 0 以上，这些多采用泰曼格林干涉光路加入频率偏移器的方法。 前面提到泰曼格林型光路是在迈克尔逊型的基础上发展起来的，迈克尔逊型的光 路如图23 1 5 所示。m 1 和m 2 为两个镀银或镀铝的平面反射镜，其中m 2 固定在 仪器基座上，m 。可借助于精密丝杆螺母沿导轨前后移动，g l 和g 2 为两块相同的平行 平板，由同一块平行平板玻璃切制得，因而有相同的厚度和折射率，g i 和g 2 与m - 和m 2 都成4 5 。角，扩展光源s 上的一点发出的光在g l 的分光面上有一部分反射， 转向m ，镜，再有m i 反射，穿过g 1 后进入观察系统。入射光的另一部分穿过g i 和 g 2 后再由m 2 反射，回穿过g 2 后由g l 反射也进入观察系统，如图中l + 和2 。光线， 它们都由s 发出的一支光分解而来，所以是相干光，进入观察系统后形成干涉。 硕士论文光纤端面干涉测试系统研究 s 甚： 1 雕 。i j 扩 f g l 图2 3 1 5迈克尔逊干涉仪光路 在于涉仪中，只要两光路的光程差发生变化，就会引起干涉场中干涉条纹的移动。 光程差的改变量为一个波长则干涉条纹移动一个间距，故待测样品表面若存在局部不 平结果会导致干涉条纹发生弯曲，条纹弯曲的程度是样品表面微观不平程度的反应， 只要求出条纹的弯曲量就可以求出样品表面的凸凹量。 纵观显微干涉测试原理的发展，研究和采用何种显微干涉测试原理，决定了干涉 显微镜的结构形式。为了满足对超光滑加工表面高精度检测的需要，出现了移相型显 微干涉( p s m i ) 原理；为了解决检测台阶和刻槽时遇到的位相跃变测不准问题，使 用光源从单色激光、双波长光到白光或准白光。相对应的两种显微干涉测试原理，即 白光垂直扫描干涉原理和白光傅里叶频域分析原理。本课题光纤端面的检测根据应用 的要求采用了p s m i 原理。由于p s m i 是将一般的p s i 原理移植到显微干涉领域，所 以所用的光源仍然采用单色光。 2 3 2 测试系统的光路方案和仪器选择 本课题由于时间和条件所限只参与了针对曲率半径和偏心进行详细测量和计算 工作。而整个方案的光路选择同时要考虑到能否使得白光傅立叶频域分析测试面形粗 糙度和纤芯凸凹度测量等一台仪器上实现的问题。由于根据第一个章节论证出，最合 适的测试方法已经确定为干涉测试法，所以要选择合适的测试系统首先是要确定最佳 的干涉光路。 由于干涉仪所采用的干涉光路大都是在比较成熟的的光路系统上稍作改进，对每 硕士论文光纤端面干涉测试系统研究 一类型来说大同小异。如果对干涉仪从单个零件开始设计即费时又费力，考虑到本课 题的预算有限，在已成型的干涉仪产品的基础上加以改造可以大大缩短研发时间和设 计费用。由于测量对象为光纤连接器端面这一微小结构，所以必须采用显微干涉设备， 故本项目采用了上海尚光显微镜有限公司( 原上海光学仪器厂) 生产的6 j a 型干涉 显微镜( 如图2 3 2 所示) 作为基础进行光路和外围结构的改造。 图2 3 26 j a 型干涉显微镜 6 j a 干涉显微镜是l i n n i k 型显微镜，其干涉光路属于迈克尔逊光路。关于迈克尔 逊干涉仪己经在第一章详细阐述过了，这里不累述。 2 3 3 测试系统的预期要求 在前面2 2 小节中已经明确了评价光纤连接器连接质量的关键标准，而且需要测 量的参数也集中到端面粗糙度、端面曲率半径、端面顶点偏移、纤芯凸凹度这四个方 面上来。端面曲率半径、端面顶点偏移和这两个方面的测量经过分析完全可以通过单 色光四步移相法和静态干涉图处理的方法来完成。而端面粗糙度和纤芯凸凹度则比较 适合用白光傅立叶频域分析的方法来解决。虽然纤芯的凸凹度一般是低于+ - 5 0 r i m 的这个值已经远远小于九4 ，也可以使用单色光移相干涉的方法来完成，但考虑到量 程和白光傅立叶频域分析在这方面的优势故仍然采用白光法来完成。 在制定仪器的预期性能目标的时候，首先要考察国内外同类产品的性能参数。在 第一章绪论中已经详细考察了国内外当前的研究状况。