專利名稱：聚合物光纖預(yù)制棒折射率的細(xì)光束掃描測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的折射率測試方法及裝置，具體來說是光纖預(yù)制棒折射率分布的測試方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著信息的爆炸性增長和信息社會(huì)的到來，大容量的高速傳輸網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛，其傳輸速率和容量每年在成倍增長，石英光纖在連接密集的接入和局域網(wǎng)以及其他低速網(wǎng)絡(luò)中，其復(fù)雜昂貴的連接工藝增加了網(wǎng)絡(luò)成本。聚合物光纖由于其制造簡單、價(jià)格便宜、接續(xù)快捷、抗沖擊強(qiáng)度高、抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于局域網(wǎng)中的短距離通信，成為短距離寬帶通信網(wǎng)的理想選擇。與傳統(tǒng)光纖一樣，梯度折射率聚合物光纖可由梯度折射率聚合物預(yù)制棒加熱拉絲制成，必須控制聚合物光纖預(yù)制棒的折射率分布，以使經(jīng)過拉絲成型后的光纖具有設(shè)計(jì)的折射率分布，因此精確測量光纖預(yù)制棒折射率分布非常必要。目前較為常用的幾種測量方法都是借鑒石英光纖的測試方法，主要有干涉測量法、近場掃描法和聚焦法。
干涉測量法是利用干涉原理測量折射率分布的方法，其測量精度較高，可達(dá)10-4。采用的實(shí)驗(yàn)儀器是泰曼干涉儀，檢驗(yàn)原理是通過研究光波波面經(jīng)光學(xué)零件后的變形在觀察表面上的干涉圖的分析來確定零件的質(zhì)量。這種方法成本高，對(duì)測量條件的要求嚴(yán)格，光路設(shè)置也較復(fù)雜；對(duì)樣品進(jìn)行破壞性加工；測量過程中細(xì)光束是直接通過樣品截面，所以樣品兩個(gè)切面的平行度也對(duì)測量結(jié)果也有很大的影響。由于聚合物光纖預(yù)制棒的硬度較低，其切片的平行度和光潔度較難達(dá)到測量要求，較易引起誤差。
近場掃描法通過測量從光纖側(cè)面泄漏出來的折射模場強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。連續(xù)激光波聚焦成一個(gè)非常小的光斑入射到端面上，在其中激勵(lì)起傳導(dǎo)模、泄漏模和折射模。傳導(dǎo)模和部分泄漏模沿光纖傳輸，而其余部分則輻射出去，呈現(xiàn)一個(gè)似空心圓錐的輸出光錐。光錐的內(nèi)層含有泄漏模，而外層只有折射模。當(dāng)注入光斑沿平整的光纖端面進(jìn)入掃描時(shí)，由于不同位置的局部折射率n(r)不同，檢測到的功率也不同。近場掃描法設(shè)備成本低，但裝置復(fù)雜，難以控制精度，在測量中不需要對(duì)樣品進(jìn)行破壞性處理，但是參與測量的參數(shù)過多，難以保證每一次的測量精度。
聚焦法是將經(jīng)過濾光和準(zhǔn)直的非相干光束入射于光纖的纖芯，光纖浸沒在與其包層折射率相近的匹配液中，以避免包層的外邊界產(chǎn)生強(qiáng)的折射光，在距離纖芯中心任意處的觀察平面上測量光功率分布。光纖像一個(gè)非常理想的柱透鏡，使細(xì)光束發(fā)生會(huì)聚。纖芯的聚焦作用與光線軌跡密切相關(guān)。聚焦法測量聚合物光纖折射率分布的是一種較為簡便的方法，但是該實(shí)驗(yàn)要求激光光源的光強(qiáng)比較穩(wěn)定，并且這種方法對(duì)于折射率呈拋物線分布的光纖來說只能測量出其中一個(gè)參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新的聚合物光線預(yù)制棒的測試方法及裝置，可在預(yù)制棒不經(jīng)破壞加工、保持完整性的條件下，精確方便快速的地測量梯度折射率聚合物光纖預(yù)制棒沿徑向折射率分布，彌補(bǔ)了上述已有測量技術(shù)的不足。
本發(fā)明的目的由以下方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)測試儀由圖像形成系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)兩部分組成，其中圖像形成系統(tǒng)由光源1、衰減器2、光闌3、聚焦系統(tǒng)4、載物臺(tái)5、CCD攝像機(jī)6依次放在位于殼體內(nèi)的工作平臺(tái)7上構(gòu)成，整個(gè)測量光路的光軸準(zhǔn)直，光源1為氦氖激光器或質(zhì)量較好的半導(dǎo)體激光器，聚合物光纖預(yù)制棒17豎直放置在載物臺(tái)上的夾具15中，預(yù)制棒17的軸向與光軸垂直。CCD攝像機(jī)6的信號(hào)輸出口與圖像處理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)9信號(hào)輸入口相連。
利用上述儀器進(jìn)行的聚合物光纖預(yù)制棒折射率測試的方法為光源1照射在光纖預(yù)制棒17的側(cè)面上，沿著預(yù)制棒17的直徑方向傳輸后到達(dá)CCD攝像機(jī)6的探測面上、并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像處理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)9中，利用折射率分布測試程序進(jìn)行模擬和處理后在計(jì)算機(jī)顯示器上給出光纖預(yù)制棒的折射率分布曲線。
本發(fā)明依據(jù)的應(yīng)用光學(xué)原理因?yàn)轭A(yù)制棒17是沿徑向從中心到邊緣折射率遞減分布的圓柱棒，因而可看作一個(gè)非常理想的柱透鏡，根據(jù)所測量的光纖預(yù)制棒折射率沿徑向逐漸變化分布的特點(diǎn)，將梯度型折射率分布的光纖預(yù)制棒看成由很多折射率不同的薄圓筒層組成，當(dāng)薄圓筒層足夠薄就可認(rèn)為層內(nèi)的折射率不變，且相鄰兩層的折射率變化很小，從光源發(fā)出的細(xì)光束從圓柱棒的側(cè)面垂直于軸線照射進(jìn)入預(yù)制棒17，光線在相鄰薄層的分界面上光線發(fā)生連續(xù)折射，最后從預(yù)制棒17另一側(cè)出射出來。出射的光束用CCD攝像6采集信號(hào)以得到精確的出射光線位置，通過計(jì)算機(jī)9進(jìn)行蒙特卡羅算法數(shù)據(jù)擬合得到預(yù)制棒17的折射率分布曲線。
蒙特卡羅(Monte Carlo)方法，又稱隨機(jī)抽樣或統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法，屬于計(jì)算數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，它是在本世紀(jì)四十年代中期為了適應(yīng)當(dāng)時(shí)原子能事業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法由于不能逼近真實(shí)的物理過程，很難得到滿意的結(jié)果，而蒙特卡羅方法由于能夠真實(shí)地模擬實(shí)際物理過程，故解決問題與實(shí)際非常符合，可以得到很圓滿的結(jié)果。這也是本發(fā)明采用該方法的原因。
由于被測樣品折射率呈梯度分布性，中心最大，隨著半徑的增大而逐漸變小。具有聚焦功能，對(duì)進(jìn)入預(yù)制棒17內(nèi)的有效光進(jìn)行聚焦，迫使光在棒中傳播過程中逐漸地向軸線方向折回靠攏，形成會(huì)聚作用。設(shè)預(yù)制棒17的折射率沿其徑向分布用n(r)表示，將其細(xì)分成若干層后，只要分得足夠多，則每一層的折射率都相同，光線以h高度入射后，在每一層中光路不會(huì)改變，但在相鄰兩層的分界面上發(fā)生折射，這樣，經(jīng)過一系列折射后，光線從另一端出射，出射的位置y(h)和折射率分布有關(guān)，可建立模型y(h)＝f(n(r))h式中y(h)-光線出射時(shí)的位置，h-光線入射位置，f(n(r))-為所求的與折射率分布函數(shù)(曲線)，根據(jù)應(yīng)用光學(xué)中的折射定律對(duì)掃描光線進(jìn)行追跡，計(jì)算其在預(yù)制棒內(nèi)的傳播路徑，這個(gè)追擊過程可由計(jì)算機(jī)9自動(dòng)完成。這樣就需要先假定出一組折射率分布ni，在這個(gè)基礎(chǔ)上通過上述的光線行進(jìn)過程得到出射位置的高度，由于這是在假定的折射率分布上得到的，所以它與實(shí)際測量的數(shù)據(jù)有誤差。通過假定的折射率分布計(jì)算可以得到在觀察平面上的理論高度xi，通過實(shí)驗(yàn)多次測量可以得到實(shí)際測量高度x’，建立評(píng)價(jià)函數(shù)φ(n＝∑(xi-xi’)2通過求取φ(n)的最小值，可實(shí)現(xiàn)對(duì)ni的反復(fù)修正，當(dāng)φ(n)趨近于0時(shí)，就可認(rèn)為這時(shí)候得到的ni即為實(shí)際的預(yù)制棒17折射率分布。這個(gè)修正過程通過蒙特卡羅算法實(shí)現(xiàn)。蒙特卡羅算法是在已知求根區(qū)域，選定初始值或隨機(jī)給出初值，采用隨機(jī)搜索和確定性迭代方法結(jié)合求解非線性方程組，它對(duì)初始值的依賴小，能夠跳出局部極值，在整個(gè)求解范圍內(nèi)找到最優(yōu)解。