总体来说白光傅立叶频域分析 的方法是方展趋势，单色光由于成本低廉研发周期短同样存在广泛的应用。 在参考了国内外相关产品的基础上，总结出采用白光傅立叶频域分析和单色光移 相干涉相结合的方法最为实用，可以使仪器的测量精度和测量范围以及测量对象的范 围得到扩展。所以本系统的最终性能目标是能在单色光干涉测量和白光干涉测量之间 实现智能化切换以测量出光纤连接器全部重要性能标准。整个项目的研究分为两个小 组，本课题涉及的内容全部归于单色光移相干涉部分，而不涉及白光宽带扫描法部分 碳士论文光纤端面十涉钡l 试系统研究 的研究。 2 4小结 本章主要阐述的几个问题如下： 1 ) 介绍和论述了光纤连接器的分类，结构以及连接器的一些基本参数。 2 ) 分项详细介绍了连接质量的关键标准，对这些标准做了概念性描述，为测试 系统的研制确定了主要测量方向。 3 ) 研究各种干涉仪的光路和特性，考察国内外相关产品的基础上选择了以6 j a 干涉显微镜为硬件基础。 硕士论文 光纤端面干涉测试系统研究 3光纤连接器端面测量的理论模型及算法 由前一章的分析得出，在使用干涉仪进行表面测量的时候移相干涉术被作为一 种最常用的测量方法而广泛使用。本课题主要解决的问题即对光纤连接器端面的曲率 半径和顶点偏移两项质量标准进行测量，移相干涉术依然是最快捷有效的方法。用移 相干涉术测量表面几何参数，在近几年有长足的发展，要用好移相干涉术这一光学测 量方法就必须了解其中包含的各种方法的特点所在。在采用和制定计算方法的同时需 要考虑的一个重要问题就是实用性，所用算法必须在测量装置上易于实现。根据测量 仪器的参数和性能以及精度，来制定相应的算法方案这一点十分重要。 本章主要阐述了在系统开发初期用静态干涉图计算光纤端面曲率半径的方法， 然后在介绍了p s i 的应用和分类的基础上，详细阐述了以p s i 为基础的光纤端面益率 半径的计算方法和计算过程。接着论述了顶点偏移的的算法，以及这一算法对仪器的 要求。 3 1连接器端面曲率半径的计算方法 在系统开发的初期为了完成对6 j a 干涉显微镜的光路改造，以及后期的智能化 改造做准备，一开始采用静态干涉图取样做实验性的测试和计算，以确定6 j a 的成 像质量、灵敏度以及视场尺寸是否合适用于光纤连接器端面的测量。在前期改造完成 的基础上即完成p z t 移相部分改造的基础上，再采用移相算法进行测试看是否符合 最终的测量要求。 3 1 1 静态干涉图分析法计算端面曲率半径 对p c 型联结器而言，其端面都已研磨成了一个球面，由该端面与平面参考镜 所产生的干涉图样为非接触牛顿环，或内疏外密的明暗相间的同心圆环。已知了光波 的波长a 。根据图3 1 1 一l 设端面的曲率半径为r 。 硕士论文 光纤端面干涉测试系统研究 m ， 巧 心 设牛顿环中心条纹级次为m ，第j 、k 级对应的牛顿环的半径分别为r j ，“，连接器 的顶点曲率为r ，1 蔓j k ，0s m i 2 4 硕士论文 光纤端面干涉测试系统研究 注意到由任意两个圆环就可利用( 3 7 ) 式算出曲率半径r ，n 个圆环一共可以 产生口种组合，故光纤连结器插针端面的曲率半径r 应对c ：种组合求取平均值： nn - - i 艮 r = 旦坐乓l 一 ( 3 8 ) c ： 到此，利用以上方法我们求出了光纤联结器端面的曲率半径。虽然以单幅静态 干涉图测量方法相对于移相干涉法测量曲率半径精度较低，但在仪器实验性改造的初 期作为一种简单快捷的实验计算方法而采用。 3 1 2 移相干涉法计算光纤连接器端面曲率半径 移相干涉术( p s i ) 是1 9 7 4 年b r u n i n g 等人提出的，把通信领域中的同步位相探 测技术引入到光学干涉的测量方法当中，是现代一种新型光电干涉测试技术。在光电 子技术，计算机技术和激光及光通信技术的迅速发展的基础上，移相干涉术的原理、 算法和移相模式都有新的发展。它的新成果和新应用也变的更加多种多样。移相干涉 技术不仅在光学系统波差测量中有成功的应用，也被应用到激光产生的离子体研究的 试验干涉图分析、全息图的自动分析等方面，它已经在计算机辅助测试领域占据了非 常重要的地位。 ( 1 )移相干涉法基本原理及几种主要移相干涉法的讨论 移相干涉术的基本原理是在干涉仪中两相干光之间的相位差引入等间隔的测量 参考点( 一般用等间隔的阶梯式位移来实现) ，当参考光程或参考相位发生变化时， 干涉条纹的位覆也作相应的移动。在此过程中，采用光电探测器对干涉图进行多幅点 阵列或网格阵列的采样( 新型干涉仪一般采用面阵c c d 进行采样) ，然后通过采样设 备对光强进行数字化转换存入帧缓存器，然后由计算机按照事先建立好的数学模型根 据光强的变化解得波面的相位分布，同时由于波面的凸凹信息里面已经包含了测试端 表面貌形的信息，所以经一系列计算即可得出测量结果。多幅采样的方法可以抑止噪 声影响，在条纹对比度低的情况下，也有好的结果，它的测量精度与整个光瞳面上的 光强不均匀无关，可以避免激光高斯分布的影响，这一点对大口径系统非常重要。 利用移相干涉术的干涉仪一般采用压电陶瓷p z t ( p i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r d e v i c e ，由压电晶体材料制成，压电晶体的一个物理特性是在一定方向上的尺寸随加 在其两端的电压的改变而改变) 构成，p z t 是其中的关键部件，它被用来驱动参考平 面的位移而改变相位。由于p z t 的采用也使移相式干涉系统产生了不可避免的误差， 硕士论文 光纤端面干涉测试系统研究 原因是p z t 的变形与电压改变之间的非线性关系。面对这个问题，采用高线性精度 p z t 和使用软件算法消除p z t 非线性滞后误差的方法成为有效的解决办法。值得一 提的是软件消除p z t 非线性的方法是将参考位相的实际值和波前相位一起来看作未 知量，采用空域和时域上的迭代最d - - 乘配置来确定他们的确切值，以便同时使测量 和随机误差达到最小。这样可以使误差达到一个几乎可以忽略的水平。 移相干涉术的研究主要集中在两个方面，一是建立一神有效的相位测量算法， 此时假设移相被理想地实现，二是关于如何消除实际测量当中移相器的线性和非线性 误差。九十年代以前的研究主要集中在前者，典型的移相干涉算法有四步法、三步法、 五步法、c a r t e 法、平均法、组合法等等方法。 双光束于涉中，干涉场的光强分布函数可以表示为 i i ( x ，y ，0 ) = l ( x ，y ) + 1 。( 石，y ) c o s 巾( x ，y ) + 只】 ( 3 9 ) 式中中( x ，y ) 为被测波面的相位分布函数；，。( x ，y ) 为干涉场的交流光强分布； o j 为参考波面的可变相位移。 当压电陶瓷推动参考反射镜平移，使参考波面的相位只在0 至2n 内逐次变化“ 2 ，则对应的干涉光强分布分别为 ，l ( x ，y ，0 ) = l ( x ，y ) + l ( z ，y ) c o s q b ( x ，y ) 】 ，1 ( x ，y ，兰- ) = 1 d ( x ，y ) 一l ( z ，y ) s i n o ( x ，y ) ( 3 1 0 ) ，( x ，) = i d ( x ，y ) 一g ( x ，y ) c o s q ) ( x ，y ) 】 1 1 ( x ，y ，芸) = d ( 托y ) + i o 瓴y ) s i n q ) ( x ，_ y ) 于是有 ，。( w ，莩) 一，：( w ，要) 似曩力= t a n - t 可磊每焉1 。“ j 、 y ，u ，一j 、 y ， 由上式看出，干涉场中任一点处的相位中( x ，y ) 可以通过阶梯式改变参考波面 的相位臼时测量该点的对应光强值i ( x ，y ，0 。) 求出。如果用光电二极管或电荷耦合 器件( c c d ) 面阵接收整个于涉场中各点的光强信号，由计算机就可以求得各采样点 处的相位值o ( x ，y ) ，实现对被测波面的直接相位测量和实时数据处理。 由公式( 3 9 ) 看出，测量任意点( x ，y ) 处的相位o ( x ，y