這樣建立數(shù)學(xué)模型后，采用多組入射高度測得的結(jié)果數(shù)據(jù)按上式組成方程組進(jìn)行蒙特卡羅算法擬合，由此就可以獲得預(yù)制棒的折射率分布。
也就是說，本發(fā)明基于幾何光學(xué)的光線傳輸原理，利用CCD圖像技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理軟件，利用蒙特卡羅算法進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)制棒的折射率分布的測試。整個(gè)裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便、直觀，造價(jià)低，便于測量等特點(diǎn)。
根據(jù)上述原理，結(jié)合便于實(shí)施、測量、精度等方面的綜合考慮，整個(gè)測試儀分為圖像形成系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)兩部分(參見圖1)。其中，光源1、衰減器2、光闌3、聚焦系統(tǒng)4、載物臺(tái)5(連有步近電機(jī)16)、CCD攝像機(jī)6等依次放在高精度的工作平臺(tái)7上，可各自調(diào)整它們的二維或三維位置，使它們的光軸準(zhǔn)直；上述部件均置于殼體8內(nèi)、構(gòu)成測試儀的圖像形成系統(tǒng)；殼體的蓋板應(yīng)便于打開、以方便放置光纖及調(diào)整載物臺(tái)等部件的位置，測試時(shí)則將蓋板蓋上使圖像形成系統(tǒng)成為一個(gè)準(zhǔn)封閉的系統(tǒng)以保證圖像不受外界背景光線的影響。圖像處理系統(tǒng)9可選用常規(guī)的帶有視頻信號(hào)采集卡的計(jì)算機(jī)(例如PC機(jī))，它的放置應(yīng)方便其本身操作以及與CCD攝像機(jī)6之間的通訊連線。CCD攝像機(jī)6的信號(hào)輸出口與圖像處理系統(tǒng)9的信號(hào)輸入口(例如視頻信號(hào)采集卡的接口)相連，將圖像的信號(hào)傳輸?shù)綀D像處理系統(tǒng)9中，同時(shí)還連有步近電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路16以控制載物臺(tái)的移動(dòng)。
光源1發(fā)出的細(xì)光束光經(jīng)過衰減器2調(diào)整光強(qiáng)，然后通過光闌3和聚焦系統(tǒng)會(huì)聚后照射到置于載物臺(tái)5上的夾具15中的聚合物光纖預(yù)制棒17側(cè)面，通過在預(yù)制棒17中的一系列折射、從光纖預(yù)制棒的另一面出射，成像于高清晰度的CCD攝像機(jī)6的探測面上，CCD攝像機(jī)6再將所攝得的聚合物光纖預(yù)制棒17出射端光線的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像處理系統(tǒng)9中進(jìn)行分析處理。采集一個(gè)位置的出射數(shù)據(jù)后，計(jì)算機(jī)9控制步近電機(jī)16帶動(dòng)載物臺(tái)5移動(dòng)相應(yīng)距離進(jìn)行下一位置的測量。
在測試過程中預(yù)制棒17的中心定位和測試位置的移動(dòng)對(duì)測試結(jié)果是至關(guān)重要的，也就是說中心定位和移動(dòng)是否準(zhǔn)確將直接影響系統(tǒng)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。定位與移動(dòng)的準(zhǔn)確必須從電氣和機(jī)械兩個(gè)方面給予保證。在測試開始前，光束應(yīng)位于預(yù)制棒17的中心處，即光線直接沿直徑出射，不會(huì)發(fā)生折射。同時(shí)，應(yīng)使一些部件可進(jìn)行三維精確調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確定位。光學(xué)系統(tǒng)中光線光斑的大小、均勻性、光闌大小、聚焦系統(tǒng)的性能等也會(huì)影響出射光線的位置，在系統(tǒng)設(shè)置中亦應(yīng)采用適當(dāng)手段進(jìn)行調(diào)整。測試位置的移動(dòng)由計(jì)算機(jī)9控制步進(jìn)電機(jī)16帶動(dòng)載物臺(tái)5平行移動(dòng)，完成對(duì)各個(gè)入射光線位置的測試并保證移動(dòng)的精度。下面具體說明①機(jī)械系統(tǒng)(參見圖2、圖3、圖4)光源1、衰減器2、光闌3、聚焦系統(tǒng)4、載物臺(tái)5、CCD攝像機(jī)6等都通過支架10放在工作平臺(tái)7的導(dǎo)軌11上。支架和導(dǎo)軌的加工精度(尤其是導(dǎo)軌的直線度)應(yīng)達(dá)到0.5mm以上、兩者為滑動(dòng)配合；支架與導(dǎo)軌之間可作前后方向(即平行于導(dǎo)軌軸向)的水平相對(duì)移動(dòng)，可由機(jī)械卡件(如安裝在“-L”形槽12中的螺栓螺母)將其固定在特定位置，導(dǎo)軌上有刻度，可顯示支架在導(dǎo)軌上的位置及其沿導(dǎo)軌的水平位移量；支架上還應(yīng)設(shè)置垂直移動(dòng)機(jī)構(gòu)13(如常用的絲桿機(jī)構(gòu)或滑套機(jī)構(gòu)，可采用緊定螺釘作為機(jī)械卡件)，可使支架與導(dǎo)軌之間作上下方向(即縱向垂直于導(dǎo)軌軸向)的相對(duì)移動(dòng)。由此，各部件在支架帶動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)軌之間的二維移動(dòng)。載物臺(tái)上用以固定光纖預(yù)制棒的夾具15采用自定心透鏡夾持器。該裝置有自定心結(jié)構(gòu)(裝卡任意直徑光學(xué)元件時(shí)，保證光學(xué)元件的中心高度不變)，在測試中，可以很方便的更換不同直徑的光線預(yù)制棒17。載物臺(tái)側(cè)面固定步進(jìn)電機(jī)16，在驅(qū)動(dòng)電路19的控制下，帶動(dòng)夾具及光纖預(yù)制棒進(jìn)行相應(yīng)的水平移動(dòng)，改變光線的入射位置，進(jìn)行多點(diǎn)測量。個(gè)別部件若需作精確調(diào)整，還可在支架上設(shè)置常用的螺紋微調(diào)器14，微調(diào)器可以是一維、二維或三維，微調(diào)器上有精確刻度(達(dá)到0，01mm以上)、以顯示其相對(duì)位移量。支架及其移動(dòng)機(jī)構(gòu)、微調(diào)器等的具體結(jié)構(gòu)可根據(jù)所支持部件的具體需要而定。
②光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的好壞將直接影響出射光線的位置，進(jìn)而也影響到測量的結(jié)果，當(dāng)使用CCD攝象機(jī)6時(shí)，其視場中照明的均勻性會(huì)直接影響到檢測結(jié)果。為此，應(yīng)采用氦氖激光器照明，照明強(qiáng)度的調(diào)節(jié)可由光源出射方向所加的連續(xù)可調(diào)衰減器2來實(shí)現(xiàn)。在衰減器2后使用光闌3則可有效調(diào)節(jié)光通量和視場大??；此外，還選用高質(zhì)量的10倍顯微物鏡4作為聚焦系統(tǒng)4以使其有較好的光學(xué)效果，盡量減小光斑較大等因素對(duì)出射位置的影響；聚焦系統(tǒng)4和光闌3都最好設(shè)計(jì)位置可以調(diào)節(jié)，以便方便地進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，CCD攝象機(jī)6的光譜響應(yīng)范圍應(yīng)與光源1相匹配。CCD攝象機(jī)6得到的數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換卡19輸入計(jì)算機(jī)9。
通過上述圖象形成系統(tǒng)，可使圖象處理系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)9得到準(zhǔn)確的細(xì)光束出射端面位置數(shù)據(jù)，由此，就可在圖像處理系統(tǒng)中利用折射率分布測試程序處理后得到光纖預(yù)制棒17的折射率分布曲線，并以相應(yīng)的形式保存或通過打印機(jī)20打印。
對(duì)折射率分布的計(jì)算步驟如下計(jì)算光線追擊程序先假定將光纖預(yù)制棒17橫截面沿徑向分成若干層，層間距離d根據(jù)預(yù)制棒17的直徑和分層數(shù)目得出。細(xì)光束進(jìn)入預(yù)制棒17以后發(fā)生折射(參見圖5)，會(huì)依次地通過橫截面內(nèi)的各個(gè)層，通過數(shù)學(xué)方法求出光線通過某一層時(shí)，該折射點(diǎn)距離截面圓心的距離，由于折射率按照同心圓規(guī)律在徑向變化，可以通過求出折射點(diǎn)到圓心的距離得到折射點(diǎn)處的折射率，就可以用幾何光學(xué)中的折射定律求出折射角，光線在預(yù)制棒17中的傳播發(fā)生了一定的角度偏轉(zhuǎn)，然后該光線會(huì)折射進(jìn)入下一個(gè)層再進(jìn)行折射，產(chǎn)生新的角度偏轉(zhuǎn)，最后通過預(yù)制棒17的表面折射出去，就能計(jì)算出光線投射到觀察平面上的高度。
需要注意的是，假設(shè)分層數(shù)M為偶數(shù)，則光線必然通過直徑位置I＝M/2-1，其中中心線上的投影距離是相等的，兩邊的折射率有相同，那么不發(fā)生折射，如圖6所示。有兩個(gè)量不變hi＝hi-1，αi+1＝ai。其余各變量的算法和上面一樣。當(dāng)然分層數(shù)也可以是奇數(shù)，那時(shí)算法又會(huì)不一樣，具體光路圖不做詳細(xì)介紹。各個(gè)變量的計(jì)算公式和光路追跡時(shí)差不多，唯一不同的就是入射角的算法。
因?yàn)榉謱訑?shù)可以自由給定，所以以上兩種方法都可以。只是在程序上有所不同，需要區(qū)別對(duì)待。在這里我們采用偶數(shù)分層。
這樣依據(jù)折射定律，光線如此反復(fù)通過預(yù)制棒內(nèi)的分層，當(dāng)折射點(diǎn)到圓心距離大于半徑時(shí)，即可判定上一次折射既是最后一次在預(yù)制棒內(nèi)的折射。如果在所有分層處折射點(diǎn)到中心的距離都小于或等于半徑，那么就是在最后依次折射后光線才會(huì)射出預(yù)制棒。
如圖7，最后一次出射光線在接收屏上離開中心線的距離為x＝fabs(-[L+R-si-yi×tg(bi-ci)]×tg(bi-ci))通過上面的計(jì)算就可根據(jù)初步給定的折射率分布得到該分布下的光線出射的高度x，這個(gè)高度與折射率分布有關(guān)，而當(dāng)折射率分布改變時(shí)，光線的出射高度也會(huì)改變。將待測預(yù)制棒放入光路中，使細(xì)光束入射到光纖預(yù)制棒17，光線在預(yù)制棒17中發(fā)生偏折后出射，通過CCD攝像機(jī)6采用多次測量方法接收投射到觀察表面光斑中心的高度，并紀(jì)錄下光線從預(yù)制棒出射后進(jìn)入CCD攝像機(jī)6像素的位置，根據(jù)預(yù)制棒17與CCD攝像機(jī)6的距離，可計(jì)算出光線在離開預(yù)制棒17時(shí)的位置。將這個(gè)位置帶入計(jì)算機(jī)9的數(shù)據(jù)處理程序，即在實(shí)際測量結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，運(yùn)用蒙特卡羅算法對(duì)假定的折射率分布進(jìn)行反復(fù)的修正，直到最后評(píng)價(jià)函數(shù)趨向于一個(gè)很小的值，此時(shí)折射率分布也趨向于其真實(shí)分布，最后利用MATLAB中的曲線擬合函數(shù)將得到的折射率分布擬合成光滑的曲線并繪圖，輸出結(jié)果。整個(gè)計(jì)算過程由相應(yīng)的計(jì)算機(jī)9中處理軟件完成。
綜上所述，本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于將CCD圖象技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖象處理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、細(xì)光束掃描法等結(jié)合在一起，提出了一種可對(duì)聚合物光纖預(yù)制棒17折射率分布進(jìn)行測量的集成化儀器及方法，整個(gè)測量系統(tǒng)具有很高的測量精度及自動(dòng)化程度，可調(diào)性好。因此，本發(fā)明不僅使用靈活方便、還可對(duì)包括石英光纖預(yù)制棒在內(nèi)的各種尺寸的光纖預(yù)制棒進(jìn)行測量。
本系統(tǒng)特點(diǎn)1.該系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)不同直徑的聚合物光纖預(yù)制棒的折射率分布的測量，還可對(duì)其他材料的梯度光纖預(yù)制棒進(jìn)行測量。
2.系統(tǒng)各部分(包括機(jī)械系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng))均可靈活方便地進(jìn)行調(diào)整且精確度高，通光均勻，使成象效果好，系統(tǒng)可靠性高。
3.現(xiàn)有折射率測試方法的基礎(chǔ)上提出細(xì)光束掃描測量法，采用蒙特卡羅算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并給出實(shí)現(xiàn)測試的裝置，并由計(jì)算機(jī)通過驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)來控制樣品的移動(dòng)，與傳統(tǒng)的機(jī)械細(xì)分法相比，操作方便，也很好的保證了每次移動(dòng)都具有較高的精度。
4.整個(gè)測試過程自動(dòng)控制，采用向?qū)接脩艚缑?，輸入方便，直觀，測試結(jié)果可以直接顯示并保存。
5.整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便、直觀，造價(jià)低，便于測量。是一個(gè)較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的測量方法。


附圖1為聚合物光纖預(yù)制棒折射率測試儀總體結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為測試儀載物臺(tái)與工作平臺(tái)之間聯(lián)接結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3為測試的光纖預(yù)制棒的示意圖；附圖4為裝置電路控制示意圖；附圖5為光線追擊的入射原理圖；附圖6為光線通過直徑處的追跡原理圖；附圖7為光線追擊的出射原理圖；附圖8為折射率測試程序流程圖；附圖9為第一實(shí)施例測試的折射率分布圖；(圖中橫軸表示預(yù)制棒的半徑，單位為毫米，縱軸表示相對(duì)于預(yù)制棒邊緣的折射率差值)；
附圖10為第二實(shí)施例測試的折射率分布圖。(圖中橫軸表示預(yù)制棒的半徑，單位為毫米，縱軸表示相對(duì)于預(yù)制棒邊緣的折射率差值)。
其中1光源、2光闌、3衰減器、4聚焦系統(tǒng)(顯微物鏡)、5載物臺(tái)、6CCD攝像機(jī)、7工作平臺(tái)、8殼體、9計(jì)算機(jī)、10支架、11導(dǎo)軌、12L形槽、13垂直移動(dòng)機(jī)構(gòu)、14螺紋微調(diào)器、15夾具、16固定步進(jìn)電、17預(yù)制棒、18A/D轉(zhuǎn)換卡、19驅(qū)動(dòng)電路、20打印機(jī)。
本發(fā)明的整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便、直觀，造價(jià)低，便于測量。測試精確度高，通光均勻，使成象效果好，系統(tǒng)可靠性高。整個(gè)測試過程自動(dòng)控制，采用向?qū)接脩艚缑?，輸入方便，直觀，測試結(jié)果可以直接顯示并保存。是一個(gè)較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的測量方法。
具體實(shí)施例方式
通過以下實(shí)施例將有助于理解本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例來詳細(xì)描述本發(fā)明。
本發(fā)明的設(shè)備由光源1、光闌2、衰減器3、聚焦系統(tǒng)4、載物臺(tái)5和連接有或者不連接打印機(jī)20的CCD攝像機(jī)6都通過支架10放在工作平臺(tái)7的有刻度顯示的導(dǎo)軌11上，上述部件均置于殼體8內(nèi)構(gòu)成；所述的支架10和導(dǎo)軌11兩者為滑動(dòng)配合能作前后方向即平行于導(dǎo)軌軸向的水平相對(duì)移動(dòng)；所述的支架10上還設(shè)置使支架10與導(dǎo)軌11之間作縱向垂直于導(dǎo)軌11軸向方向的相對(duì)移動(dòng)的垂直移動(dòng)機(jī)構(gòu)13以及設(shè)有螺紋微調(diào)器14；所述的載物臺(tái)5上有用以固定光纖預(yù)制棒的夾具15；所述的載物臺(tái)5側(cè)面連接有在驅(qū)動(dòng)電路19的控制下、帶動(dòng)夾具15及光纖預(yù)制棒17進(jìn)行相應(yīng)的水平移動(dòng)的固定步進(jìn)電機(jī)16所述的CCD攝像機(jī)6通過A/D轉(zhuǎn)換卡19與有或者不連接打印機(jī)20的具有處理軟件的計(jì)算機(jī)9連接；所述的計(jì)算機(jī)電路同時(shí)連接固定步進(jìn)電機(jī)16和CCD攝像機(jī)6。
照明光源1采用的是氦氖激光器。連續(xù)可調(diào)的衰減器2采用的是兩片偏正濾色鏡(marumi P.L 55mm)構(gòu)成，光闌3的孔徑分別為0.4mm，采用十倍顯微物鏡4作為聚焦系統(tǒng)，光源1、衰減器2、光闌3、聚焦系統(tǒng)4、CCD攝象機(jī)6的支架10與導(dǎo)軌11之間為二維移動(dòng)，載物臺(tái)5的支架10與導(dǎo)軌11之間為三維移動(dòng)、載物臺(tái)5支架上設(shè)置的螺紋微調(diào)器14亦為三維、其調(diào)節(jié)范圍為各±3mm。夾具15采用GCM-04自定心透鏡夾持器，利用螺釘固定在載物臺(tái)5上。步進(jìn)電機(jī)16采用42BYG250B型號(hào)，步進(jìn)角為0.9°/1.8°。CCD攝象機(jī)6選用分辨率較高的WAT-902H(CCIR)型1/2英寸面陣CCD攝象機(jī)，其象素間距約為8pm，可分辨的最低照度0.002LUXF1.4，信噪比優(yōu)于46dB，且光譜響應(yīng)范圍與光源相匹配。圖象處理系統(tǒng)9選用帶有Windows操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)9，其處理軟件采用VB語言編寫、Windows操作界面，使用方便。
具體操作過程將東華大學(xué)生產(chǎn)的直徑為16mm長度為100mm的聚合物光纖預(yù)制棒17用夾具15固定放置在載物臺(tái)5上。并通過手動(dòng)調(diào)整光源1、光闌3、衰減器2、聚焦系統(tǒng)4、載物臺(tái)5、CCD攝像機(jī)6的支架10在導(dǎo)軌11上的位置，調(diào)整到位時(shí)可用機(jī)械卡件鎖緊，使之基本滿足光學(xué)系統(tǒng)成象的要求，此即粗調(diào)過程；打開光源1、連續(xù)旋轉(zhuǎn)衰減器3來調(diào)節(jié)所需的合適光強(qiáng)，再利用載物臺(tái)5支架10的螺紋微調(diào)器14進(jìn)行精調(diào)，使圖象處理系統(tǒng)中的顯示器屏幕上所給出的光線出射斑點(diǎn)達(dá)到所需要的大小。運(yùn)行折射率測試程序，按提示輸入入射光線位置移動(dòng)個(gè)數(shù)50；預(yù)制棒17直徑上的位置2.5mm；各個(gè)測試點(diǎn)的間隔，即計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)步長50μm；預(yù)制棒17的直徑R16mm；測試預(yù)制棒17沿徑向分步的折射率個(gè)數(shù)i20；預(yù)制棒17的分層數(shù)目m100；初始給定預(yù)制棒17的折射率分布初值。在實(shí)施例1中全部為1.459，開始測試，在計(jì)算機(jī)9的自動(dòng)控制下完成數(shù)據(jù)的采集和處理，在顯示器屏幕上直接給出折射率沿徑向分布的曲線(如圖9)實(shí)施例2為另一直徑為20mm長50mm的預(yù)制棒17，所進(jìn)行的過程與實(shí)施例1相同，在圖10中給出測試結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種聚合物光纖預(yù)制棒折射率的細(xì)光束掃描測量裝置，其特征是由下述設(shè)備構(gòu)成圖像形成系統(tǒng)由光源1、光闌2、衰減器3、聚焦系統(tǒng)4、載物臺(tái)5和連接有或者不連接打印機(jī)20的CCD攝像機(jī)6都通過支架10放在工作平臺(tái)7的有刻度顯示的導(dǎo)軌11上，上述部件均置于殼體8內(nèi)構(gòu)成；所述的支架10和導(dǎo)軌11兩者為滑動(dòng)配合能作前后方向即平行于導(dǎo)軌軸向的水平相對(duì)移動(dòng)；所述的支架10上還設(shè)置使支架10與導(dǎo)軌11之間作縱向垂直于導(dǎo)軌11軸向方向的相對(duì)移動(dòng)的垂直移動(dòng)機(jī)構(gòu)13以及設(shè)有螺紋微調(diào)器14；所述的載物臺(tái)5上有用以固定光纖預(yù)制棒的夾具15；所述的載物臺(tái)5側(cè)面連接有在驅(qū)動(dòng)電路19的控制下、帶動(dòng)夾具15及光纖預(yù)制棒17進(jìn)行相應(yīng)的水平移動(dòng)的固定步進(jìn)電機(jī)16；所述的CCD攝像機(jī)6通過A/D轉(zhuǎn)換卡19與具有處理軟件的計(jì)算機(jī)9連接；所述的計(jì)算機(jī)9連接或者不連接打印機(jī)20，計(jì)算機(jī)9的電路同時(shí)連接固定步進(jìn)電機(jī)16和CCD攝像機(jī)6。
2.如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征是所述的導(dǎo)軌的直線度0.5mm以上。
3.如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征是所述的垂直移動(dòng)機(jī)構(gòu)13是常用的絲桿機(jī)構(gòu)或滑套機(jī)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征是所述的支架上設(shè)有螺紋微調(diào)器14。
5.如權(quán)利要求1所述的光纖預(yù)制棒折射率分布的測量裝置的測試方法，其特征是所述的夾具15是自定心透鏡夾持器。
6.如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征是所述的聚焦系統(tǒng)4是高倍顯微物鏡。
7.如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征是所述的光源1是氦氖激光器。
8.如權(quán)利要求1所述的光纖預(yù)制棒折射率分布的測量裝置的測試方法，其特征是用夾具15固定聚合物光纖預(yù)制棒17放置在載物臺(tái)5上，通過調(diào)整光源1、光闌2、衰減器3、聚焦系統(tǒng)4、載物臺(tái)5、CCD攝像機(jī)6的支架10在導(dǎo)軌11上的位置，用機(jī)械卡件鎖緊，；打開光源1、連續(xù)旋轉(zhuǎn)衰減器2來調(diào)節(jié)光強(qiáng)，再利用載物臺(tái)5的支架10上的螺紋微調(diào)器14進(jìn)行精調(diào)，使圖象處理系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)9的顯示器屏幕上所給出的光線出射斑點(diǎn)達(dá)到所需要的大小，運(yùn)行折射率測試程序，按提示輸入入射光線位置移動(dòng)個(gè)數(shù)，初始給定預(yù)制棒17的折射率分布初值，在計(jì)算機(jī)9的自動(dòng)控制下完成數(shù)據(jù)的采集和處理，利用蒙特卡羅算法進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理，在計(jì)算機(jī)9的顯示器屏幕上直接給出折射率沿徑向分布的曲線。
9.如權(quán)利要求1所述的光纖預(yù)制棒折射率分布的測量裝置的測試方法，其特征是所述的蒙特卡羅算法是下述y(h)＝f(n(r))h獲得，式中y(h)-光線出射時(shí)的位置，h-光線入射位置，f(n(r))-為所求的與折射率分布函數(shù)。
10.如權(quán)利要求1所述的光纖預(yù)制棒折射率分布的測量裝置的測試方法，其特征是所述的在計(jì)算機(jī)9的顯示器屏幕上顯示結(jié)果直接通過打印機(jī)20打印出來。
全文摘要
本發(fā)明是一種聚合物光纖預(yù)制棒折射率分布測試儀及其測試方法。它采用一種新的測試方法和設(shè)備精確方便地測量梯度折射率聚合物光纖預(yù)制棒沿徑向的折射率分布。整個(gè)測試儀由圖像形成系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)兩部分組成，其中圖像形成系統(tǒng)由光源、衰減器、光闌、聚焦系統(tǒng)、載物臺(tái)、CCD攝像機(jī)依次放置在位于殼體內(nèi)的工作平臺(tái)上構(gòu)成，光纖預(yù)制棒放置在載物臺(tái)上的夾具中，CCD攝像機(jī)的信號(hào)輸出口與圖像處理系統(tǒng)的信號(hào)輸入口相連。它利用CCD圖像技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理軟件，利用蒙特卡羅算法進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)制棒的折射率分布的測試。整個(gè)裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便、直觀，造價(jià)低，便于測量等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/41GK1776411SQ20051003083
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月28日
發(fā)明者周鴻穎, 陳家璧, 邱高 申請(qǐng)人:東華大學(xué)